钻屑法的研究与应用

钻屑法的研究与应用
一．概述
所谓钻屑法就是向煤体钻小直径钻孔，根据钻孔过程中单位孔深排粉量的变化规律和动力现象，了解煤体应应力集中程度、峰值大小及位置，以判定冲击地压的危险等级，达到冲击地压预测的目的。

早在五十年代中期，西德等国家就开始研究钻屑法。

六十年代以后，前苏联、波兰、英国也相继开始试验研究，。

目前世界上所有有冲击地压的国家都在应用和研究钻屑法。

我国几个冲击地压严重的矿井，如北京矿务局门头沟矿、开滦矿务局唐山矿以及重庆大学、北京煤科总院开采所等单位也都进行了试验。

辽宁工程技术大学在这个方面开展研究也比较早，处于国内领先地位。

钻屑法是一种应用技术，尽管国外早已开始研究和应用，但由于开采地质条件的差异，特别是冲击地压问题的复杂性，以及在理论上和实践上尚不完善，所以国外经验难于直接引用。

尤其是冲击危险的检测标准，必须因矿而异，具体条件具体确定。

二．钻屑法的理论研究
钻屑法是通过不同孔深排出钻屑量的多少来估算煤体应力大小的方法。

其理论研究，就是建立钻屑量和煤体应力之间的定量关系，以便由钻屑量的多少估算该处的应力值，或由应力估算出相应的钻屑量，以信为确定钻屑量危险指标的依据之一。

为了建立钻屑量与煤体应力之间的定量关系，不少学者进行了研究。

均假设钻孔前煤体为均质各向同性的弹性体，视为具有圆孔的无限大平面应变问题进行处理，并采用库仑——摩尔准则，视其为静水压力状态的轴对称问题。

六十年代佩图霍夫考虑钻孔周围出现非弹性变形区发生松胀现象，引入了松散系数
r
A
n+
=
)
(Br
)
1/(
式中A、B为常数，由在弹性区与非弹性区边界上)
n为1，和在钻孔内壁上为
(r
1.1~1.2而求出，a n R a
R n A a r --=0
，a
n R n B a a --=1，r 为距钻孔轴线的距离。

再根据
煤体体积不变条件求出非弹性区的半径R 。

以库仑——摩尔准则为屈服条件得出钻屑量与煤体应力关系式，该法的特点是考虑了煤体的非弹性变形的松胀，即扩容。

但)(r n 解析式的提出缺乏明确的物理意义，理论上也不够严密。

七十年代以后，西德的勃罗纳及日本的管原胜彦都是将钻屑排出量分为两部分，一部分为与钻孔直径相同的圆柱煤体形成的钻屑量，一部分为成孔后，孔周围应力重新分布，孔内壁发生位移而产生的钻屑量。

根据卡斯特那公式或修正的芬纳公式，计算非弹性区半径0R 后，再根据塑性区体积不变条件求出钻孔内壁径向位移，弹性变形产生的位移相对较小，忽略不计，而得出钻屑量。

最后得到总钻屑量与煤体应力的关系式。

该方法完全根据弹塑性理论，没有再作任何假设，理论上较严密，但没有考虑到扩容的影响。

为了克服以上理论存在的缺点，辽宁工程技术大学工程力学研究所提出了以下理论。

考虑煤的应变软化特性，建立本构方程为
⎪⎩
⎪
⎨
⎧≥⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛=≤=)
()(c m
c c c E εεεεσσεεεσ
以库仑——摩尔准则为屈服条件，进行弹塑性分析。

σ
c
σc
煤的本构关系图
钻孔周围弹性分析
平衡方程为
0=-+r
dr d r r θ
σσσ 屈服条件为
c r q σσσθ+=
边界条件为：在钻孔的内周处0==a
r r σ；在弹性区与非弹性区的分界线R r =上
应力连续。

得出非弹性区半径R 的解析式为
[]1
21
1)1()1()2)(12(1-+-⎪⎭
⎪
⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧--+--++=q m m
c m c c q p q p q m a R σσσ
当式中0=m 时，即为理想塑性的卡斯特那公式。

如不计扩容效应，钻孔非弹性区与弹性区交界处的径向位移为
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡-+-++=
)2(11
21c c R p q q R E u σσμ 孔内壁径向位移由体积不变条件求得
R a
u u R
a =
以上各式中ϕ
ϕ
sin 1sin 1-+=
q ，ϕ为内摩擦角，m 为煤的塑性软化系数，c σ及c ε分别
为单轴抗压强度及相应的应变，r σ和θσ为径向应力和切向应力。

如果考虑煤体非弹性变形的扩容，目前还没有建立根据扩容物理现象直接建立的松散系数解析式。

因此目前均按煤体质量不变条件，采用平均扩容系数n ，求得包括扩容在内的孔内壁的径向位移为
()
22
21a R a
n u a R u R a --+=
式中第二项即为扩容产生的影响。

由上可得，考虑扩容时，单位孔深总钻屑量为
()()
()
[]⎪⎭
⎪⎬⎫⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡+-+--++⋅⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-+++⎪⎭⎫ ⎝⎛--=--+
+=+=-+-1
22
12222
2)1()1()2)(12(121)2(11112112
1
22q m m
c m c c c c R a
q p q p q m n p q E n a a R n au a
au a G σσσπσσμπγπνππγππγ
式中 E 为弹性模量；μ为泊松式；γ为煤的容量；一般情况下，可取1=n 。

由于弹性变形相对非弹性变形很小，因而忽略不计，仅考虑非弹性变形而产生的附加钻屑量，以建立煤体应力和钻屑量间的函数式。

工作面煤壁在采动影响下，将依次出现残余强度区、非弹性变形区和弹性变形区。

各区中煤的弹性系数及泊松式是不相同的。

因而按上式计算钻屑量，或根据钻屑量计算煤体应力时，应按钻孔的不同区段，根据煤在刚性实验机上试验结果取相应的值。

在钻孔时，由于发生非弹性变形区，煤体强度降低，钻孔内壁发生破裂坍落，使孔径扩大，非弹性变形区随之扩大，非弹性变形增加又可以产生新的坍落，孔壁继续扩大。

但在另一方面由于非弹性变形区扩大，最大主应力降低，最小主应力增加，孔的稳定性增加，使孔壁破裂坍落停止，因而最终达到平衡，出现稳定现象。

所以按上式计算时，应该注意式中的a 不是钻头的半径，而是实际成孔的半径。

岩体力学理论证明，钻孔半径随煤体应力增大而扩大。

在特殊情况下，可以出现孔壁破坍失稳现象，瞬间大量破坏，钻屑量数十倍增加。

这种情况发生的条件为
B
E a R )1(1μ+≥- 式中 B 为非弹性区的应力应变曲线的斜率，近似为常数。

煤体应力状态是由接近自由面附近的二向应力状态（0,321===σσσp ）逐渐过渡到三向应力状态，煤体温表强度将随之增大。

因此作为计算煤体应力的相应钻屑量也应增加。

最大钻屑量G 与其峰值位置距工作面煤壁距离l 之间的关系，可用下述近似公式计算
66.1678.00022.02-+-=l l G
三．冲击危险检测指标的确定
现场实测、实验室试验和理论计算均表明，钻屑量变化曲线和工作面煤壁前言支承压力分布曲线十分接近。

钻屑量的变化反映了煤壁前方应力的变化。

由采掘造成的支承压力是冲击地压发生的主要条件之一。

第二个主要条件是煤层本身的物理力学性质，即煤的冲击倾向性。

如果支承压力特征达到危险指标，而且煤层又具有冲击倾向，那么就会发生冲击地压。

根据上述分析建立的钻屑量与煤体压力的关系，钻屑量与应力集中点至煤壁距离的关系，以及钻孔过程中出现的动力现象与冲击前兆的联系，便可按照钻屑量的变化圈定工作面煤壁前方增压带范围，支承压力峰值大小和位置，计算出钻屑粒度的变化情况。

同时根据记录打钻过程中出现的钻杆跳动、冲击声响、卡钻等动力现象来判定冲击地压的危险程度。

1．钻屑量指标
采用42φ钻头，孔径一般在48~60mm 。

取3/24.1cm g =γ，2/120cm kg c =σ，
45.0=μ，o 30=ϕ，3=q ，24/1026.0cm kg E ⨯=，1.1=n ，得钻屑量与应力之间的关系如下表。

钻屑量与应力之间的关系表
可见，把钻屑量3kg/m 以下定为无直接冲击危险，5kg/m 以上定为严重冲击危险是可行的。

2．峰值位置至煤壁距离指标
由实测数据可得，全部危险层钻孔的最大钻屑量绝大部分出现在距煤壁2~5m 之间，约占总数的71%，出现在6m 处的占16%，7m 以后的仅占2%。

因此我们得出以下结论。

（1） 峰值位置距煤壁越近越危险。

距煤壁2~3m 最危险；4~6m 内仍处于危险
状态；6m 以后危险性大大降低；超过7m 后才不存在直接冲击危险。

所
以钻孔检测深度必须超过6m，一般情况应达到10m。

（2）随着距煤壁距离的增加，深处煤体形成冲击地压所需的能量也加大，相应的最大钻屑量也增多。

超过6m以后，即使发生冲击，由于距煤壁远，阻
力大，只是深部冲击，其动力效应仅是深部的声响和震动。

（3）全部钻孔在1m处的钻屑量变化不定。

由于该处煤壁已形成破坏带，加之开钻时钻头摇动，钻屑量难以控制。

同时考虑到该处煤壁的支撑能力已经降低，弹性能随煤体破坏而逐渐释放，一般已失去冲击的能力。

所以第1米的钻屑量不能作为检测指标。

但可作为估计煤壁破坏情况和稳定性时参考。

3．钻屑粒度指标
现场实测表明，被解放层的钻屑粒度大于3mm的组成百分数变化在22~31%之间，平均值为26.7%。

危险层有钻屑粒度变化在30~46%之间，平均值为34%。

实验室试验表明，钻屑粒度组成百分数随压力增加而增加。

因此可以认定：钻屑粒度大于3mm的组成百分数小于30%时，为无直接冲击危险状态；大于30%时，为危险状态。

4．动力现象
所谓动力现象，系指钻进过程中，伴随出现的冲击声响，钻杆跳动，卡钻等现象。

（1）冲击声响：指钻进过程中，孔壁突然炸裂，冲击钻杆跳动，并伴有声响现象。

由于冲击声响不易捕捉，需钻工不断积累经验。

（2）卡钻：指钻孔周围煤体在高应力作用下突然崩坍，卡住钻杆的一种动力现象。

由于卡钻原因除与煤体应力有关外，还与煤体含有硫磺包、夹石层、煤体含水程度，及操作和钻进速度不当等其他因素有关，因此要分析判定。

（3）纯钻进时间：在高应力区钻孔，由于孔壁脆性破裂，减轻钻削作用，甚至使钻孔消耗的时间仅是排出煤粉的时间。

依此把钻机强制钻进时间比正常
状态下纯钻进时间减少的现象作为预测冲击危险的指标。

四．冲击地压危险的鉴别
根据现场实测、实验室试验和理论计算等综合分析结果，将将冲击地压煤层冲击危险等级划分为三级：
I级——无直接冲击地压危险；
II级——有冲击地压危险。

应注意观察，加强支护，进行必要的卸压处理；
III级——有冲击地压严重危险。

必须进行卸压处理，待经钻屑法检测确认解除危险后方可继续采掘。

检测标准和冲击危险等级的鉴别按下表中各项指标综合判定。

冲击等级和检测标准表
五．钻屑法的应用步骤
W等；1．在实验室进行煤样的刚性试验，测定煤的力学参数和冲击倾向性指标
ET 2．利用理论公式，计算最大危险钻屑量；
3．进行井下现场试验，钻孔深度应达到10m，以穿过支承压力峰值区。

测定最大钻屑量并和实际发生的冲击现象进行对比分析，以验证最大冲击危险钻屑量和钻进过程中的动力现象，同时圈定最大钻屑量峰值（支承压力峰值）位
置；
4．进行钻屑法的实验室试验。

验证最大危险钻屑量和各种动力现象，同时利用试验结果反求支承压力大小；
5．利用测定的最大危险钻屑量，按理论公式计算煤层的临界应力，以修正钻屑量的计算值；
6．根据上述理论计算和实测结果，综合分析确定冲击危险指标：钻屑量指标、峰值位置至煤壁距离指标、钻屑粒度指标和钻进过程中的动力现象指标，并按冲击等级和检测标准表组合使用。

六．结论
根据冲击地压是煤体应力超过煤体强度而引起的脆性破坏，并瞬间释放弹性性能的动力现象，采用钻屑法对冲击地压进行预测预报，不仅有大量的实践依据，而且有严格的理论基础，因此是可行的。

关于库仑——摩尔准则作为屈服条件，考虑煤在强度极限后的软化性质及其非弹性变形中的扩容，而建立起来的钻屑量与煤体应力的关系式是比较接近实际情况的。

本研究采用的现场实测、实验室试验和理论计算相结合的方法，综合确定冲击危险指标。

这些方法简便易行，适应性强，目前在我国煤矿有推广价值。

在采用一般应力测量技术有困难的场合，特别是井下推进中的回采工作面条件下，作为迅速估算煤层应力的手段，钻屑法是个好方法。

附：关于五龙矿钻屑法实施方案的建议
1．钻孔位置：在工作面正面和两帮，每推进1米，各钻孔一次。

2．钻孔深度：10m
3．钻孔间距：1m
4．钻孔记录：
钻屑量测定记录表
测定地点：孔号：测定时间：年月日
5．结果分析：对于每次的检测结果必须认真分析、总结、对比，通过实践检测，最终确定危险指标，做到预测预报。

钻屑法的研究与应用
辽宁工程技术大学
冲击地压研究中心
2002年6月。