煤矿巷道PDC锚杆钻头切削破岩与强度感知机理

摘要

围岩结构透明化是智能掘进发展的重要前提，当前煤巷围岩起伏变化感知精度低，主要原因在于随钻岩性识别技术原理不清晰、现场应用存在较多局限、钻进参数与岩石适应性差等.采用理论分析、实验室试验等方法，建立了PDC锚杆钻头平面切削力学模型，阐明了不同钻进模式参数演化规律与钻进失效特征.结果表明：首先，基于钻进过程切削片与岩石接触面类型优化，成功建立了3种钻进参数与岩石单轴抗压强度理论感知关系式，侧面说明部分钻进参数恒定是实现岩体强度随钻感知的最佳路径.其次，研发了新型岩体性质随钻实时探测试验系统，该系统在钻进姿态、围压施加、钻机功率等多方面实现与煤巷液压锚杆钻机工况的高度仿真，具备2种自动钻进控制模式及高频数据采集等功能.随后，开展了不同钻进模式钻进试验，V-n模式钻进时，推力和扭矩对钻进参数和岩石强度变化响应敏感，均可作为识别岩石强度的主要参数，钻进失效通常发生在钻速较高、转速较低的案例中，岩石强度越大的试样发生钻进失效概率越高；F_t-n模式钻进时，仅有钻进速度对岩石强度响应敏感，钻进失效通常发生在推力和转速均较大且岩石强度较低的案例中.最后，将常规钻进数据代入岩石强度随钻感知理论关系，其岩石单轴抗压强度平均预测误差率为10.51%,破岩耗能与摩擦耗能之和超过切削输入能量是钻进失效产生的直接原因.上述研究结果为煤矿巷道围岩变化智能感知工程应用提供理论与技术参考.

关键词

围岩感知 / 煤矿巷道 / 随钻探测 / 岩石切削 / 岩石强度

基金资助

国家自然科学基金重点项目(52034007); 国家重点研发计划项目(2023YFC2907600); 青年人才托举工程项目(2023QNRC001)