CN111287654A - 煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤矿地下开采冲击倾向性危险区域评价技术领域，公开了一种煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置及方法，钻进机构包括依次相连的钻头、定向件和稳定器；用于获取地应力、围岩强度、电磁辐射信号以及自然伽玛信号中的一种或多种的随钻测量机构；用于获取温度曲线、孔壁变形程度与位置、煤层厚度、构造赋存以及自然电阻率曲线中的一种或多种的原位测量机构；以及，用于获取岩芯的定向取芯机构；稳定器与管柱可拆卸连接；随钻测量机构分别与管柱和稳定器可拆卸连接；原位测量机构与管柱可拆卸连接；定向取芯机构与管柱可拆卸连接。该预评价装置，冲击危险区域的准确评价及确定，为煤层采掘前的提前精准卸压提供了基础测量数据。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿地下开采冲击倾向性危险区域评价技术领域，特别是涉及一种煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置及方法。
背景技术
近几年，随着煤矿开采深度的不断增加，冲击地压成为制约煤矿安全开采的主要灾害之一，且危害程度不断上升。冲击地压危险性评价是预防和规避冲击事故的重要方法。依据与采掘工作在时间上的先后关系，可将冲击危险性评价分为预评价和实时评价两种。前者在采掘工作之前进行，后者是在采掘过程中进行。
冲击危险性预评价是指在工作面掘进或回采之前，利用理论分析、数值模拟或实测手段，划定冲击危险区域范围和危险程度，在划定的危险区域可提前采取解危措施。冲击地压危险性预评价如能做到足够准确，有望从源头上降低甚至消除冲击事故灾害。
当前，煤层冲击危险性评价多采用理论分析和经验判断手段，辅以实验室测试结果，对煤层的实际赋存状态、应力环境的检测和探测并不充分，也无法定量评价地质条件及构造应力对冲击危险性的影响程度，造成评价结果多以定性为主，所以煤层冲击地压预评价技术和手段均存在提升空间。
发明内容
本发明实施例提供一种煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置及方法，用以解决或部分解决现有煤层冲击危险性预评价无法定量评价地质条件及构造应力对冲击危险性的影响程度的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置，包括：钻进机构，所述钻进机构包括依次相连的钻头、定向件和稳定器；用于获取地应力、围岩强度、电磁辐射信号以及自然伽玛信号中的一种或多种的随钻测量机构；用于获取温度曲线、孔壁变形程度与位置、煤层厚度、构造赋存以及自然电阻率曲线中的一种或多种的原位测量机构；以及，用于获取岩芯的定向取芯机构；
所述稳定器与管柱可拆卸连接；所述随钻测量机构的一端与所述管柱可拆卸连接，另一端与所述稳定器可拆卸连接；所述原位测量机构与所述管柱可拆卸连接；所述定向取芯机构与所述管柱可拆卸连接。
在上述技术方案的基础上，所述随钻测量机构包括地应力测量模块、孔壁强度测量模块、电磁辐射监测模块以及自然伽玛射线监测模块中的一种或多种。
在上述技术方案的基础上，所述随钻测量机构还包括第一储存模块，所述地应力测量模块、所述孔壁强度测量模块、所述电磁辐射监测模块以及所述自然伽玛射线监测模块均与所述第一储存模块相连。
在上述技术方案的基础上，所述原位测量机构包括依次相连的导向丝堵、地温测量模块、孔壁变形扫描模块、地质构造探测模块以及自然电阻率检测模块。
在上述技术方案的基础上，所述原位测量机构还包括第二储存模块，所述地温测量模块、所述孔壁变形扫描模块、所述地质构造探测模块以及所述自然电阻率检测模块均与所述第二储存模块相连。
在上述技术方案的基础上，所述定向取芯机构包括相连通的空芯钻头和取芯钻杆。
在上述技术方案的基础上，所述煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置还包括主机，所述随钻测量机构和所述原位测量机构均与主机信号相连。
第二方面，本发明实施例提供一种根据上述各技术方案所述的煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置的煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价方法，包括：
把随钻测量机构送入孔内，以进行随钻测量作业，随钻测量机构的一端与管柱连接，另一端与稳定器连接；
把定向取芯机构送入孔内，以进行定向钻孔取芯作业，把钻进机构和随钻测量机构更换为定向取芯机构；
把原位测量机构送入孔内，以进行孔内原位测量作业，把定向取芯机构更换为原位测量机构；
通过随钻测量机构、定向取芯机构以及原位测量机构的测量值获取预评价结果。
在上述技术方案的基础上，在所述把定向取芯机构送入孔内，以进行定向钻孔取芯作业，把钻进机构和随钻测量机构更换为定向取芯机构之后，在所述把原位测量机构送入孔内，以进行孔内原位测量作业，把定向取芯机构更换为原位测量机构之前还包括：
把随钻测量机构送入孔内，以进行随钻测量作业，把定向取芯机构更换为随钻测量机构和钻进机构；
相对应的，把原位测量机构送入孔内，以进行孔内原位测量作业，把随钻测量机构和钻进机构更换为原位测量机构。
在上述技术方案的基础上，在所述把随钻测量机构送入孔内，以进行随钻测量作业，随钻测量机构的一端与管柱连接，另一端与稳定器连接之前还包括：
通过钻进机构钻进预设深度，钻进机构与管柱连接。
本发明实施例提供的一种煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置及方法，通过钻进机构钻进预设深度，钻进机构与管柱连接；把随钻测量机构送入孔内，以进行随钻测量作业，随钻测量机构的一端与管柱连接，另一端与稳定器连接；把定向取芯机构送入孔内，以进行定向钻孔取芯作业，把钻进机构和随钻测量机构更换为定向取芯机构；把随钻测量机构送入孔内，以进行随钻测量作业，把定向取芯机构更换为随钻测量机构和钻进机构；把原位测量机构送入孔内，以进行孔内原位测量作业，把随钻测量机构和钻进机构更换为原位测量机构；通过随钻测量机构、定向取芯机构以及原位测量机构的测量值获取预评价结果。本发明实施例提供的煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置，测量结果为原位连续测量数据，避免了单一位置取样所造成的数据偏差；钻测数据考虑了煤层的实际赋存状态，用于冲击危险性预评价可以得到更符合现场的结果；定向钻机的最大煤层钻孔施工深度在1000m以上，所以该技术有望实现单一巷道或工作面的整体预评价；冲击危险区域的准确评价及确定，为煤层采掘前的提前精准卸压提供了基础测量数据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的另一种煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置的结构示意图；
图3为本发明实施例的又一种煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置的结构示意图。
附图标记：
1、钻头；2、定向件；3、连接件；4、稳定器；5、地应力测量模块；6、孔壁强度测量模块；7、电磁辐射监测模块；8、自然伽玛射线监测模块；9、煤层；10、管柱；11、主机；12、导向丝堵；13、地温测量模块；14、孔壁变形扫描模块；15、地质构造探测模块；16、自然电阻率检测模块；17、空芯钻头；18、取芯钻杆。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1、图2以及图3所示，本发明实施例的煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置，包括：钻进机构，钻进机构包括依次相连的钻头1、定向件2和稳定器4；其中，定向件2和稳定器4之间通过连接件3相连；
用于获取地应力、围岩强度、电磁辐射信号以及自然伽玛信号中的一种或多种的随钻测量机构；用于获取温度曲线、孔壁变形程度与位置、煤层厚度、构造赋存以及自然电阻率曲线中的一种或多种的原位测量机构；以及，用于获取岩芯的定向取芯机构；
稳定器4与管柱10可拆卸连接；随钻测量机构的一端与管柱10可拆卸连接，另一端与稳定器4可拆卸连接；原位测量机构与管柱10可拆卸连接；定向取芯机构与管柱10可拆卸连接。
在本发明实施例中，通过钻进机构钻进预设深度，钻进机构与管柱连接；把随钻测量机构送入孔内，以进行随钻测量作业，随钻测量机构的一端与管柱连接，另一端与稳定器连接；把定向取芯机构送入孔内，以进行定向钻孔取芯作业，把钻进机构和随钻测量机构更换为定向取芯机构；把随钻测量机构送入孔内，以进行随钻测量作业，把定向取芯机构更换为随钻测量机构和钻进机构；把原位测量机构送入孔内，以进行孔内原位测量作业，把随钻测量机构和钻进机构更换为原位测量机构；通过随钻测量机构、定向取芯机构以及原位测量机构的测量值获取预评价结果。本发明实施例提供的煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置，测量结果为原位连续测量数据，避免了单一位置取样所造成的数据偏差；钻测数据考虑了煤层的实际赋存状态，用于冲击危险性预评价可以得到更符合现场的结果；定向钻机的最大煤层钻孔施工深度在1000m以上，所以该技术有望实现单一巷道或工作面的整体预评价；冲击危险区域的准确评价及确定，为煤层采掘前的提前精准卸压提供了基础测量数据。
在上述实施例的基础上，随钻测量机构包括地应力测量模块5、孔壁强度测量模块6、电磁辐射监测模块7以及自然伽玛射线监测模块8中的一种或多种。
在本发明实施例中，地应力测量模块5、孔壁强度测量模块6、电磁辐射监测模块7以及自然伽玛射线监测模块8均可以自带充电式电源。地应力测量模块5、孔壁强度测量模块6、电磁辐射监测模块7以及自然伽玛射线监测模块8可随钻测量的参数包括地应力、围岩强度、电磁辐射信号和自然伽玛信号。地应力测量模块5、孔壁强度测量模块6、电磁辐射监测模块7以及自然伽玛射线监测模块8之间的位置关系在此不作具体限定。
在上述实施例的基础上，随钻测量机构还包括第一储存模块，地应力测量模块5、孔壁强度测量模块6、电磁辐射监测模块7以及自然伽玛射线监测模块8均与第一储存模块相连。
在本发明实施例中，地应力测量模块5、孔壁强度测量模块6、电磁辐射监测模块7以及自然伽玛射线监测模块8测量的数据可以存储在第一储存模块内。
在上述实施例的基础上，原位测量机构包括依次相连的导向丝堵12、地温测量模块13、孔壁变形扫描模块14、地质构造探测模块15以及自然电阻率检测模块16。
在本发明实施例中，地温测量模块13、孔壁变形扫描模块14、地质构造探测模块15以及自然电阻率检测模块16测量的参数包括温度曲线、孔壁变形程度和位置、煤层厚度、构造赋存和自然电阻率曲线。
需要说明的是，导向丝堵12位于背离管柱10的一端，地温测量模块13、孔壁变形扫描模块14、地质构造探测模块15以及自然电阻率检测模块16之间的位置关系在此不作具体限定。
在上述实施例的基础上，原位测量机构还包括第二储存模块，地温测量模块13、孔壁变形扫描模块14、地质构造探测模块15以及自然电阻率检测模块16均与第二储存模块相连。
需要说明的是，地温测量模块13、孔壁变形扫描模块14、地质构造探测模块15以及自然电阻率检测模块16测量的数据可以存储在第二储存模块内。其中，地温测量模块13、孔壁变形扫描模块14、地质构造探测模块15以及自然电阻率检测模块16均可以自带充电式电源。
在上述实施例的基础上，定向取芯机构包括相连通的空芯钻头17和取芯钻杆18。
需要说明的是，钻取的岩芯可进行冲击倾向性实验室测试，并根据结果对沿钻孔不同位置的煤层冲击倾向程度进行曲线标定。
在上述实施例的基础上，煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置还包括主机11，随钻测量机构和原位测量机构均与主机11信号相连。
需要说明的是，主机11获得全部测量结果后，提取并计算以下测量值：垂直应力、最大水平应力、水平应力与掘进或开采方向的偏差程度、抗压强度、孔壁收缩率、电磁辐射信号异常与否、自然伽玛射线信号异常与否、地温异常与否，由以上测量值的集合按照综合指数法求出评价结果值，对煤层沿钻孔不同区域位置的冲击危险性进行定量连续预评价。
需要说明的是，地应力测量模块5、孔壁强度测量模块6、电磁辐射监测模块7、自然伽玛射线监测模块8、地温测量模块13、孔壁变形扫描模块14、地质构造探测模块15以及自然电阻率检测模块16测量的参数可传输至孔外的主机11。
可以理解的是，钻进机构与管柱相连，钻进机构、随钻测量机构以及管柱相连，原位测量机构与管柱相连时，管柱可将钻机提供的高压打钻液输送至钻头，钻头进行冲击式往复破煤作业，管柱并不旋转。定向取芯机构与管柱相连时，空芯钻头动力由管柱10旋转提供。
在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价方法，包括：
把随钻测量机构送入孔内，以进行随钻测量作业，随钻测量机构的一端与管柱连接，另一端与稳定器连接；
把定向取芯机构送入孔内，以进行定向钻孔取芯作业，把钻进机构和随钻测量机构更换为定向取芯机构；
把原位测量机构送入孔内，以进行孔内原位测量作业，把定向取芯机构更换为原位测量机构；
通过随钻测量机构、定向取芯机构以及原位测量机构的测量值获取预评价结果。
在本发明实施例中，以煤层9的厚度6.0m，预评价对象为即将掘进的某一顺槽(宽度为5.8m，高度4.0m)，走向长度需钻测的距离为1000m，详细测量施工包括以下步骤：
S1、开孔布置：在煤层中部位置，即距离底板或顶板3.0m的高度位置开孔，水平位置位于顺槽中部，即距离设计的两帮2.9m，一次钻孔直径为145mm；
S2、随钻测量：
S201：由钻机及钻进机构沿设计位置和尺寸钻进10.0m，此时稳定器与管柱相连；然后自钻孔中退出管柱和钻进机构；断开稳定器与管柱之间的连接，在稳定器后部通过连接件连接随钻测量机构，包括地应力测量模块、孔壁强度测量模块、电磁辐射监测模块和自然伽玛射线监测模块，然后与管柱连接；
S202：对各模块进行开机测试，测试孔外的主机与各模块之间的通讯；
S203：将测试好的整套装置由人工送入孔内，并在后部管柱连接上钻孔液供液管路，开始钻机和测量施工；
S204：管柱长度为3.0m，每钻进3.0m停机5min，用于各模块的测量作业；
S3、定向钻孔取芯施工：
S301：每钻进30m，钻机停机并利用夹持器将管柱上提20cm，继续泵入钻孔液用于冲洗钻孔，冲洗至孔内返液基本无煤渣，上提所有的管柱；
S302：将钻进机构和随钻测量机构更换为定向取芯机构，连接管柱后下放所有工具至钻孔底部；
S303：由夹持器旋转管柱并提供推进力进行钻进，继续钻进深度约1.0m时，停机并慢速上提管柱，完成该位置的取芯工作；此时取芯钻杆通过连接件与管柱相连；
S304：将定向取芯机构重新更换为钻进机构和随钻测量机构，继续进行钻进和随钻测量工作；此时，地应力测量模块通过连接件与稳定器相连，自然伽玛射线监测模块与管柱相连；
S4、孔内原位测量作业施工：
S401：钻进至1000m深度时，钻机停机并利用夹持器将管柱上提20cm，继续泵入钻孔液用于冲洗钻孔，冲洗至孔内返液基本无煤渣，上提所有的管柱；
S402：将钻进机构和随钻测量机构更换为原位测量机构，包括导向丝堵、地温测量模块、孔壁变形扫描模块、地质构造探测模块、自然电阻率检测模块；此时自然电阻率检测模块与管柱相连；
S403：对各模块进行开机测试，测试孔外主机与各模块之间的通讯；
S404：将测试好的整套原位测量机构由人工送入孔内，并在后部连接管柱，由钻机夹持器缓慢推进用于孔内测量作业；
S5、测量结果及评价：
S501：提取以下测量值：垂直应力、最大水平应力、水平应力与掘进或开采方向的偏差程度、抗压强度、孔壁收缩率、电磁辐射信号异常与否、自然伽玛射线信号异常与否、地温异常与否，各测量值由符号代替，其中垂直应力C1、最大水平应力C2、水平应力与掘进或开采方向的偏差程度C3(取值在0-1之间)、抗压强度C4，孔壁收缩率C5(取值在0-1之间)、电磁辐射信号异常与否C6取值为0或1(0代表无异常，1代表异常)、自然伽玛射线信号异常与否C7取值为0或1(0代表无异常，1代表异常)、地温异常与否C8取值为0或1(0代表无异常，1代表异常)；
S502：确定临界值和影响因子；其中，Cvi代表该矿区、煤矿或者煤层发生冲击地压事故某一测量值的危险阈值(i＝1～8)，Ki代表该测量值的影响因子(i＝1～8)，该影响因子由大量的冲击煤层现场实测数据确定；
S503：利用综合指数法对不同区域的钻测结果Ccbi进行结果计算，公式如下：
S504：根据S503的评价结果，Ccbi值越大代表发生冲击地压的危险更大，按照预评价结果值的大小可对掘进工作面的危险区域进行有针对性的超前卸压。
本发明实施例提供的煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价方法，测量结果为原位连续测量数据，避免了单一位置取样所造成的数据偏差；钻测数据考虑了煤层的实际赋存状态，用于冲击危险性预评价可以得到更符合现场的结果；定向钻机的最大煤层钻孔施工深度在1000m以上，所以该技术有望实现单一巷道或工作面的整体预评价；冲击危险区域的准确评价及确定，为煤层采掘前的提前精准卸压提供了基础测量数据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置，其特征在于，包括：钻进机构，所述钻进机构包括依次相连的钻头、定向件和稳定器；用于获取地应力、围岩强度、电磁辐射信号以及自然伽玛信号中的一种或多种的随钻测量机构；用于获取温度曲线、孔壁变形程度与位置、煤层厚度、构造赋存以及自然电阻率曲线中的一种或多种的原位测量机构；以及，用于获取岩芯的定向取芯机构；
所述稳定器与管柱可拆卸连接；所述随钻测量机构的一端与所述管柱可拆卸连接，另一端与所述稳定器可拆卸连接；所述原位测量机构与所述管柱可拆卸连接；所述定向取芯机构与所述管柱可拆卸连接。
2.根据权利要求1所述的煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置，其特征在于，所述随钻测量机构包括地应力测量模块、孔壁强度测量模块、电磁辐射监测模块以及自然伽玛射线监测模块中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置，其特征在于，所述随钻测量机构还包括第一储存模块，所述地应力测量模块、所述孔壁强度测量模块、所述电磁辐射监测模块以及所述自然伽玛射线监测模块均与所述第一储存模块相连。
4.根据权利要求1所述的煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置，其特征在于，所述原位测量机构包括依次相连的导向丝堵、地温测量模块、孔壁变形扫描模块、地质构造探测模块以及自然电阻率检测模块。
5.根据权利要求4所述的煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置，其特征在于，所述原位测量机构还包括第二储存模块，所述地温测量模块、所述孔壁变形扫描模块、所述地质构造探测模块以及所述自然电阻率检测模块均与所述第二储存模块相连。
6.根据权利要求1所述的煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置，其特征在于，所述定向取芯机构包括相连通的空芯钻头和取芯钻杆。
7.根据权利要求1所述的煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置，其特征在于，所述煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置还包括主机，所述随钻测量机构和所述原位测量机构均与主机信号相连。
8.一种根据权利要求1至7任一项所述的煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价装置的煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价方法，其特征在于，包括：
把随钻测量机构送入孔内，以进行随钻测量作业，随钻测量机构的一端与管柱连接，另一端与稳定器连接；
把定向取芯机构送入孔内，以进行定向钻孔取芯作业，把钻进机构和随钻测量机构更换为定向取芯机构；
把原位测量机构送入孔内，以进行孔内原位测量作业，把定向取芯机构更换为原位测量机构；
通过随钻测量机构、定向取芯机构以及原位测量机构的测量值获取预评价结果。
9.根据权利要求8所述的煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价方法，其特征在于，在所述把定向取芯机构送入孔内，以进行定向钻孔取芯作业，把钻进机构和随钻测量机构更换为定向取芯机构之后，在所述把原位测量机构送入孔内，以进行孔内原位测量作业，把定向取芯机构更换为原位测量机构之前还包括：
把随钻测量机构送入孔内，以进行随钻测量作业，把定向取芯机构更换为随钻测量机构和钻进机构；
相对应的，把原位测量机构送入孔内，以进行孔内原位测量作业，把随钻测量机构和钻进机构更换为原位测量机构。
10.根据权利要求8所述的煤层冲击地压危险性超前钻测的预评价方法，其特征在于，在所述把随钻测量机构送入孔内，以进行随钻测量作业，随钻测量机构的一端与管柱连接，另一端与稳定器连接之前还包括：
通过钻进机构钻进预设深度，钻进机构与管柱连接。
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