典型含煤地層錨固孔鉆進動力特性與地層信息識別研究

張幼振，張 寧，劉 璞，居 培，何玢潔

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077 ）

0 引 言

坑道鉆探是煤炭安全高效開采地質保障的重要手段，隨著近年來煤礦智能化發展，鉆探技術也在不斷探求精準化、智能化發展的途徑［1-3］。 鉆探過程中的鉆柱動力學是基礎理論問題，由于含煤地層的非連續性、非均質性和鉆頭回轉切削機械破巖方式等因素，鉆進過程中鉆具的縱振、橫振和扭振相互疊加耦合，給鉆具的使用壽命和鉆進精準控制帶來不利影響，但同時其動力響應信號可有效表征鉆探過程，與鉆速、轉矩、鉆壓、轉速等常規隨鉆參數［4-8］共同為地層信息預測提供重要數據。 對鉆進過程動力特性的深入研究對于煤礦井下坑道鉆探施工中的智能探查具有重要意義［9-11］。

鉆柱動力學一直是鉆井工程力學的重點和難點，國內外學者結合鉆井實際開展了大量卓有成效的動力特性方面的研究。 MORADI 等［12］采用金相分析和有限元計算相結合的方法對鉆柱振動特性和失效特征進行了分析。 GUPTA 等［13］在考慮切削力和轉矩對鉆柱軸扭耦合振動影響的基礎上，提出可提高鉆進系統穩定性的技術條件。 劉清友等［14］基于鉆井系統動力學行為理論，開展了非線性系統的數值求解方法研究。 朱才朝等［15］在考慮隨機載荷作用下，建立了典型工作狀態下鉆柱系統耦合非線性動力學模型。 劉永升等［16］建立了斜直井中鉆柱非規則運動的4 自由度非線性動態模型，進一步認識了斜井段和水平段的鉆柱工況。……