CN113006858B - 区域瓦斯治理过程中的煤层产状分布智能探测装备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种区域瓦斯治理过程中的煤层产状分布智能探测装备及方法，该装备包括液压钻进系统、数据采集系统以及数据传输系统。该方法利用数据采集系统实时采集随钻信息，并确定钻进比功、钻头与钻机之间的距离；根据钻进比功的差异性特征，判定钻头进入和穿过煤层的相对位置；然后，根据煤巷掘进区域瓦斯治理工程需求，改变钻机所在位置以及施工角度，重复上述步骤，获得多组相对位置信息；最后，基于三次样条插值法，分别绘制煤层与顶板、底板的交界面。本发明将钻探技术与区域瓦斯治理工程相结合，克服了钻探技术施工量大、测试范围有限等难题。
Description
技术领域
本发明涉及瓦斯治理技术领域，具体涉及一种区域瓦斯治理过程中的煤层产状分布智能探测装备及方法。
背景技术
煤与瓦斯突出是制约我国深部煤炭资源安全高效回采的重大灾害之一。为防治采掘过程中的瓦斯问题，我国一直秉持着“区域措施先行，局部措施补充”的防突原则。随着采深的不断增加，区域措施效果达标后，突出事故仍时有发生，且近年来的突出事故多发生于局部地质异常区和预抽钻孔未能有效覆盖的抽采盲区。因此，在煤炭资源回采前，有效探测煤层的产状分布，识别局部地质危险区尤为重要。
根据测试方式不同，地质探测技术主要可分为：物探和钻探。目前，煤矿井下物探方法主要包括地震类和电法类。其中，地震勘探法受制于井下恶劣的开采条件，往往只能选用落锤法激发震源，导致勘探范围有限。而电法类探测技术受井下普遍存在的低阻体影响，导致测试精度偏低。为了提高测试精度，电法类探测技术往往需要在两巷布置大量的电极，导致探测工程施工量大。因此，物探技术并不完全适用于煤矿井下瓦斯治理工作。值得注意的是，在区域瓦斯治理工程中，往往需要由岩巷向煤层施工大量的穿层钻孔，这为钻探技术奠定了坚实的物质基础。就目前的生产状况而言，钻进过程产生的随钻信号并没有被有效识别和利用。因此，如果能有效提取区域瓦斯治理过程中的随钻信息，并基于随钻的特征信号反演煤层产状起伏变化，这对于煤层局部地质异常区以及煤与瓦斯突出危险区的辨识具有重大的理论与现实意义。
发明内容
针对现有技术无法有效提取区域瓦斯治理过程中的随钻信息问题，本发明提出一种区域瓦斯治理过程中的煤层产状分布智能探测装备及方法。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种区域瓦斯治理过程中的煤层产状分布智能探测方法，包括如下步骤：
S1：以岩巷入口为坐标原点O，岩巷水平方向为X轴、垂深方向为Y轴、延伸方向为Z轴，建立井下相对坐标系；
S2：液压钻机由岩巷向煤层施工穿层钻孔时，通过安装在液压钻机上的数据采集系统实时采集钻进时的随钻信息，并计算钻头的钻进比功；
S3：通过数据传输系统，将钻头的钻进比功实时上传至地面监测中心；
S4：地面监测中心根据钻进比功的差异性特征，确定钻头由岩层进入煤层时钻头与钻机之间的距离、钻头穿过煤层进入岩层时钻头与钻机之间的距离；
S5：根据煤巷掘进区域瓦斯治理工程需求，改变钻孔与X轴方向的夹角α，在同一位置循环执行步骤S2-S4，得到一组K个钻孔；
S6：根据煤巷掘进区域瓦斯治理工程需求，改变液压钻机在岩巷Z轴方向的位置，循环执行步骤S2-S5，得到I组钻孔，计算钻头进入和穿过煤层的相对坐标：
其中，下标i代表施工的第i组钻孔，下标k代表施工的第k个钻孔；上标1代表钻头进入煤层的时刻，上标2代表钻头穿过煤层的时刻；x代表钻头在相对坐标系中X轴方向上的投影值；y代表钻头在相对坐标系中Y轴方向上的投影值；z代表钻头在相对坐标系中Z轴方向上的投影值；L代表钻头与钻机之间的距离；α代表钻孔与X轴方向的夹角；β代表钻孔与Y轴方向的夹角；γ代表钻孔与Z轴方向的夹角；zi钻代表施工第i组钻孔时钻机在相对坐标系中的z坐标；
S7：根据步骤S6计算的钻头进入和穿过煤层的相对坐标
基于三次样条插值法，分别绘制煤层与顶板、底板的交界面。
本发明还提出一种区域瓦斯治理过程中的煤层产状分布智能探测装备，包括液压钻进系统、数据采集系统以及数据传输系统，所述液压钻进系统包括依次相连的液压钻机、钻杆以及钻头，所述数据采集系统包括安装在液压钻机内的扭矩传感器、给进力传感器、钻速传感器、转速传感器，所述数据传输系统包括监测仪、井下监测分站、井下环网和地面监测中心，所述监测仪接收并处理数据采集系统实时发送来的随钻信息，并将随钻信息发送至井下监测分站，所述井下监测分站通过井下环网，将随钻数据上传至地面监测中心。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的区域瓦斯治理过程中的煤层产状分布智能探测装备及方法，将钻探技术与区域瓦斯治理工程相结合，克服了钻探技术施工量大、测试范围有限等难题。在实现煤层产状智能探测的同时，又可对钻孔施工质量进行监测，防止瓦斯抽采空白带的产生，降低了煤层回采过程中的突出危险性。此外，相比于现有的物探技术，其干扰因素少，测试精度高。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。
图1为区域瓦斯治理过程中的煤层产状分布智能探测装备布置示意图；
图2为区域瓦斯治理过程中的煤层产状分布智能探测方法施工示意图。
图中：1-岩巷，2-水泵，3-液压钻机，4-数据采集系统，5-监测仪，6-井下监测分站，7-井下环网，8-地面监测中心，9-煤层，10-穿层钻孔，11-进入煤层位置，12-穿过煤层位置，13-顶板，14-底板。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
如图1-图2所示，一种区域瓦斯治理过程中的煤层产状分布智能探测装备，包括液压钻进系统、数据采集系统4以及数据传输系统，液压钻进系统包括设置在岩巷1内的依次相连的液压钻机3、钻杆以及钻头，液压钻进系统还包括给钻头喷水的水泵2。数据采集系统4包括安装在液压钻机3内的扭矩传感器、给进力传感器、钻速传感器、转速传感器、距离传感器，距离传感器用于测量钻头与钻机之间的距离，数据传输系统包括监测仪5、井下监测分站6、井下环网7和地面监测中心8，监测仪5接收并处理数据采集系统实时发送来的随钻信息，并将随钻信息发送至井下监测分站6，井下监测分站6通过井下环网7，将随钻数据上传至地面监测中心8，监测仪5通过矿用电缆分别与数据采集系统4、井下监测分站6相连。
本发明还提供一种区域瓦斯治理过程中的煤层产状分布智能探测方法，包括如下步骤：
S1：以岩巷1入口为坐标原点O，岩巷水平方向为X轴、垂深方向为Y轴、延伸方向为Z
轴，建立井下相对坐标系；
S2：液压钻机3由岩巷1向煤层9施工穿层钻孔10时，通过安装在液压钻机3上的数据采集系统4实时采集钻进时的随钻信息，随钻信息包括钻头扭矩M、给进力F、钻速V、转速N、钻头与钻机之间的距离L，并通过随钻信息计算钻头的钻进比功，钻进比功
其中R为钻头半径；
S3：通过数据传输系统，将钻头的钻进比功实时上传至地面监测中心8；
S4：地面监测中心8根据钻进比功的差异性特征，确定钻头由岩层进入煤层时钻头与钻机之间的距离、钻头穿过煤层进入岩层时钻头与钻机之间的距离；当钻进比功降低30％时，表明钻头由岩层进入煤层；当钻进比功上升30％时，表明钻头穿过煤层进入岩层；当钻孔施工完毕后，钻进比功只呈现出降低30％的特征信号时，表明该钻孔只进入煤层，尚未进入岩层，煤层中可能存在部分的瓦斯抽采空白带，未达到区域瓦斯治理对穿层钻孔的施工要求，需要在原位置处继续补充一个钻孔；
S5：根据煤巷掘进区域瓦斯治理工程需求，改变钻孔10与X轴方向的夹角α，在同一位置循环执行步骤S2-S4，得到一组K个钻孔10；
S6：根据煤巷掘进区域瓦斯治理工程需求，改变液压钻机3在岩巷1Z轴方向的位置，循环执行步骤S2-S5，得到I组钻孔，计算钻头进入和穿过煤层的相对坐标：
其中，下标i代表施工的第i组钻孔，i＝1，2，…，I，下标k代表施工的第k个钻孔k＝1，2，…，K；上标1代表钻头进入煤层的时刻，上标2代表钻头穿过煤层的时刻；x代表钻头在相对坐标系中X轴方向上的投影值；y代表钻头在相对坐标系中Y轴方向上的投影值；z代表
钻头在相对坐标系中Z轴方向上的投影值；L代表钻头与钻机之间的距离；α代表钻孔与X轴方向的夹角；β代表钻孔与Y轴方向的夹角；γ代表钻孔与Z轴方向的夹角；zi钻代表施工第i组钻孔时钻机在相对坐标系中的z坐标；
S7：根据步骤S6计算的钻头进入煤层位置11和穿过煤层位置12的相对坐标
Claims (4)
1.一种区域瓦斯治理过程中的煤层产状分布智能探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：以岩巷入口为坐标原点O ，岩巷水平方向为X轴、垂深方向为Y轴、延伸方向为Z轴,建立井下相对坐标系；
S2：液压钻机由岩巷向煤层施工穿层钻孔时，通过安装在液压钻机上的数据采集系统实时采集钻进时的随钻信息，并计算钻头的钻进比功；
S3：通过数据传输系统，将钻头的钻进比功实时上传至地面监测中心；
S4：地面监测中心根据钻进比功的差异性特征，确定钻头由岩层进入煤层时钻头与钻机之间的距离、钻头穿过煤层进入岩层时钻头与钻机之间的距离；
当钻孔施工完毕后，钻进比功只呈现出降低30％以上的特征信号时，表明该钻孔只进入煤层，尚未进入岩层，需要在原位置处继续补充一个钻孔；
S5：根据煤巷掘进区域瓦斯治理工程需求，改变钻孔与X轴方向的夹角α ,在同一位置循环执行步骤S2-S4，得到一组k 个钻孔；
S6：根据煤巷掘进区域瓦斯治理工程需求，改变液压钻机在岩巷Z轴方向的位置，循环执行步骤S2-S5，得到i 组钻孔，计算钻头进入和穿过煤层的相对坐标：
其中，下标i代表施工的第i组钻孔，下标k代表施工的第k个钻孔；上标1代表钻头进入煤层的时刻，上标2代表钻头穿过煤层的时刻；x代表钻头在相对坐标系中X轴方向上的投影值；y代表钻头在相对坐标系中Y轴方向上的投影值；z代表钻头在相对坐标系中Z轴方向上的投影值；L代表钻头与钻机之间的距离；α 代表钻孔与X轴方向的夹角；β代表钻孔与Y轴方向的夹角；γ代表钻孔与Z轴方向的夹角；zi钻代表施工第i组钻孔时钻机在相对坐标系中的z坐标；
S7：根据步骤S6计算的钻头进入和穿过煤层的相对坐标
基于三次样条插值法，分别绘制煤层与顶板、底板的交界面。
2.根据权利要求1所述的区域瓦斯治理过程中的煤层产状分布智能探测方法，其特征在于：所述随钻信息包括钻头扭矩M、给进力F、钻速V、转速N、钻头与钻机之间的距离L。
3.根据权利要求2所述的区域瓦斯治理过程中的煤层产状分布智能探测方法,其特征在于：钻进功比
其中R为钻头半径。
4.根据权利要求1所述的区域瓦斯治理过程中的煤层产状分布智能探测方法，其特征在于：步骤S4中当钻进比功降低30％时，表明钻头由岩层进入煤层；当钻进比功上升30％时，表明钻头穿过煤层进入岩层。
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