CN114087018B - 一种基于应力感知的大直径卸压钻孔精准卸压方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于应力感知的大直径卸压钻孔精准卸压方法，特征在于：先在不受采动应力影响的区域，利用钻机施工大直径卸压钻孔，钻进过程中实时测量扭矩T、转速n、推力F、给进速度v，使用螺旋钻杆时同步测量钻进排出的煤粉量g煤粉并实时进行计算；每钻进Ls长度时，通过异常值检测和排除以及求均值σ均值，将σ均值作为钻进位置L处的应力指数值；使用螺旋钻杆时每钻进Ls长度，将排出的煤粉量g煤粉作为钻进位置L处的钻屑指数值，拟合获得钻孔应力指数和钻屑指数分布曲线，通过巷道走向上待施工区域应力指数和钻屑指数分布曲线的预测，实现卸压钻孔参数的动态调整。本发明能降低冲击地压卸压过程中发生生产事故的风险，提高煤矿安全性与智能化水平。

Description

一种基于应力感知的大直径卸压钻孔精准卸压方法
技术领域
本发明涉及一种矿山安全技术，尤其是一种巷道卸压技术，具体地说是一种基于应力感知的大直径卸压钻孔精准卸压方法
背景技术
随着我国煤炭开采深度和强度的增大，冲击地压灾害成为制约深部煤炭资源开采的首要灾害。巷道周围的煤体应力积聚是诱发冲击地压重要因素之一。随着冲击地压事故的急剧增加，为满足保护现场人员、巷道、设备等现实要求，“如何对煤体应力实现更准确监测，进而开展精准防控”被日益重视。
目前煤矿的应力监测和钻孔卸压是相互分开的。首先是采用钻屑法进行应力监测，利用的是手持式风动钻机，钻头直径一般为42-45mm，钻屑法往往需要人工拿麻袋在钻进过程中接排出的煤粉。当发现冲击地压风险后，采用大功率钻机按照固定预案施工大直径卸压钻孔(孔径一般大于100mm)，施工过程中应力变化不知、卸压效果不知。将大直径卸压钻孔施工完成后，再通过钻屑法、声电监测等方法，评估施工区域的卸压效果。这种应力监测和卸压方法效率低，不能根据应力的变化及时调整施工方案，难以实现冲击地压灾害有效防控，特别按设计方案卸压效果不好时可能导致施工过程中诱发冲击地压，在卸压过程中发生生产事故，威胁工人的生命安全。
发明内容
本发明的目的是针对现有的煤矿巷道打孔卸压盲目性大，无法精准施工的问题，发明一种基于应力感知的大直径卸压钻孔精准卸压方法。
本发明的技术方案是：
一种基于应力感知的大直径卸压钻孔精准卸压方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)在不受采动应力影响的区域，利用钻机施工大直径卸压钻孔，钻进过程中实时测量扭矩T、转速n、推力F、给进速度v；根据应力指数σ＝f(T、n、F、v)或σ＝f(T、n、v)实时进行计算；每钻进Ls长度时，Ls的取值为0.04m～2m，对每个Ls长度上获得的所有σ值进行异常值检测和排除，并获得全部钻进Ls长度时σ值的均值σ均值；记录此时累计的钻进位置L，L为Ls长度的倍数，将σ均值作为钻进位置L处的应力指数值；
2)施工不少于3个钻孔后，将不同钻孔、相同钻进位置L处的σ均值进行异常值检测和排除后，取平均值作为钻进位置L处的应力指数标准值σ标准值，利用多项式或非线性拟合公式，对不同钻进位置L处的σ标准值进行曲线拟合，获得应力指数标准曲线，并获得曲线峰值位置距巷道壁的距离Wσ；
3)当发现巷道某区域有冲击地压危险时，利用声发射、电磁辐射仪器在危险区域间隔3～20m布置一个测点，根据声发射、电磁辐射信号的脉冲数和能量值沿巷道走向的变化趋势，判断沿巷道走向应力的变化趋势；
4)利用钻机从低应力区域向高应力区域，以间距S1施工大直径卸压钻孔，重复步骤1)，获得不同钻进位置L的应力指数值σ均值，对不同钻进位置L的σ均值进行拟合，获得应力指数分布曲线；
5)连续施工n个钻孔后，n不小于5，根据应力指数分布曲线，分别得到n个钻孔的相同钻进位置L的应力指数标准值σ均值，在巷道走向方向上，进行曲线拟合和预测，获得n+1个钻孔在不同钻进位置L的预测值σ预测均值，曲线拟合获得n+1个钻孔的应力指数分布曲线；
6)当发现距巷道壁距离W范围内各个钻孔应力指数分布曲线的峰值呈现增大的趋势时，调整施工方案，将钻孔间距S1减小为S2来增大卸压强度，S2/S1＝0.8～0.2；
7)连续以间距S2施工卸压钻孔；当距巷道壁距离W范围内各个钻孔应力指数分布曲线的峰值呈现减小的趋势时，继续以间距S2或增大钻孔间距为S3施工卸压钻孔，(S3/S2＝1.1～2)；
8)重复步骤6)、步骤7)，直至距巷道壁距离W范围内不少于3个的新施工钻孔的不同钻进位置L的σ均值均小于J·σ标准值(J为安全倍率)，停止施工卸压钻孔；
9)卸压孔施工完毕后，利用声发射、电磁辐射仪器在施工区域间隔3～20m布置一个测点，根据声发射、电磁辐射信号的脉冲数和能量值与步骤3)相比的变化，进一步检验卸压效果。
所述异常值检测和排除的方法包括：3σ原则、箱形图法、离群点检测。
所述进行曲线拟合和预测时，分别采用不同阶数多项式或非线性拟合公式进行拟合，采用拟合优度来判断拟合效果，判断指标包括：Pearson's r，ReducedChi-Sqr，Adj.R-Square和Residual，选择最优拟合公式。
所述距巷道壁距离W由应力指数标准曲线的峰值位置距巷道壁的距离Wσ确定，W＝(1.1～3)Wσ。
所述J·σ标准值是为保障巷道安全，给不同钻进位置L设定的最高临界值，倍率J为大于1的数，由钻进位置L确定。
所述钻机使用的钻杆为螺旋钻杆时，同时测量钻进排出的煤粉量g煤粉，每钻进Ls长度，将排出的煤粉量g煤粉作为钻进位置L处的钻屑指数值。
所述钻机安装有定位器，钻进过程中将实时测量的扭矩T、转速n、推力F、给进速度v、累计的钻进位置L的数据传输至地面，由地面计算机实时进行数据分析，发布命令给钻机或施工人员调整施工方案；同时实时监测井下钻孔的时间、位置、孔深。
本发明的有益效果是：
本发明通过在钻进过程中及时感知施工区域的应力状态，通过异常值检测、排除，以及应力指数标准曲线和钻屑指数曲线的拟合，最大限度的排除测量中的数据误差；通过对巷道走向多个孔数据的拟合，预测待施工钻孔的应力指数分布曲线，从而判断待施工区域应力状态的变化趋势，进而动态修正下一步的卸压参数，实现卸压钻孔参数的动态调整，实现随钻应力感知与动态卸压的互馈。该技术应用于煤矿冲击地压治理，可实现冲击地压灾害的高效、精准卸压防控，可以极大降低冲击地压卸压过程中发生生产事故的风险，显著提高煤矿开采的安全性与智能化水平。
附图说明
图1不同钻进位置的应力指数值。
图2采用拟合优度来判断应力指数分布曲线拟合效果。
图3在巷道走向上对n+1个钻孔进行曲线拟合和预测。
图4峰值呈现增大趋势时的卸压参数调整。
图5峰值呈现减小趋势时的卸压参数调整。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。需要指出的是，下面仅以一种最优化的技术方案对本发明的技术方案以及设计原理进行详细阐述，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1-5所示。
实施例一。
一种基于应力感知的大直径卸压钻孔精准卸压方法，包括以下步骤：
1)在不受采动应力影响的区域，利用钻机施工大直径卸压钻孔，本实施例使用常规的地质钻杆进行钻进作业，需要加钻进边注水，钻进过程中实时测量扭矩T、转速n、推力F、给进速度v；根据应力指数σ＝f(T、n、F、v)或σ＝f(T、n、v)实时进行计算；每钻进Ls(0.04m～2m)长度时，对该距离上获得的所有σ值进行异常值检测和排除(可采用的方法包括：3σ原则、箱形图法、离群点检测)，并获得每钻进Ls长度时σ值的均值σ均值；记录此时累计的钻进位置L(L为Ls的倍数)，将σ均值作为钻进位置L处的应力指数值，如图1所示。所述钻机安装有定位器，钻进过程中将实时测量的扭矩T、转速n、推力F、给进速度v、累计的钻进位置L的数据传输至地面，由地面计算机实时进行数据分析，发布命令给钻机或施工人员调整施工方案；同时实时监测井下钻孔的时间、位置、孔深。
2)施工不少于3个钻孔后，将不同钻孔、相同钻进位置L处的σ均值进行异常值检测和排除后，取平均值作为钻进位置L处的应力指数标准值σ标准值，利用多项式拟合公式，对不同钻进位置L处的σ标准值进行曲线拟合，获得应力指数标准曲线，并获得曲线峰值位置距巷道壁的距离Wσ，如图2所示，进行曲线拟合和预测时，分别采用不同阶数多项式进行拟合，采用拟合优度方法，根据ReducedChi-Sqr，Adj.R-Square等指标来判断拟合效果，选择最优拟合公式。
3)当发现巷道某区域有冲击地压危险时，利用声发射、电磁辐射仪器在该危险区域间隔3～20m布置一个测点，根据声发射、电磁辐射信号的脉冲数和能量值沿巷道走向的变化趋势，判断沿巷道走向应力的变化趋势。
4)如图3所示，利用钻机从低应力区域向高应力区域，以间距S1(如S1＝3m)施工大直径卸压钻孔，重复步骤1)，获得不同钻进位置L的应力指数值σ均值，对不同钻进位置L的σ均值进行拟合，获得应力指数分布曲线。
5)连续施工n(大于5个)钻孔后，根据应力指数分布曲线，分别得到n个钻孔的相同钻进位置L的应力指数标准值σ均值，在巷道走向方向上，进行曲线拟合和预测，获得n+1个钻孔在不同钻进位置L的预测值σ预测均值，曲线拟合获得n+1个钻孔的应力指数分布曲线，如图3所示。
6)当发现距巷道壁距离W范围内各个钻孔应力指数分布曲线的峰值呈现增大的趋势时，调整施工方案，将钻孔间距S1减小为S2，S2/S1＝0.8～0.2(如S2＝1.5m)，来增大卸压强度，如图4所示。
7)连续以间距S2施工卸压钻孔；当距巷道壁距离W范围内各个钻孔应力指数分布曲线的峰值呈现减小的趋势时，继续以间距S2或增大钻孔间距为S3，S3/S2＝1.2～2(如S3＝2m)，施工卸压钻孔，如图5所示。
8)重复步骤6)、步骤7)，直至距巷道壁距离W范围内新施工钻孔(不少于3个)的不同钻进位置L的σ均值均小于J·σ标准值(安全倍率J)，停止施工卸压钻孔。所述距巷道壁距离W由应力指数标准曲线的峰值位置距巷道壁的距离Wσ确定，一般W＝(1.1～3)·Wσ；所述J·σ标准值是为保障巷道安全，给不同钻进位置L设定的最高临界值，倍率J为大于1的数，随钻进位置L而不同。取值方法如表1所示，如巷道高度h按照4m，则钻进0～5m时，倍率J≥1.2，如取1.2；钻进6～12m时，倍率J≥1.5，如取1.5；钻进大于12m时，倍率J≥2，如取2。具体选取方法见表1所示。
表1
Figure GDA0003938849840000051
卸压孔施工完毕后，利用声发射、电磁辐射仪器在施工区域间隔3～20m布置一个测点，根据声发射、电磁辐射信号的脉冲数和能量值与步骤3)相比的变化，进一步检验卸压效果。
实施例二。
使用螺旋钻杆时，使用应力指数和钻屑指数中的两个或一个作为判断依据。
当同时使用应力指数和钻屑指数作为判断依据时，钻进过程中除测量扭矩T、转速n、推力F、给进速度v外，同时测量钻进排出的煤粉量g煤粉，每钻进Ls长度，将排出的煤粉量g煤粉作为钻进位置L处的钻屑指数值。具体包括以下步骤：
1)在不受采动应力影响的区域，利用钻机施工大直径卸压钻孔，本实施例的钻机使用螺旋钻杆进行钻进作业，钻进过程中实时测量扭矩T、转速n、推力F、给进速度v，同时测量钻进排出的煤粉量g煤粉，每钻进Ls长度，将排出的煤粉量g煤粉作为钻进位置L处的钻屑指数值。根据应力指数σ＝f(T、n、F、v)或σ＝f(T、n、v)实时进行计算；每钻进Ls(0.04m～2m)长度时，对该距离上获得的所有σ值进行异常值检测和排除(可采用的方法包括：3σ原则、箱形图法、离群点检测)，并获得每钻进Ls长度时σ值的均值σ均值；记录此时累计的钻进位置L(L为Ls的倍数)，将σ均值作为钻进位置L处的应力指数值。每钻进Ls长度，将排出的煤粉量g煤粉作为钻进位置L处的钻屑指数值。所述钻机安装有定位器，钻进过程中将实时测量的扭矩T、转速n、推力F、给进速度v、累计的钻进位置L的数据传输至地面，由地面计算机实时进行数据分析，发布命令给钻机或施工人员调整施工方案；同时实时监测井下钻孔的时间、位置、孔深。
2)施工不少于3个钻孔后，将不同钻孔、相同钻进位置L处的σ均值进行异常值检测和排除后，取平均值作为钻进位置L处的应力指数标准值σ标准值，利用多项式拟合公式，对不同钻进位置L处的σ标准值进行曲线拟合，获得应力指数标准曲线，并获得曲线峰值位置距巷道壁的距离Wσ；本实施例使用螺旋钻杆，按相同处理方法获得钻屑指数标准曲线，并获得曲线峰值位置距巷道壁的距离Wg。进行曲线拟合和预测时，分别采用不同阶数多项式进行拟合，采用拟合优度方法，根据ReducedChi-Sqr，Adj.R-Square等指标来判断拟合效果，选择最优拟合公式。
3)当发现巷道某区域有冲击地压危险时，利用声发射、电磁辐射仪器在该危险区域间隔3～20m布置一个测点，根据声发射、电磁辐射信号的脉冲数和能量值沿巷道走向的变化趋势，判断沿巷道走向应力的变化趋势。
4)如图3所示，利用钻机从低应力区域向高应力区域，以间距S1(如S1＝3m)施工大直径卸压钻孔，重复步骤1)，获得不同钻进位置L的应力指数值σ均值，对不同钻进位置L的σ均值进行拟合，获得应力指数分布曲线。本实施例使用螺旋钻杆，按相同处理方法获得钻屑指数分布曲线。
5)连续施工n(大于5个)钻孔后，根据应力指数分布曲线，分别得到n个钻孔的相同钻进位置L的应力指数标准值σ均值，在巷道走向方向上，进行曲线拟合和预测，获得n+1个钻孔在不同钻进位置L的预测值σ预测均值，曲线拟合获得n+1个钻孔的应力指数分布曲线。本实施例使用螺旋钻杆，按相同处理方法获得n+1个钻孔的钻屑指数分布曲线。
6)当发现距巷道壁距离W范围内各个钻孔应力指数分布曲线或钻屑指数分布曲线的峰值呈现增大的趋势时，调整施工方案，将钻孔间距S1减小为S2，S2/S1＝0.8～0.2(如S2＝1.5m)，来增大卸压强度，如图4所示。
7)连续以间距S2施工卸压钻孔；当距巷道壁距离W范围内各个钻孔应力指数分布曲线或钻屑指数分布曲线的峰值呈现减小的趋势时，继续以间距S2或增大钻孔间距为S3，S3/S2＝1.2～2(如S3＝2m)，施工卸压钻孔，如图5所示。
8)重复步骤6)、步骤7)，直至距巷道壁距离W范围内新施工钻孔(不少于3个)的不同钻进位置L的σ均值均小于J·σ标准值(安全倍率J)，停止施工卸压钻孔。所述距巷道壁距离W由应力指数标准曲线的峰值位置距巷道壁的距离Wσ确定，一般W＝(1.1～3)·Wσ；当使用螺旋钻杆时，根据钻屑指数标准曲线的峰值位置距巷道壁的距离Wg确定，一般W＝(1.1～3)·Wg；所述J·σ标准值是为保障巷道安全，给不同钻进位置L设定的最高临界值，倍率J为大于1的数，随钻进位置L而不同。如表1所示，如巷道高度h按照4m，则钻进0～5m时，倍率J≥1.2，如取1.2；钻进6～12m时，倍率J≥1.5，如取1.5；钻进大于12m时，倍率J≥2，如取2。
卸压孔施工完毕后，利用声发射、电磁辐射仪器在施工区域间隔3～20m布置一个测点，根据声发射、电磁辐射信号的脉冲数和能量值与步骤3)相比的变化，进一步检验卸压效果。
本发明未涉及部分与同有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种基于应力感知的大直径卸压钻孔精准卸压方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）在不受采动应力影响的区域，利用钻机施工大直径卸压钻孔，钻进过程中实时测量扭矩T、转速n、推力F、给进速度v；根据应力指数σ=f（T、n、F、v）或σ=f（T、n、v）实时进行计算；每钻进Ls长度时，Ls的取值为0.04m～2m，对每个Ls长度上获得的所有σ值进行异常值检测和排除，并获得全部钻进Ls长度时σ值的均值σ均值；记录此时累计的钻进位置L，L为Ls长度的倍数，将σ均值作为钻进位置L处的应力指数值；
2）施工不少于3个钻孔后，将不同钻孔、相同钻进位置L处的σ均值进行异常值检测和排除后，取平均值作为钻进位置L处的应力指数标准值σ标准值，利用多项式或非线性拟合公式，对不同钻进位置L处的σ标准值进行曲线拟合，获得应力指数标准曲线，并获得曲线峰值位置距巷道壁的距离W；
3）当发现巷道某区域有冲击地压危险时，利用声发射、电磁辐射仪器在危险区域间隔3～20m布置一个测点，根据声发射、电磁辐射信号的脉冲数和能量值沿巷道走向的变化趋势，判断沿巷道走向应力的变化趋势；
4）利用钻机从低应力区域向高应力区域，以间距S1施工大直径卸压钻孔，重复步骤1），获得不同钻进位置L的应力指数值σ均值，对不同钻进位置L的σ均值进行拟合，获得应力指数分布曲线；
5）连续施工n个钻孔后，n不小于5，根据应力指数分布曲线，分别得到n个钻孔的相同钻进位置L的应力指数标准值σ均值，在巷道走向方向上，进行曲线拟合和预测，获得n+1个钻孔在不同钻进位置L的预测值σ预测均值，曲线拟合获得n+1个钻孔的应力指数分布曲线；
6）当发现距巷道壁距离W范围内各个钻孔应力指数分布曲线的峰值呈现增大的趋势时，调整施工方案，将钻孔间距S1减小为S2来增大卸压强度，S2/ S1=0.8～0.2；
7）连续以间距S2施工卸压钻孔；当距巷道壁距离W范围内各个钻孔应力指数分布曲线的峰值呈现减小的趋势时，继续以间距S2或增大钻孔间距为S3施工卸压钻孔， S3/ S2=1.2～2；
8）重复步骤6）、步骤7），直至距巷道壁距离W范围内不少于3个的新施工钻孔的不同钻进位置L的σ均值均小于J•σ标准值，J为安全倍率，停止施工卸压钻孔；
9）卸压孔施工完毕后，利用声发射、电磁辐射仪器在施工区域间隔3～20m布置一个测点，根据声发射、电磁辐射信号的脉冲数和能量值与步骤3）相比的变化，进一步检验卸压效果。
2.根据权利要求1所述的卸压方法，其特征在于：所述异常值检测和排除的方法包括：3σ原则、箱形图法、离群点检测。
3.根据权利要求1所述的卸压方法，其特征在于：所述进行曲线拟合和预测时，分别采用不同阶数多项式或非线性拟合公式进行拟合，采用拟合优度来判断拟合效果，判断指标包括：Pearson's r，ReducedChi-Sqr，Adj.R-Square和Residual，选择最优拟合公式。
4.根据权利要求1所述的卸压方法，其特征在于：所述距巷道壁距离W由应力指数标准曲线的峰值位置距巷道壁的距离Wσ确定， W=（1.1～3）Wσ。
5.根据权利要求1所述的卸压方法，其特征在于：所述J•σ标准值是为保障巷道安全，给不同钻进位置L设定的最高临界值，倍率J为大于1的数，由钻进位置L确定。
6.根据权利要求1所述的卸压方法，其特征在于：所述钻机使用的钻杆为螺旋钻杆时，同时测量钻进排出的煤粉量g煤粉，每钻进Ls长度，将排出的煤粉量g煤粉作为钻进位置L处的钻屑指数值。
7.根据权利要求1所述的卸压方法，其特征在于：所述钻机安装有定位器，钻进过程中将实时测量的扭矩T、转速n、推力F、给进速度v、累计的钻进位置L的数据传输至地面，由地面计算机实时进行数据分析，发布命令给钻机或施工人员调整施工方案；同时实时监测井下钻孔的时间、位置、孔深。
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