煤矿巷道含软弱夹层底板锚固孔钻进过程研究.pdf

全日制全日制硕士硕士学位论文学位论文 煤矿巷道含软弱夹层底板锚固孔钻进过程研究煤矿巷道含软弱夹层底板锚固孔钻进过程研究 申请人姓名 罗亚飞 指 导 教 师 刘少伟 教授 学 位 类 别 工学硕士 专 业 名 称 矿业工程 研 究 方 向 矿山压力与岩层控制 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二二○○一八年六一八年六月月 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号TD353 密密 级公开级公开 UDC 622 单位代码单位代码 10460 煤矿巷道含软弱夹层底板锚固孔钻进过程煤矿巷道含软弱夹层底板锚固孔钻进过程 研究研究 Study on the Drilling Process of Anchorage Hole with Weak Intercalated Layer in the Roadway 申请人姓名申请人姓名 罗亚飞罗亚飞 申 请 学 位申 请 学 位 工学硕士工学硕士 学 科 专 业学 科 专 业 矿业矿业工程工程 研 究 方 向研 究 方 向 矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 导师导师 刘少伟刘少伟 职称职称 教授教授 提 交 日 期提 交 日 期 2018.03 答 辩 日 期答 辩 日 期 2018.06 河南理工大学 万方数据 万方数据 致 谢 三年的研究生时光匆匆而过，毕业在即，心中万分感慨，从当初不懂事的青葱少年， 到如今逐渐成熟稳重，一路走来，离不开恩师的栽培和同窗的支持。在论文的选题、研究 思路以及撰写过程中，恩师刘少伟都倾注了大量的心血，一遍遍不厌其烦的指导，从论文 开题、中期考核到论文写作结束，这期间刘老师都严格把关。刘老师为人谦虚、治学严谨， 关心学生生活、学习的各个方面，这些都让我终生受益，在此我表示衷心感谢。 在本论文资料的收集、实验、数值模拟以及撰写过程中得到了团队贾后省老师、张辉 老师、支光辉老师、苏发强老师的指导和帮助，在此一并表示感谢 感谢 2013 级师兄岳杰、尚鹏翔、张玉竞、常建超，2014 级师兄付孟雄、朱乾坤、乔 安震、程利兴以及师弟吉祥、李亮、王伟、王璐瑶、贺德印、李小鹏、高培成在论文写作 和实验室底板锚固孔钻进试验等方面给予的大力支持没有你们的帮助，本文不可能如此 顺利的完成，非常感谢 感谢在生活上一直关心帮助我的室友田敬、宋远和吴一帆 感谢父母、哥哥罗燕楠、妹妹罗媛媛，你们总是在我最困难的时候给予我无私的关怀 和帮助，是我今生为之奋斗的不竭动力 最后向对论文评审的专家和老师们表示深深的感谢恳请各位专家老师对论文中的不 足之处提出批评与指正。 罗亚飞 2018 年 2 月于河南理工大学 万方数据 I 摘摘 要要 煤系地层具有明显的层状结构特征，巷道在掘进及使用过程中常常会出现严重的底鼓 现象，锚杆-锚索支护技术以其优越的技术及经济优势越来越多的应用于煤矿巷道底板支 护。巷道底板锚固孔钻进是实现其锚固的关键环节，底鼓巷道底板岩层多数含有软弱夹层， 钻头穿过软弱夹层时孔壁岩石物理力学特征是其稳定性的重要因素。现场调研发现，在钻 进含软弱夹层底板锚固孔时，孔壁局部地段有掉块、剥落现象，这些体积较大的渣体落到 孔底后造成排渣困难，影响锚固孔成孔质量。 论文采用理论分析、数值模拟以及实验室试验相结合的方法，深入系统地分析底板锚 固孔钻进过程中影响锚固孔成孔质量的因素。研究结果发现施工底板钻孔时，钻进至软 弱夹层位置时钻孔出现扩径现象，围岩应力状态对钻孔扩径影响较明显，钻进动力对扩径 的程度影响并不明显。 从能量守恒原理出发，对锚固孔钻进过程中的能量进行分析。在一定动力条件下，钻 头穿过岩层交界面和软弱夹层时，能量曲线变化较为明显，响应性强。从钻头钻速和转速 的角度分析轴向推力做功与旋转扭矩做功，发现钻速、转速与钻头破岩做功之间存在较好 地响应关系。钻头破碎岩石 95以上的能量来自于旋转扭矩做功，而轴向推力做功相对较 小，不到钻具系统输出总能量的 5，总能量的变化曲线与扭矩做功的变化曲线基本一致。 钻渣颗粒的粒径越大，在自身重力作用下越不易排出孔外；锚固孔倾角的增大使得钻 渣易在下孔壁处堆积，与垂直钻孔相比，倾角的增大实质上是更有利于排渣；锚固孔的局 部扩径对整个排渣过程影响较大，扩径程度越大，钻渣滞留越严重。研究成果揭示了巷道 底板小孔径锚固孔孔壁失稳原因，为高质量锚固孔钻进提供理论支持。 关键词关键词锚固孔钻进；软弱夹层；扩径；钻进能量；排渣 万方数据 II 万方数据 III Abstract The Coal-bearing strata have obvious characteristics of layered structure. Roadway arranged in these places usually appears floor heave when drived or used. The technique of bolt and cable support has become the preferred way of layered rock reinforcement for significant technical and economic advantages. Anchor hole drilling is the key link to realize the anchoring, the majority of the floor heave contains weak intercalated layer, physical mechanics characteristic of hole-wall is the internal cause of the stability of drilling system through the weak intercalated layer. The site research that there are parts of local rock fall and collapse phenomenon in the drilling floor roadway containing weak intercalated layer and the large volume of slag discharge difficulty. This paper adopted the combination of theoretical analysis, numerical simulation and experiment in the lab. Study shows that the expansion phenomenon mainly appeared in the position of weak and broken rock strata; stress state has greater influence on the expansion of anchor hole; it is no obvious that the effect of drilling force on the extent of expansion. Based on the principle of energy conservation, the energy in the drilling process of anchorage hole is analyzed. Under certain dynamic condition, energy curve changes obviously and energy response is strong when the drill bits drilling through the interfaces of rock strata and the weak intercalated layer; when using drilling speed and rotary velocity analyze the work of axial force and the rotary torque, the response relationship of drilling speed, rotary velocity and work of drill bits cutting rock was found. More than 95 of the energy of the drill bits cutting rocks is from the work of the torque, while the work of axial thrust force is relatively small and less than 5 of the total energy output of the drill system, the change of total energy curve is basically consistent with the work change of rotary torque. The larger the particle size of drilling slag is, the more difficult it is to discharge out of the hole under the action of gravity. The increase of the angle of the anchorage hole makes the slag easily accumulated at the wall of the lower hole, and in contrast to the vertical hole, the increase of the angle of inclination is in fact more beneficial to the slag discharge. The local expansion of the anchorage hole has a great influence on the whole slag discharge process, the greater the degree of enlargement, the more serious the retention of the drills. The research reveals the stability of roadway floor of small diameter anchor hole, providing theoretical support for drilling high quality anchor hole. Keywords Anchor drilling; Weak intercalated layer; Expansion; Drilling energy; Pat slag 万方数据 IV 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ......................................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................. III 目目 录录 ....................................................................................................................................... V 1 绪论绪论 ...................................................................................................................................... 1 1.1 选题意义 ................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ....................................................................................................... 2 1.2.1 国内外岩石钻进特性研究现状 .................................................................... 2 1.2.2 国内外煤矿巷道锚固孔钻进特性研究现状 ................................................ 4 1.3 研究的内容和思路 ................................................................................................... 5 1.3.1 研究内容 ........................................................................................................ 5 1.3.2 研究思路 ........................................................................................................ 5 2 巷道底板锚固孔钻进过程理论分析巷道底板锚固孔钻进过程理论分析 ................................................................................. 7 2.1 煤巷底板岩层组成特点 ........................................................................................... 7 2.2 岩石物理力学参数 ................................................................................................... 7 2.3 岩石强度破坏准则 ................................................................................................... 9 2.4 PDC 锚杆钻头受力分析 ......................................................................................... 12 2.5 钻进过程中钻杆振动特性研究 ............................................................................. 14 2.5.1 钻杆横向振动动力学分析 .......................................................................... 15 2.5.2 钻杆纵向振动动力学分析 .......................................................................... 16 2.5.3 钻杆扭转振动动力学分析 .......................................................................... 16 2.6 钻进过程中能量响应研究 ..................................................................................... 17 2.7 巷道底板锚固孔钻进排渣方式 ............................................................................. 19 2.8 本章小结 ................................................................................................................. 20 3 巷道底板锚固孔钻进仿真模拟研究巷道底板锚固孔钻进仿真模拟研究 ............................................................................... 21 3.1 钻进模型构建及方案设计 ..................................................................................... 21 3.1.1 基本假设 ...................................................................................................... 21 3.1.2 有限元模型的建立 ...................................................................................... 21 3.2 钻头动态破岩过程分析 ......................................................................................... 22 3.2.1 钻头与岩层的接触面积分析 ...................................................................... 22 3.2.2 钻头受力分析 .............................................................................................. 24 万方数据 VI 3.2.3 钻进扭矩分析 .............................................................................................. 25 3.2.4 钻头破岩过程仿真模拟研究 ...................................................................... 27 3.2.5 钻进动力对钻孔扩径现象的影响 .............................................................. 29 3.2.6 应力状态对钻孔扩径现象的影响 .............................................................. 30 3.3 钻杆-钻头-岩层相互作用动态破岩仿真分析 ...................................................... 32 3.3.1 钻杆-钻头-岩层相互作用动态破岩仿真模型的建立 ............................... 32 3.3.2 钻杆与孔壁接触碰撞分析 .......................................................................... 33 3.3.3 钻杆横向振动分析 ...................................................................................... 35 3.3.4 钻杆纵向振动分析 ...................................................................................... 35 3.3.5 钻杆扭转振动分析 ...................................................................................... 36 3.4 钻头破岩能量分析 ................................................................................................. 37 3.4.1 钻进方案设计 .............................................................................................. 37 3.4.2 钻头轴向推力做功 ...................................................................................... 37 3.4.3 旋转扭矩功 .................................................................................................. 40 3.4.4 钻进总能量 .................................................................................................. 42 3.5 钻孔排渣过程模拟分析 ......................................................................................... 44 3.5.1 S49 系列标准检验筛 ................................................................................... 44 3.5.2 钻渣颗粒粒度 .............................................................................................. 45 3.5.3 模型的建立 .................................................................................................. 45 3.5.4 钻渣粒径对排渣的影响 .............................................................................. 45 3.5.5 不同锚固孔倾角下钻渣运移规律 .............................................................. 47 3.5.6 锚固孔局部扩径对排渣过程的影响 .......................................................... 50 3.6 本章小结 ................................................................................................................. 53 4 巷道底板锚固孔实验室钻进试验巷道底板锚固孔实验室钻进试验 ................................................................................... 55 4.1 相似模拟试验简介 ................................................................................................. 55 4.2 实验室相似模型配比 ............................................................................................. 55 4.3 强度测定 ................................................................................................................. 56 4.4 监测仪器的选择及工作原理 ................................................................................. 57 4.4.1 位移速度传感器 .......................................................................................... 57 4.4.2 振动传感器选取 .......................................................................................... 58 4.4.3 钻孔窥视仪 .................................................................................................. 60 4.4.4 数据处理系统 .............................................................................................. 60 万方数据 VII 4.5 底板锚固孔钻进过程 ............................................................................................. 61 4.6 结果处理 ................................................................................................................. 62 4.6.1 钻进速度分析 .............................................................................................. 62 4.6.2 钻杆振动分析 .............................................................................................. 63 4.6.3 钻孔扩径分析 .............................................................................................. 67 4.7 本章小结 ................................................................................................................. 68 5 结论与展望结论与展望 ........................................................................................................................ 69 5.1 主要结论 ................................................................................................................. 69 5.2 不足和展望 ............................................................................................................. 69 5.2.1 不足之处 ...................................................................................................... 69 5.2.2 展望 .............................................................................................................. 70 参考文献参考文献 ................................................................................................................................ 71 作者简历作者简历 ................................................................................................................................ 77 学位论文数据集学位论文数据集 .................................................................................................................... 79 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题意义 煤炭作为我国的主要能源， 在一次能源消耗结构中所占比例仍在 50以上。 近年来， 我国许多浅部煤炭资源逐渐枯竭， 煤炭资源进入深部开采已成为世界上众多采煤国家面 临的严峻问题[1]。迄今为止，我国已有近 47 个矿区的开采深度超过千米，开采深度以每 年 812m/a 的速度增加，在东部地区已有许多矿井相继进入深部开采阶段[2]，且开采深 度以每年大于 20m 的速度增加，如图 1-1 所示[3]。 图图 1-1 我国煤矿开采深度示意图我国煤矿开采深度示意图 Fig.1-1 Diagrammatic sketch of mining depth in China coal mines 由于煤矿开采深度的增加，在高应力作用下，巷道围岩容易表现出软岩的特性，而 且岩石的蠕变速度以及蠕变时间都在增大，矿山压力显现越来越剧烈。特别是在开采扰 动影响下，巷道周围的岩体承受着巨大的矿山压力，巷道周边岩体出现了明显的粘、塑 性变形和破坏，围岩滑移变形越来越强烈。此外，为适用综采、综放开采的需要，需加 大巷道断面及跨度、采用托顶煤支护等，使巷道的支护更加困难，且后期的维修工作量 较大， 影响煤矿企业的经济效益[4]。 巷道底板与顶板及两帮围岩是相互作用的统一整体， 由于巷道强烈的底鼓的作用[5]，将导致整个巷道围岩的失稳破坏，给煤矿安全生产带来 极大安全隐患，如图 1-2 所示。 锚杆（索）支护效果显著，经济效益明显，已经广泛应用于煤矿开采、岩土工程等 地下工程的维护领域， 对巷道围岩的控制取得了良好的效果[6-7]。 近年来， 底角锚杆 （索） 也开始巷道围岩的控制， 并在一些矿井的底鼓治理中取得较理想的效果。 底角锚杆 （索） 的作用机理是阻止底板软弱岩层膨胀、扩容为目的，将底板软弱岩层与下部地稳定岩层 连接起来，增强围岩的整体强度；底板锚杆（索）控制底鼓的效果主要受底板岩层性质、 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 巷道地应力水平的影响、锚杆加固参数等因素的影响。底板锚杆（索）孔钻进效果影响 因素众多，如钻进动力、底板岩石力学特征、排渣方法等多方面因素，使巷道底板锚杆 （索）孔形状、深度均不理想[8]。 图图 1-2 煤矿巷道底鼓显现煤矿巷道底鼓显现 Fig.1-2 Condition of roadway deation and destruction 综上所述，巷道底板锚固孔钻进是实现锚杆（索）支护的必经步骤。锚固孔尺寸及 孔壁稳定性是锚固质量的关键影响因素。成孔直径小（三径匹配） 、钻进速度快、钻孔 深度大、孔壁完整稳定、无空气污染是高质量巷道底板锚固孔的重要指标。因此，研究 巷道底板锚固孔钻进过程对分析解决钻渣堵塞和部分地段钻孔失稳具有重要意义， 同时 对深部巷道底臌的有效治理起着重要的作用。 1.2 国内外研究现状 岩石钻进特征研究始于上世纪 50 年代，主要集中于石油钻进及岩土工程领域，许 多学者先后在凿岩机具动力分析、 岩石破碎机理和凿岩机性能参数测试等方面进行了较 系统的研究，取得了一些重要成果[9-14]。 1.2.1 国内外岩石钻进特性研究现状 在石油钻进领域，林铁军[15]教授利用 ABAQUS 有限元数值模拟软件，以空气作为 排渣介质，对钻井过程进行仿真模拟研究，得出井底岩石受到较大拉应力的作用，空气 钻井中钻头破