CN110778363B - 一种多参量随钻测量确定煤体应力高峰区并预警的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多参量随钻测量确定煤体应力高峰区并预警的方法，涉及矿山灾害预警领域，具体是通过在不受采动支承应力影响的巷道内，垂直于煤壁打设多个钻孔，并监测单位进尺的钻杆扭矩、钻杆转速和进尺时间，对各监测数据进行加权平均，得到钻孔深度与正常的单位进尺的钻杆扭矩、钻杆转速和进尺时间的关系曲线，结合应力高峰区临界指标确定单位进尺的钻杆扭矩、钻杆转速和进尺时间的临界值，当单位进尺的钻杆转速小于相应的临界值，或单位进尺的钻杆扭矩、进尺时间大于相应的临界值，确定该钻孔长度的范围为应力高峰区，并进行预警。该方法采用钻杆扭矩、转速和进尺时间作为监测指标，可以准确的确定应力高峰区并预警。

Description

一种多参量随钻测量确定煤体应力高峰区并预警的方法

技术领域

本发明涉及矿山动力灾害监测预警领域，尤其是一种多参量随钻测量确定煤体应力高峰区并预警的方法。

背景技术

随着煤矿开采强度及深度不断增加，冲击地压已经成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。随着冲击地压矿井的不断增加，冲击地压发生频率和烈度均有显著增加，这为冲击地压的预测预报工作带来了极大挑战。高应力是冲击地压发生的必要条件，而钻屑法是一种通过测量钻孔过程中钻屑量的变化来确定应力高峰区的方法。

目前，钻屑法已广泛用于煤矿冲击地压预测预报，具有一套较为完整、成熟的监测技术。但钻屑法作为一种单指标测量方法，受很多因素影响，在某些情况下误差较大，尤其是对于软弱煤层或破碎煤体，钻孔过程中产生的钻屑量可能超过极限值，无法单独利用钻屑量判定煤体应力大小，以及钻屑法无法对高应力敏感的钻杆转速、进尺、扭矩等参量进行测量。并且由于钻屑量的监测具有不具备实时性，限制了钻屑法的应用。

为此，需要提供一种可以根据多参量指标评价，并且能够随钻杆钻进来测量确定应力高峰区的方法，达到一孔多用目的，减小应力高峰区域确定的误差，并提高应力高峰区预测准确率。

发明内容

本发明鉴于现有的钻屑法监测中，仅通过钻屑量这一指标进行监测，或者主要是以钻屑量监测指标进行监测，导致的监测过程复杂、应力高峰区判断不准确等问题，提出了采用钻杆扭矩、转速和进尺时间作为监测指标进行多参量判断，从而不需要监测钻孔的煤粉量，准确的确定应力高峰区并进行冲击地压危险预警；由于以钻杆扭矩、转速和进尺时间作为参量进行预警，因此可以实现钻孔监测的在线实时预警。

本发明提供的一种多参量随钻测量确定煤体应力高峰区并预警的方法，具体技术方案如下。

一种多参量随钻测量确定煤体应力高峰区的方法，步骤包括：

步骤A.通过在不受采动支承应力影响的巷道内，垂直于煤壁打设多个钻孔；

步骤B.监测单位进尺的钻杆扭矩、单位进尺的钻杆转速和单位进尺的进尺时间，对各个监测数据进行加权平均，并得到钻孔深度与正常单位进尺的钻杆扭矩、钻杆转速和进尺时间的关系曲线；

步骤C.根据应力高峰区临界指标确定单位进尺的钻杆扭矩、单位进尺的钻杆转速和单位进尺的进尺时间的临界值；

步骤D.当单位进尺的钻杆转速小于相应的临界值，或单位进尺的钻杆扭矩大于相应的临界值，或单位进尺的进尺时间大于相应的临界值，确定该钻孔长度的范围为应力高峰区。

优选的是，应力高峰区临界指标包括扭矩率指标K_M、转速率指标K_N和时间率指标K_D；

所述扭矩率指标K_M为：

K_M＝监测单位进尺的钻杆扭矩/正常单位进尺的钻杆扭矩量；

所述转速率指标K_N为：

K_N＝监测单位进尺的钻杆转速/正常单位进尺的钻杆转速量；

所述时间率指标K_D为：

K_D＝监测位进尺的进尺时间/正常单位进尺时间量。

进一步优选的是，应力高峰区临界指标中，

当钻孔深度/煤层厚度≤1.5时，临界指标的取值为：扭矩率指标K_M≥1.5、转速率指标K_N≥0.8、时间率指标K_D≥1.5；当钻孔深度/煤层厚度介于1.5～3之间时，临界指标的取值为：扭矩率指标K_M为2～3、转速率指标K_N为0.4～0.8、时间率指标K_D为2～3；当钻孔深度/煤层厚度≥3时，临界指标的取值为：扭矩率指标K_M≥4、转速率指标K_N>0、时间率指标K_D≥4。

还优选的是，临界值具体是：临界单位进尺的钻杆扭矩＝正常单位进尺的钻杆扭矩量×K_M；所述临界单位进尺的钻杆转速＝正常单位进尺的钻杆转速量×K_N；所述临界单位进尺的进尺时间＝正常单位进尺时间量×K_D。

优选的是，步骤C中还得到钻孔深度与临界值的关系曲线，包括临界单位进尺的钻杆扭矩随钻孔深度变化的曲线，临界单位进尺的钻杆转速随钻孔深度变化的曲线，临界单位进尺的进尺时间随钻孔深度变化的曲线。

一种多参量随钻测量确定煤体应力高峰区并预警的方法，利用上述的多参量随钻测量应力高峰区确定的方法，步骤包括：

在巷道内完成步骤A至步骤D，然后通过钻孔监测冲击地压危险；实时对比实际监测的单位进尺的钻杆扭矩、单位进尺的钻杆转速和单位进尺的进尺时间，与钻孔深度和正常单位进尺的钻杆扭矩、正常单位进尺的钻杆转速及正常单位进尺的进尺时间关系曲线之间的关系；并且对比实际监测的单位进尺的钻杆扭矩、钻杆转速和进尺时间，与临界值之间的关系；根据所述对比进行实时预警。

本发明的有益效果是，

(1)利用单位进尺的钻杆扭矩、钻杆转速和进尺时间三个参量作为确定应力高峰区并进行冲击地压危险预警的依据，相较于钻屑法中钻屑的收集，选用参量的监测更加方便，减小了人为操作的误差；并且通过多个参量共同判断，增加了应力高峰区确定结果的准确性、可靠性和科学性。

(2)通过现在巷道内设置多个钻孔并对监测数据进行加权平均，从而得到钻孔深度与正常单位进尺的钻杆扭矩、钻杆转速和进尺时间的关系曲线，从而可以根据该关系曲线与实际的监测参数进行对比，结合应力高峰区临界指标实时确定应力高峰区并进行预警。

附图说明

图1是施工图中开采前的钻孔深度与临界值的关系曲线示意图；

图2是施工图中开采后的实际钻杆扭矩与钻杆扭矩临界值示意图；

图3是施工图中开采后的实际钻杆转速与钻杆转速临界值示意图；

图4是施工图中开采后的实际进尺时间与进尺时间临界值示意图。

具体实施方式

结合图1至图4所示，本发明提供的一种多参量随钻测量确定煤体应力高峰区并预警的方法具体实施方式如下。

实施例1

一种多参量随钻测量确定煤体应力高峰区的方法，步骤包括：

步骤A.通过在不受采动支承应力影响的巷道内，垂直于煤壁打设多个钻孔。钻孔的数目根据具体的巷道尺寸进行确定，最好打设5-8个钻孔，即可以保证测量的准确性，还能节省时间。

步骤B.监测单位进尺的钻杆扭矩、单位进尺的钻杆转速和单位进尺的进尺时间，可以在监测过程中每间隔0.1-1m记录一侧数据，其中钻杆扭矩、转速和进尺时间可以通过钻机上的传感器直接测量得到，对各个监测数据进行加权平均，得到的参数作为正常的单位进尺的钻杆扭矩N_正常、正常的单位进尺的钻杆转速K_正常、正常的单位进尺的进尺时间D_正常；并得到钻孔深度与正常单位进尺的钻杆扭矩、钻杆转速和进尺时间的关系曲线。

步骤C.根据应力高峰区临界指标确定单位进尺的钻杆扭矩、单位进尺的钻杆转速和单位进尺的进尺时间的临界值。

其中，应力高峰区临界指标包括扭矩率指标K_M、转速率指标K_N和时间率指标K_D。

扭矩率指标K_M为：

K_M＝监测单位进尺的钻杆扭矩(kN/m)/正常单位进尺的钻杆扭矩量(kN/m)；

转速率指标K_N为：

K_N＝监测单位进尺的钻杆转速(r/m)/正常单位进尺的钻杆转速量(r/m)；

时间率指标K_D为：

K_D＝监测位进尺的进尺时间(min/m)/正常单位进尺时间量(min/m)。

应力高峰区临界指标中，当钻孔深度/煤层厚度≤1.5时，临界指标的取值为：扭矩率指标K_M≥1.5、转速率指标K_N≥0.8、时间率指标K_D≥1.5；当钻孔深度/煤层厚度介于1.5～3之间时，临界指标的取值为：扭矩率指标K_M为2～3、转速率指标K_N为0.4～0.8、时间率指标K_D为2～3；当钻孔深度/煤层厚度≥3时，临界指标的取值为：扭矩率指标K_M≥4、转速率指标0.4>K_N>0、时间率指标K_D≥4；具体如表1所示。

表1应力高峰区临界指标

钻孔深度/煤层厚度	1.5	1.5-3	3
				<![CDATA[转速率指标K<sub>N</sub>]]>	≥0.8	0.4-0.8	>0且<0.4
<![CDATA[扭矩率指标K<sub>M</sub>]]>	≥1.5	2-3	≥4
				<![CDATA[时间率指标K<sub>D</sub>]]>	≥1.5	2-3	≥4

根据表1还可以得到钻孔深度与临界值的关系曲线，包括临界单位进尺的钻杆扭矩随钻孔深度变化的曲线，其临界单位进尺的钻杆扭矩N_临界＝N_正常×K_N，临界单位进尺的钻杆转速随钻孔深度变化的曲线，其临界单位进尺的钻杆转速M_临界＝M_正常×K_M，临界单位进尺的进尺时间随钻孔深度变化的曲线，临界单位进尺的进尺时间D_临界＝D_正常×K_D。

步骤D.当单位进尺的钻杆转速小于相应的临界单位进尺的钻杆转速，或单位进尺的钻杆扭矩大于相应的临界单位进尺的钻杆扭矩，或单位进尺的进尺时间大于相应的临界单位进尺的进尺时间，确定该钻孔长度的范围为应力高峰区。

其中临界值具体是：临界单位进尺的钻杆扭矩＝正常单位进尺的钻杆扭矩量×K_M；临界单位进尺的钻杆转速＝正常单位进尺的钻杆转速量×K_N；临界单位进尺的进尺时间＝正常单位进尺时间量×K_D。

一种多参量随钻测量确定煤体应力高峰区并预警的方法，具体是利用上述的多参量随钻测量应力高峰区确定的方法，步骤包括：在巷道内完成步骤A至步骤D，然后通过钻孔监测冲击地压危险；实时对比实际监测的单位进尺的钻杆扭矩、钻杆转速和进尺时间，与钻孔深度与正常单位进尺的钻杆扭矩、钻杆转速和进尺时间的关系曲线；并且对比实际监测的单位进尺的钻杆扭矩、钻杆转速和进尺时间，与临界值之间的关系；根据对比确定应力高峰区并实时预警冲击地压危险。

实施例2

本实施例将本发明的多参量随钻测量应力高峰区确定与预警方法应用于具体的矿井中，具体为，某矿主采3煤，煤层厚度平均3.4m；煤层层位稳定，厚度变化不大。顶板岩层自下向上依次为粉砂岩(厚度为2-5m)和细粉砂岩(厚度为11-22m)，断面形状为矩形，巷道尺寸宽×高为4.0×3.0m。实施的步骤包括：

步骤A.通过在不受采动支承应力影响的巷道内，垂直于煤壁打设6个钻孔。

步骤B.监测单位进尺的钻杆扭矩、单位进尺的钻杆转速和单位进尺的进尺时间，可以在监测过程中没间隔0.1m记录一侧数据，其中钻杆扭矩、转速和进尺时间可以通过钻机上的传感器直接测量得到，对各个监测数据进行加权平均，得到的参数作为正常的单位进尺的钻杆扭矩N_正常、正常的单位进尺的钻杆转速K_正常、正常的单位进尺的进尺时间D_正常；并得到钻孔深度与正常单位进尺的钻杆扭矩、钻杆转速和进尺时间的关系曲线，如图1所示，其中L1的位置为开采前的应力高峰位置，随着工作面的开采，应力高峰会随之变化。

步骤C.根据应力高峰区临界指标确定单位进尺的钻杆扭矩、单位进尺的钻杆转速和单位进尺的进尺时间的临界值。应力高峰区临界指标中，当钻孔深度/煤层厚度≤1.5时，临界指标的取值为：扭矩率指标K_M≥1.5、转速率指标K_N≥0.8、时间率指标K_D≥1.5；当钻孔深度/煤层厚度介于1.5～3之间时，临界指标的取值为：扭矩率指标K_M为2～3、转速率指标K_N为0.4～0.8、时间率指标K_D为2～3；当钻孔深度/煤层厚度≥3时，临界指标的取值为：扭矩率指标K_M≥4、转速率指标K_N>0、时间率指标K_D≥4；计算得到钻孔深度与临界值的关系曲线。

然后通过钻孔监测冲击地压危险；实时对比实际监测的单位进尺的钻杆扭矩、钻杆转速和进尺时间，与钻孔深度与正常单位进尺的钻杆扭矩、钻杆转速和进尺时间的关系曲线，如图2至图4所示，从而确定了应力高峰区移动至L₂、L₃或L₄的位置。并且对比实际监测的单位进尺的钻杆扭矩、钻杆转速和进尺时间，与临界值之间的关系，确定应力高峰区并根据对比实时预警，由于采用钻杆扭矩、转速和进尺时间作为监测指标进行多参量判断，从而不需要监测钻孔的煤粉量，可以准确的确定应力高峰区并进行冲击地压危险预警。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种多参量随钻测量确定煤体应力高峰区并预警的方法，其特征在于，利用多参量随钻测量应力高峰区确定的方法，步骤包括：

步骤A.通过在不受采动支承应力影响的巷道内，垂直于煤壁打设多个钻孔；

步骤B.监测单位进尺的钻杆扭矩、单位进尺的钻杆转速和单位进尺的进尺时间，对各监测数据进行加权平均，并得到钻孔深度与正常单位进尺的钻杆扭矩、钻杆转速和进尺时间的关系曲线；

步骤C.根据应力高峰区临界指标确定单位进尺的钻杆扭矩、单位进尺的钻杆转速和单位进尺的进尺时间的临界值；

步骤D.当单位进尺的钻杆转速小于相应的临界值，或单位进尺的钻杆扭矩大于相应的临界值，或单位进尺的进尺时间大于相应的临界值，确定该钻孔长度的范围为应力高峰区；

所述应力高峰区临界指标包括扭矩率指标K_M、转速率指标K_N和时间率指标K_D；

所述扭矩率指标K_M为：

K_M =监测单位进尺的钻杆扭矩/正常单位进尺的钻杆扭矩量；

所述转速率指标K_N为：

K_N = 监测单位进尺的钻杆转速/正常单位进尺的钻杆转速量；

所述时间率指标K_D为：

K_D = 监测单位进尺的进尺时间/正常单位进尺时间量；

所述应力高峰区临界指标中，

当钻孔深度/煤层厚度≤1.5时，临界指标的取值为：扭矩率指标K_M≥1.5、转速率指标K_N≥0.8、时间率指标K_D≥1.5；当钻孔深度/煤层厚度介于1.5~3之间时，临界指标的取值为：扭矩率指标K_M为2~3、转速率指标K_N为0.4~0.8、时间率指标K_D为2~3；当钻孔深度/煤层厚度≥3时，临界指标的取值为：扭矩率指标K_M≥4、转速率指标K_N>0、时间率指标K_D≥4；

所述临界值具体是：临界单位进尺的钻杆扭矩=正常单位进尺的钻杆扭矩量×K_M；所述临界单位进尺的钻杆转速=正常单位进尺的钻杆转速量×K_N；所述临界单位进尺的进尺时间=正常单位进尺时间量×K_D；

所述步骤C中还得到钻孔深度与临界值的关系曲线，包括临界单位进尺的钻杆扭矩随钻孔深度变化的曲线，临界单位进尺的钻杆转速随钻孔深度变化的曲线，临界单位进尺的进尺时间随钻孔深度变化的曲线；

其步骤还包括：

在巷道内完成步骤A至步骤D，然后通过钻孔监测冲击地压危险；实时对比实际监测的单位进尺的钻杆扭矩、单位进尺的钻杆转速和单位进尺的进尺时间，与钻孔深度和正常单位进尺的钻杆扭矩、正常单位进尺的钻杆转速及正常单位进尺的进尺时间关系曲线之间的关系；并且对比实际监测的单位进尺的钻杆扭矩、钻杆转速和进尺时间，与临界值之间的关系；根据所述对比进行实时预警。

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