基于鉆進(jìn)聲壓響應(yīng)特征巷道頂板巖層界面識(shí)別的研究

陳永光，汪占領(lǐng)，于 水，郭罡業(yè)，張紅衛(wèi)，周曉輝

(1.陜西煤業(yè)股份有限公司，陜西 西安 710065；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；4.陜西彬長礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽 710065；5.陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司，陜西 銅川 727000)

0 引 言

巖層探測是煤礦安全高效開采的基礎(chǔ)。根據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局和相關(guān)文獻(xiàn)資料統(tǒng)計(jì),我國巷道頂板事故長期占據(jù)各類事故之首[1-2]，其主要原因之一為巷道頂板巖層不能快速探測導(dǎo)致支護(hù)不合理。傳統(tǒng)的巖層探測方法為巖石取芯，該方法成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、速度慢，且對于軟弱夾層和遇水易融化巖層難以得到巖樣[3]。另外，鉆孔成像法也被廣泛應(yīng)用于巷道頂板巖層探測[4]，但該方法主要靠人眼識(shí)別巖層特征，受主觀因素影響較大，且成像質(zhì)量嚴(yán)重受井下環(huán)境影響。 針對上述問題，隨鉆探測成為目前研究的熱點(diǎn)，即根據(jù)錨桿鉆機(jī)在不同巖層中鉆進(jìn)時(shí)隨鉆參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征實(shí)時(shí)判別所鉆巖層特征。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對隨鉆探測做了大量的研究。例如，馬念杰等[5]、郭書英等[6]研制了頂板巖層探測儀，即在錨桿鉆機(jī)上安裝一個(gè)位移傳感器，實(shí)時(shí)記錄頂板巖層鉆進(jìn)過程中鉆進(jìn)速度和位移的關(guān)系。也分析了在破碎圍巖中鉆進(jìn)時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)特征。譚卓英等[7]以鉆進(jìn)比功為指標(biāo)，建立了聚類判別準(zhǔn)則對地層實(shí)時(shí)識(shí)別。劉少偉等[8-9]采用數(shù)值模擬方法分析了鉆進(jìn)過程中的能量響應(yīng)特征，分析了不同巖層鉆進(jìn)時(shí)的鉆速響應(yīng)特征，以此來識(shí)別巖層分界面。王琦等[10]在實(shí)驗(yàn)室鉆進(jìn)不同強(qiáng)度試件，采集了鉆進(jìn)過程中的鉆速、轉(zhuǎn)速、扭矩、推力等隨鉆參數(shù)，建立了巖石單軸抗壓強(qiáng)度預(yù)測模型。

綜上所述，鉆進(jìn)聲壓響應(yīng)特征研究相對較少。本文通過配比不同強(qiáng)度混凝土試件，分析不同強(qiáng)度試件鉆進(jìn)時(shí)的聲壓響應(yīng)特征，并在井下進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，分析聲壓在煤巖界面識(shí)別方面存在不足，為后續(xù)研究提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料、方案及結(jié)果分析

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

為研究不同巖石鉆進(jìn)過程中聲壓變化特征，用P·C425水泥、黃土、細(xì)沙和水按不同比例配置三種強(qiáng)度的混凝土試件。根據(jù)國際巖石力學(xué)測試標(biāo)準(zhǔn)對相應(yīng)試件的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試[12]。用于鉆進(jìn)的試件尺寸為200 mm×200 mm×200 mm的立方體。試件各材料配比及強(qiáng)度詳見表1。

用1號混凝土、2號混凝土和3號混凝土分別代表中硬巖層、軟弱巖層和堅(jiān)硬巖層。將3個(gè)試件在相同條件下養(yǎng)護(hù)30 d后用于鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)所用鉆頭為直徑30 mm的兩翼型PDC鉆頭，B19型六棱柱鉆桿和氣動(dòng)式錨桿鉆機(jī)。聲壓記錄儀距離混凝土試件約30 cm。聲壓記錄儀的采集頻率為1 Hz，精度為0.1 dBA，采集的數(shù)據(jù)通過電纜線傳輸至電腦。

表1 各混凝土試件材料配比及單軸抗壓強(qiáng)度

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同混凝土試件鉆進(jìn)時(shí)的聲壓響應(yīng)特征曲線如圖1所示。剛開始鉆進(jìn)時(shí)鉆頭不能快速鉆入試件，鉆進(jìn)不穩(wěn)定，聲壓較低。當(dāng)鉆頭完全侵入試件后，鉆進(jìn)聲壓基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，聲壓曲線可以被分為初始狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 不同試件鉆進(jìn)時(shí)聲壓響應(yīng)特征

將鉆進(jìn)穩(wěn)定階段聲壓進(jìn)行均值處理后發(fā)現(xiàn)，1號混凝土試件的聲壓為127.24 dBA，2號混凝土試件的聲壓為127.04 dBA，3號混凝土試件的聲壓為127.79 dBA。圖2為聲壓與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。聲壓與單軸抗壓強(qiáng)度具有明顯的線性關(guān)系，即當(dāng)混凝土試件強(qiáng)度較大時(shí)鉆進(jìn)聲壓也隨之增大。這對煤礦井下基于鉆進(jìn)聲壓巷道頂板巖性識(shí)別具有重要意義。

圖2 聲壓與單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及方案

試驗(yàn)地點(diǎn)為某礦504回風(fēng)平巷。該煤層屬于近水平煤層，煤層平均傾角約2.5°，煤層厚度約16 m。設(shè)計(jì)掘進(jìn)巷道留頂板厚度約10 m，但在掘進(jìn)過程中遇到斷層影響，頂板煤巖厚度發(fā)生了變化。采用氣動(dòng)式錨桿鉆機(jī)、B19型六棱柱鉆桿和30 mm直徑的兩翼型PDC鉆頭垂直巷道頂板進(jìn)行鉆孔?；阢@進(jìn)聲壓進(jìn)行頂板煤巖界面識(shí)別。

首先，確定試驗(yàn)地點(diǎn)，連接錨桿鉆機(jī)風(fēng)管。然后，將聲壓記錄儀連接至電腦端。要求鉆進(jìn)過程中不要隨意擺動(dòng)鉆機(jī)，控制進(jìn)氣閥穩(wěn)定供氣，鉆進(jìn)深度為5 m。每根鉆桿長度為1 m，總計(jì)鉆進(jìn)5根鉆桿。鉆進(jìn)結(jié)束后對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析確定煤巖界面位置。最后，通過鉆孔窺視確定煤巖界面，以此分析上述方法對煤巖界面識(shí)別的準(zhǔn)確性。

2.2 煤巖界面確定方法

假設(shè)在試驗(yàn)中鉆頭穿過煤巖界面，則根據(jù)5根鉆桿的鉆進(jìn)時(shí)間可以將其分為3類。第一類為在煤層中鉆進(jìn)，第二類為在巖層中鉆進(jìn)，第三類為從煤層中鉆進(jìn)到巖層中。因此，可以得到在煤層中每根鉆桿所用時(shí)間平均為t煤，在巖層中每根鉆桿所用時(shí)間為t巖。根據(jù)鉆進(jìn)聲壓大小可以確定第三類鉆桿的起始時(shí)刻、鉆頭穿過煤巖界面時(shí)刻和結(jié)束鉆進(jìn)時(shí)刻分別為t0、t1和t2。 根據(jù)式(1)～式(3)可以確定t1時(shí)刻所對應(yīng)的鉆頭位置(煤巖界面位置)。

(1)

(2)

(3)

式中：h為煤巖界面位置，m；n為鉆頭穿過煤巖界面前所用的鉆桿數(shù)，根；l為鉆桿長度，取1 m。

為準(zhǔn)確定位t0時(shí)刻，將第三類鉆桿鉆進(jìn)過程采集的聲壓和相對應(yīng)的時(shí)刻輸入MATLAB軟件中，通過K-means聚類法來將其分類來確定t0。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采集到的聲壓分布曲線如圖3所示。圖3中1、2、3、4、5分別表示第1根鉆桿、第2根鉆桿、第3根鉆桿、第4根鉆桿、第5根鉆桿鉆進(jìn)時(shí)對應(yīng)的聲壓大小。從圖3中可以看出，前3根鉆桿鉆進(jìn)所用時(shí)間基本相等(分別為30 s、31 s和29 s)。第5根鉆桿所用時(shí)間最長(120 s)，第4根鉆桿所用時(shí)間介于前兩者中間。從鉆桿所用時(shí)間和鉆進(jìn)聲壓大小確定前3根鉆桿為第一類鉆桿，第5根鉆桿為第二類鉆桿，第4根鉆桿為第三類鉆桿。

圖3 聲壓分布曲線

圖4 鉆孔成像展開圖

從數(shù)據(jù)可知t煤=30 s，t巖=120 s，t0=183 s，t2=242 s。以第4根鉆桿鉆進(jìn)過程中的聲壓和相對應(yīng)的時(shí)間為指標(biāo)進(jìn)行K-means聚類。 結(jié)果得出t1=211 s，根據(jù)式(1)～式(3)可確定煤巖界面在h=3.83 m。鉆孔窺視圖如圖4所示，從圖4中可以看出煤巖界面為3.68 m處。

由此可以看出，煤巖界面識(shí)別結(jié)果與地質(zhì)資料顯示相差15 cm，這可能是由于以下原因造成：①錨桿鉆機(jī)操作工和鉆機(jī)性能穩(wěn)定性影響了聲壓大??；②現(xiàn)場存在一些噪聲影響鉆進(jìn)聲壓大??；③鉆進(jìn)過程中鉆速存在波動(dòng)，而該方法假定同種強(qiáng)度巖層中鉆速為定值；④該煤巖聲壓變化較小，而聲壓本身波動(dòng)性較大，這使得K-means聚類法確定t1時(shí)有一定誤差。

3 結(jié) 論

1) 通過配比不同強(qiáng)度混凝土試件，采用聲壓記錄儀采集了各試件鉆進(jìn)過程中的聲壓。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)聲壓與混凝土試件強(qiáng)度具有相關(guān)性，即隨著鉆進(jìn)試件強(qiáng)度的增大聲壓也增大。這為巷道頂板巖層界面識(shí)別和各巖層強(qiáng)度預(yù)測提供了借鑒。

2) 在煤礦井下進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)基于單一聲壓指標(biāo)煤巖界面識(shí)別誤差達(dá)15 cm，造成誤差的主要原因可能是噪聲干擾、鉆進(jìn)狀態(tài)不穩(wěn)定，這為后續(xù)進(jìn)一步研究提供了參考。

3) 基于隨鉆參數(shù)巷道頂板巖性快速識(shí)別是巷道頂板巖層探測方法的主要發(fā)展趨勢，是智能化礦井建設(shè)的重要組成部分。將鉆速和聲壓相結(jié)合來快速識(shí)別巖層特征將是下一步的主要研究方向。