一种煤体强度分布特征连续探测方法及装置.pdf

一种煤体强度分布特征连续探测方法及装置，通过在钻头与钻杆之间连接一个实时探测钻头扭矩、钻压和钻进深度的测试短接原件，测试短接元件将检测到的钻头扭矩、钻压和时间信号实时记录存储，并转化为振动或电磁信号传输至信号接收器，最终由信号处理器分析得出“深度-扭矩”曲线和“深度-钻压”曲线，综合对比分析实时曲线和短接元件中存储的信息得出煤体强度分布特征。本发明突破了煤矿井下煤体强度测试复杂难度大、超前探测困难和测试结果难以符合预测要求的现状，利用钻孔信息，实现了钻进过程中煤体强度分布特征的连续探测，其方法简便，测试原理科学，结果准确，智能高效，先进实用，在矿井动力灾害预测预警技术领域内具有很好的应用前景。

1.  一种煤体强度分布特征连续探测方法，其特征在于包括以下步骤：
a．启动钻机（7）向煤层（3）施工钻孔（2）的同时，安设在钻头（4）与钻杆（5）间的测试短接元件（6）在钻进过程中开始工作；
b．钻头（4）在钻机（7）给进力的作用下不断冲击、剥落煤体（3），并发出冲击震动信号，冲击震动信号由钻头（4）向钻杆外露端方向（16）传播，冲击震动信号经过测试短接元件（6）时，由测试短接元件（6）检测到并做一次记录，记为时间信号t₁，冲击震动信号传播至钻杆（5）末端后发生反射，沿钻杆（5）向钻头方向（17）回传，再经过测试短接元件（6）时再次检测到并再做一次记录，记为时间信号t₂；
c．钻头（4）遇到不同强度的煤体（3）后，钻头（4）扭矩和钻压会发生相应的改变，通过测试短接元件（6）可实时检测和存储钻头扭矩和钻压信号，测试短接元件（6）同时将检测到的冲击震动的时间电信号t₁和t₂、扭矩信号和钻压信号转换为振动信号或将信息转换成电磁信号沿钻杆（5）传输至信号接收器（9）；
d．信号接收器（9）接收信号并通过导线（10）或无线的方式将信息传送给信号处理器（11），信号处理器（9）根据接收的时间电信号t₁和t₂得出冲击震动信号沿钻杆（5）完成一次传播与反射所需时间t=t₁-t₂，则可根据钻杆长度l=vt/2，计算出钻进深度h=l+a-b，得出不同钻进深度处“深度-扭矩-钻压”的对应信息，并通过显示屏（12）实时绘出“深度-扭矩”曲线（13）和“深度-钻压”曲线（14），由扭矩和钻压的变化分析得出不同深度处煤体强度的变化特征，实现在钻进过程中煤体强度分布特征的初探；式中：v为传播速度，a为钻头长度，b为钻杆外露段长度；
e．钻孔（2）施工完毕后退出钻头（4），取下测试短接元件（6），对短接元件（6）中记录和储存的时间、扭矩和钻压信息进行再分析，对比实时探测所得的“深度-扭矩”曲线（13）和“深度-钻压”曲线（14），综合分析得出不同深度处煤体强度分布特征，从而实现煤体强度分布特征的连续探测。

2.  根据权利要求2所述的煤体强度分布特征连续探测方法，其特征在于：所述向煤层（3）施工的钻孔（2）在近水平、缓倾斜煤层工作面向煤体前方至少施工3个钻孔。

3.  一种实现权利要求1所述方法的煤体强度分布特征连续探测装置，包括钻头（4）、钻杆（5）、钻机（7）、水便（8），其特征在于：在所述钻头（4）与钻杆（5）之间连接有一个测试短接元件（6），在所述钻杆（5）与水便（8）之间连接有一个信号接收器（9），信号接收器（9）经导线（10）连接有信号处理器（11）；所述的测试短接元件（6）直径与钻杆（5）相同，与钻头（4）和钻杆（5）以螺纹方式连接，测试短接元件（6）包括内置有可测量扭矩和钻压的应变式传感器以及可检测和记录冲击振动信号的微型振动传感器。

一种煤体强度分布特征连续探测方法及装置
技术领域
本发明涉及矿井动力灾害预测预警技术领域，尤其涉及一种煤体强度分布特征连续探测的方法及装置。
背景技术
近年来，随着采深的加大，煤矿井下地压不断升高，矿井瓦斯压力和含量也逐渐增加，许多矿井的升级为冲击地压矿井和煤与瓦斯突出矿井，动力灾害频发。冲击地压和突出等动力灾害的发生不仅受地应力的影响显著，而且与煤体的强度、软硬程度等自身的物理性质密切相关。煤体的强度性质及其变化影响着突出和冲击地压等动力灾害发生的可能性，是预测矿井动力灾害的重要参数之一，因此，探测出巷道不同距离和工作面前方不同位置处煤体的强度分布特征对矿井动力灾害的预测和预防意义重大。
现有的煤体强度的测试技术有很多，多为煤矿井下不同区域位置煤体强度的定点测试。实验室获取煤样测得的强度值与煤体实际强度值偏差较大；现场测试技术有碎屑法、回弹硬度、切削法、点载强度等方法，这些方法有的仅能探测出巷道某固定位置处煤体的单轴抗压强度，不能测得工作面前方煤体强度的变化，有的操作过于复杂，结果难以满足突出等动力灾害预测的要求。而在打钻过程中，受应力分布的影响，煤体强度值是不断发生变化的，在实施超前预测钻孔时实现对煤体强度的实时连续探测对矿井动力灾害的预测预警至关重要。现有的在煤矿井下打钻过程中进行煤体强度测试的技术和方法尚不成熟，王凯，俞启香提出利用钻削功率进行煤体强度的探测，钻削功率受各种因素影响较大，其对煤体强度的反映并不精确，并没有在井下得到广泛应用；朱丽媛，李忠华等提出了一种钻屑扭矩探测法，这种方法探测的是钻机输送至钻杆的扭矩，其对钻头处煤体强度的反映还有待进一步的验证。综合国内现状，在煤矿井下对打钻过程中对煤体强度的实时连续测试尚未成熟，在煤矿井下难有应用，亟须一种科学、准确的方法来进行煤体强度分布特征的连续探测，从而更好的服务于煤矿井下动力灾害的预测和预防。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术中的不足，提供一种操作简单、实时准确、高效智能的煤体强度分布特征连续探测的方法及装置。
为了实现上述目的，本发明的煤体强度分布特征连续探测方法，包括以下步骤：
a.启动钻机向煤层施工钻孔的同时，安设在钻头与钻杆间的测试短接元件在钻进过程中开始工作；
b.钻头在钻机给进力的作用下不断冲击、剥落煤体，并发出冲击震动信号，冲击震动信号由钻头向钻杆外露端方向传播，冲击震动信号经过测试短接元件时，由测试短接元件检测到并做一次记录，记为时间信号t₁，冲击震动信号传播至钻杆末端后发生反射，沿钻杆向钻头方向回传，再经过测试短接元件时再次检测到并再做一次记录，记为时间信号t₂；
c.钻头遇到不同强度的煤体后，钻头扭矩和钻压会发生相应的改变，通过测试短接元件可实时检测和存储钻头扭矩和钻压信号，测试短接元件同时将检测到的冲击震动的时间电信号t₁和t₂、扭矩信号和钻压信号转换为振动信号或将信息转换成电磁信号沿钻杆传输至信号接收器；
d.信号接收器接收信号并通过导线或无线的方式将信息传送给信号处理器，信号处理器根据接收的时间电信号t₁和t₂得出冲击震动信号沿钻杆完成一次传播与反射所需时间t＝t₁-t₂，则可根据钻杆长度l＝vt/2，计算出钻进深度h＝l+a-b，得出不同钻进深度处“深度-扭矩-钻压”的对应信息，并通过显示屏实时绘出“深度-扭矩”曲线和“深度-钻压”曲线，由扭矩和钻压的变化分析得出不同深度处煤体强度的变化特征，实现在钻进过程中煤体强度分布特征的初探；式中：v为传播速度，a为钻头长度，b为钻杆外露段长度；
e.钻孔施工完毕后退出钻头，取下测试短接元件，对短接元件中记录和储存的时间、扭矩和钻压信息进行再分析，对比实时探测所得的“深度-扭矩”曲线和“深度-钻压”曲线，综合分析得出不同深度处煤体强度分布特征，从而实现煤体强度分布特征的连续探测。
所述向煤层施工的钻孔在近水平、缓倾斜煤层工作面向煤体前方至少施工3个钻孔。
一种实现上述方法的煤体强度分布特征连续探测装置，包括钻头、钻杆、钻机、水便，在所述钻头与钻杆之间连接有一个测试短接元件，在所述钻杆与水便之间连接有一个信号接收器，信号接收器经导线连接有信号处理器；所述的测试短接元件直径与钻杆相同，与钻头和钻杆以螺纹方式连接，测试短接元件包括内置有可测量扭矩和钻压的应变式传感器以及可检测和记录冲击振动信号的微型振动传感器。
有益效果：由于钻头扭矩、钻压与钻头位置处煤体的强度值密切相关，钻头扭矩和钻压可较为准确的反映出钻头位置处煤体强度的大小，本发明利用打钻过程中钻头扭矩、钻压和其所在位置处煤体强度的相关关系，通过实时探测钻头扭矩、钻压和钻进深度值得出不同深度处煤体强度的变化特征，实现了煤体强度分布特征的连续探测，为矿井动力灾害的预防提供参考。本发明针对矿井动力灾害预测困难的现状，突破了原有煤矿井下煤体强度现场测试复杂难度大、超前探测困难和测试结果难以符合预测要求的现状，在经过理论分析和实验室实验分析论证后，利用钻头扭矩、钻压和钻头位置处煤体强度的相关关系，巧妙的在钻头与钻杆之间连接一个可以实时探测钻头扭矩、钻压和钻进深度的短接原件，通过在钻进过程中 对钻头扭矩、钻压和钻进深度的连续探测得出煤体强度的连续分布特征。测试原理科学，结果准确，创造性的实现了钻头扭矩、钻压和钻进深度的动态实时探测，充分利用了钻孔信息，高效智能，先进实用；在施工普通钻孔时对煤体强度进行探测，可实时了解巷道周围煤岩体强度的分布特征，为冲击地压的预测预防提供真实有效的煤体强度信息；在施工超前预测钻孔或消突钻孔时对煤体强度分布特征进行连续探测，可准确探测出工作面前方煤体强度的变化情况，为煤矿井下各种动力灾害的预测和预防提供了重要的参考信息。本发明可广泛应用于煤矿井下施工钻孔时对煤体强度的实时连续探测，可为煤矿日常生产提供重要信息，在矿井动力灾害预测预警技术领域具有很好的应用前景。
附图说明
图1(a)是本发明的煤体强度分布特征超前探测钻孔布置示意图；
图1(b)是图1(a)的A－A向示意图；
图2是本发明的钻孔深度实时探测原理的示意图；
图3是本发明的煤体强度分布特征连续探测装置结构示意图。
图中：1-掘进工作面，2-钻孔，3-煤体，4-钻头，5-钻杆，6-测试短接元件，7-钻机，8-水便，9-信号接收器，10-导线，11-信号处理器，12-显示屏，13-深度-扭矩曲线，14-深度-钻压曲线，15-振动或电磁信号传播方向，16-冲击震动信号传播方向，17-冲击震动信号回传方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
本发明的煤体强度分布特征连续探测装置，主要由钻头4、钻杆5、钻机7、水便8、测试短接元件6、信号接收器9和信号处理器11构成，在所述的钻头4与钻杆5之间连接一个测试短接元件6，在所述的钻杆5与水便8之间连接一个信号接收器9，信号接收器9经导线10连接有信号处理器11；所述的测试短接元件6直径与钻杆5相同，与钻头4和钻杆5以螺纹方式连接，测试短接元件6包括内置有可测量扭矩和钻压的应变式传感器以及可检测和记录冲击振动信号的微型振动传感器。
本发明的煤体强度分布特征连续探测方法，步骤如下：
a.启动钻机7向煤层3施工钻孔2的同时，安设在钻头4与钻杆5间的测试短接元件6在钻进过程中开始工作；所述向煤层3施工的钻孔2在近水平、缓倾斜煤层工作面向煤体前方至少施工3个钻孔；
b.钻头4在钻机7给进力的作用下不断冲击、剥落煤体3，并发出冲击震动信号，冲击震动信号由钻头4向钻杆外露端方向16传播，冲击震动信号经过测试短接元件6时，由测试短接元件6检测到并做一次记录，记为时间信号t₁，冲击震动信号传播至钻杆5末端后发生 反射，沿钻杆5向钻头方向17回传，再经过测试短接元件6时再次检测到并再做一次记录，记为时间信号t₂；
c.钻头4遇到不同强度的煤体3后，钻头4扭矩和钻压会发生相应的改变，通过测试短接元件6可实时检测和存储钻头扭矩和钻压信号，测试短接元件6同时将检测到的冲击震动的时间电信号t₁和t₂、扭矩信号和钻压信号转换为振动信号或将信息转换成电磁信号沿钻杆5传输至信号接收器9；
d.信号接收器9接收信号并通过导线10或无线的方式将信息传送给信号处理器11，信号处理器9根据接收的时间电信号t₁和t₂得出冲击震动信号沿钻杆5完成一次传播与反射所需时间t＝t₁-t₂，则可根据钻杆长度l＝vt/2，计算出钻进深度h＝l+a-b，得出不同钻进深度处“深度-扭矩-钻压”的对应信息，并通过显示屏12实时绘出“深度-扭矩”曲线13和“深度-钻压”曲线14，由扭矩和钻压的变化分析得出不同深度处煤体强度的变化特征，实现在钻进过程中煤体强度分布特征的初探；式中：v为传播速度，a为钻头长度，b为钻杆外露段长度；
e.钻孔2施工完毕后退出钻头4，取下测试短接元件6，对短接元件6中记录和储存的时间、扭矩和钻压信息进行再分析，对比实时探测所得的“深度-扭矩”曲线13和“深度-钻压”曲线14，综合分析得出不同深度处煤体强度分布特征，从而实现煤体强度分布特征的连续探测。
实施例1、针对某突出矿井的一近水平突出煤层，如图1（a）所示，在进行掘进工作面1突出预测时，在煤巷掘进工作面1前方施工超前预测钻孔2，按防突规定在近水平、缓倾斜煤层工作面应向煤体前方至少施工3个钻孔，钻孔直径为42mm、孔深H为8~10m，进行钻屑瓦斯解析指标和钻屑量的测试；钻孔2尽可能布置在煤体3的软分层中，一个钻孔如图1（a）中1#孔位于掘进巷道断面中部，并平行于掘进方向，其它2个钻孔如图1（a）中2#、3#孔，2#、3#孔的终孔点应位于巷道断面两侧轮廓线外2~4m处，记为垂直高度d。
启动钻机7，开始向煤层3施工超前预测的钻孔2，在钻进的过程中，分别对钻屑量和钻屑瓦斯解析指标进行测试；同时钻头4与钻杆5间的测试短接元件6在钻进过程中开始工作，通过测试短接元件6可探测钻进深度，如图2所示，随着钻头4不停的钻进，钻头4在钻机7进给进力的作用下不断冲击、剥落煤体3，发出冲击震动信号，冲击震动信号由钻头4向钻杆外露端方向16传播，经过测试短接元件6时，测试短接元件6可检测到这种冲击震动信号并做一次记录，记为时间信号t₁，冲击震动信号传播至钻杆5末端后发生反射，沿钻杆5向钻头方向17回传，经过测试短接元件6时再次被检测到，记为时间信号t₂，测试短接元件6定时自动记录存储两次检测的时间信号t₁和t₂，同时钻头4遇到不同强度的煤体3后钻头4扭矩和钻压会发生相应的改变，此短接元件6可实时检测和存储钻头扭矩、钻压信号，测试 短接元件同时将探测到的时间电信号t₁和t₂、扭矩信号和钻压信号转换为振动信号或将信息转换成电磁信号沿钻杆5传输至信号接收器9，振动或电磁信号的传播方向15，如图3所示；信号接收器9接收信号，并通过导线10将信息传送至信号处理器11，信号处理器9根据接收的时间电信号t₁和t₂得出冲击震动信号沿钻杆5完成一次传播与反射所需时间t＝t₁-t₂，由于已知传播速度v，则钻杆5长度l＝vt/2，又钻头4长度为a，钻杆5外露段长度为b，如图2所示，则可计算出钻进深度h＝l+a-b，得出不同钻进深度处“深度-扭矩-钻压”的对应信息，并在显示屏12上实时绘出“深度-扭矩”曲线13和“深度-钻压”曲线14，由扭矩和钻压的变化分析得出不同深度处煤体强度的变化特征，实现了在钻进过程中煤体强度分布特征的初探；钻孔2施工完毕后退出钻头4，取出测试短接元件6，对短接元件6中记录和储存的时间、扭矩和钻压信息进行再分析，对比实时探测所得的“深度-扭矩”曲线13和“深度-钻压”曲线14，综合分析得出掘进工作面1前方不同深度处煤体强度分布特征，即实现了煤体强度分布特征的连续探测。煤体强度、钻屑量和钻屑瓦斯解析三个指标可准确的反映出掘进工作面1前方煤体强度分布、应力分布以及瓦斯含量情况，对这三个指标进行综合对比分析考察，即可实现对该煤层3煤巷掘进工作面1突出危险性的科学预测。