冲击倾向性煤层注水对钻进中吸钻卡钻的影响及试验.pdf

第 48 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.3 2020 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. Graduate School, Liaoning University of Engineering and Technology, Fuxin 123000, China; 3. College of Physics, Liaoning University, Shenyang 110136, China Abstract When the spiral drill pipe is used to predict and uate the dynamic disasters such as rock burst, the drilling dynamic phenomena such as suction and sticking are easy to occur. In order to study the influence of water injection in burst-prone coal seam on suction and sticking, the mechanism of dynamic phenomenon of suction and sticking was analyzed by establishing the mechanical model of drill pipe, pointing out that the stress of coal body and the amount of drilling cuttings are the important factors that affect the occurrence of suction and sticking, de- riving the calculation ula of drilling mechanical parameters such as drill pipe thrust and drill pipe torque under different water content, and clarifying the calculation ula. After the coal seam had been injected with water, the law of stress redistribution and the law of the change of the amount of cuttings in the coal body were studied. The multi parameter drilling test system was used to drill the coal body with different water content in the underground, so as to study the law of the change of the drill pipe thrust, the drill pipe torque and the amount of cuttings with the water content of the coal body. Combined with the dynamic phenomenon of suction and sticking observed in the 万方数据 232 煤田地质与勘探 第 48 卷 field, the influence of water injection in burst-prone coal seam on the mechanical properties of coal body and the mechanical properties of suction and sticking was studied. The results show that During suction , the thrust value of the drill pipe decreased obviously, and during sticking , the torque value of the drill pipe increased sharply ; The increase range of drill pipe thrust, torque mean and the decrease range of drilling cuttings mean increased first and then decreased with the increase of water content in coal body; The suction and sticking points gradually transfer to the depth of coal wall with the increase of water content in coal body; The data variation characteristics of down- hole drill pipe thrust, torque and drilling cuttings amount corresponded well with the stress distribution of coal body. The study can provide some theoretical and engineering guidance for the prediction of rock burst and safe drilling operation. Keywords rock burst; suction and sticking; seam water injection; coal stress 冲击地压是由采矿活动诱发的巷道周围煤岩体 因应力集中而导致突发失稳破坏的动力灾害[1-3]。近 年来，随着我国浅部煤炭资源的枯竭和开采深度的 加大，冲击地压动力灾害现象频繁发生，造成人员 伤亡和设备毁坏现象日益严重，因此，对其进行准 确预测与防治是煤矿安全生产活动中急需解决的重 大工程问题[4-6]。煤层注水可提高煤体塑性、降低煤 体脆性和强度，使煤体应力重新分布，从而降低煤 体冲击倾向性，减小冲击地压发生概率。应用螺旋 钻杆局部预测和评价冲击地压动力灾害时易发生吸 钻、卡钻等主要由煤体应力场变化引起的钻孔动力 现象。通过研究冲击倾向性煤层注水的吸钻、卡钻 发生机理及其影响因素，以及注水煤体钻削力学特 性，不仅可减少注水煤层钻孔事故，而且可为冲击 地压预测提供评判依据。多年来，参与研究钻孔动 力现象的众多学者和从业人员，对井下钻孔事故发 生原因进行了积极探索并取得了重要成果。张明杰 等[7]通过分析钻杆钻进过程中煤粉运动规律，确定 了因煤粉大量积压产生吸钻、 卡钻现象的力学机理； 王二鹏等[8]认为煤层地质构造条件、钻机设备性能 易造成孔内事故频发；程建圣[9]认为采场应力分布、 煤层赋存条件是导致钻孔动力现象的主要因素；彭 桂湘等[10]认为岩粉的大量沉淀易造成吸钻、卡钻事 故；黄勇[11]通过分析吸钻、卡钻发生机理，确定钻 孔内外气压差是产生吸钻、卡钻的主要原因；张祖 海等[12]认为煤层裂隙发育情况及钻孔孔壁稳定性是 诱发吸钻、卡钻现象发生的重要影响因素；张波[13] 认为在钻进中因瓦斯大量解吸而裹携煤粉，在短时 间内填满钻孔，从而引起孔内事故发生；王永龙等[14] 通过建立卡钻力学模型，认为钻孔堵塞后，其孔内 侧向压力是形成卡钻的主要因素。综上所述，前人 对煤层钻孔施工事故发生机理及其影响因素进行了 大量研究，然而针对具有冲击倾向性煤层注水对吸 钻、卡钻的影响及试验研究尚未展开。因此，笔者 在研究吸钻、 卡钻发生机理及其影响因素的基础上， 通过分析注水煤层钻削力学特性，探究煤层注水对 应力分布和钻屑量的影响，并结合井下现场钻孔试 验研究具有冲击倾向性煤层注水对吸钻、卡钻的影 响规律，进而为井下安全钻孔作业和预测冲击地压 发生提供一定理论和工程指导。 1 吸钻、卡钻发生机理及影响因素 1.1 吸钻发生机理及影响因素 钻杆在钻进过程中，钻屑量的产生与排出是同 步进行的，正常情况下，钻杆排屑量大于钻屑量， 使钻杆整体载荷表现为推力，钻进过程正常。但在 深部煤层钻进过程中，钻杆在钻进一定深度后，钻 孔周围煤体应力集中程度较高且应力值较大，导致 煤体脆性度增强、钻杆钻屑量增加，当钻屑量大于 排屑量时，会因钻屑的持续积压而形成压实段，在 钻屑压实段会对钻杆产生附加的阻力， 如图 1 所示。 图 1 吸钻时钻杆受力示意 Fig.1 Diagram of force acting on drill pipe during suction 根据图 1 可得 pnzfyfyz FFFFFF＝-＋＋- 1 式中Fp为进钻过程钻杆推力，kN；Fn为进钻过程 钻头作用在钻杆的反向作用力，kN；Fz为进钻排屑 过程钻屑作用在钻杆的轴向排屑力，kN；Ff为进钻 过程煤壁作用在钻杆的摩擦阻力，kN；Fyf为进钻过 程压实段作用在钻杆的摩擦阻力， kN； Fyz为进钻过 程压实段作用在钻杆的轴向排屑力，kN。 分析可知钻屑压实段形成后，随钻屑量的持 续增加，钻屑压实段达到一定长度时，导致煤体压 实段钻杆所受轴向排屑力 Fyz增量大于摩擦阻力 Fyf 增量；由式1可知，当满足 FyfFyz时，导致钻杆推 力 Fp减小，钻杆出现被“吸”的趋势，即发生吸钻。 万方数据 第 3 期 郝志勇等 冲击倾向性煤层注水对钻进中吸钻卡钻的影响及试验 233 由此可见，吸钻发生主要是由煤体应力显著增加且 集中程度大幅度提升，造成钻屑量大于排屑量，使 钻杆推力减小的一种钻孔动力现象，所以，导致吸 钻现象发生的主要影响因素是煤体应力和钻屑量。 因此， 井下钻孔施工前向煤层中注入适量的压力水， 可使煤体高应力集中区域向煤壁深部转移且降低煤 体应力值，能有效减少钻屑量产生，使钻屑量小于 排屑量，从而可以有效降低、延缓甚至消除吸钻发 生概率，并通过研究钻杆推力值可表征吸钻发生状 态信息，判断煤体应力峰值及位置。 1.2 卡钻发生机理及影响因素 卡钻与吸钻不同，吸钻时钻机尚能进行钻进工 作，只是钻杆推力值等发生异常。而卡钻属于钻进 工作无法正常进行，钻杆既无法前进也无法后退， 导致钻杆报废。钻杆在深部煤层钻进时，煤体应力 较大，钻屑量较多，当钻屑量大于排屑量的差量累 积到一定程度时，将导致钻孔发生堵塞。此外，由 于深部煤层在钻进过程中孔壁失稳严重，极易发生 喷孔、塌孔等孔内事故，带出大量钻屑瞬间填满排 屑空间，更易造成钻孔堵塞，在钻屑堵塞段会对钻 杆产生附加的扭矩，当钻杆继续进钻时，作用在钻 杆上的扭矩如图 2 所示。 图 2 卡钻进钻时钻杆扭矩示意 Fig.2 Diagram of drill pipe torque in sticking during drilling 根据图 2 可得 pnfzd MMMMM＝＋-＋ 2 式中Mp为进钻过程钻杆扭矩，Nm； n M为进钻 过程钻头作用在钻杆的反向扭矩，Nm； f M为进钻 过程煤壁作用在钻杆的摩擦扭矩，Nm； z M为进钻 排屑过程钻屑作用在钻杆的排屑扭矩，Nm； d M为 进钻过程堵塞段作用在钻杆的摩擦扭矩，Nm。 分析可知钻孔堵塞时，钻屑因无法顺利排出， 导致排屑扭矩 z M非常小，可以忽略不计。当钻屑 量持续增加，钻孔堵塞段达到一定长度后，钻杆所 受摩擦扭矩 d M急剧增大，由式2可知，当满足 nfd MMM＋＋＞Mp时，钻杆无法继续转动前进。 当钻杆退钻时，钻杆受力如图 3 所示。 根据图 3 可得 pfzd FFFF＇＇＇＝＋＋ 3 图 3 卡钻退钻时钻杆受力示意 Fig.3 Diagram of force acting on drill pipe during sticking and withdrawing 式中 p F＇ 为退钻过程钻杆起拔力，kN； f F＇ 为退钻过程 煤壁作用在钻杆的摩擦阻力，kN； z F＇ 为退钻排屑过 程钻屑作用在钻杆的轴向排屑力，kN； d F为退钻过 程堵塞段钻屑对钻杆的摩擦阻力，kN。 分析可知钻孔堵塞时，钻屑因无法顺利排出， 导致轴向排屑力 z F＇ 非常小，可以忽略不计。钻孔堵塞 段形成后，导致摩擦阻力 d F增大，当堵塞段随钻屑量 累 积 达 到 一 定 长 度 后 ， 由 式 3 可 知 ， 当 满 足 fdp FFF＇＇＋＞时， 钻杆则无法退出。 综合上述两种情况， 钻杆既无法前进也无法后退时，即发生卡钻。由上述 可知，煤体应力与钻屑量是影响卡钻发生的主要因素。 因此，在井下钻孔施工前采取相应注水措施，同样可 降低卡钻现象的发生概率，并通过研究钻杆扭矩值可 表征卡钻发生状态信息，判断煤体应力峰值及位置。 2 注水煤层钻削力学特性 煤层注水后，水会以多种运动方式渗入到煤体的 孔隙和裂隙中，在其表面形成一层水膜，这些水膜通 过复杂的物理化学作用使煤体力学性质发生相应改 变。因此，在注水煤层中进行钻孔试验时，钻杆的整 体受力情况也会随之发生变化，其受力如图 4 所示。 图 4 注水煤层钻杆受力示意 Fig.4 Diagram of force acting on drill pipe in water injection coal seam 由图 4 得钻杆受力平衡方程为 pfnz pfnz FFFF MMMM ＇＇＇＇＇＇＇＇＝＋-    ＇＇＇＇＇＇＇＇＝＋-  4 式中 p F＇＇ 为注水后进钻过程钻杆推力，kN； f F＇＇ 为 注水后进钻过程煤壁作用在钻杆的摩擦阻力，kN； n F＇＇ 为注水后进钻过程钻头作用在钻杆的反向作用 万方数据 234 煤田地质与勘探 第 48 卷 力，kN； z F＇＇ 为注水后进钻排屑过程钻屑作用在钻 杆的轴向排屑力，kN； p M＇＇ 为注水后进钻过程钻杆 扭矩，Nm； f M＇＇ 为注水后进钻过程煤壁作用在钻杆 的摩擦扭矩，Nm； n M＇＇ 为注水后进钻过程钻头作用 在钻杆的反向扭矩，Nm； z M＇＇ 为注水后进钻排屑过 程钻屑作用在钻杆的排屑扭矩，Nm。 注水后进钻过程煤壁作用在钻杆的单位长度摩 擦阻力 1 f F可通过钻杆表面正压力与摩擦因数乘积 求得。设湿润煤体摩擦因数为tξω-.，r为钻杆半 径，取钻进深 s 处ds长度为研究对象，此时钻杆受 压面积为2π dr s，因此，钻杆表面正压力为2πdrsγ， 所以可计算得 1 f 2πdFrts＝-.γ ξω 5 式中γ为煤体密度，g/cm3；ξ为干燥煤体摩擦因 数；ω为煤体含水率；t为导水系数，与煤体含水 率负相关。 由此可计算当钻杆钻进深度为 s 时 1 ff 0 ff 0 d d s s FFs MF s s  ＇＇＝   ＇＇＇＇ ＝    6 根据文献[15]计算可得 d c 0 0 d c 0 0 d zd0h 0 d ccc 0 2cose1 d z d z ka z z A ka z A FzAt azzez A -  ＇＇＝-..  -   δ βω δ βω βσω η βο 7 式中 d z为钻杆坐标系原点与钻头距离， mm； c z为 钻杆坐标系原点与钻屑单元距离，mm； 0 A为钻杆 螺旋槽截面积，mm2；η为刀具负前倾角，； h β 为钻头外缘螺旋角，；k为受钻杆几何参数和钻 进速度影响的参数；σ为煤体应力；oαβδ、 、 、为 与钻杆、钻屑相关参数。 由此，根据文献[16]计算可得 dd zz0czc 00 dd zz MF AzGFzχψσηψη＇＇＇＇＇＇＝＋＋  8 式中χ 为钻头导热系数；ψ 为刀具前切削面与剪切 面夹角，；G 为刀具与界面摩擦力，kN。 根据文献[16]，计算推导可得 n b n 1b200 2 1cos sin coscos 21 2 1cos cos coscos 212 ct bh F t S ct bh MR t S RpR s -. ＇＇＝ ＋＋  ＋＋＋  -.  -.  ＇＇＇＝＋.＋  ＋＋＋  ＇＇-..＋.  ωφ ηφ ηφφψψ σω ωφ ηφ ηφφψψ μ σωμ 9 式中 1 μ为刀刃与湿润煤体摩擦因数； 2 μ为湿润煤 体与钻头表面摩擦因数；c 为原干燥煤体内聚力；h 为刀具切割深度，mm；b为切削刀具刃宽，mm；φ、 φ为内摩擦角， ；S为切削刀具与煤岩的接触面积， mm2； 0 R为钻头半径，mm； R＇ 为钻头所受等效集 中力至钻头中轴线距离， mm；s＇为钻头刀具侧面与 孔壁接触面积， mm2； b σ为干燥煤岩抗压强度， MPa。 将上述公式代入式4中可推得钻杆推力与钻 杆扭矩。 由上述公式可知，煤层注水后，煤体摩擦因数 明显降低，导致钻孔过程中的钻杆力学参数随之减 小，从而对吸钻、卡钻的发生机制产生显著影响。 3 煤层注水对吸钻卡钻的影响 深部煤体开采前，煤体处于三向应力稳定平衡 状态。当井下进行采掘活动时，工作面前方煤体力 学平衡态被打破，使煤体内部应力重新分布，依次 形成卸压区、塑性区、弹性区和原岩应力区[17]。当 煤层注水后，由于煤体的多孔属性，导致其应力分 布也会发生相应变化。随煤体含水率增大，不但软 煤被完全湿润，部分硬煤也被水湿润软化，塑性增 加，弹性降低，形成卸压且应力降低，从而使煤层 中卸压区厚度增大，塑性区、弹性区相应前移，进 而使煤体高应力集中区域向煤壁深部转移。同时， 注水后煤体应力集中程度也会下降[18]， 如图 5 所示。 图 5 注水前后煤体应力分布示意 Fig.5 Diagram of stress distribution of coal before and after water injection 吸钻、卡钻动力现象多发生于煤体高应力集中 区域且伴有钻屑量明显增多的现象。煤层注水后， 煤体应力随之改变，导致钻杆发生吸钻、卡钻时与 之相对应的钻孔特征值及钻屑量发生明显变化，从 而对吸钻、卡钻动力现象的发生产生显著影响。随 煤体含水率增大，钻屑黏聚力逐渐增大，抗剪强度 增加，导致钻孔过程中钻杆推力和钻杆扭矩增加， 同时因注水后煤体应力降低、高应力集中区域深移 万方数据 第 3 期 郝志勇等 冲击倾向性煤层注水对钻进中吸钻卡钻的影响及试验 235 且孔壁稳定性增强等特征变化，使得钻孔过程中钻 屑量明显降低且最大钻屑量出现位置明显滞后，从 而导致吸钻、卡钻发生时的孔深加大。由于井下煤 层构造及埋藏深度不同，导致不同区域煤层含水率 各异，因此，需在不同煤体含水率情况下，通过试 验深入探究吸钻、卡钻力学特性。 4 现场试验 4.1 试验系统 试验系统主要由注水设备注水泵、水箱、高压 管路、封孔器等组成、钻孔设备、数据采集设备和 数据处理终端设备、液压恒阻力推进系统等组成， 本试验利用推力–扭矩传感器和称重传感器对钻孔 过程中的钻杆推力、钻杆扭矩及钻屑量进行监测， 并利用智能数字采集仪和计算机实现对钻杆推力、 钻杆扭矩及钻屑量的采集和显示。 4.2 试验目的 现场测定注水煤层在不同含水率时发生吸钻、 卡钻孔的钻杆推力、钻杆扭矩及钻屑量数值，研究 煤体不同含水率时测定值的变化规律，获得冲击倾 向性煤层注水对吸钻、卡钻发生的影响规律。 4.3 试验内容 本次试验地点位于河南某矿井下深度 1 200 m 丁戊组原煤处，该处煤层具有一定冲击倾向性，工 作面可采性指数 0.98，平均走向长度 67 m，平均倾 斜长度 56 m，面积 3 752 m2，煤层厚度约为 56 m， 煤层倾角约为 8。根据现场对该处煤质及构造进行 勘验分析，最终选定注水压力为 8 MPa。现场对该 处煤体进行了湿润半径的考察[19-20]，确定在 8 MPa 注水压力作用下煤体湿润半径为 4 m 左右。 注水前， 在回采面中下部利用 42 mm 螺旋钻杆依次施工 2 个 孔径为 42 mm、孔深 10 m 和孔间距 9 m 的注水孔， 然后将注水孔用封孔器封孔后，利用注水系统对两 孔同时进行注水，两天后在每个注水孔湿润半径影 响范围内及未注水煤体处保持钻机以 0.21 m/min 的 给进速度、614 r/min 的回转速度每隔 1 m 施工一个 试验钻孔，每个钻孔钻进深度为 8.5 m，从而消除回 转速度、给进速度等钻进参数对测试数据的影响， 而固定的给进速度可通过钻机配套的液压恒阻力推 进系统来实现。利用钻孔多参量测试系统对各个试 验钻孔的钻杆推力、钻杆扭矩及钻屑量进行测试。 为叙述、对比及数据整理方便，同时为简化试验孔 分布示意图， 挑选了在两个注水孔附近均出现吸钻、 卡钻的钻孔， 一方面便于对比分析注水范围半径内， 含水率对各钻孔钻进参数的影响，另一方面也便于 结合现场观测到的吸钻、卡钻动力现象，其中 1 号 2 号孔为未注水钻孔，3 号10 号孔为注水钻孔， 钻孔位置布置如图 6 所示。 图 6 试验孔分布示意 Fig.6 Diagram of distribution of test holes 由图 6 观察可知，发生吸钻与卡钻孔的钻进深 度不同，且在卡钻孔中随煤体含水率不同，卡钻孔 的最大钻进深度也不尽相同。 应用刻槽法对煤体钻进取样测得各试验孔含水 率表 1。 表 1 试验孔含水率 Table 1 Water content of test hole 吸钻孔 卡钻孔 含水率/ 距注水孔距离/m 1号 2号 2.14 3号 4号 3.73 4 5号 6号 4.88 3 7号 8号 5.84 2 9号 10号 6.67 1 由表 1 可知， 该区域煤体原始平均含水率较低， 且在注水湿润半径影响范围内，由近及远煤体平均 含水率依次降低，试验结束后，将上述各试验孔的 相关数据进行采集回收并分析处理。 4.4 试验结果分析 4.4.1 吸钻、卡钻孔试验分析 1、3、5、7、9 号试验孔为吸钻孔，2、4、6、 8、10 号试验孔为卡钻孔，卡钻孔与吸钻孔不同， 其钻进深度未能达到试验前设想的 8.5 m，试验完 成后将相关数据进行采集回收，并利用数据处理 软件进行整理分析，去掉初始段不合理数据并加 以整合，得到各吸钻孔钻杆推力随钻进深度变化 曲线图 7，各卡钻孔钻杆扭矩随钻进深度变化曲 线图 8，为进一步验证钻杆推力、钻杆扭矩随孔 深的变化规律，绘制各吸钻孔钻屑量随孔深变化曲 线图 9，各卡钻孔钻屑量随孔深变化曲线图 10， 为更加直观反映各钻进参数变化幅度，计算各钻 孔钻进过程钻进参数整体均值，见表 2，其随含水 率变化情况如图 11 所示。 万方数据 236 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 7 吸钻孔钻杆推力随钻进深度变化曲线 Fig.7 Variation of drill pipe thrust of suction hole with drilling depth 图 8 卡钻孔钻杆扭矩随钻进深度变化曲线 Fig.8 Variation of drill pipe torque of sticking hole with drilling depth 由图 7 和图 9 可知，对于未注水 1 号吸钻孔的 钻杆推力和钻屑量有如下特征① 1.03.0 m 段钻 杆推力和钻屑量随钻进深度增加而增大，而钻屑量 增幅较低，说明煤体处于卸压区，该区域煤体已屈 服并大体破碎，钻杆推力和钻屑量随煤体应力增大 而增加；② 3.04.8 m 段钻杆推力逐渐减小，在 4.8 m 处达到峰值最低，而钻屑量逐渐增加，在 4.8 m 处 达到峰值最高，说明煤体处于塑性区，此区域煤体 应力升高，煤体脆性度较大，导致钻杆钻屑量远大 于排屑量而形成一定长度的钻屑压实段，此时钻杆 所受排屑阻力增量大于摩擦阻力增量，导致钻杆推 力减小， 钻杆出现被“吸”的趋势， 吸钻即发生； ③ 4.8 8.0 m 段钻杆推力呈增大状态，但钻屑量持续降低， 说明煤体处于弹性区，此区域煤体应力逐渐降低， 钻屑量随之减少，此时钻杆所受摩擦阻力增量大于 排屑阻力增量，使钻杆推力逐渐增大；④ 钻进深度 大于 8 m 时煤体处于原岩应力区，此区域煤体应力 趋于稳定， 因此，钻杆推力和钻屑量也达到一个相 对稳定值。 图 9 吸钻孔钻屑量随钻进深度变化曲线 Fig.9 Variation of drilling cuttings of suction hole with drilling depth 图 10 卡钻孔钻屑量随钻进深度变化曲线 Fig.10 Variation of drilling cutting amount of sticking hole with drilling depth 表 2 钻进参数整体均值 Table 2 Overall mean value of drilling parameters 吸钻孔 钻杆推力/ kN 钻屑量/ kg 卡钻孔 钻杆扭矩/ Nm 钻屑量/ kg 1号 3.84 3.81 2号 54 3.84 3号 3.93 3.67 4号 56 3.73 5号 4.15 3.42 6号 61 3.52 7号 4.21 3.31 8号 63 3.44 9号 4.23 3.26 10号 63.5 3.40 由图 8 和图 10 可知， 对于未注水 2 号卡钻孔的 钻杆扭矩和钻屑量有如下特征① 1.04.4 m 段钻 杆扭矩和钻屑量均随钻进深度增加而增大，说明此 区域煤体应力逐渐升高，导致钻屑量增加，因此， 钻杆所受排屑力矩逐渐增大， 使钻杆扭矩逐渐增大。 ② 4.44.8 m 段钻杆推进缓慢且钻屑量骤减，钻杆 扭矩数值也陡然增大，说明此区域随煤体应力的持 万方数据 第 3 期 郝志勇等 冲击倾向性煤层注水对钻进中吸钻卡钻的影响及试验 237 图 11 钻进参数均值随含水率变化曲线 Fig.11 Variation of average value of drilling parameters with water content 续增大，钻屑量不断累积，此时钻杆钻屑量远大于 排屑量而形成一定长度的钻屑堵塞段，导致钻屑无 法排出，钻屑量骤减，钻杆无法继续钻进破煤，此 时钻杆所受总阻力矩大于钻机所能提供的最大扭 矩，钻杆无法前进。当钻杆退钻时，因钻屑堵塞段 钻屑量的累积， 使钻杆所受总阻力大于钻机起拔力， 钻杆无法后退。此时，钻杆既无法前进也无法后退， 钻杆即卡钻。③ 由钻杆扭矩和钻屑量变化规律可 知， 该处工作面煤体应力峰值点位于煤体前方 4.8 m 处，卡钻点也与其基本吻合。 由图 7图 11 可知，对于注水 3、5、7、9 号 吸钻孔及 4、6、8、10 号卡钻孔对应的钻杆推力、 钻杆扭矩及钻屑量有如下特征① 煤层注水后，随 各吸钻、卡钻孔煤体含水率的增大，钻杆推力、钻 杆扭矩整体均值逐渐增大、钻屑量整体均值逐渐减 小，说明注水后煤体应力有所降低，导致钻屑量逐 渐减小，而钻杆推力、钻杆扭矩值却并没有随煤体 应力的降低而减小，原因在于注水后钻屑的黏聚力 增大，抗剪强度增加，因此导致钻杆推力、钻杆扭 矩逐渐增大； ② 吸钻起始点随相应煤体含水率的增 大而依次为 3.33 号、3.75 号、3.97 号、4 m9 号，卡钻终结点随相应煤体含水率的增大而依次为 5.14 号、5.56 号、5.78 号、5.8 m10 号，说明 煤体含水率越大，煤体卸压区厚度越大，应力集中 区向深部转移幅度增大，煤层注水后大大延缓了吸 钻、卡钻发生的位置；③ 随煤体含水率增大，钻杆 推力、钻杆扭矩整体均值增大幅度和钻屑量减小幅 度均呈现先增大后减小的变化趋势，且煤体含水率 为 5.84和 6.67的钻杆推力、钻杆扭矩和钻屑量 数值接近，说明煤体含水具有一定的饱和性，其力 学性质并不能随含水率的增大而持续保持相应程度 的改变，且含水率为 6.67已接近于该区域煤体水 饱和态。 4.4.2 钻削参数理论与试验结果验证分析 以钻进深度 3 m 为例，因在相同采深注水煤层 附近钻孔，煤体的物理特性差异性较小，注水煤体 物理参数以矿井实际测试和计算数据为准，钻杆和 钻头各个参数由实际使用型号确定。根据现场试验 的工作面情况，测试点 5 号和 6 号试验孔的煤体水 平地应力均约为 1.28 MPa，垂直地应力分别约为 3.26 MPa 和 3.25 MPa，并结合现场实测钻机参数值 计算此时 5 号和 6 号孔钻杆推力值和钻杆扭矩值分 别为 5.16 kN 和 30.9 Nm，较之实测钻杆推力值 5.33 kN和钻杆扭矩值32.2 Nm分别减小了 3.11和 3.50， 究其原因可能是受煤体湿润均匀度 和地质条件等因素的影响，从而导致实际测试值比 理论计算值略大。 5 结 论 a. 通过对冲击倾向性煤层注水前后的吸钻、卡 钻现场试验测试数据分析可知，吸钻、卡钻点随煤 体含水率的增大相应向煤壁深部转移。 b. 吸钻、卡钻现象发生时伴有明显特征吸钻 时，钻杆推力值明显降低；卡钻时，钻杆扭矩值急 剧升高。因此，可根据钻杆推力、钻杆扭矩特征值 判断吸钻、卡钻是否发生。 c. 根据现场注水钻孔试验表明钻杆力学参数 的增幅随煤体含水率的增大而具有一定界限，说明 煤体含水具有一定的饱和性，因此，在井下煤层注 水防冲试验中应选择合理的注水参数。 d. 钻杆推力、钻杆扭矩和钻屑量与煤体应力分 布具有较好的对应关系，且吸钻、卡钻点与煤体应 力峰值具有较好的一致性。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 潘俊锋. 冲击地压的冲击启动机理及其应用[D]. 北京煤炭 科学研究总院，2016. 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