CN107842390A - 一种基于钻杆振动特性识别煤巷顶板岩性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于钻杆振动特性识别煤巷顶板岩性的方法，能够快速有效识别煤巷顶板中隐藏的劣化区域，第一步，岩层探测装置安装，首先将速度传感器通过U型支架固定于钻机底座上，然后安装将振动信息收集装置安装于钻杆上，第二步，锚固孔钻进，对顶板岩石进行钻进，通过无线振动传感器及无纸记录仪收集钻杆振动以及位移信息，第三步，数据分析，结合无纸记录仪的位移曲线，分析钻杆振动特性曲线，进而分析判断出软弱夹层的位置。本发明结构简单，易操作，能够有效探测煤巷顶板锚固孔钻进过程中顶板岩层隐藏的劣化区域，具有良好的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿巷道支护领域，特别是一种基于钻杆振动特性识别煤巷顶板岩性的方法。
背景技术
20世纪90年代以来，锚杆支护技术以其显著的技术及经济优越性在煤矿巷道支护中得到了广泛的应用，是煤矿巷道支护领域的一场革命。煤巷顶板锚固孔钻进是锚杆支护的一个重要环节，煤巷顶板为沉积层状岩体，各层的岩性不同，相关研究表明，在锚杆机参数不变的情况下，煤巷顶板不同岩性岩石对钻杆的动力响应特征不同，钻杆杆体会出现不同程度的振动，包括横向、纵向、扭转振动，钻杆在不同岩性岩石中钻进时的振动特征会不同，且钻杆的振动特征量f与表征岩石物理力学性质的的C，φ，μ，σ具有f=h(c,φ, μ，σ)ω(t)的关系。
煤巷顶板岩层结构劣化（软弱夹层）是锚杆支护煤巷冒顶的重要原因，由于劣化区域不可见，锚杆可能锚固在该区域或该区域附近，使得锚固质量下降，这就存在冒顶风险。因此，开发一种能够识别顶板岩性，特别是识别岩层结构劣化区域危险源-软弱夹层的方法刻不容缓。
发明内容
针对上述情况，为解决现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种基于钻杆振动特性识别煤巷顶板岩性的方法，解决煤巷顶板岩层结构劣化区域不易探明的难题，从而调整锚固参数，提高顶板稳定性。
本发明解决的技术方案是，第一步，岩层探测装置安装，首先将速度传感器通过U型支架顶部的中心孔固定于U型支架上，然后将U型支架固定于钻机底座上，将卡箍固定于钻机支腿一定位置，将感应磁环与非导磁垫片通过螺栓固定于磁环支架上，将测杆穿过磁环支架中心孔，然后将磁环支架卡箍通过销钉连接，将振动传感器紧固装置安装于钻杆上，然后在两侧托盘分别安装无线振动传感器以及平衡配重，打开无线振动传感器电源，将外部保护装置与托盘连接，安装好保护盖，打开无线路由器，将钻速传感器导线与无纸记录仪连接，接通无纸记录仪电源，开始记录数据；
第二步，锚固孔钻进，启动锚杆钻机，对顶板岩石进行钻进，在同一无线局域网络下，通过笔记本电脑控制无线振动传感器采集钻杆振动数据，无纸记录仪记录存储钻杆钻进顶板岩石时任意时刻的钻进位移，钻进结束后，在笔记机本电脑端控制无线振动传感器发送振动数据至笔记本电脑。
第三步，数据分析阶段，结合无纸记录仪收集的位移信息，分析钻杆在振动过程中振动速度及加速度，查看峰值的变化情况。
根据相关研究，在钻进参数及动力输出条件不变的情况下，当钻杆钻至岩层劣化区域时，由于岩石强度的突然降低，会导致钻杆振动信号的突然衰减，据此，本发明具有较高的可行性及可操作性，能够快速有效识别出顶板岩层内部隐藏的软弱夹层，从而及时调整支护参数，提高顶板稳定性。
附图说明
图1为本发明岩层探测装置工作示意图。
图2为钻杆振动信息收集装置外部结构图。
图3为钻杆振动信息收集装置俯视图。
图4为钻杆振动信息收集装置仰视图。
图5为钻杆振动信息收集装置B方向剖面图。
图6振动传感器紧固装置结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
由图1-6给出，本发明在具体实施时，首先进行岩层探测装置的安装，然后进行顶板锚固孔钻进，按以下步骤进行：
第一步，岩层探测装置安装，首先将速度传感器2通过U型支架1顶部的中心孔固定于U型支架1上，然后将U型支架1固定于钻机底座4上，将卡箍10固定于钻机支腿适当位置，将感应磁环6与非导磁垫片7通过螺栓固定于磁环支架8上，将测杆18穿过磁环支架8中心孔，然后将磁环支架8与卡箍10通过销钉9连接，将振动传感器紧固装置17安装于钻杆12上，然后在两侧托盘16分别安装无线振动传感器14以及平衡配重15，打开无线振动传感器电源，将外部保护装置13与托盘16连接，安装好保护盖23，将钻杆12插入钻套11，打开无线路由器19，将速度传感器导线与无纸记录仪3连接，接通无纸记录仪电源，开始记录数据。
第二步，锚固孔钻进，启动锚杆钻机5，对顶板岩石21进行钻进，在同一无线局域网络下，通过笔记本电脑20控制无线振动传感器14采集钻杆12的振动数据，无纸记录仪3记录存储钻杆12钻进顶板岩石21时任意时刻的钻进位移，钻进结束后，通过笔记本电脑20控制无线振动传感器14发送振动数据至笔记本电脑20。
第三步，数据分析阶段，结合无纸记录仪3收集的位移信息，分析钻杆12在振动过程中振动速度及加速度的变化情况，查看峰值的变化情况，根据峰值突变的位置即可确定软弱夹层22的位置。
所述的钻杆振动信息收集装置包括振动传感器紧固装置17，无线振动传感器14，平衡配重15，外部保护装置13，保护盖23，防尘皮垫24，振动传感器紧固装置17通过螺栓将钻杆12进行夹紧固定，托盘16焊接于振动传感器紧固装置17两侧，无线振动传感器14与平衡配重15通过两侧托盘16的安装孔28用螺栓固定，无线振动传感器天线由保护盖上的天线孔25穿出，在外部保护装置13与振动传感器紧固装置17安装时，首先通过外部保护装置13底部的定位孔26与托盘的安装孔28进行定位，然后将托盘紧固孔29与外部保护装置紧固孔27用螺栓进行连接。
所述的所述的卡箍10紧固于钻机支腿上，其初始位置距离钻机底座4为200mm，在钻进过程中，能够随钻机支腿的上升而同步上升，从而带动磁环支架8以及感应磁环6在测杆15上同步移动。
所述的感应磁环6与非导磁垫片7的中心孔与磁环支架8的中心孔能够完全重合，磁环支架8通过销钉9与卡箍10连接，且磁环支架8能够绕钻机5自由摆动，以保护测杆18不受到锚杆钻机5摆动的影响。
所述的振动传感器紧固装置17成合页式设计，其能够与钻杆12完全贴合，其材质为3mm厚高强度合金钢。
所述的振动传感器紧固装置17的托盘16与与钻杆轴心呈中心对称焊接，其材质为3mm高强度合金钢，托盘16上的安装孔28与托盘紧固孔29均与钻杆12轴心呈中心对称布置。
所述的外部保护装置13材质为高强度有机玻璃，其形状为圆柱体，壁厚为5mm，高为100mm，内直径为245mm，底部的定位孔26与外部保护装置紧固孔27与钻杆轴心呈中心对称分布，保护盖厚度为5mm。
所述的平衡配重15与无线振动传感器14质量完全相同，其形状为圆柱体形，高为44mm，直径为40mm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
本发明结构简单，易操作，能够有效探测煤巷顶板锚固孔钻进过程中顶板岩层内部隐藏的劣化区域，从而能够及时调整优化支护参数，提高顶板稳定性，具有良好的经济和社会效益。
Claims (7)
1.本发明涉及一种基于钻杆振动特性识别煤巷顶板岩性的方法，其特征在于：首先进行岩层探测装置的安装，然后进行顶板锚固孔钻进，按以下步骤进行：
第一步，岩层探测装置安装，首先将速度传感器（2）通过U型支架（1）顶部的中心孔固定于U型支架（1）上，然后将U型支架（1）固定于钻机底座（4）上，将卡箍（10）固定于钻机支腿适当位置，将感应磁环（6）与非导磁垫片（7）通过螺栓固定于磁环支架（8）上，将测杆（18）穿过磁环支架（8）中心孔，然后将磁环支架（8）与卡箍（10）通过销钉（9）连接，将振动传感器紧固装置（17）安装于钻杆（12）上，然后在两侧托盘（16）分别安装无线振动传感器（14）以及平衡配重（15），打开无线振动传感器电源，将外部保护装置（13）与托盘（16）连接，安装好保护盖（23），将钻杆（12）插入钻套（11），打开无线路由器（19），将速度传感器导线与无纸记录仪（3）连接，接通无纸记录仪电源，开始记录数据；
第二步，锚固孔钻进，启动锚杆钻机（5），对顶板岩石（21）进行钻进，在同一无线局域网络下，通过笔记本电脑（20）控制无线振动传感器（14）开始采集钻杆（12）的振动数据，无纸记录仪（3）开始记录存储钻杆（12）钻进顶板岩石（21）时任意时刻的钻进位移，钻进结束后，通过笔记本电脑（20）控制无线振动传感器（14）发送振动数据；
第三步，数据分析阶段，结合无纸记录仪（3）收集的位移信息，分析钻杆（12）在振动过程中振动速度及加速度的变化情况，查看峰值的变化情况，根据峰值突变的位置即可确定软弱夹层（22）的位置；
所述的钻杆振动信息收集装置包括振动传感器紧固装置（17），无线振动传感器（14），平衡配重（15），外部保护装置（13），保护盖（23），防尘皮垫（24），振动传感器紧固装置（17）通过螺栓将钻杆（12）进行夹紧固定，托盘（16）焊接于振动传感器紧固装置（17）两侧，无线振动传感器（14）与平衡配重（15）通过两侧托盘（16）的安装孔（28）用螺栓固定，无线振动传感器天线由保护盖上的天线孔（25）穿出，在外部保护装置（13）与振动传感器紧固装置（17）安装时，首先通过外部保护装置（13）底部的定位孔（26）与托盘的安装孔（28）进行定位，然后将托盘紧固孔（29）与外部保护装置紧固孔（27）用螺栓进行连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于钻杆振动特性识别煤巷顶板岩性的方法，其特征在于，所述的所述的卡箍（10）紧固于钻机支腿上，其初始位置距离钻机底座（4）为200mm，在钻进过程中，能够随钻机支腿的上升而同步上升，从而带动磁环支架（8）以及感应磁环（6）在测杆（15）上同步移动。
3.根据权利要求1所述的一种基于钻杆振动特性识别煤巷顶板岩性的方法，其特征在于，所述的感应磁环（6）与非导磁垫片（7）的中心孔与磁环支架的中心孔能够完全重合，磁环支架（8）通过销钉（9）与卡箍（10）连接，且磁环支架（8）能够绕钻机（5）自由摆动，以保护测杆（18）不受到锚杆钻机（5）摆动的影响。
4.根据权利要求1所述的一种基于钻杆振动特性识别煤巷顶板岩性的方法，其特征在于，所述的振动传感器紧固装置（17）成合页式设计，其能够与钻杆（12）完全贴合，其材质为3mm厚高强度合金钢。
5.根据权利要求1所述的一种基于钻杆振动特性识别煤巷顶板岩性的方法，其特征在于，所述的振动传感器紧固装置（17）的托盘（16）与与钻杆轴心呈中心对称焊接，其材质为3mm高强度合金钢，托盘（16）上的安装孔（28）与托盘紧固孔（29）均与钻杆（12）轴心呈中心对称布置。
6.根据权利要求1所述的一种基于钻杆振动特性识别煤巷顶板岩性的方法，其特征在于，所述的外部保护装置（13）材质为高强度有机玻璃，其形状为圆柱体，壁厚为5mm，高为100mm，内直径为245mm，底部的定位孔（26）与外部保护装置紧固孔（27）与钻杆轴心呈中心对称分布，保护盖厚度为5mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于钻杆振动特性识别煤巷顶板岩性的方法，其特征在于，所述的平衡配重（15）与无线振动传感器（14）质量完全相同，其形状为圆柱体形，高为44mm，直径为40mm。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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