CN104832212B - 基于钻进参数考察巷道松动及应力集中范围的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于钻进参数考察巷道松动及应力集中范围的方法，属于深部地层钻进地应力集中区的考察。该方法在矿井煤或岩石巷道内施工顺层长钻孔，记录并计算打钻过程中的推力、转速、转矩和钻进速率，利用钻孔参数推算钻进单位岩体所消耗的能量即钻进比能，获得钻进比能与钻进距离之间的对应关系，钻进同种煤岩体所消耗的能量与煤岩体在不同地应力条件下所表现的不同的物理力学特性存在一定的响应特性，推断出煤岩巷道两侧应力集中及松动区范围，利用推力和转速恒定条件下的钻进速率变化趋势，对煤岩巷道两侧应力集中及松动区范围进行推算。优点：提高巷道支护效率，节约巷道维护成本；对瓦斯卸压抽采钻孔有效封孔距离提供指导，提高瓦斯抽采有效性。
Description
技术领域
本发明涉及一种深部地层钻进地应力集中区范围的考察，特别是一种基于钻进参数考察巷道松动及应力集中范围的方法。
背景技术
我国煤矿地质条件复杂，煤层渗透率低、瓦斯压力大，且逐年向深部延伸，深部高地应力和瓦斯压力致使冲击地压、矿震等煤岩动力及瓦斯灾害更加严重，对巷道支护、瓦斯防治等技术提出了更高的要求。煤系地层多为软－中硬沉积岩层，以砂岩、页岩、泥岩、砾岩、煤为主，其强度、变形特性以及破坏机制与其所处的地应力状态密切相关，表现为低地应力下的脆性向高地应力下的塑性破坏转化的特征。煤岩体的抗压强度、硬度、弹性模量等物理力学特性与所受地应力呈正相关性，随地应力的增大煤岩体内部裂隙、孔隙等缺陷压密闭合，刚度增大。钻进过程参数(钻进速度、推力、转速、转矩、钻进比能等)与煤岩体物理力学特性具有较好的相关性，钻进比能是指钻进单位体积煤岩体消耗能量，可有效反映岩石不同地应力条件下的煤岩体可钻性难易程度，另外，在推力和转速恒定的条件下，钻进速度与岩石抗压强度呈类负指数关系，可以利用钻进速度通过经验公式推算岩石抗压强度，从而可以反推其所受地应力状态。
在煤矿井下，受采动过程影响煤系地层中煤岩体总是处于一定的地应力作用下，巷道两侧存在巷道松动区、应力集中区和原始应力区，应力集中程度可能达到几倍甚至十几倍，而距巷道壁距离可能是几米到几十米。根据政策法规要求，对于高突煤层在开采前需要采取保护层开采和预抽煤层瓦斯等区域性瓦斯治理措施，降低煤层瓦斯含量消除其突出危险性，其中顺(煤)层瓦斯抽采是主要抽采方法之一。煤是典型的含有原始损伤的微观非均质体，存在许多微空洞、微裂隙、层理和节理等软弱结构面以及颗粒胶结物，煤巷两侧的巷道松动区内存在有大量裂隙，封孔段超过松动区可以有效提高顺层钻孔的抽采效果。深部区域复杂的地应力条件，增加了煤岩巷道支护难度，准确掌握煤岩巷道两侧松动区及应力集中区范围，可以有效提高支护效率，节约煤岩巷道维护成本。
长期以来缺少有效探测巷道两侧松动区及应力集中区范围的技术方法，煤岩巷道有效支护方面和顺(煤)层抽采钻孔有效封孔距离的盲目性较大。利用地应力对煤岩体物理力学特性的影响，结合钻进过程参数与煤岩体物理力学参数之间的相关性，使得钻进过程参数可以反映巷道两侧地应力变化趋势及范围。
发明内容
本发明的目的是针对深部开采矿井巷道两侧松动区及应力集中区范围难以有效考察的实际情况，提供一种基于钻进参数考察巷道松动及应力集中范围的方法。
本发明的目的是这样实现的：该方法在矿井煤或岩石巷道内施工顺层长钻孔，记录并计算打钻过程中的推力、转速、转矩和钻进速率，利用煤岩体钻机的钻进参数和钻孔参数推算钻进单位岩体所消耗的能量即钻进比能，获得钻进比能与钻进距离之间的对应关系，钻进同种煤岩体所消耗能量的不同与其在不同地应力条件下所表现的不同的物理力学特性，推断出煤岩巷道两侧应力集中及松动区范围，利用推力和转速恒定条件下的钻进速率变化趋势，对煤岩巷道两侧应力集中及松动区范围进行推算。
进一步的，在推力和转速恒定的条件下，钻进速率可以用来表征煤岩体钻进的难易程度，同种煤岩体钻进的难易程度差别主要与其所受的地应力条件有关，从而建立钻进速率与地应力之间的相关性关系，进而对煤岩巷道松动及应力集中范围进行推算；
在推力、转速、转矩和钻进速率都不稳定的条件下，钻进比能Q可以按照Q＝2πRNT/Aυ+F/A获得，式中：R为钻孔半径，A为孔底面积，钻进比能与煤岩体所受的地应力状态具有较好的正相关性，可以通过钻进比能对巷道松动及地应力集中范围进行推算；煤岩体钻机通过推进液压传感器获得钻进过程中推力F，旋转液压传感器获得钻进过程中转矩T，转速传感器获得钻进过程中钻头转速N，钻杆位移传感器获得钻进实时距离并对时间进行求导获得钻进速率υ，并配套数据储存及处理系统；煤岩体钻机实现在恒定推进力和转速条件下的煤岩体钻进，并对钻进过程中钻进距离进行实时监测。
有益效果，由于采用上述方案，通过在在矿井煤或岩石巷道内施工顺层长钻孔，基于钻进过程中钻进参数的变化对煤岩巷道应力集中及松动区范围进行推算。在煤矿井下受采动影响煤系地层中煤岩体总是处于一定的地应力作用下，煤岩巷道两侧存在的巷道松动区和应力集中区，应力集中程度可能达到几倍甚至十几倍，大多为软-中硬的煤岩体的强度、变形特性以及破坏机制与其所处的地应力状态密切相关，在不同地应力条件下表现物理力学特性的不同。钻进过程参数与煤岩体物理力学特性具有较好的相关性，钻进同种煤岩体所消耗能量的不同与其在不同地应力条件下所表现的不同的物理力学特性有关，所受地应力条件越大钻进单位煤岩体所要消耗的能量就越大。在煤岩体钻机上附加推进液压传感器、旋转液压传感器、转速传感器、钻杆位移传感器及配套数据储存及处理系统，实时获得钻进过程中推力、转矩、转速和钻进距离等钻进参数，根据钻进距离对时间进行求导获得实时钻进速率，结合施工钻孔半径及孔底面积推导获得钻进单位煤岩体所消耗的能量即钻进比能，获得钻进比能与钻进距离之间的对应关系，从而推断出煤岩巷道两侧地应力集中及松动区范围。
本发明利用还可以利用恒定推力和转速恒定条件下的钻进速率来表征煤岩体钻进的难易程度，同种煤岩体钻进的难易程度差别主要与其所受的地应力条件有关，从而建立钻进速率与地应力之间的正相关性关系，进而对煤岩巷道地应力集中及松动区范围进行推算。
优点：通过该种方法可以迅速有效推算出煤岩巷道两侧地应力集及松动区范围，一方面可以获得煤岩巷道两侧地应力分布状态，提高巷道支护效率，节约巷道维护成本；另一方面对顺(煤)层瓦斯卸压抽采钻孔有效封孔距离提供指导，提高瓦斯抽采有效性。
利用打钻过程中钻进参数反映煤系地层受地应力状态，实现煤岩巷道两侧松动区及应力集中区范围考察，提高煤岩巷道支护的针对性，节约支护成本，准确确定顺(煤)层瓦斯抽采钻孔有效封孔距离，对巷道支护及瓦斯抽采提供指导。
附图说明
图1为本发明基于钻进参数考察巷道松动及应力集中范围的方法示意图。
图中：1—顶板岩层；2—钻进煤(岩)层；3—底板岩层；4—煤(岩)巷道；5—钻机；6—推进液压传感器；7—旋转液压传感器；8—转速传感器；9—位移传感器；10—数据存储及处理系统；11—钻杆；12—钻头；13—钻孔；14—巷道松动区；15—应力集中区；16—原始应力区；17—地应力趋势线
具体实施方式
实施例1：该方法在矿井煤或岩石巷道内施工顺层长钻孔，记录并计算打钻过程中的推力、转速、转矩和钻进速率，利用煤岩体钻机的钻进参数和钻孔参数推算钻进单位岩体所消耗的能量即钻进比能，获得钻进比能与钻进距离之间的对应关系，钻进同种煤岩体所消耗能量的不同与其在不同地应力条件下所表现的不同的物理力学特性有关，从而推断出煤岩巷道两侧应力集中及松动区范围，此外，利用推力和转速恒定条件下的钻进速率变化趋势，也可以对煤岩巷道两侧应力集中及松动区范围进行推算。
进一步的，在推力和转速恒定的条件下，钻进速率可以用来表征煤岩体钻进的难易程度，同种煤岩体钻进的难易程度差别主要与其所受的地应力条件有关，从而建立钻进速率与地应力之间的相关性关系，进而对煤岩巷道松动及应力集中范围进行推算；
在推力、转速、转矩和钻进速率都不稳定的条件下，钻进比能Q可以按照Q＝2πRNT/Aυ+F/A获得，式中：R为钻孔半径，A为孔底面积，钻进比能与煤岩体所受的地应力状态具有较好的正相关性，可以通过钻进比能对巷道松动及地应力集中范围进行推算；煤岩体钻机5通过推进液压传感器6获得钻进过程中推力F，旋转液压传感器7获得钻进过程中转矩T，转速传感器8获得钻进过程中钻头转速N，钻杆位移传感器9获得钻进实时距离并对时间进行求导获得钻进速率υ，并配套数据储存及处理系统10；煤岩体钻机5实现在恒定推进力和转速条件下的煤岩体钻进，并对钻进过程中钻进距离进行实时监测。
一种基于钻进参数考察巷道松动及应力集中范围的方法。首先在煤岩钻机上附加推进液压传感器6、旋转液压传感器7、转速传感器8、钻杆位移传感器9及配套数据储存及处理系统10可以实时监测监控推力、转矩、转速和钻进距离。在矿井煤岩巷道施工完成后，将煤岩钻机5、钻杆10、钻头11及其他附属装置运送到巷道测定位置并固定，将煤岩钻机5预钻进倾角调节至与地层倾角相同。开始打钻作业并实时监测钻进参数，根据实地情况调节钻进参数进行钻进或者恒定推力和转速条件下进行钻进，同时对钻进参数数据进行处理分析，通过钻进距离根据时间进行求导获得实时钻进速率，结合施工钻孔半径及孔底面积推导获得钻进单位煤岩体所消耗的能量即钻进比能，获得钻进比能与钻进距离之间的对应关系，推算钻孔路径上地应力变化情况。当在恒定推力和转速恒定条件下的进行钻进时，通过钻进速率来表征煤岩体钻进的难易程度，同种煤岩体钻进的难易程度差别主要与其所受的地应力条件有关，从而建立钻进速率与地应力之间的正相关性关系，获得钻孔路径上的地应力变化情况。从而实现基于钻进参数的煤岩巷道松动及应力集中范围的考察，等到钻进比能或者恒定推力和转速条件下的钻进速率稳定之后，结束钻进。
Claims (1)
1.一种基于钻进参数考察巷道松动及应力集中范围的方法，其特征是：该方法在矿井煤或岩石巷道内施工顺层长钻孔，记录并计算打钻过程中的推力、转速、转矩和钻进速率，利用煤岩体钻机的钻进参数和钻孔参数推算钻进单位岩体所消耗的能量即钻进比能，获得钻进比能与钻进距离之间的对应关系，钻进同种煤岩体所消耗能量的不同与煤岩体在不同地应力条件下所表现的不同的物理力学特性存在一定的响应特性，推断出煤岩巷道两侧应力集中及松动区范围，利用推力和转速恒定条件下的钻进速率变化趋势，对煤岩巷道两侧应力集中及松动区范围进行推算；
在推力和转速恒定的条件下，钻进速率用来表征煤岩体钻进的难易程度，同种煤岩体钻进的难易程度差别与其所受的地应力条件有关，从而建立钻进速率与地应力之间的相关性关系，进而对煤岩巷道松动及应力集中范围进行推算；
在推力、转速、转矩和钻进速率都不稳定的条件下，钻进比能 Q 按照获得，式中：R为钻孔半径，A为孔底面积，钻进比能与煤岩体所受的地应力状态具有较好的正相关性，通过钻进比能对巷道松动及地应力集中范围进行推算；煤岩体钻机通过推进液压传感器获得钻进过程中推力F，旋转液压传感器获得钻进过程中转矩T，转速传感器获得钻进过程中钻头转速N，钻杆位移传感器获得钻进实时距离并对时间进行求导获得钻进速率υ，并配套数据储存及处理系统；煤岩体钻机实现在恒定推进力和转速条件下的煤岩体钻进，并对钻进过程中钻进距离进行实时监测。
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