煤巷液壓錨桿鉆機隨鉆參數采集系統(tǒng)及其應用

岳中文戴詩清李楊岳小磊李世輝曹武

1.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083;2.江西藍翔重工有限公司,江西萍鄉(xiāng) 337000;3.淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司煤業(yè)分公司,安徽淮南 232000

隨著煤炭資源開采深度不斷增加,地質構造條件越來越復雜,導致開挖難度和事故發(fā)生頻率不斷升高。據應急管理部發(fā)布的資料顯示,在過去10年煤炭開采各類事故中,頂板事故死亡人數占40% 以上[1]。如何降低事故發(fā)生頻率是目前煤礦生產中亟需解決的問題。煤礦巷道圍巖力學參數是巷道支護參數設計的基礎[2-3]。

巖石基本力學參數常規(guī)測試方法有室內實驗方法和現場測試方法[4-7]。室內實驗方法存在勘察精度低、耗費時間長、成本較高、沒有考慮現場原始應力場和溫度場等缺點;現場測試方法存在操作煩瑣、費時費力、測試能力單一等缺點。圍巖巖性隨鉆識別技術[8-10]則克服了以上缺點,該技術通過采集鉆機鉆孔過程中的隨鉆參數,包括鉆進深度、鉆進壓力、轉速、扭矩等,根據隨鉆參數的變化實時識別圍巖力學參數,進一步判斷圍巖巖性。國內外學者對隨鉆測量系統(tǒng)的研發(fā)做了很多工作。岳中琦等[11-12]在長期對鉆孔進行實時監(jiān)測的基礎上,研發(fā)了鉆孔過程監(jiān)測系統(tǒng)(DPM 系統(tǒng));譚卓英等[13]在DPM 系統(tǒng)的基礎上研發(fā)了地層地質界面識別系統(tǒng);李寧等[14]、宋玲等[15]研發(fā)了WCS-50 微機控制旋進式觸探儀,能夠實現不同加載條件下的旋切觸探實驗;王琦等[16-19]在前期巖土力學隨鉆理論的基礎上,研制了多功能真三軸巖體鉆探測試系統(tǒng)(室內TRD 系統(tǒng)),并進一步研發(fā)了本安型地下工程圍巖數字鉆探測試系統(tǒng)(現場SDT 系統(tǒng));王玉杰等[20]、曹瑞瑯等[21]采用激光位移、扭矩、轉速及液壓傳感器監(jiān)測鉆機的傳動部位,搭建了新型的地質鉆機數字鉆進監(jiān)測系統(tǒng);何明明[22]研制了XCY-1 型巖體力學參數旋切觸探儀,可以實現自動鉆進和自動識別巖體的力學參數、質量等級及結構面;于廣東等[23]研發(fā)了一套巖石單軸抗壓強度隨鉆識別系統(tǒng),實現了對煤巷頂板巖石單軸抗壓強度的實時識別;李鑫濤[24]、劉棟梁[25]研發(fā)了一套煤巷頂板錨固孔鉆進響應采集儀器,并分析了鉆機鉆速和轉速與巖石硬度的關系。加拿大Soletanche-Bachy 公司在履帶式Hutte 200/2 TF 液壓伺服回轉鉆機的基礎上研發(fā)了ENPASOL 系統(tǒng)[26],并成功應用于地層探測試驗。但是,由于井下巷道圍巖地質條件復雜,隨鉆測量系統(tǒng)測量精度不高等原因,目前煤礦井下巷道液壓錨桿鉆機很少采用隨鉆測量系統(tǒng)。

為此,本文針對液壓錨桿鉆機的基本特點與結構,研發(fā)了煤巷液壓錨桿鉆機隨鉆參數采集系統(tǒng),進行了層狀砂漿組合試件的鉆進實驗,以驗證系統(tǒng)的性能,并通過破巖比能法進一步分析隨鉆參數與抗壓強度之間的關系,實現隨鉆參數對巖石力學性能的定量評價。

1 煤巷液壓錨桿鉆機隨鉆參數采集系統(tǒng)的結構和基本組成

煤巷液壓錨桿鉆機隨鉆參數采集系統(tǒng)主要由鉆進系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)及試件平臺4 部分組成(圖1)。

圖1 煤巷液壓錨桿鉆機隨鉆參數采集系統(tǒng)Fig.1 Drilling parameter acquisition system of hydraulic anchor drilling rig in coal mine roadways

1.1 鉆進系統(tǒng)

鉆進系統(tǒng)使鉆頭和釬桿沿著導軌進行旋轉和軸向運動,實現鉆進功能,主要組成部分包括液壓馬達、推進油缸、動力頭、導軌、傳動鏈、釬桿、扶釬器、PDC 鉆頭。其中,液壓馬達使鉆桿和鉆頭進行旋轉運動;推進油缸使釬桿和鉆頭進行前進和后退運動,從而對巖石進行鉆孔。液壓錨桿鉆機的技術參數見表1。

表1 液壓錨桿鉆機的技術參數Table 1 Technical parameters of hydraulic anchor drilling rig

1.2 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)為鉆進系統(tǒng)提供動力,并控制系統(tǒng)的工作狀態(tài),主要組成部分包括防爆液壓油箱、防爆電動機、防爆電磁啟動器、防爆多路換向閥,各部分通過煤安認證的高壓油管連接。動力系統(tǒng)設置兩路換向閥:一路換向閥通過控制推進油缸的進出油量來控制鉆機的推進壓強和鉆進速度,最大推進壓強為15 MPa;另一路換向閥通過控制液壓馬達的進出油量控制鉆機旋轉壓強和轉速,最大旋轉壓強為12 MPa。兩路換向閥獨立工作,互不干擾。

1.3 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)通過數據采集傳感器在鉆進過程中實時采集隨鉆參數,并對采集的數據進行記錄和儲存。監(jiān)測系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括轉速扭矩復合傳感器、拉繩位移傳感器、推進壓力傳感器、旋轉壓力傳感器及數據采集儀等,如圖2所示。軟件系統(tǒng)為M400 數據采集管理軟件,分為數據通信、數據儲存管理及圖形顯示3 部分,可以對硬件部分采集到的數據進行儲存及顯示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)Fig.2 The hardware system of the monitoring system

在不影響鉆機正常工作的前提下,監(jiān)測系統(tǒng)將傳感器安裝在鉆機的合適位置,并與數據采集儀相連接,在鉆進過程中實時采集鉆進深度S、轉速n、推進壓強pt、旋轉壓強ph、扭矩T等參數。各傳感器的技術參數見表2。在鉆進過程中,傳感器采集隨鉆參數,經數據采集儀傳輸到軟件系統(tǒng),實現隨鉆參數的實時儲存及直觀顯示。監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理Fig.3 Working principle of monitoring system

表2 傳感器的技術參數Table 2 Technical parameters of the sensors

數據采集傳感器作為隨鉆測量系統(tǒng)的核心,其安裝維護尤為重要。拉繩位移傳感器利用螺栓固定在鉆機平臺上,并通過拉繩與液壓馬達相連接,馬達運動時會帶動拉繩伸展和收縮,使傳感器輸出一個與移動距離成比例的電信號。當位移傳感器不使用時,必須將拉繩與液壓馬達的連接斷開,防止拉繩發(fā)生疲勞損傷,影響使用壽命。

轉速扭矩復合傳感器的兩端通過聯軸器分別與液壓馬達(動力端)與釬桿(負載端)連接(圖4)。鉆進時,傳感器通過測量扭轉變形測定扭矩T,同步測量轉速n。壓力傳感器監(jiān)測的參數包括推進壓強pt和旋轉壓強ph,通過三通管與液壓管連接。

圖4 轉速扭矩復合傳感器安裝位置Fig.4 Installation position of speed and torque composite sensor

1.4 試件平臺

試件平臺的作用是固定試件和處理鉆進過程中產生的泥漿液,主要由試件固定裝置和排渣裝置組成。試件固定裝置通過螺紋夾具使試件在鉆進過程中保持穩(wěn)定;排渣裝置可以裝載并及時排出鉆孔時產生的泥漿液。

2 層狀組合試件鉆進實驗

2.1 方案設計

為驗證煤巷液壓錨桿鉆機隨鉆參數實驗系統(tǒng)的可靠性,以及基于該系統(tǒng)實現巖石力學參數隨鉆識別的可行性,進行層狀砂漿組合試件鉆進實驗,分別采用3 種強度等級M5、M15、M25 的砂漿制作300 mm×300 mm×300 mm 的立方塊,材料配比見表3。將立方塊按照M5、M15、M25 的順序組合,外側澆筑一層厚度為50 mm 的C30 混凝土,固定試件并組成一個整體。澆筑后的層狀組合試件長×寬×高為400 mm×400 mm×900 mm(圖5)。實驗分別采用220 r/min、320 r/min、420 r/min 3 種轉速,對應的試件編號為Y1、Y2、Y3,鉆進前后的試件如圖6所示。同時,采用相同材料和配比制備150 mm×150 mm×150 mm 的標準試件,在伺服單軸試驗機測試其單軸抗壓強度(UCS)值,結果見表3。

圖5 層狀組合試件示意圖(單位:mm)Fig.5 Schematic diagram of a layered combination specimen

圖6 鉆進前后的試件Fig.6 The specimen before and after drilling

表3 不同強度砂漿的配合比及單軸抗壓強度Table 3 The mix ratio and uniaxial compressive strength of mortars of different strengths

2.2 實驗步驟

(1) 對實驗設備進行檢查和校正,特別是各高精度傳感器的安裝和數據采集儀器的連接。

(2) 將待鉆進的試件放置于試件平臺上,利用螺紋夾具固定試件,防止鉆進過程中發(fā)生偏移。

(3) 選擇合適的鉆具,并對其進行安裝和調試,使鉆頭對準試件的鉆孔位置。

(4) 運行M400 數據采集管理軟件并進行調試,保證其能夠正常采集各傳感器的數據。

(5) 開啟動力系統(tǒng)并打開水閥,確保液壓錨桿鉆機供水、供電正常。

(6) 操縱液壓閥的手柄,控制鉆桿的轉速和推進壓力至設定值,開始鉆孔。在鉆進過程中觀察隨鉆參數的變化。當遇到異常情況時,應停止鉆進。

(7) 鉆進過程完成后,操縱手柄,使鉆具脫離試件,關閉電磁啟動器的開關和水閥。

(8) 儲存和處理數據采集管理軟件監(jiān)測的隨鉆參數,并清理設備。

3 實驗結果及分析

3.1 系統(tǒng)可靠性驗證

實驗控制鉆速v和轉速n為恒定值,采集鉆進深度S、推進壓強pt和扭矩T的數據。以試件Y3的各隨鉆參數數據為例,得到的隨鉆參數變化曲線如圖7、圖8所示。由圖7(a)分析可知,鉆頭剛鉆進試件時,鉆速v較小,鉆進一定深度后,鉆速v基本控制在一個恒定值,即34 mm/s;由圖7(b)分析可知,轉速n始終控制在420 r/min?？梢钥闯?系統(tǒng)控制鉆速v和轉速n恒定狀態(tài)較好,滿足恒鉆速-恒轉速的要求。

圖7 試件Y3 的鉆進深度和轉速隨時間變化曲線Fig.7 The drilling depth and rotation speed of specimen Y3 changes over time

由圖8分析可知,扭矩T、推進壓強pt的變化規(guī)律相似。鉆頭剛開始鉆進試件時,T和pt在較短的時間內急劇上升,在鉆進一定深度后,隨砂漿試件強度變化,T和pt在同一巖層內呈微小波動,表現出一定的穩(wěn)定性和階段性,表明系統(tǒng)的監(jiān)測性能較好。

如圖8所示的隨鉆參數變化曲線,可以看出鉆進不同強度的砂漿試件時扭矩T和推進壓強pt的變化情況。取平穩(wěn)段的平均值作為每層砂漿的隨鉆參數。M5 砂漿層、M15 砂漿層、M25 砂漿層的扭矩T分別為13.48 N·m、18.31 N·m、25.33 N·m,推進壓強pt分別為4.27 MPa、4.74 MPa、5.96 MPa?？梢?鉆頭在不同巖層界面處響應明顯,T和pt的值不斷增大。因此,可以得出該系統(tǒng)在控制和監(jiān)測性能方面表現較好,可靠性強,且可以有效識別層狀巖體界面。

圖8 試件Y3 的扭矩和推進壓強隨鉆進深度變化曲線Fig.8 The torque and propulsion pressure of specimen Y3 changes with the drilling depth

3.2 巖石力學參數隨鉆識別的可行性分析

Teale[27]于1965年提出破巖比能(SE)的概念,即破碎單位體積巖石所需的能量。其表達式為

將式(2)代入式(1)得

式中,F為錨桿鉆機的推進壓力;AY為錨桿鉆機推進油缸的橫截面積;AZ為鉆孔橫截面積。

將各轉速下隨鉆參數的平均值代入式(3)中,可得鉆進不同強度砂漿試件時的SE。計算結果見表4。對相同強度砂漿試件的SE 取平均值,可得M5 、M15 、M25 砂漿層的SE 分別為13.85 kJ/cm3、18.07 kJ/cm3和21.44 kJ/cm3?？梢?不同強度砂漿層的SE 值差距顯著?；诒?中各試件UCS與SE 結果,繪制SE 與UCS 相關性的散點圖,如圖9所示?？梢?SE 與UCS 的線性關系較為顯著,表現為SE 隨著UCS 的增加而增大,SE 與UCS 的關系可以表示為

圖9 SE 與UCS 的關系曲線Fig.9 The relationship between SE and UCS

表4 隨鉆參數采集實驗結果Table 4 Results of experimental data acquisition of drilling parameters

擬合度R2=0.991,表明擬合效果較好,隨鉆參數與巖石力學參數具有較強的相關性。因此,根據破巖比能法驗證,該系統(tǒng)可以實現對巖石力學參數的實時識別。

4 結 論

本文研發(fā)了煤巷液壓錨桿鉆機隨鉆參數采集系統(tǒng),進行了層狀組合試件的鉆進實驗,采集并分析隨鉆參數,最后進行了系統(tǒng)可靠性驗證。

(1) 研發(fā)的煤礦巷道液壓錨桿鉆機隨鉆參數采集系統(tǒng)由鉆進系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)及試件平臺組成。系統(tǒng)在鉆進過程中可以控制轉速n和鉆速v為恒定值,并實時采集鉆進深度S、推進壓強pt、轉速n和扭矩T等隨鉆參數。

(2) 鉆進不同強度的砂漿層時,扭矩T和推進壓強pt呈現一定的穩(wěn)定性和階段性。隨著砂漿層強度的增大,在巖層界面處呈現迅速增大的狀態(tài)。

(3) 驗證了該系統(tǒng)實現巖石力學參數隨鉆識別的可行性,得出隨鉆參數與巖石力學參數具有較強的相關性?；谄茙r比能法該系統(tǒng)可以實現巖石力學參數的隨鉆識別。

5 展 望

作為一套應用于煤礦巷道液壓錨桿鉆機隨鉆參數采集系統(tǒng),該系統(tǒng)具備較好的可操作性和可靠性,同時還存在一些不足,需要進一步改進。

(1) 動力系統(tǒng)目前采用多路換向閥控制。在鉆進過程中只能控制轉速n和鉆速v保持恒定,不能實現其他參數諸如推進壓強pt或扭矩T的精確控制。可以將動力系統(tǒng)部分由多路換向閥控制改為液壓伺服控制,實現隨鉆參數更精確的控制。

(2) 圍壓效應,可以增設圍壓加載裝置,更好模擬煤礦巷道的真實工作環(huán)境。

(3) 監(jiān)測系統(tǒng)應增設邏輯控制器,能夠根據傳感器參數信號控制動力系統(tǒng),實現系統(tǒng)對隨鉆參數實時監(jiān)測的同時進行反饋調節(jié),提高鉆機的工作效率。

(4) 開發(fā)隨鉆識別算法,為該系統(tǒng)的改進和完善提供基礎。建立隨鉆參數與巖石力學參數的數據庫,實現煤礦巷道圍巖巖性的智能化識別。