CN116838317B - 模拟井下冲击地压三维动态加载装置及冲击地压预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟井下冲击地压三维动态加载装置及冲击地压预测方法，该装置包括围压动态加载装置和围压保持机构，该方法包括步骤：一、模拟井下钻进过程中冲击地压动态过程；二、保持钻机的钻进参数一致，获取不同围压下的钻机扭矩；三、计算钻机扭矩下的煤岩体试件抗剪强度；四、建立围压与煤岩体试件抗剪强度的关系；五、采集井下实际钻进过程中的钻机扭矩大小，预测冲击地压。本发明采用模拟井下冲击地压三维动态加载装置模拟煤岩体冲击地压动态过程，随后进行钻进试验，定时定量获取钻进过程中不同围压状态下的随钻响应数据，建立不同围压下随钻响应数据与煤岩体试件抗剪强度映射关系，定量化预测煤岩冲击地压的变化，保证生产安全。
Description
技术领域
本发明属于冲击地压预测技术领域，具体涉及一种模拟井下冲击地压三维动态加载装置及冲击地压预测方法。
背景技术
高地应力和高地温等复杂地质环境促使煤岩释放出巨大能量，进而诱发冲击地压的发生，致使煤矿安全生产面临着新的严峻挑战。在井下掘进过程中，冲击地压具有瞬时性、破坏力强，强度难以预测等特征，现场难以观察其发生全过程，然而查明冲击地压变化是井下施工的基础。目前冲击地压预测的方法有钻屑法、微震监测、应力监测法等。上述方法在冲击地压预测中发挥了重要作用，但也存在一些问题，例如钻屑法在收集钻屑的过程中，收集碎屑精度会对预测结果的准确性产生影响。微震监测受施工工序、施工环境影响，导致不能高精度测量冲击地压大小。随钻监测是一种不影响钻进工艺且可靠煤层岩体信息探测手段，利用随钻监测信息预测煤岩冲击地压会使预测过程更加安全便捷。但是目前还没有一套完整可行的方法能够利用随钻监测信息预测冲击地压。此外，目前模拟井下冲击地压三维动态加载装置中的煤岩体试件在变形过程中由于试验装置的缺陷无法一直处于保压状态，也就无法有效模拟钻进过程中冲击地压动态环境，导致后续预测结果不准确。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种模拟井下冲击地压三维动态加载装置，通过设置弹性侧板使侧板的高度可根据煤岩体试样受压后的变形量进行自动调整，使顶板能够时刻与煤岩体试样顶部贴合，从而避免顶板变形，使得煤岩体试样在变形过程中也能精确保压，同时可以有效防止顶板、底板和弹性侧板之间的挤压问题，可以有效的模拟井下钻进时的工作环境，获得的数据也更具有参考价值。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种模拟井下冲击地压三维动态加载装置，其特征在于：包括围压动态加载装置、钻机装置和显示控制器，所述围压动态加载装置包括侧开口的箱体、设置在箱体上的轴向液压加载装置和径向液压加载装置，以及设置在箱体内的围压保持机构，所述围压保持机构包括顶板、底板和两个相对设置的弹性侧板，轴向液压加载装置穿过箱体与顶板连接，所述弹性侧板包括滑动设置在底板上的基础侧板和竖向插设在基础侧板上的弹板，弹板底部设置有弹性机构，径向液压加载装置穿过箱体安装在所述基础侧板外侧，弹板顶部与顶板底面贴合，弹板的内侧面与基础侧板的内侧面齐平。
上述的模拟井下冲击地压三维动态加载装置及冲击地压预测方法，其特征在于：所述弹板底部具有多个插设在基础侧板上的支脚，支脚的内侧面与基础侧板的内侧面齐平，所述基础侧板内侧壁上开设有与弹板和支脚的形状相匹配的凹槽，所述弹性机构包括支撑在支脚底部与凹槽槽底之间的弹簧。
上述的模拟井下冲击地压三维动态加载装置及冲击地压预测方法，其特征在于：所述基础侧板的底面、弹板的顶面和内侧壁、以及支脚的内侧壁上均涂覆有润滑剂层。
上述的模拟井下冲击地压三维动态加载装置及冲击地压预测方法，其特征在于：所述钻机装置包括横向布设的钻机和钻进参数监测传感器组，所述钻进参数监测传感器组与显示控制器电连接，所述钻进参数监测传感器组包括转速传感器、钻进压力传感器以及钻机扭矩传感器。
同时，本发明还公开了一种利用模拟井下冲击地压三维动态加载装置进行冲击地压预测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、模拟井下钻进过程中冲击地压动态过程：
在模拟井下冲击地压三维动态加载装置中放置煤岩体试件，对煤岩体试件施加动态围压，随后进行钻进，钻进过程中使煤岩体试件处于保压状态；
步骤二、钻机持续钻进过程中，保持钻机的转速和钻进压力均为对应的设定值，同时使围压呈梯度增加，获取不同围压P下的钻机扭矩T；
步骤三、计算钻机扭矩T下的煤岩体试件抗剪强度σs:
根据公式计算钻机扭矩T下的煤岩体试件抗剪强度σs；其中，∫dr为积分符号，r为积分自变量，i*为钻头的切削刃数量，R为钻头的外半径，L为钻头的切削刃长度，d为钻头进尺，α为钻头的切削刃与煤岩体试样破裂面之间的夹角，ω*为钻头钻入煤岩体试样时，其与煤岩体试样接触的区域的顶部横向边沿长度；
步骤四、建立围压P与煤岩体试件抗剪强度σs的关系：
基于摩尔库伦定律，建立围压P与煤岩体试件抗剪强度σs的半经验公式σs＝a*P+b，其中，a为第一拟合系数，b为第二拟合系数；
步骤五、采集井下实际钻进过程中的钻机扭矩大小，结合公式σs＝a*P+b，预测井下实际煤岩体围压，即冲击地压。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用模拟井下冲击地压三维动态加载装置可实现煤岩体三相围压动态加载，使煤岩体试件在变形过程中也能一直处于保压状态，有效模拟钻进过程中冲击地压动态环境。
2、本发明通过机岩信息互馈感知机制，建立不同围压状态下随钻响应数据与煤岩体试件抗剪强度理论映射关系，定量化预测煤岩冲击地压的变化，保证生产安全。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明模拟井下冲击地压三维动态加载装置的结构示意图。
图2为本发明采用的围压保持机构的结构示意图。
图3为本发明采用的弹板与基础侧板的安装关系示意图。
附图标记说明:
1-顶板； 2-底板； 3-轴向液压加载装置；
4-基础侧板； 5-弹板； 6-径向液压加载装置；
7-支脚； 8-凹槽； 9-弹簧；
10-围压动态加载装置； 11-钻机装置； 12-显示控制器；
13-箱体； 14-围压保持机构； 15-钻机。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明的一种模拟井下冲击地压三维动态加载装置，其特征在于：包括围压动态加载装置10、钻机装置11和显示控制器12，所述围压动态加载装置10包括侧开口的箱体13、设置在箱体13上的轴向液压加载装置3和径向液压加载装置6，以及设置在箱体13内的围压保持机构14，所述围压保持机构14包括顶板1、底板2和两个相对设置的弹性侧板，轴向液压加载装置3穿过箱体13与顶板1连接，所述弹性侧板包括滑动设置在底板2上的基础侧板4和竖向插设在基础侧板4上的弹板5，弹板5底部设置有弹性机构，径向液压加载装置6穿过箱体13安装在所述基础侧板4外侧，弹板5顶部与顶板1底面贴合，弹板5的内侧面与基础侧板4的内侧面齐平。
本实施例中，所述显示控制器12包括计算机。
需要说明的是，顶板1、底板2和两个相对设置的弹性侧板之间围成用于放置煤岩体试件的空腔。
需要说明的是，所述径向液压加载装置6安装在所述弹性侧板这个结构整体的中心，使所述弹性侧板整体对煤岩体试样的力施加均匀，弹板5的弹性行程较小，因此即使弹板5受压回缩后也能保证力的均匀性。
需要说明的是，通过设置弹性侧板使侧板的高度可根据煤岩体试样受压后的变形量进行调整，使顶板1能够时刻与煤岩体试样顶部贴合，从而避免顶板1变形，使得煤岩体试样保压精确，还可以有效防止顶板1、底板2和弹性侧板之间的挤压问题，可以有效的模拟井下钻进时的工作环境，获得的数据也更具有参考价值。
本实施例中，所述弹板5底部具有多个插设在基础侧板4上的支脚7，支脚7的内侧面与基础侧板4的内侧面齐平，所述基础侧板4内侧壁上开设有与弹板5和支脚7的形状相匹配的凹槽8，所述弹性机构包括支撑在支脚7底部与凹槽8槽底之间的弹簧9。
本实施例中，所述弹簧9的数量与支脚7的数量相同且一一对应。
本实施例中，所述弹簧9的底部固定在凹槽8的槽壁上，弹簧9的顶部与支脚7连接，弹簧9的外沿不超出凹槽8，避免弹簧9与煤岩体试样接触。
本实施例中，所述弹板5的宽度不小于煤岩体试样宽度的一半，使径向液压加载装置6经弹板5施加在煤岩体试样上的力均匀。
本实施例中，所述基础侧板4的底面、弹板5的顶面和内侧壁、以及支脚7的内侧壁上均涂覆有润滑剂层。
需要说明的是，所述润滑剂层为石墨粉润滑层。
需要说明的是，基础侧板4底部的润滑剂层便于基础侧板4与底板2之间滑动，其它润滑剂层的作用同理。
本实施例中，所述弹板5在非受压状态下，其顶部高于基础侧板4顶部1cm～3cm。
需要说明的是，由于煤岩体试样的受压变形量不大，因此上述设置在能够保证径向液压加载装置6、弹板5和煤岩体试样之间的良好传力效果的情况下还能满足试样变形量需求。
所述围压动态加载装置19在实际使用时，将煤岩体试样放置在底板2上，轴向液压加载装置3和径向液压加载装置6分别推动顶板1和两个弹性侧板与煤岩体试样贴合，随后向其施加压力，在进行加载时，压力使得煤岩体试样发生变形，此时，弹板5下移、基础侧板4横移，保证弹板5、基础侧板4和顶板1与煤岩体试样贴合，使得试样所受到的围压可以保持在一定的范围之内，实现围压保持。
本实施例中，所述钻机装置11包括横向布设的钻机15和钻进参数监测传感器组，所述钻进参数监测传感器组与显示控制器12电连接，所述钻进参数监测传感器组包括转速传感器、钻进压力传感器以及钻机扭矩传感器。
本实施例中，所述钻机15包括钻杆、钻头、控制钻杆旋转的旋转驱动装置和带动钻杆钻进的位移驱动装置，位移驱动装置推动旋转驱动装置在在导轨上滑行，以控制钻头钻进。
本实施例中，所述位移传感器用于检测钻进位移，所述转速传感器用于检测钻机转速，所述钻进压力传感器设置在位移驱动装置和钻杆之间，用于检测钻进压力。
由于钻机在钻进过程中会发生回退、空转等现象，数据具有数量大的特点，故步骤二中还需要对所述钻进参数监测传感器组所采集的各项数据进行清洗与解译，再进行后续的计算和使用，保证数据和结果的准确性。
本发明的一种冲击地压预测方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、模拟井下钻进过程中冲击地压动态过程：
在模拟井下冲击地压三维动态加载装置中放置煤岩体试件，对煤岩体试件施加动态围压，随后进行钻进，钻进过程中使煤岩体试件处于保压状态；
步骤二、钻机持续钻进过程中，保持钻机的转速和钻进压力均为对应的设定值，同时使围压呈梯度增加，获取不同围压P下的钻机扭矩T；
步骤三、计算钻机扭矩T下的煤岩体试件抗剪强度σs:
根据公式计算钻机扭矩T下的煤岩体试件抗剪强度σs；其中，∫dr为积分符号，r为积分自变量，i*为钻头的切削刃数量，R为钻头的外半径，L为钻头的切削刃长度，d为钻头进尺，α为钻头的切削刃与煤岩体试样破裂面之间的夹角，ω*为钻头钻入煤岩体试样时，其与煤岩体试样接触的区域的顶部横向边沿长度；
步骤四、建立围压P与煤岩体试件抗剪强度σs的关系：
基于摩尔库伦定律，建立围压P与煤岩体试件抗剪强度σs的半经验公式σs＝a*P+b，其中，a为第一拟合系数，b为第二拟合系数；
步骤五、采集井下实际钻进过程中的钻机扭矩大小，结合公式σs＝a*P+b，预测井下实际煤岩体围压，即冲击地压。
本实施例中，在0-5MPa范围内设置5级围压,等梯度调整模拟井下冲击地压三维动态加载装置预定压力值。
需要说明的是，a和b其大小与煤岩体的物理特性相关，在实际工程中，井下采煤工作面，煤岩体的物理特性基本保持一致因此，a和b可以通过室内试验确定；
本实施例中，所述半经验公式为线性拟合公式。
本实施例中，对公式进行求解，得到/>即煤岩体试件抗剪强度σs与钻机扭矩T的关系。
本实施例中，步骤一的具体步骤为，将煤岩体试件放置在围压保持机构14内并施加围压，调节钻机装置11高度，使钻头对准煤岩体试件中心，开始钻进试验。
本发明采用模拟井下冲击地压三维动态加载装置对煤岩体施加不同围压，随后通过钻机开展钻进试验，定时定量获取钻进过程中不同围压状态下的随钻响应数据，包括钻进压力、扭矩、转速和钻速；通过机岩信息互馈感知机制，建立不同围压下随钻响应数据与煤岩体试件抗剪强度的理论映射关系，定量化预测煤岩冲击地压的变化，保证生产安全。
本发明选择煤岩体试件抗剪强度应力和围压建立关系的优点在于：第一，由摩尔库仑定律可知，井下煤岩采掘过程中煤岩体的力学参数，如抗剪强度，受煤岩体受到的围压(冲击地压)直接影响，呈正线性相关。通过记录钻进过程中煤岩体的力学参数来预测冲击地压的大小理论基础强；第二，随钻破岩过程过程中煤岩体主要是剪切破碎，建立随钻过程中扭矩与煤岩体抗剪强度的理论映射关系，是一种可靠且不影响钻进工艺的方法。
煤矿采掘过程中，井下综采面煤层性质单一，冲击地压强度受煤岩原位强度(能量密度)特征分布影响，通过量化煤岩强度(能量密度)特征识别冲击地压强度是一种理论强且可靠的技术手段。钻进过程中钻具与煤层相互作用类似扭剪破碎过程，通过机岩互馈感知机制及钻进响应信息定量解译煤岩强度，进而确定井下煤层冲击地压强度是一种更安全且便捷的方法，且具有实时动态预测、不影响钻进工艺以及理论基础强等特点。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (4)
1.一种模拟井下冲击地压三维动态加载装置，其特征在于：包括围压动态加载装置(10)、钻机装置(11)和显示控制器(12)，所述围压动态加载装置(10)包括侧开口的箱体(13)、设置在箱体(13)上的轴向液压加载装置(3)和径向液压加载装置(6)，以及设置在箱体(13)内的围压保持机构(14)，所述围压保持机构(14)包括顶板(1)、底板(2)和两个相对设置的弹性侧板，轴向液压加载装置(3)穿过箱体(13)与顶板(1)连接，所述弹性侧板包括滑动设置在底板(2)上的基础侧板(4)和竖向插设在基础侧板(4)上的弹板(5)，弹板(5)底部设置有弹性机构，径向液压加载装置(6)穿过箱体(13)安装在所述基础侧板(4)外侧，弹板(5)顶部与顶板(1)底面贴合，弹板(5)的内侧面与基础侧板(4)的内侧面齐平；
所述弹板(5)底部具有多个插设在基础侧板(4)上的支脚(7)，支脚(7)的内侧面与基础侧板(4)的内侧面齐平，所述基础侧板(4)内侧壁上开设有与弹板(5)和支脚(7)的形状相匹配的凹槽(8)，所述弹性机构包括支撑在支脚(7)底部与凹槽(8)槽底之间的弹簧(9)。
2.按照权利要求1所述的模拟井下冲击地压三维动态加载装置，其特征在于：所述基础侧板(4)的底面、弹板(5)的顶面和内侧壁、以及支脚(7)的内侧壁上均涂覆有润滑剂层。
3.按照权利要求1所述的模拟井下冲击地压三维动态加载装置，其特征在于：所述钻机装置(11)包括横向布设的钻机(15)和钻进参数监测传感器组，所述钻进参数监测传感器组与显示控制器(12)电连接，所述钻进参数监测传感器组包括转速传感器、钻进压力传感器以及钻机扭矩传感器。
4.一种利用如权利要求1所述模拟井下冲击地压三维动态加载装置进行冲击地压预测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、模拟井下钻进过程中冲击地压动态过程：
在模拟井下冲击地压三维动态加载装置中放置煤岩体试件，对煤岩体试件施加动态围压，随后进行钻进，钻进过程中使煤岩体试件处于保压状态；
步骤二、钻机持续钻进过程中，保持钻机的转速和钻进压力均为对应的设定值，同时使围压呈梯度增加，获取不同围压P下的钻机扭矩T；
步骤三、计算钻机扭矩T下的煤岩体试件抗剪强度σs:
根据公式计算钻机扭矩T下的煤岩体试件抗剪强度σs；其中，∫dr为积分符号，r为积分自变量，i*为钻头的切削刃数量，R为钻头的外半径，L为钻头的切削刃长度，d为钻头进尺，α为钻头的切削刃与煤岩体试样破裂面之间的夹角，ω*为钻头钻入煤岩体试样时，其与煤岩体试样接触的区域的顶部横向边沿长度；
步骤四、建立围压P与煤岩体试件抗剪强度σs的关系：
基于摩尔库伦定律，建立围压P与煤岩体试件抗剪强度σs的半经验公式σs＝a*P+b，其中，a为第一拟合系数，b为第二拟合系数；
步骤五、采集井下实际钻进过程中的钻机扭矩大小，结合公式σs＝a*P+b，预测井下实际煤岩体围压，即冲击地压。
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