钻孔动力特性与多参量指标预测冲击地压的试验研究

作     者：刘宝龙 

作者单位：辽宁工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郝志勇

授予年度：2020年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：钻机 钻屑 吸钻及卡钻现象 冲击地压 钻孔多指标 FEM-SPH耦合算法 

摘      要：冲击地压是煤岩体失稳破坏形成的重大动力灾害,严重影响煤矿安全开采。冲击地压灾害的发生造成巨大人员伤亡和财产损失。为有效对其进行准确防控,国内外众多学者利用钻屑法对冲击地压进行预测和评价。钻屑法是利用每米钻屑质量来表征煤体应力值进而预测冲击地压危险性以及评价危险等级的一种简单易行的方法。然而在煤矿井下应用钻屑法对冲击地压进行预测和评价过程中,一方面由于钻屑收集不全以及仅依靠钻屑量单一指标严重影响测试结果,另一方面矿井工作面开采煤层因注水不利于钻屑量的测试,最后一方面因在使用钻屑法钻孔过程中,经常出现吸钻和卡钻钻孔动力现象。因此,本文针对上述钻屑法存在的不足及吸钻和卡钻钻孔动力现象,开展钻孔动力特性与多指标预测冲击地压试验研究,旨在提高预测和评价冲击地压危险等级的可靠性,探索冲击地压动力灾害危险性和敏感性钻孔多参量新指标,提出深部煤岩动力灾害危险区精准探测新方法与技术。本文基于矿用钻机钻削破煤的力学模型及产屑和排屑模型,通过分析钻杆载荷特性和钻机产屑速度与排屑速度动态关系来分别揭示吸钻和卡钻的发生机理,并定性分析了钻孔多指标同煤体应力间的关系。随后利用课题组自主研发的钻孔多指标测试系统展开室内试验和现场实验,确定煤体应力和推进速度对钻孔多指标影响规律,借助钻孔多指标的变化规律来研究相关因素对吸钻和卡钻发生风险的影响。作为钻机排屑规律研究内容的补充,结合试验利用FEM-SPH偶合算法对钻机破煤时的钻杆载荷特性及排屑性能进行了模拟研究,通过对仿真结果的分析不仅证明其可靠性,而且也得到了一定的有益结论。研究结果表明,在一定条件下,钻机产屑速度随着煤体应力的增加而增大,而钻杆推力和扭矩随煤体应力的升高分别减小和增大,钻杆扭矩作为中间量间接影响钻杆转速变化,其随煤体应力变化规律与钻杆转速呈相反变化规律。在一定条件下,钻机产屑速度和推进速度呈正相关关系,钻杆扭矩、推力与钻机推进速度呈正相关关系,钻杆转速和钻机推进速度呈负相关关系。结合理论分析利用钻孔多指标变化规律研究结果侧面反映相关因素对吸钻和卡钻发生倾向的影响规律,即在一定条件下,钻杆所受钻机推力随着煤体应力增加而下降,这种下降趋势表明吸钻正在发生,其下降幅度随煤体应力增加而增大,吸钻现象越明显。煤体应力环境和钻机推进速度对卡钻发生概率有显著影响,随煤体应力和推进速度增加,钻机产屑速度与排屑速度分别升高和降低,卡钻发生风险进一步增加。上述研究成果不仅得到钻孔指标随煤体应力的变化规律,初步证实了钻孔多指标预测冲击地压的科学性,而且论文通过Origin软件对现场测试数据进行回归分析来初步确定施工区域钻孔指标的临界值。通过对吸钻和卡钻现象的机理分析及实验研究发现,单从钻进过程考虑无法消除吸钻现象,吸钻现象很大程度受应力环境的影响,消除此类现象最根本的方法是通过钻孔卸压或煤层注水等方法降低施工区域的煤体应力。对于卡钻现象,通过选择合理的钻进参数来提高钻机的排屑速度和降低钻机的产屑速度是避免此类动力现象较经济的手段,主要原则为在保证施工效率的条件下尽可能选取较小的推进速度。该论文有图64幅,表17个,参考文献60篇。