基于鉆進參數(shù)考察巷道松動及應(yīng)力集中范圍的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種深部地層鉆進地應(yīng)力集中區(qū)范圍的考察，特別是一種基于鉆進參數(shù)考察巷道松動及應(yīng)力集中范圍的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層滲透率低、瓦斯壓力大，且逐年向深部延伸，深部高地應(yīng)力和瓦斯壓力致使沖擊地壓、礦震等煤巖動力及瓦斯災(zāi)害更加嚴重，對巷道支護、瓦斯防治等技術(shù)提出了更高的要求。煤系地層多為軟一中硬沉積巖層，以砂巖、頁巖、泥巖、礫巖、煤為主，其強度、變形特性以及破壞機制與其所處的地應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，表現(xiàn)為低地應(yīng)力下的脆性向高地應(yīng)力下的塑性破壞轉(zhuǎn)化的特征。煤巖體的抗壓強度、硬度、彈性模量等物理力學(xué)特性與所受地應(yīng)力呈正相關(guān)性，隨地應(yīng)力的增大煤巖體內(nèi)部裂隙、孔隙等缺陷壓密閉合，剛度增大。鉆進過程參數(shù)(鉆進速度、推力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、鉆進比能等)與煤巖體物理力學(xué)特性具有較好的相關(guān)性，鉆進比能是指鉆進單位體積煤巖體消耗能量，可有效反映巖石不同地應(yīng)力條件下的煤巖體可鉆性難易程度，另外，在推力和轉(zhuǎn)速恒定的條件下，鉆進速度與巖石抗壓強度呈類負指數(shù)關(guān)系，可以利用鉆進速度通過經(jīng)驗公式推算巖石抗壓強度，從而可以反推其所受地應(yīng)力狀態(tài)。
[0003]在煤礦井下，受采動過程影響煤系地層中煤巖體總是處于一定的地應(yīng)力作用下，巷道兩側(cè)存在巷道松動區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力集中程度可能達到幾倍甚至十幾倍，而距巷道壁距離可能是幾米到幾十米。根據(jù)政策法規(guī)要求，對于高突煤層在開采前需要采取保護層開采和預(yù)抽煤層瓦斯等區(qū)域性瓦斯治理措施，降低煤層瓦斯含量消除其突出危險性，其中順(煤)層瓦斯抽采是主要抽采方法之一。煤是典型的含有原始損傷的微觀非均質(zhì)體，存在許多微空洞、微裂隙、層理和節(jié)理等軟弱結(jié)構(gòu)面以及顆粒膠結(jié)物，煤巷兩側(cè)的巷道松動區(qū)內(nèi)存在有大量裂隙，封孔段超過松動區(qū)可以有效提高順層鉆孔的抽采效果。深部區(qū)域復(fù)雜的地應(yīng)力條件，增加了煤巖巷道支護難度，準確掌握煤巖巷道兩側(cè)松動區(qū)及應(yīng)力集中區(qū)范圍，可以有效提高支護效率，節(jié)約煤巖巷道維護成本。
[0004]長期以來缺少有效探測巷道兩側(cè)松動區(qū)及應(yīng)力集中區(qū)范圍的技術(shù)方法，煤巖巷道有效支護方面和順(煤)層抽采鉆孔有效封孔距離的盲目性較大。利用地應(yīng)力對煤巖體物理力學(xué)特性的影響，結(jié)合鉆進過程參數(shù)與煤巖體物理力學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)性，使得鉆進過程參數(shù)可以反映巷道兩側(cè)地應(yīng)力變化趨勢及范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對深部開采礦井巷道兩側(cè)松動區(qū)及應(yīng)力集中區(qū)范圍難以有效考察的實際情況，提供一種基于鉆進參數(shù)考察巷道松動及應(yīng)力集中范圍的方法。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:該方法在礦井煤或巖石巷道內(nèi)施工順層長鉆孔，記錄并計算打鉆過程中的推力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和鉆進速率，利用煤巖體鉆機的鉆進參數(shù)和鉆孔參數(shù)推算鉆進單位巖體所消耗的能量即鉆進比能，獲得鉆進比能與鉆進距離之間的對應(yīng)關(guān)系，鉆進同種煤巖體所消耗能量的不同與其在不同地應(yīng)力條件下所表現(xiàn)的不同的物理力學(xué)特性，推斷出煤巖巷道兩側(cè)應(yīng)力集中及松動區(qū)范圍，利用推力和轉(zhuǎn)速恒定條件下的鉆進速率變化趨勢，對煤巖巷道兩側(cè)應(yīng)力集中及松動區(qū)范圍進行推算。
[0007]進一步的，在推力和轉(zhuǎn)速恒定的條件下，鉆進速率可以用來表征煤巖體鉆進的難易程度，同種煤巖體鉆進的難易程度差別主要與其所受的地應(yīng)力條件有關(guān)，從而建立鉆進速率與地應(yīng)力之間的相關(guān)性關(guān)系，進而對煤巖巷道松動及應(yīng)力集中范圍進行推算；
[0008]在推力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和鉆進速率都不穩(wěn)定的條件下，鉆進比能Q可以按照Q =2 31 RNT/A υ +F/A獲得，式中:R為鉆孔半徑，A為孔底面積，鉆進比能與煤巖體所受的地應(yīng)力狀態(tài)具有較好的正相關(guān)性，可以通過鉆進比能對巷道松動及地應(yīng)力集中范圍進行推算；煤巖體鉆機通過推進液壓傳感器獲得鉆進過程中推力F，旋轉(zhuǎn)液壓傳感器獲得鉆進過程中轉(zhuǎn)矩T，轉(zhuǎn)速傳感器獲得鉆進過程中鉆頭轉(zhuǎn)速N，鉆桿位移傳感器獲得鉆進實時距離并對時間進行求導(dǎo)獲得鉆進速率u，并配套數(shù)據(jù)儲存及處理系統(tǒng)；煤巖體鉆機實現(xiàn)在恒定推進力和轉(zhuǎn)速條件下的煤巖體鉆進，并對鉆進過程中鉆進距離進行實時監(jiān)測。
[0009]有益效果，由于采用上述方案，通過在在礦井煤或巖石巷道內(nèi)施工順層長鉆孔，基于鉆進過程中鉆進參數(shù)的變化對煤巖巷道應(yīng)力集中及松動區(qū)范圍進行推算。在煤礦井下受采動影響煤系地層中煤巖體總是處于一定的地應(yīng)力作用下，煤巖巷道兩側(cè)存在的巷道松動區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中程度可能達到幾倍甚至十幾倍，大多為軟-中硬的煤巖體的強度、變形特性以及破壞機制與其所處的地應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，在不同地應(yīng)力條件下表現(xiàn)物理力學(xué)特性的不同。鉆進過程參數(shù)與煤巖體物理力學(xué)特性具有較好的相關(guān)性，鉆進同種煤巖體所消耗能量的不同與其在不同地應(yīng)力條件下所表現(xiàn)的不同的物理力學(xué)特性有關(guān)，所受地應(yīng)力條件越大鉆進單位煤巖體所要消耗的能量就越大。在煤巖體鉆機上附加推進液壓傳感器、旋轉(zhuǎn)液壓傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、鉆桿位移傳感器及配套數(shù)據(jù)儲存及處理系統(tǒng)，實時獲得鉆進過程中推力、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和鉆進距離等鉆進參數(shù)，根據(jù)鉆進距離對時間進行求導(dǎo)獲得實時鉆進速率，結(jié)合施工鉆孔半徑及孔底面積推導(dǎo)獲得鉆進單位煤巖體所消耗的能量即鉆進比能，獲得鉆進比能與鉆進距離之間的對應(yīng)關(guān)系，從而推斷出煤巖巷道兩側(cè)地應(yīng)力集中及松動區(qū)范圍。
[0010]本發(fā)明利用還可以利用恒定推力和轉(zhuǎn)速恒定條件下的鉆進速率來表征煤巖體鉆進的難易程度，同種煤巖體鉆進的難易程度差別主要與其所受的地應(yīng)力條件有關(guān)，從而建立鉆進速率與地應(yīng)力之間的正相關(guān)性關(guān)系，進而對煤巖巷道地應(yīng)力集中及松動區(qū)范圍進行推算。
[0011]優(yōu)點:通過該種方法可以迅速有效推算出煤巖巷道兩側(cè)地應(yīng)力集及松動區(qū)范圍，一方面可以獲得煤巖巷道兩側(cè)地應(yīng)力分布狀態(tài)，提高巷道支護效率，節(jié)約巷道維護成本；另一方面對順(煤)層瓦斯卸壓抽采鉆孔有效封孔距離提供指導(dǎo)，提高瓦斯抽采有效性。
[0012]利用打鉆過程中鉆進參數(shù)反映煤系地層受地應(yīng)力狀態(tài)，實現(xiàn)煤巖巷道兩側(cè)松動區(qū)及應(yīng)力集中區(qū)范圍考察，提高煤巖巷道支護的針對性，節(jié)約支護成本，準確確定順(煤)層瓦斯抽