軟硬交錯(cuò)傾斜煤層下煤礦鉆孔機(jī)器人鉆桿系統(tǒng)振動(dòng)特性研究

關(guān)鍵詞：煤礦鉆孔機(jī)器人；軟硬交錯(cuò)煤層；傾斜煤層；水平鉆進(jìn)；鉆桿系統(tǒng)；振動(dòng)特性

中圖分類號(hào)：TD67 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

隨著我國(guó)煤礦開采規(guī)模逐漸擴(kuò)大，鉆探作業(yè)深度和強(qiáng)度不斷加大[1]。在深部鉆進(jìn)過(guò)程中，煤礦鉆孔機(jī)器人面對(duì)的煤巖層地質(zhì)條件更加復(fù)雜[2] ，煤巖各向異性、軟硬交錯(cuò)煤層及斷層、褶曲、裂縫等地質(zhì)構(gòu)造使得鉆桿系統(tǒng)與煤巖層相互作用時(shí)，鉆頭?煤巖間力學(xué)狀態(tài)呈動(dòng)態(tài)變化[3]。特別是水平鉆進(jìn)過(guò)程中，軟硬交錯(cuò)與傾斜煤層極易對(duì)鉆頭產(chǎn)生不可控的偏斜擾動(dòng)及強(qiáng)烈的碰撞反力，導(dǎo)致鉆進(jìn)軌跡偏斜、鉆桿系統(tǒng)振動(dòng)等問(wèn)題[4]。研究鉆桿系統(tǒng)與煤巖層相互作用，以及煤層硬度、傾斜角度對(duì)鉆桿系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響具有現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在鉆桿振動(dòng)特性研究方面取得了一定成果。T. Richard 等[5]、K. Nandakumar 等[6]考慮黏滯阻尼，建立了鉆柱縱?扭2 自由度耦合模型，并進(jìn)行穩(wěn)定性分析。Liu Xianbo 等[7]、B. Saldivar 等[8]考慮非線性干摩擦，建立了鉆柱縱?扭2 自由度耦合數(shù)學(xué)模型，并分析其穩(wěn)定性。N. K. Tengesdal 等[9]采用2 自由度質(zhì)量彈簧阻尼模型，建立了鉆井系統(tǒng)中鉆頭與巖石相互作用的縱?扭耦合動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值分析。Y. M. Choe 等[10]提出了具有5 自由度的縱?扭集中參數(shù)模型，并采用Runge?Kutta 方法進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了具有非光滑特性的鉆柱系統(tǒng)的縱?扭模態(tài)相關(guān)性。吳澤兵等[11]、劉清友等[12]分別采用有限元法、牛頓法研究了鉆桿縱向與橫向振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性。朱才朝等[13]基于鉆頭?巖石的相互作用，采用能量法建立了橫?縱?扭全耦合非線性動(dòng)力學(xué)方程，并進(jìn)行數(shù)值仿真分析。Zhao Jianguo 等[14]綜合考慮鉆頭性能、鉆速、轉(zhuǎn)矩等因素，建立了縱?扭動(dòng)力學(xué)的流固耦合模型，分析了各因素對(duì)縱?扭振動(dòng)特性的影響。此外，專家學(xué)者還對(duì)煤巖層性質(zhì)、鉆進(jìn)工況對(duì)鉆桿系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響展開研究。張馮豆[15]研究了鉆頭與復(fù)雜地層的相互作用，分析了地層動(dòng)態(tài)反力作用下鉆柱系統(tǒng)的振動(dòng)特性。文國(guó)軍等[16]采用數(shù)值模擬和響應(yīng)面分析相結(jié)合的方法，研究了鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭與深部復(fù)雜地層的動(dòng)態(tài)特性及參數(shù)響應(yīng)規(guī)律。

為更全面地研究復(fù)雜煤層工況對(duì)煤礦鉆孔機(jī)器人水平鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響，本文開展了鉆桿系統(tǒng)在不同傾斜角度下軟硬交錯(cuò)煤層中鉆進(jìn)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究，分析鉆桿系統(tǒng)的縱?橫?扭耦合振動(dòng)特性，為煤礦鉆孔機(jī)器人水平鉆進(jìn)軌跡預(yù)測(cè)及控制奠定理論基礎(chǔ)。

1鉆桿系統(tǒng)動(dòng)載受力分析

煤礦鉆孔機(jī)器人在深部煤層水平鉆進(jìn)過(guò)程中，由夾持器、鉆桿、鉆頭等組成的鉆桿系統(tǒng)將承受自重、給進(jìn)阻力、轉(zhuǎn)矩、阻尼、鉆桿?孔壁接觸碰撞力、摩擦阻力、鉆頭?破碎煤巖相互作用力等綜合作用，產(chǎn)生縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)及其耦合振動(dòng)。鉆桿系統(tǒng)受力分析如圖1 所示。其中f_T為鉆孔機(jī)器人提供的推進(jìn)力；n為鉆桿轉(zhuǎn)速；"v為鉆桿鉆速；"m_T為鉆桿轉(zhuǎn)矩；f_g為鉆桿自重； f_a，" f_b分別為鉆桿系統(tǒng)受到的煤巖層動(dòng)載軸向力和動(dòng)載切向力；m_d為破巖過(guò)程中鉆桿系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)漢密爾頓原理，采用離散有限元法建立鉆桿系統(tǒng)水平鉆進(jìn)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)模型（式（1））。為貼近實(shí)際工況，采用彈簧?質(zhì)量?阻尼系統(tǒng)建模，引入鉆頭鉆進(jìn)軟硬交錯(cuò)傾斜煤層時(shí)的相互作用力、鉆桿與孔壁非確定性動(dòng)態(tài)接觸碰撞摩擦、鉆桿夾持端鉆進(jìn)工況等邊界條件，并假設(shè)鉆桿為均質(zhì)彈性直桿，水平鉆進(jìn)軌跡與鉆頭及鉆桿軸線重合，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿轉(zhuǎn)速保持不變，鉆桿系統(tǒng)橫向振動(dòng)分解為鉆頭或鉆桿橫截面上水平、豎直2個(gè)方向的分量。

煤礦鉆孔機(jī)器人鉆桿系統(tǒng)是一個(gè)具有較大細(xì)長(zhǎng)比的柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)[17]。與常規(guī)垂直鉆進(jìn)不同，水平鉆進(jìn)過(guò)程中細(xì)長(zhǎng)鉆桿的抗彎能力弱，在自重作用下極易與煤巖孔壁發(fā)生非確定性接觸碰撞和摩擦，導(dǎo)致橫向振動(dòng)，且其接觸沿孔深和煤壁隨機(jī)分布。同時(shí)，鉆頭鉆進(jìn)深部復(fù)雜煤巖層的軟硬交錯(cuò)傾斜煤層時(shí)，將承受頻繁的交變應(yīng)力和較大的附加沖擊載荷，造成鉆頭跳鉆和渦動(dòng)，引起鉆桿系統(tǒng)產(chǎn)生橫?縱?扭振動(dòng)及其相互疊加耦合振動(dòng)[18]。此外，隨著鉆進(jìn)深度增加，鉆桿的細(xì)長(zhǎng)比不斷增大，導(dǎo)致其剛度減小。在鉆進(jìn)壓力作用下，鉆桿逐漸進(jìn)入正弦屈曲、螺旋屈曲等失穩(wěn)階段[19]，導(dǎo)致鉆桿在孔壁中周期性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其轉(zhuǎn)矩發(fā)生不規(guī)則變化，并伴隨與孔壁的不確定接觸碰撞，使鉆柱受力和運(yùn)動(dòng)形態(tài)更加復(fù)雜，鉆桿的耦合振動(dòng)規(guī)律發(fā)生明顯變化。因此，采用鉆桿系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型難以準(zhǔn)確表述鉆頭?煤巖及鉆桿?孔壁的動(dòng)態(tài)非確定性接觸碰撞摩擦。本文采用實(shí)驗(yàn)方法分析軟硬交錯(cuò)傾斜煤層中鉆桿系統(tǒng)的耦合振動(dòng)特性。

2鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)鉆孔機(jī)器人在山東某礦區(qū)實(shí)際鉆進(jìn)工況開展實(shí)驗(yàn)。煤層信息：煤3，褐黑色條痕，瀝青、玻璃光澤，層狀構(gòu)造，條帶結(jié)構(gòu)，主要由亮煤組成，次為暗煤；局部含不穩(wěn)定炭質(zhì)泥巖夾矸，質(zhì)較硬；煤層普氏系數(shù)為0.8～2.3，平均為1.6。為更全面地研究煤層硬度對(duì)鉆桿系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響，將被研究煤層的普氏系數(shù)擴(kuò)展為1.5～3.5。考慮該礦區(qū)較難同時(shí)獲取該普氏系數(shù)范圍內(nèi)的天然煤塊，根據(jù)相似原理，選用混凝土試塊C15， C25， C35（抗壓強(qiáng)度分別為15，25，35 MPa）替代天然煤塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)應(yīng)普氏系數(shù)為1.5 的軟煤層、普氏系數(shù)為2.5 的中硬煤層和普氏系數(shù)為3.5 的硬煤層。混凝土試塊采用統(tǒng)一規(guī)格的水泥、砂子、砂石，根據(jù)不同硬度需求配比試制而成[20]。實(shí)驗(yàn)采用?65 mm 鉆頭和?55 mm 刻槽鉆桿，因此試塊尺寸設(shè)計(jì)為150 mm×150 mm×150 mm。對(duì)C15，C25，C35 試塊進(jìn)行15，30，45°切割，如圖2 所示，來(lái)模擬緩傾斜煤層（煤層傾角為8～25°）和中傾斜煤層（煤層傾角為25～45°）。以C25 試塊為例，切割后如圖3所示。

鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表1。搭建煤礦鉆孔機(jī)器人水平鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖4所示。采用三向振動(dòng)加速度傳感器監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿軸向（縱向X 方向）及徑向（橫向Y，Z 方向）的振動(dòng)加速度信號(hào)，采用轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)（轉(zhuǎn)速信號(hào)）。

混凝土試塊切割后各部分之間沒有粘合，處于獨(dú)立擺放狀態(tài)。開始鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)前，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的油缸加載裝置及螺栓連接肋板結(jié)構(gòu)對(duì)試塊進(jìn)行夾緊操作（所有試塊夾緊時(shí)選用相同的加載力），避免因擺放造成的試塊間隙對(duì)鉆桿振動(dòng)的影響。煤礦鉆孔機(jī)器人水平鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程：① 按照表1 中的設(shè)計(jì)方案，排放不同硬度及傾斜角度的試塊。② 在加載油缸連接鋼板內(nèi)側(cè)，采用木板及緩沖墊對(duì)試塊進(jìn)行左右粗定位，在試塊頂部采用木板進(jìn)行上下粗定位，在試塊尾部采用未切割試塊進(jìn)行粗定位。③ 操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)左右兩側(cè)的對(duì)稱油缸及試塊頂部和尾部的螺栓連接肋板，對(duì)試塊進(jìn)行上下、左右及前后夾緊定位。④ 采用相同鉆進(jìn)工藝參數(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)。

在混凝土試塊實(shí)際澆筑過(guò)程中，很難達(dá)到水泥與砂子、砂石充分混合均勻的理想狀態(tài)，尤其是在通過(guò)振動(dòng)攪拌棒攪拌或敦實(shí)操作進(jìn)行排空處理時(shí)，會(huì)出現(xiàn)砂石少量聚集的情況，造成混凝土試塊的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)。為降低該現(xiàn)象對(duì)鉆桿系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

考慮到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境干擾、傳感器噪聲等對(duì)振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生影響，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EmpiricalMode Decomposition，EMD）方法分解采集信號(hào)[21]，通過(guò)相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行濾波，之后重構(gòu)信號(hào)。以方案1（15°煤層傾斜角度下，軟→中硬→硬煤層鉆進(jìn)）中X 方向振動(dòng)加速度信號(hào)為例，對(duì)EMD 預(yù)處理后的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行一次積分運(yùn)算，獲得振動(dòng)速度信號(hào)，再次進(jìn)行積分運(yùn)算，得到振動(dòng)位移信號(hào)，如圖5所示。后續(xù)對(duì)振動(dòng)位移信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

統(tǒng)計(jì)不同煤層傾斜角度下，鉆桿系統(tǒng)在軟→中硬→硬煤層（C15→C25→C35） 中水平鉆進(jìn)時(shí)X， Y，Z 方向振動(dòng)位移及轉(zhuǎn)速信號(hào)，如圖6 所示。

從圖6（d）可看出，在鉆桿系統(tǒng)縱向和橫向振動(dòng)位移幅值發(fā)生時(shí)段，鉆桿轉(zhuǎn)速發(fā)生躍變。在15°傾斜煤層中， 鉆桿轉(zhuǎn)速劇烈波動(dòng)處于鉆進(jìn)深度30～43 cm，如紅色橢圓形圈內(nèi)標(biāo)識(shí)；在30°傾斜煤層中處于鉆進(jìn)深度15～20 cm，如藍(lán)色橢圓形圈內(nèi)標(biāo)識(shí)；在45°傾斜煤層中處于鉆進(jìn)深度5～15，25～30 cm，如黑色橢圓形圈內(nèi)標(biāo)識(shí)。同時(shí)，隨著煤層傾斜角度增大，鉆桿系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化幅度（扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值）增大。

統(tǒng)計(jì)不同煤層傾斜角度下，鉆桿系統(tǒng)在硬→中硬→軟煤層（C35→C25→C15） 中水平鉆進(jìn)時(shí)X， Y，Z 方向振動(dòng)位移及轉(zhuǎn)速信號(hào)，如圖7 所示。可看出隨著煤層傾斜角度增大，鉆桿系統(tǒng)X，Y，Z 方向的振動(dòng)位移幅值及轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍均增大，45°傾斜角度時(shí)三向振動(dòng)位移幅值較15°傾斜角度時(shí)呈3～10 倍增大，較30°傾斜角度時(shí)呈2～3 倍增大，且集中在鉆進(jìn)深度10～25 cm（X，Y 方向）和8～22 cm（Z 方向）。在45°傾斜煤層中，鉆桿系統(tǒng)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。為防止卡鉆，降低轉(zhuǎn)速緩慢鉆進(jìn)，因此出現(xiàn)轉(zhuǎn)速為0 的情況。

對(duì)比圖6、圖7 可看出，同一煤層傾斜角度下，鉆孔機(jī)器人在軟→中硬→硬煤層中鉆進(jìn)較在硬→中硬→軟煤層中鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿系統(tǒng)的縱向、橫向及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅度更大。

為了更清晰地對(duì)比鉆桿系統(tǒng)縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)在不同軟硬交錯(cuò)煤層中的變化規(guī)律，取振動(dòng)位移和轉(zhuǎn)速信號(hào)的均值和中位數(shù)， 結(jié)果如圖8 所示。可看出與軟→中硬→硬煤層相比，鉆桿系統(tǒng)在硬→中硬→軟煤層中鉆進(jìn)時(shí)，X 方向的振動(dòng)位移幅值在15，30°傾斜煤層中明顯增大，45°傾斜煤層中變化不大；Y 方向的振動(dòng)位移幅值在30，45°傾斜煤層中增大；Z 方向的振動(dòng)位移幅值在15，45°傾斜煤層中小幅增大，而在30°傾斜煤層中呈下降趨勢(shì)。鉆桿系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化發(fā)生在硬→中硬→軟煤層鉆進(jìn)中，煤層傾斜角度越大，轉(zhuǎn)速均值與中位數(shù)之間的差值越大，即轉(zhuǎn)速波動(dòng)越大。整體來(lái)看，當(dāng)煤層傾斜角度較小（15，30°）時(shí)，軟硬交錯(cuò)煤層對(duì)鉆進(jìn)系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響較大，當(dāng)傾斜角度較大（45°）時(shí)，傾斜角度對(duì)振動(dòng)特性的影響較軟硬交錯(cuò)煤層大。

4結(jié)論

1） 搭建煤礦鉆孔機(jī)器人水平鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在考慮鉆桿?煤壁及鉆頭?煤巖間非確定性動(dòng)態(tài)接觸碰撞摩擦，以及隨鉆進(jìn)深度不斷變化的鉆桿抗彎能力等因素前提下，開展了軟硬交錯(cuò)傾斜煤層水平鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)，研究了傾斜角度及軟硬交錯(cuò)煤層對(duì)鉆桿系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響。

2） 當(dāng)煤層傾斜角度為15～45°時(shí)，鉆孔機(jī)器人無(wú)論是在硬→中硬→軟煤層還是軟→中硬→硬煤層中鉆進(jìn)，鉆桿系統(tǒng)的縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值均隨煤層傾斜角度的增大而增大。

3） 當(dāng)煤層傾斜角度較小（15，30°）時(shí)，軟硬交錯(cuò)煤層對(duì)鉆桿系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響較大，當(dāng)煤層傾斜角度較大（45°）時(shí)，煤層傾斜角度對(duì)鉆桿系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響大于軟硬交錯(cuò)煤層。

4） 較大的砂石對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿系統(tǒng)振動(dòng)產(chǎn)生一定影響。后續(xù)將重點(diǎn)研究煤巖混合度、斷層、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造對(duì)鉆桿系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響。