一種煤體強(qiáng)度分布特征連續(xù)探測(cè)方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及礦井動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種煤體強(qiáng)度分布特征連續(xù)探測(cè)的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著采深的加大，煤礦井下地壓不斷升高，礦井瓦斯壓力和含量也逐漸增加，許多礦井的升級(jí)為沖擊地壓礦井和煤與瓦斯突出礦井，動(dòng)力災(zāi)害頻發(fā)。沖擊地壓和突出等動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生不僅受地應(yīng)力的影響顯著，而且與煤體的強(qiáng)度、軟硬程度等自身的物理性質(zhì)密切相關(guān)。煤體的強(qiáng)度性質(zhì)及其變化影響著突出和沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的可能性，是預(yù)測(cè)礦井動(dòng)力災(zāi)害的重要參數(shù)之一，因此，探測(cè)出巷道不同距離和工作面前方不同位置處煤體的強(qiáng)度分布特征對(duì)礦井動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)和預(yù)防意義重大。
[0003]現(xiàn)有的煤體強(qiáng)度的測(cè)試技術(shù)有很多，多為煤礦井下不同區(qū)域位置煤體強(qiáng)度的定點(diǎn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室獲取煤樣測(cè)得的強(qiáng)度值與煤體實(shí)際強(qiáng)度值偏差較大；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)有碎肩法、回彈硬度、切削法、點(diǎn)載強(qiáng)度等方法，這些方法有的僅能探測(cè)出巷道某固定位置處煤體的單軸抗壓強(qiáng)度，不能測(cè)得工作面前方煤體強(qiáng)度的變化，有的操作過(guò)于復(fù)雜，結(jié)果難以滿足突出等動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)的要求。而在打鉆過(guò)程中，受應(yīng)力分布的影響，煤體強(qiáng)度值是不斷發(fā)生變化的，在實(shí)施超前預(yù)測(cè)鉆孔時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤體強(qiáng)度的實(shí)時(shí)連續(xù)探測(cè)對(duì)礦井動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)警至關(guān)重要?，F(xiàn)有的在煤礦井下打鉆過(guò)程中進(jìn)行煤體強(qiáng)度測(cè)試的技術(shù)和方法尚不成熟，王凱，俞啟香提出利用鉆削功率進(jìn)行煤體強(qiáng)度的探測(cè)，鉆削功率受各種因素影響較大，其對(duì)煤體強(qiáng)度的反映并不精確，并沒(méi)有在井下得到廣泛應(yīng)用；朱麗媛，李忠華等提出了一種鉆肩扭矩探測(cè)法，這種方法探測(cè)的是鉆機(jī)輸送至鉆桿的扭矩，其對(duì)鉆頭處煤體強(qiáng)度的反映還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。綜合國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀，在煤礦井下對(duì)打鉆過(guò)程中對(duì)煤體強(qiáng)度的實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)試尚未成熟，在煤礦井下難有應(yīng)用，亟須一種科學(xué)、準(zhǔn)確的方法來(lái)進(jìn)行煤體強(qiáng)度分布特征的連續(xù)探測(cè)，從而更好的服務(wù)于煤礦井下動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)和預(yù)防。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)已有技術(shù)中的不足，提供一種操作簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確、高效智能的煤體強(qiáng)度分布特征連續(xù)探測(cè)的方法及裝置。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的煤體強(qiáng)度分布特征連續(xù)探測(cè)方法，包括以下步驟:
[0006]a.啟動(dòng)鉆機(jī)向煤層施工鉆孔的同時(shí)，安設(shè)在鉆頭與鉆桿間的測(cè)試短接元件在鉆進(jìn)過(guò)程中開(kāi)始工作；
[0007]b.鉆頭在鉆機(jī)給進(jìn)力的作用下不斷沖擊、剝落煤體，并發(fā)出沖擊震動(dòng)信號(hào)，沖擊震動(dòng)信號(hào)由鉆頭向鉆桿外露端方向傳播，沖擊震動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)試短接元件時(shí)，由測(cè)試短接元件檢測(cè)到并做一次記錄，記為時(shí)間信號(hào)b沖擊震動(dòng)信號(hào)傳播至鉆桿末端后發(fā)生反射，沿鉆桿向鉆頭方向回傳，再經(jīng)過(guò)測(cè)試短接元件時(shí)再次檢測(cè)到并再做一次記錄，記為時(shí)間信號(hào)t2;
[0008]c.鉆頭遇到不同強(qiáng)度的煤體后，鉆頭扭矩和鉆壓會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，通過(guò)測(cè)試短接元件可實(shí)時(shí)檢測(cè)和存儲(chǔ)鉆頭扭矩和鉆壓信號(hào)，測(cè)試短接元件同時(shí)將檢測(cè)到的沖擊震動(dòng)的時(shí)間電信號(hào)tjp t2、扭矩信號(hào)和鉆壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)信號(hào)或?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成電磁信號(hào)沿鉆桿傳輸至信號(hào)接收器；
[0009]d.信號(hào)接收器接收信號(hào)并通過(guò)導(dǎo)線或無(wú)線的方式將信息傳送給信號(hào)處理器，信號(hào)處理器根據(jù)接收的時(shí)間電信號(hào)tjp 12得出沖擊震動(dòng)信號(hào)沿鉆桿完成一次傳播與反射所需時(shí)間t = ，則可根據(jù)鉆桿長(zhǎng)度I = vt/2，計(jì)算出鉆進(jìn)深度h = Ι+a-b，得出不同鉆進(jìn)深度處“深度-扭矩-鉆壓”的對(duì)應(yīng)信息，并通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)繪出“深度-扭矩”曲線和“深度-鉆壓”曲線，由扭矩和鉆壓的變化分析得出不同深度處煤體強(qiáng)度的變化特征，實(shí)現(xiàn)在鉆進(jìn)過(guò)程中煤體強(qiáng)度分布特征的初探；式中為傳播速度，a為鉆頭長(zhǎng)度，b為鉆桿外露段長(zhǎng)度；
[0010]e.鉆孔施工完畢后退出鉆頭，取下測(cè)試短接元件，對(duì)短接元件中記錄和儲(chǔ)存的時(shí)間、扭矩和鉆壓信息進(jìn)行再分析，對(duì)比實(shí)時(shí)探測(cè)所得的“深度-扭矩”曲線和“深度-鉆壓”曲線，綜合分析得出不同深度處煤體強(qiáng)度分布特征，從而實(shí)現(xiàn)煤體強(qiáng)度分布特征的連續(xù)探測(cè)。
[0011]所述向煤層施工的鉆孔在近水平、緩傾斜煤層工作面向煤體前方至少施工3個(gè)鉆孔。
[0012]一種實(shí)現(xiàn)上述方法的煤體強(qiáng)度分布特征連續(xù)探測(cè)裝置，包括鉆頭、鉆桿、鉆機(jī)、水便，在所述鉆頭與鉆桿之間連接有一個(gè)測(cè)試短接元件，在所述鉆桿與水便之間連接有一個(gè)信號(hào)接收器，信號(hào)接收器經(jīng)導(dǎo)線連接有信號(hào)處理器；所述的測(cè)試短接元件直徑與鉆桿相同，與鉆頭和鉆桿以螺紋方式連接，測(cè)試短接元件包括內(nèi)置有可測(cè)量扭矩和鉆壓的應(yīng)變式傳感器以及可檢測(cè)和記錄沖擊振動(dòng)信號(hào)的微型振動(dòng)傳感器。
[0013]有益效果:由于鉆頭扭矩、鉆壓與鉆頭位置處煤體的強(qiáng)度值密切相關(guān)，鉆頭扭矩和鉆壓可較為準(zhǔn)確的反映出鉆頭位置處煤體強(qiáng)度的大小，本發(fā)明利用打鉆過(guò)程中鉆頭扭矩、鉆壓和其所在位置處煤體強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，通過(guò)實(shí)時(shí)探測(cè)鉆頭扭矩、鉆壓和鉆進(jìn)深度值得出不同深度處煤體強(qiáng)度的變化特征，實(shí)現(xiàn)了煤體強(qiáng)度分布特征的連續(xù)探測(cè)，為礦井動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)防提供參考。本發(fā)明針對(duì)礦井動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)困難的現(xiàn)狀，突破了原有煤礦井下煤體強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試復(fù)雜難度大、超前探測(cè)困難和測(cè)試結(jié)果難以符合預(yù)測(cè)要求的現(xiàn)狀，在經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)分析論證后，利用鉆頭扭矩、鉆壓和鉆頭位置處煤體強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，巧妙的在鉆頭與鉆桿之間連接一個(gè)可以實(shí)時(shí)探測(cè)鉆頭扭矩、鉆壓和鉆進(jìn)深度的短接原件，通過(guò)在鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)鉆頭扭矩、鉆壓和鉆進(jìn)深度的連續(xù)探測(cè)得出煤體強(qiáng)度的連續(xù)分布特征。測(cè)試原理科學(xué)，結(jié)果準(zhǔn)確，創(chuàng)造性的實(shí)現(xiàn)了鉆頭扭矩、鉆壓和鉆進(jìn)深度的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)探測(cè)，充分利用了鉆孔信息，高效智能，先進(jìn)實(shí)用；在施工普通鉆孔時(shí)對(duì)煤體強(qiáng)度進(jìn)行探測(cè)，可實(shí)時(shí)了解巷道周圍煤巖體強(qiáng)度的分布特征，為沖擊地壓的預(yù)測(cè)預(yù)防提供真實(shí)有效的煤體強(qiáng)度信息；在施工超前預(yù)測(cè)鉆孔或消突鉆孔時(shí)對(duì)煤體強(qiáng)度分布特征進(jìn)行連續(xù)探測(cè)，可準(zhǔn)確探測(cè)出工作面前方煤體強(qiáng)度的變化情況，為煤礦井下各種動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)和預(yù)防提供了重要的參考信息。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于煤礦井下施工鉆孔時(shí)對(duì)煤體強(qiáng)度的實(shí)時(shí)連續(xù)探測(cè)，可為煤礦日常生產(chǎn)提供重要信息，在礦井動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1 (a)是本發(fā)明的煤體強(qiáng)度分布特征超前探測(cè)鉆孔布置示意圖；
[0015]圖1(b)是圖1(a)的A-A向示意圖；
[0016]圖2是本發(fā)明的鉆孔深度實(shí)時(shí)探測(cè)原理的示意圖；
[0017]圖3是本發(fā)明的煤體強(qiáng)度分布特征連續(xù)探測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖中:1-掘進(jìn)工作面，2-鉆孔，3-煤體，4-鉆頭，5-鉆桿，6_測(cè)試短接元件，7_鉆機(jī)，8-水便，9-信號(hào)接收器，10-導(dǎo)線，11-信號(hào)處理器，12-顯示屏，13-深度-扭矩曲線，14-深度-鉆壓曲線，15-振動(dòng)或電磁信號(hào)傳播方向，16-沖擊震動(dòng)信號(hào)傳播方向，17-沖擊震動(dòng)信號(hào)回傳方向。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例作進(jìn)一步的描述:
[0020]本發(fā)明的煤體強(qiáng)度分布特征連續(xù)探測(cè)裝置，主要由鉆頭4、鉆桿5、鉆機(jī)7、水便8、測(cè)試短接元件6、信號(hào)接收器9和信號(hào)處理器11構(gòu)成，在所述的鉆頭4與鉆桿5之間連接一個(gè)測(cè)試短接元件6，在所述的鉆桿5與水便8之間連接一個(gè)信號(hào)接收器9，信號(hào)接收器9經(jīng)導(dǎo)線10連接有信號(hào)處理器11 ;所述的測(cè)試短接元件6直徑與鉆桿5相同，與鉆頭4和鉆桿5以螺紋方式連接，測(cè)試短接元件6包括內(nèi)置有可測(cè)量扭矩和鉆壓的應(yīng)變式傳感器以及可檢測(cè)和記錄沖擊振動(dòng)信號(hào)的微型振動(dòng)傳感器。
[0021]本發(fā)明的煤體強(qiáng)度分布特征連續(xù)探測(cè)方法，步驟如下:
[0022]a.啟動(dòng)鉆機(jī)7向煤層3施工鉆孔2的同時(shí)，安設(shè)在鉆頭4與鉆桿5間的測(cè)試短接元件6在鉆進(jìn)過(guò)程中開(kāi)始工作；所述向煤層3施工的鉆孔2在近水平、緩傾斜煤層工作面向煤體前方至少施工3個(gè)鉆孔；
[0023]b.鉆頭4在鉆機(jī)7給進(jìn)力的作用下不斷沖擊、剝落煤體3，并發(fā)出沖擊震動(dòng)信號(hào)，沖擊震動(dòng)信號(hào)由鉆頭4向鉆桿外露端方向16傳播，沖擊震動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)試短接元件6時(shí)，由測(cè)試短接元件6檢測(cè)到并做一次記錄，記為時(shí)間信號(hào)h，沖擊震動(dòng)信號(hào)傳播至鉆桿5末端后發(fā)生反射，沿鉆桿5向鉆頭方向17回傳，再經(jīng)過(guò)測(cè)試短接元件6時(shí)再次檢測(cè)到