岳景龍,張益民,程會(huì)營(yíng)

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

隨著煤炭開(kāi)采深度的增加,煤層中的瓦斯壓力和瓦斯含量增大,地質(zhì)構(gòu)造條件更加復(fù)雜,煤與瓦斯突出災(zāi)害日趨嚴(yán)重,對(duì)礦井安全生產(chǎn)和礦工生命安全構(gòu)成了重大威脅。在煤層底板巷施工穿層鉆孔預(yù)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(yōu)勢(shì)。但底板巷穿層抽采鉆孔易受巷道圍巖動(dòng)態(tài)變形的影響,密封受到破壞,封孔質(zhì)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?jié)舛冗^(guò)低,達(dá)不到瓦斯利用要求[1-2]. 研究巷道圍巖動(dòng)態(tài)變形規(guī)律,采取針對(duì)性措施,提高抽采鉆孔的密封性能,進(jìn)而提高瓦斯抽采效果,為煤礦安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)支持就十分必要。目前,檢測(cè)圍巖松動(dòng)圈變形規(guī)律的方法主要有聲波法、地質(zhì)雷達(dá)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(shí)受場(chǎng)地限制較大,且測(cè)量成本較高,操作復(fù)雜。為此,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,研制了一種四連桿機(jī)械結(jié)構(gòu)式穿層鉆孔變形檢測(cè)裝置,以高效、方便、準(zhǔn)確檢測(cè)抽采鉆孔受?chē)鷰r松動(dòng)圈影響而產(chǎn)生的變形情況。

1 圍巖變形對(duì)鉆孔的影響分析

隨著埋深的增加,巖體承受的地應(yīng)力相應(yīng)增大。煤層底抽巷道開(kāi)挖后,巷道周?chē)膸r石受力狀態(tài)發(fā)生了改變,圍巖產(chǎn)生了徑向應(yīng)力減小與切向應(yīng)力增大的應(yīng)力重新分布情況[6],在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中,當(dāng)巖體所受應(yīng)力超過(guò)本身強(qiáng)度時(shí),圍巖會(huì)發(fā)生卸壓變形破壞,應(yīng)力得到釋放產(chǎn)生裂隙,從而形成環(huán)繞巷道截面的破碎帶,該破碎帶稱為松動(dòng)圈。松動(dòng)圈的大小與掘進(jìn)方式、巷道斷面形狀、尺寸、圍巖強(qiáng)度、支護(hù)參數(shù)、支護(hù)方式等有關(guān)系[7]. 另一方面,抽采鉆孔的施工,破壞了鉆孔周?chē)鷰r石的力學(xué)平衡狀態(tài),也會(huì)導(dǎo)致鉆孔產(chǎn)生新的變形,甚至破裂、破碎。受上述影響,穿過(guò)圍巖的鉆孔受松動(dòng)圈的影響,會(huì)產(chǎn)生各種變形[8],見(jiàn)圖1. 圖1(a)塌孔是指鉆孔周?chē)鷰r石受力過(guò)大,產(chǎn)生破碎從孔壁掉塊,引起孔徑增大的現(xiàn)象;圖1(b)縮徑是鉆孔周?chē)鷰r石受力產(chǎn)生塑性變形,引起孔徑變小的現(xiàn)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(cuò)動(dòng),使處于不同層位的鉆孔孔壁發(fā)生錯(cuò)開(kāi)的現(xiàn)象,彎曲是多層巖層小距離錯(cuò)開(kāi),剪切是相鄰巖層大距離錯(cuò)開(kāi);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(cuò)開(kāi)的現(xiàn)象。

圖1 鉆孔變形簡(jiǎn)圖

對(duì)于孔徑擴(kuò)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(jiàn)圖2(a).對(duì)于縮徑型變形,從孔口向孔內(nèi)看某位置截面處的形狀,是一直徑較小的同心圓,見(jiàn)圖2(b). 對(duì)于彎曲和剪切型變形,從孔口向孔內(nèi)看某位置截面處的形狀,是半月形的巖石臺(tái)階,見(jiàn)圖2(c). 只要準(zhǔn)確測(cè)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(duì)比,即可檢測(cè)出鉆孔孔壁在該位置的變形情況,連續(xù)測(cè)量鉆孔不同位置的孔徑,從而推斷出圍巖松動(dòng)圈對(duì)抽采鉆孔的影響規(guī)律。

圖2 變形鉆孔孔壁截面

2 檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)與原理

測(cè)量瓦斯抽采鉆孔某位置截面孔徑的檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3,包括前端測(cè)量部件、中間連接管件、尾部手持式數(shù)據(jù)顯示部件。

1—前端測(cè)量部件;2—外部連接管;3—數(shù)據(jù)顯示部件;11—探測(cè)桿件;12—長(zhǎng)連桿;13—銷(xiāo)軸;14—短連桿;15—連接叉頭;16—復(fù)位彈簧;17—內(nèi)部連接桿;30—尾部連接管;31—標(biāo)尺;32—活動(dòng)手柄;33—固定手柄;34—壓緊螺母;35—活動(dòng)軸件;36—尾部連接桿

前端測(cè)量部件由探測(cè)桿件、長(zhǎng)連桿、銷(xiāo)軸、短連桿、連接叉頭、復(fù)位彈簧、內(nèi)部連接桿等零件組成。探測(cè)桿件上有滑槽,長(zhǎng)連桿的端部用銷(xiāo)軸固定在滑槽內(nèi),長(zhǎng)連桿與3根短連桿組成四連桿機(jī)構(gòu),在前端連接管的端部,用固定銷(xiāo)軸固定。四連桿機(jī)構(gòu)的另一端隱藏在前端連接管內(nèi)部的連接叉頭上,連接叉頭與內(nèi)部連接桿連接成一體,可以沿前端連接管的軸線前后移動(dòng)。當(dāng)四連桿機(jī)構(gòu)折疊時(shí),其寬度變小,其后端就帶動(dòng)連接叉頭和內(nèi)部的連接桿沿軸線向后移動(dòng);反之,當(dāng)四連桿機(jī)構(gòu)張開(kāi)時(shí),寬度變大,其后端沿軸線向前移動(dòng)。當(dāng)四連桿機(jī)構(gòu)折疊時(shí),叉頭向后移動(dòng),復(fù)位彈簧受到壓縮,給四連桿機(jī)構(gòu)一個(gè)推力,保證四連桿機(jī)構(gòu)的探測(cè)桿緊密地貼在鉆孔孔壁上。

中間連接管件由外部連接管、內(nèi)部連接桿組成。起到連接前端測(cè)量部件和尾部手持式數(shù)據(jù)顯示部件及傳遞位移的作用,由若干件組成,根據(jù)孔深不同,串聯(lián)使用。

尾部手持式數(shù)據(jù)顯示部件由尾部連接管、標(biāo)尺、活動(dòng)手柄、固定手柄、壓緊螺母、活動(dòng)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(dòng)軸件上,活動(dòng)軸件可以在尾部連接管內(nèi)沿軸向移動(dòng)。當(dāng)四連桿機(jī)構(gòu)折疊或張開(kāi)時(shí),活動(dòng)手柄、活動(dòng)軸件與內(nèi)部桿件沿連接管軸線同時(shí)移動(dòng),活動(dòng)手柄位于標(biāo)尺下方,活動(dòng)手柄處于不同位置時(shí),對(duì)應(yīng)標(biāo)尺上的數(shù)據(jù)就反映了被測(cè)量部位的孔徑大小。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為驗(yàn)證四連桿式鉆孔變形檢測(cè)裝置的使用效果,在平寶煤業(yè)股份有限公司首山一礦進(jìn)行了穿層鉆孔變形檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)。在己15-17-12110中間底抽巷施工過(guò)程中,先在巷道頂板施工一個(gè)直徑94 mm穿層試驗(yàn)鉆孔,孔深8 m,利用該裝置測(cè)量鉆孔內(nèi)0～6 m每隔1 m位置的孔徑,間隔15 d后再次測(cè)量,持續(xù)觀察60 d,再利用巖層鉆孔探測(cè)儀探頭的錄像功能觀測(cè)試驗(yàn)鉆孔的孔徑變形狀態(tài),將檢測(cè)結(jié)果與鉆孔實(shí)際圖像進(jìn)行對(duì)比。

測(cè)量時(shí)先進(jìn)行裝置校準(zhǔn)。拉動(dòng)活動(dòng)手柄,使四連桿機(jī)構(gòu)折疊,寬度縮小伸進(jìn)鉆孔孔口,移動(dòng)標(biāo)尺進(jìn)行調(diào)整,使觀測(cè)手柄前端邊緣對(duì)應(yīng)的標(biāo)尺上的數(shù)據(jù)與孔徑大小一致。然后連接標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為1 m的中間連接管件,把前端四連桿機(jī)構(gòu)折疊后伸進(jìn)孔內(nèi)1 m處,保證前端測(cè)量部位的連桿與孔壁緊密接觸,讀取標(biāo)尺顯示的數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)動(dòng)手柄,使連桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)90°,讀取標(biāo)尺顯示的數(shù)據(jù),比較2個(gè)數(shù)據(jù),選取與原始孔徑差值較大的數(shù)據(jù)為1 m處鉆孔直徑數(shù)值并記錄,完成第一個(gè)位置的測(cè)量。依次加長(zhǎng)中間連接桿件,分別記錄1～6 m位置的孔徑數(shù)據(jù)。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,見(jiàn)圖4.

圖4 試驗(yàn)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(guò)3 m后孔徑穩(wěn)定的現(xiàn)象。在孔深3 m之內(nèi),孔徑呈現(xiàn)了先縮小,后變大的現(xiàn)象,孔徑的變化量與成孔時(shí)間有緊密聯(lián)系。由數(shù)據(jù)可知,鉆孔孔壁受到圍巖擠壓,發(fā)生塑性變形,孔徑變小;隨著時(shí)間延續(xù),擠壓力超過(guò)巖石強(qiáng)度,孔壁巖石破碎,碎塊從孔壁掉落,孔徑增大。

試驗(yàn)鉆孔完工60 d,利用巖層鉆孔探測(cè)儀探頭的錄像功能觀測(cè)試驗(yàn)鉆孔測(cè)量位置的圖像,見(jiàn)圖5. 從窺視圖像看到,在靠近孔口的孔壁產(chǎn)生了巖石破碎掉落現(xiàn)象,孔深超過(guò)3 m后,鉆孔孔壁完整無(wú)破損。

圖5 試驗(yàn)鉆孔60 d孔內(nèi)表面狀態(tài)

根據(jù)上述試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)得出,在首山一礦己15-17-12110中間底抽巷,頂板巖石松動(dòng)圈對(duì)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(qū)域的抽采鉆孔采用兩堵一注封孔時(shí),外囊袋要距孔口3 m以上,以減小密封段受松動(dòng)圈影響產(chǎn)生裂隙,造成密封失效。

4 結(jié) 語(yǔ)

四連桿式穿層鉆孔孔徑變形檢測(cè)裝置能對(duì)穿層鉆孔孔徑變形狀況進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地測(cè)量,掌握圍巖松動(dòng)圈對(duì)鉆孔孔徑變化的影響規(guī)律,有針對(duì)性地采取適當(dāng)?shù)姆饪追绞胶凸に噮?shù),提高穿層抽采鉆孔封孔質(zhì)量,進(jìn)而提高瓦斯抽采效果。