一種穿層鉆孔變形檢測裝置和方法

岳景龍,張益民,程會營

(1.平頂山天安煤業股份有限公司, 河南 平頂山 467000;2.河南理工大學, 河南 焦作 454000)

隨著煤炭開采深度的增加,煤層中的瓦斯壓力和瓦斯含量增大,地質構造條件更加復雜,煤與瓦斯突出災害日趨嚴重,對礦井安全生產和礦工生命安全構成了重大威脅。在煤層底板巷施工穿層鉆孔預抽瓦斯的方法在防治煤與瓦斯突出方面具有較大的可靠性和安全優勢。但底板巷穿層抽采鉆孔易受巷道圍巖動態變形的影響,密封受到破壞,封孔質量降低,形成漏氣通道,致使煤層瓦斯得不到有效抽放或抽出的瓦斯濃度過低,達不到瓦斯利用要求[1-2]. 研究巷道圍巖動態變形規律,采取針對性措施,提高抽采鉆孔的密封性能,進而提高瓦斯抽采效果,為煤礦安全高效生產提供技術支持就十分必要。目前,檢測圍巖松動圈變形規律的方法主要有聲波法、地質雷達法、鉆孔成像法等[3-5],這些方法雖然有著較高的可靠度,但是使用時受場地限制較大,且測量成本較高,操作復雜。為此,結合現場實際,研制了一種四連桿機械結構式穿層鉆孔變形檢測裝置,以高效、方便、準確檢測抽采鉆孔受圍巖松動圈影響而產生的變形情況。

1 圍巖變形對鉆孔的影響分析

隨著埋深的增加,巖體承受的地應力相應增大。煤層底抽巷道開挖后,巷道周圍的巖石受力狀態發生了改變,圍巖產生了徑向應力減小與切向應力增大的應力重新分布情況[6],在一定范圍內產生應力集中,當巖體所受應力超過本身強度時,圍巖會發生卸壓變形破壞,應力得到釋放產生裂隙,從而形成環繞巷道截面的破碎帶,該破碎帶稱為松動圈。松動圈的大小與掘進方式、巷道斷面形狀、尺寸、圍巖強度、支護參數、支護方式等有關系[7]. 另一方面,抽采鉆孔的施工,破壞了鉆孔周圍巖石的力學平衡狀態,也會導致鉆孔產生新的變形,甚至破裂、破碎。受上述影響,穿過圍巖的鉆孔受松動圈的影響,會產生各種變形[8],見圖1. 圖1(a)塌孔是指鉆孔周圍巖石受力過大,產生破碎從孔壁掉塊,引起孔徑增大的現象;圖1(b)縮徑是鉆孔周圍巖石受力產生塑性變形,引起孔徑變小的現象;圖1(c)彎曲和圖1(d)剪切是由于相鄰巖層受力后沿層面間滑移錯動,使處于不同層位的鉆孔孔壁發生錯開的現象,彎曲是多層巖層小距離錯開,剪切是相鄰巖層大距離錯開;圖1(e)拉伸是相鄰巖層受沿鉆孔軸線的拉伸后,巖層沿鉆孔軸線錯開的現象。

圖1 鉆孔變形簡圖

對于孔徑擴大的塌孔和孔徑不變的拉伸變形,從孔口向變形位置觀看,為一等直徑圓,見圖2(a).對于縮徑型變形,從孔口向孔內看某位置截面處的形狀,是一直徑較小的同心圓,見圖2(b). 對于彎曲和剪切型變形,從孔口向孔內看某位置截面處的形狀,是半月形的巖石臺階,見圖2(c). 只要準確測量某位置變形后鉆孔直徑d2(或兩壁之間的距離),與鉆孔原始直徑d1作對比,即可檢測出鉆孔孔壁在該位置的變形情況,連續測量鉆孔不同位置的孔徑,從而推斷出圍巖松動圈對抽采鉆孔的影響規律。

圖2 變形鉆孔孔壁截面

2 檢測裝置的結構與原理

測量瓦斯抽采鉆孔某位置截面孔徑的檢測裝置結構見圖3,包括前端測量部件、中間連接管件、尾部手持式數據顯示部件。

1—前端測量部件;2—外部連接管;3—數據顯示部件;11—探測桿件;12—長連桿;13—銷軸;14—短連桿;15—連接叉頭;16—復位彈簧;17—內部連接桿;30—尾部連接管;31—標尺;32—活動手柄;33—固定手柄;34—壓緊螺母;35—活動軸件;36—尾部連接桿

前端測量部件由探測桿件、長連桿、銷軸、短連桿、連接叉頭、復位彈簧、內部連接桿等零件組成。探測桿件上有滑槽,長連桿的端部用銷軸固定在滑槽內,長連桿與3根短連桿組成四連桿機構,在前端連接管的端部,用固定銷軸固定。四連桿機構的另一端隱藏在前端連接管內部的連接叉頭上,連接叉頭與內部連接桿連接成一體,可以沿前端連接管的軸線前后移動。當四連桿機構折疊時,其寬度變小,其后端就帶動連接叉頭和內部的連接桿沿軸線向后移動;反之,當四連桿機構張開時,寬度變大,其后端沿軸線向前移動。當四連桿機構折疊時,叉頭向后移動,復位彈簧受到壓縮,給四連桿機構一個推力,保證四連桿機構的探測桿緊密地貼在鉆孔孔壁上。

中間連接管件由外部連接管、內部連接桿組成。起到連接前端測量部件和尾部手持式數據顯示部件及傳遞位移的作用,由若干件組成,根據孔深不同,串聯使用。

尾部手持式數據顯示部件由尾部連接管、標尺、活動手柄、固定手柄、壓緊螺母、活動軸件、尾部連接桿等零部件組成。尾部連接桿與中間連接桿連接成一體,尾部連接桿被壓緊螺母固定在活動軸件上,活動軸件可以在尾部連接管內沿軸向移動。當四連桿機構折疊或張開時,活動手柄、活動軸件與內部桿件沿連接管軸線同時移動,活動手柄位于標尺下方,活動手柄處于不同位置時,對應標尺上的數據就反映了被測量部位的孔徑大小。

3 現場應用

為驗證四連桿式鉆孔變形檢測裝置的使用效果,在平寶煤業股份有限公司首山一礦進行了穿層鉆孔變形檢測對比試驗。在己15-17-12110中間底抽巷施工過程中,先在巷道頂板施工一個直徑94 mm穿層試驗鉆孔,孔深8 m,利用該裝置測量鉆孔內0～6 m每隔1 m位置的孔徑,間隔15 d后再次測量,持續觀察60 d,再利用巖層鉆孔探測儀探頭的錄像功能觀測試驗鉆孔的孔徑變形狀態,將檢測結果與鉆孔實際圖像進行對比。

測量時先進行裝置校準。拉動活動手柄,使四連桿機構折疊,寬度縮小伸進鉆孔孔口,移動標尺進行調整,使觀測手柄前端邊緣對應的標尺上的數據與孔徑大小一致。然后連接標準長度為1 m的中間連接管件,把前端四連桿機構折疊后伸進孔內1 m處,保證前端測量部位的連桿與孔壁緊密接觸,讀取標尺顯示的數據,轉動手柄,使連桿機構旋轉90°,讀取標尺顯示的數據,比較2個數據,選取與原始孔徑差值較大的數據為1 m處鉆孔直徑數值并記錄,完成第一個位置的測量。依次加長中間連接桿件,分別記錄1～6 m位置的孔徑數據。對測試數據進行整理分析,見圖4.

圖4 試驗鉆孔不同深度孔徑變化

由圖4看到,從孔口到孔深3 m之間孔徑有明顯變化,孔深超過3 m后孔徑穩定的現象。在孔深3 m之內,孔徑呈現了先縮小,后變大的現象,孔徑的變化量與成孔時間有緊密聯系。由數據可知,鉆孔孔壁受到圍巖擠壓,發生塑性變形,孔徑變小;隨著時間延續,擠壓力超過巖石強度,孔壁巖石破碎,碎塊從孔壁掉落,孔徑增大。

試驗鉆孔完工60 d,利用巖層鉆孔探測儀探頭的錄像功能觀測試驗鉆孔測量位置的圖像,見圖5. 從窺視圖像看到,在靠近孔口的孔壁產生了巖石破碎掉落現象,孔深超過3 m后,鉆孔孔壁完整無破損。

圖5 試驗鉆孔60 d孔內表面狀態

根據上述試驗檢測數據得出,在首山一礦己15-17-12110中間底抽巷,頂板巖石松動圈對鉆孔的影響在0～3 m處,鉆孔變形情況主要為擠壓變形。該區域的抽采鉆孔采用兩堵一注封孔時,外囊袋要距孔口3 m以上,以減小密封段受松動圈影響產生裂隙,造成密封失效。

4 結 語

四連桿式穿層鉆孔孔徑變形檢測裝置能對穿層鉆孔孔徑變形狀況進行快速、準確地測量,掌握圍巖松動圈對鉆孔孔徑變化的影響規律,有針對性地采取適當的封孔方式和工藝參數,提高穿層抽采鉆孔封孔質量,進而提高瓦斯抽采效果。