钻屑法的研究与应用

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1、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

2、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

3、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，引入了松散系数式中A、B为常数，由在弹性区与非弹性区边界上为1，和在钻孔内壁上为1.1~1.2而求出，，，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

4、那公式或修正的芬纳公式，计算非弹性区半径后，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，建立本构方程为以库仑——摩尔准则为屈服条件，进行弹塑性分析。ppRa弹性变形区非弹性变形区钻孔周围弹性分析σcσεcεE煤的本构关系图平衡方程为屈服条件为边界条件为：在钻孔的内周处；在弹性区与非弹性区的分界线上应力连续。得出非弹性区

5、半径R的解析式为当式中时，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孔内壁径向位移由体积不变条件求得以上各式中，为内摩擦角，为煤的塑性软化系数，及分别为单轴抗压强度及相应的应变，和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，求得包括扩容在内的孔内壁的径向位移为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式中E为弹性模量；为泊松式；为煤的容量；一般情况下，可取。由于弹性变形相对非弹性变形很小，因而忽略不计，仅

6、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

7、，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（）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三．冲击危险检测