王國瑋
(安徽理工大學礦業(yè)工程學院,安徽 淮南 232001)
目前,我國的火力發(fā)電仍占全國發(fā)電量的70%以上,每年的煤炭消耗量大概在20億噸。因而,在未來的很長一段時間,煤炭仍然在我國的能源消耗結構中扮演著舉足輕重的角色。隨著開采深度的不斷增加,地質結構更加復雜,頂板冒落等事故時有發(fā)生,對安全生產(chǎn)和巷道支護帶來了巨大的挑戰(zhàn),嚴重危害了礦工的生命安全。通過在潘集一、謝橋等礦區(qū),試點使用鉆孔窺視儀,對頂板煤層內部結構進行探明與研究,為后續(xù)的巷道支護提供強有力的基礎,應用效果很好。
鉆孔攝像經(jīng)歷了鉆孔照相,到鉆孔攝像,再到數(shù)字光學成像的過程。
本次研究所用設備為徐州惠頓礦業(yè)科技開發(fā)有限公司所生產(chǎn)的礦用鉆孔軌跡測量儀(型號YZG3.7D),主機配接設備為KJD3.7礦用本安型手持終端,如圖1所示。
圖1 鉆孔窺視儀實物圖
鉆孔窺視儀是一種便攜式防爆檢測儀器,用于觀測小口徑工程孔的內部條件。當探頭送入孔眼時,儀器屏幕上可以看到孔壁的狀態(tài)圖像。由于透鏡具有放大和紅外靈敏度的功能,可以清晰地反映孔壁的巖性變化,對于煤巖界面和巖層裂隙,易于識別。
鉆孔窺視儀的工作原理就是:利用 CCD 探頭,把光線轉變成電子信號;通過電纜,將信號輸送到圖像接收器上,進而觀察、記錄、存儲鉆孔內巖體結構圖像。工作原理如圖2、圖3所示。該機主要用于探測煤礦井下錨桿孔、瓦斯抽放孔、頂板孔、放水孔、地質孔及其它鉆孔的數(shù)據(jù),然后進行分析研究、信息管理、存檔等。設備為煤礦專用測試設備,符合煤礦安全使用要求[1]。
圖2 設備原理圖
圖3 探頭結構圖
使用前,把探頭擦拭干凈,然后把連接上撐桿的探頭深入先前打好的鉆孔中;連接好探頭和接受儀,另一邊打開顯示儀并點開“錄像”功能;然后一邊轉動撐桿,一邊插入撐桿。這樣就可以觀察巖層內部的巖石破碎狀態(tài),并且通過實時拍照,真實反映巖石的內部結構狀態(tài)。此外,通過連接探頭的電線(盤繞在轉盤上),可以準確判斷出探頭深入的深度。深入的深度數(shù)值可以實時顯示在顯示屏中,為后面的研究提供最精確的信息。
110801工作面為8煤首采工作面,該面膠帶機順槽自北翼膠帶機大巷T60點北 79.2 m(平距)以259.5施工 1980 m 至110801工作面切眼。巷道東接北翼膠帶機大巷,西至110801工作面切眼,其余均為未開拓區(qū)域,對應地表主要為溝渠、農(nóng)田。總共在煤軌膠回聯(lián)巷取點4個。4個孔是為了取巖芯,通過剪切、抗拉、抗壓實驗,獲取圍巖的單軸抗拉、抗壓強度,彈性模量,泊松比,內摩擦角,黏聚力等物理性質,為主采煤層巷道圍巖地質力學評估、錨桿支護設計、開采設計等提供基礎參數(shù)。在取芯完成后,在鉆孔窺視前一天用水沖洗鉆孔,防止鉆孔堵塞,影響窺視結果[2]。這里取二號鉆孔研究,如圖4、表1。
圖4 2#鉆孔剖面圖
表1 8煤軌膠回聯(lián)巷鉆孔施工參數(shù)設計
鉆孔窺深為 9 m。觀測過程中,巷道圍巖淺部圍巖裂隙發(fā)育較為破碎,在距巷道1.566m處首次出現(xiàn)環(huán)向裂隙,裂隙縱向發(fā)育,延伸約 70 mm。在 2.674 m 處出現(xiàn)環(huán)向裂隙,并向巖石深處進一步發(fā)展。在4.362處出現(xiàn)環(huán)向及縱向裂隙,裂隙由環(huán)向裂隙向巷道外延伸。在距巷道 4.569 m 處產(chǎn)生縱向裂隙。在 6.752 m 處出現(xiàn)縱向裂隙帶,孔壁破碎。在8.551 m 處出現(xiàn)環(huán)向裂隙,在 8.798 m 處出現(xiàn)鉆孔錯孔,孔壁破碎。因此,8煤頂板出現(xiàn)明顯離層破壞,范圍大概在 8.7 m 附近。詳見圖5~圖9。
圖5 1.556 m—環(huán)向裂隙(首次出現(xiàn))
圖6 2.674 m—環(huán)向裂隙,裂隙向巖石深處進一步發(fā)展
圖7 4.362 m—環(huán)向及縱向裂隙帶、孔壁破碎
圖8 6.752 m—縱向裂隙帶、孔壁破碎
圖9 8.798 m—環(huán)向裂隙,孔壁破碎
通過礦井下的實踐證明,鉆孔窺視儀在探測巖層內部結構方面有著顯著作用,但是在使用過程中仍然存在一些問題,需要后續(xù)進一步的提高與完善。具體建議如下:1)儀器本身可以進一步減輕質量。礦井下的工作環(huán)境跟地面差距很大,儀器質量進一步減輕,會大大提高工作的時效性,更便于攜帶。2)精度需要進一步提高。在本次觀測過程中,由于孔內還有水滴,隨著探頭的深入,不斷地有水霧和煤灰附著在鏡頭上,極大地影響了觀測的效果,因而探頭的鏡片需要能夠防水、不沾灰。3)撐桿是否可以放棄。在觀測過程中,由于鏡頭偏重,而撐桿為了便于深入鉆孔中也無法太重太大,只能使用輕質撐桿,但是隨著深度不斷加深,撐桿根數(shù)也會增加,導致“頭重腳輕”,撐桿都被壓彎了,深入時鏡頭會抖動,無法保證觀測的穩(wěn)定性。因而需要改善撐桿的材料,或者舍棄撐桿,選用更高科技。4)需要和其他儀器或者觀測方法結合起來。單一使用鉆孔窺視儀得到的圖像具有一定的局限性,無法對巖層結構做出精確判別。所以需要與地質雷達、聲波測試、光纖技術等聯(lián)合使用,提高實驗的精確度[3]。
1)實踐證明,使用礦用鉆孔窺視儀探測巖層內部結構,是一種可靠、牢固的手段,它可以為后續(xù)的治理巖層破碎帶和巷道支護提供有利的理論依據(jù)。
2)雖然鉆孔窺視儀得到了廣泛的應用,但是其機器本身仍然存在著許多問題,因此需要進一步改進技術工藝、提高科技水平,使得鉆孔窺視儀能夠更加適用于礦井。