摘 要：由于煤礦巷道發(fā)生突水等自然災(zāi)害，影響了我國大量煤礦等工程的推進(jìn)，又因?yàn)閷?duì)勘測(cè)地的地質(zhì)體以及頂板巖層情況的不了解，從而誤導(dǎo)了掘進(jìn)巷道頂板巖層的現(xiàn)場(chǎng)施工。由現(xiàn)場(chǎng)施工引發(fā)的一系列不同程度的問題，比如輕則誘發(fā)滑坡等自然災(zāi)害事故。而重度的則是危及煤礦等工作人員生命安全和很大的經(jīng)濟(jì)損失后果。在巖巷掘進(jìn)裝備上，因?yàn)間uojia經(jīng)濟(jì)與采礦行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，隨鉆勘測(cè)與識(shí)別技術(shù)都有了很大改進(jìn)，其中利用#廣泛的是鑿巖、支護(hù)、裝巖、運(yùn)輸及輔助設(shè)備。為了解決頂板巖層勘測(cè)經(jīng)濟(jì)費(fèi)用和技術(shù)不穩(wěn)定性、誤解性的問題，因此有必要對(duì)挖進(jìn)巷道頂板巖層隧鉆識(shí)別研究。
１ 頂板巖層隨鉆識(shí)別的鉆進(jìn)參數(shù)計(jì)算公式
１．１ 鉆孔比功公式
ＶｔＱ＝∑ΔＧｉ （１）
巖層厚度，即鉆頭通過某巖層過程中給進(jìn)液壓
鉆孔比功即鉆掘單位體積巖石鉆孔所消耗的能量。
關(guān)于綜合性勘測(cè)巖層強(qiáng)度的方法有很多，比如鉆孔比功法是評(píng)價(jià)巖層強(qiáng)度方法的其中之一，我們學(xué)習(xí)并利用。
利用鉆孔比功法，我們進(jìn)行了與此方面的試驗(yàn)。
通過試驗(yàn)不同巖樣的鉆孔比功與單軸抗壓強(qiáng)度的比較表，表中分為縱向六個(gè)條目，還有橫向２個(gè)條目。縱向條目即混 泥 土２ 、混 泥 土１、石 灰 巖、黃 泥漿、砂質(zhì)泥巖、水泥砂漿。橫向條目２個(gè)，即鉆孔比功，單軸抗壓強(qiáng)度／ＭＰａ。
從 對(duì) 比 表 發(fā) 現(xiàn) 黃 泥 漿 鉆 孔 比 功 # 低，為 １．１２ＭＪ·ｍ－３，其 單軸 抗 壓 強(qiáng) 度／ＭＰａ也 就越 低。與此相反，石灰?guī)r鉆孔比功#高為５．４３８ＭＪ·ｍ－３，其單軸抗壓強(qiáng)度也越高，為１３４．７９０／ＭＰａ。
從而，得出了一個(gè)結(jié)論，鉆孔比功與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系 成 正 比 的 線 性 相 關(guān) 關(guān) 系。即 隨 著 鉆 孔 加大，其巖石強(qiáng)度也逐漸變高。隨著鉆孔比功變小，其巖石強(qiáng)度也跟著變低。
鉆頭在進(jìn)入頂板巖層分界面和軟弱夾層時(shí)，關(guān)于鉆機(jī)液壓系統(tǒng)內(nèi)對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)煤礦巷道頂板巖層有很多種類，包括性砂巖、砂礫巖，還有粗砂巖、中粒沙巖、細(xì)砂巖、沉積巖等巖體。其中沉積巖占頂板巖層的絕了絕大部分，通常是層狀巖體。在巖體結(jié)構(gòu)上分層性很是明顯，至于巖層的厚度厚薄不等，厚度常常在 幾 厘 米 薄 度 到 幾 十 米 厚 度 這 個(gè) 范 圍。另 外，相鄰頂板巖層的厚度等也差異突出。在掘進(jìn)巷道頂板中進(jìn)入軟弱夾層這一層時(shí)，支護(hù)難度高，嚴(yán)重的更有引起巷道冒頂、自然災(zāi)害等事故，因此，及時(shí)地分別出掘進(jìn)巖層處于什么巖層層次能有很大必要。如果巷道掘進(jìn)處于軟弱夾層時(shí)，分析其在頂板中的大致位置和厚度并采用對(duì)應(yīng)的支護(hù)辦法，對(duì)促進(jìn)和保證頂板巖層穩(wěn)定，保障工作人員生命安全有很重要的作用。
２ 隨鉆頂板巖層識(shí)別原理
２．２ 隨鉆頂板巖層識(shí)別原理內(nèi)容
shou先將流量變送器、壓力變送器這兩種變送器與液壓錨桿鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)結(jié)合利用，這時(shí)，隨鉆會(huì)通過測(cè)得液壓錨桿鉆機(jī)，把機(jī)器測(cè)得的進(jìn)液壓缸的壓力和流量、液壓馬達(dá)的壓力和流量等很多參數(shù)，一同傳給檢測(cè)和分析單元。隨后利用這些數(shù)據(jù)綜合處理，這樣就可在進(jìn)行掘進(jìn)巷道的施工時(shí)實(shí)時(shí)分別出巷道頂板巖層種類及位置。
因?yàn)榫裸@錨桿孔在工作時(shí)有很多淋水以及巖塵的問題干擾，位移傳感器或霍爾傳感器等檢測(cè)器很難監(jiān)測(cè)其 鉆 進(jìn) 的 速 度、轉(zhuǎn) 速、推力及轉(zhuǎn)矩幾個(gè)參數(shù)。鑒于這些缺點(diǎn)，利用液體蝸輪流量變送器和擴(kuò)散硅壓阻式壓力變送器能解決上面不足。如液體蝸輪流量變送器在數(shù)據(jù)采集上有優(yōu)勢(shì)，而且其配有結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、精度高和復(fù)現(xiàn)性好、反應(yīng)靈敏、使用方便、可以測(cè)量瞬變流量等優(yōu)點(diǎn)。而另一種擴(kuò)散硅壓阻式壓力變送器是一種高性能壓力變送器，是針對(duì)使用環(huán)境比較惡劣的施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的。它的優(yōu)勢(shì)是不僅使用方便、精度高、穩(wěn)定性好。而且在抗振、抗沖擊等方面也具有優(yōu)勢(shì)。
２．２ 相似模擬頂板組合巖層的制作過程與準(zhǔn)備
通過相似模擬組合巖層的材料配比和厚度的資料對(duì)比，發(fā)現(xiàn)木磨合右腔和木磨合左腔兩種模擬巖層其配比材質(zhì)不同，配比體積不同，而模擬巖層的石子#大粒徑和巖層厚度也就不同。
同種材質(zhì)，不同方向的材質(zhì)對(duì)比。各巖 層 都 澆灌在長方體的木模盒中，拿１塊平木板把長方形木磨合劃分為兩個(gè)觀察部分：一邊為澆筑各組合巖層，另一邊澆筑初試層 Ｃ２０混凝土。
木模盒左邊空腔中放著澆灌了的１層 Ｃ２０混凝土材質(zhì)是初步實(shí)驗(yàn)層。鉆機(jī)鉆方向相反的右邊組合巖層前，先在初試層上鉆透１個(gè)孔，這樣實(shí)施的目的：①可以把液壓系統(tǒng)油液中的氣泡的干擾因素去除掉，提高本次測(cè)試準(zhǔn)確度；②讓機(jī)電液壓各部件進(jìn)行預(yù)熱跑合這個(gè)步驟，便為了調(diào)試試驗(yàn)系統(tǒng)。
３ 隨鉆頂板巖層識(shí)別試驗(yàn)系統(tǒng)研制過程與準(zhǔn)備的
實(shí)驗(yàn)工具
試驗(yàn)工具含有：①單體液壓力變送器的準(zhǔn)備；②準(zhǔn)備好液體蝸輪流量變送器，并查看工具是否可以正常實(shí)用；③準(zhǔn)備好另一種變送器，即擴(kuò)散硅壓阻式壓力變送器；④在變送器準(zhǔn)備好的基礎(chǔ)上，備好數(shù)據(jù)采集卡還有相對(duì)應(yīng)的 ＬＡＢＶＩＥＷ 軟件；⑤礦用某型號(hào)錨桿六棱中空組合鉆桿；⑥適用本次試驗(yàn)厚度的金剛石鉆頭，供水管路要配備好；⑦某型號(hào)三路跟蹤直流穩(wěn)壓電源。
３ 隨鉆頂板巖性探測(cè)的試驗(yàn)研究
３．１ 試驗(yàn)步驟
①管路線路的連接，把壓力、流量變送器兩個(gè)變送器與鉆機(jī)的液壓管路連接好。同時(shí)，把供水和供電線路連接在鉆機(jī)兩頭。②預(yù)先打好孔，然后把錨桿鉆機(jī)以垂直的擺放角度放置在之前打好的孔中，然后進(jìn)行安裝前安裝鉆頭套等準(zhǔn)備工作。③連接電路圖。把壓力變送器、流量變送器、數(shù)據(jù)采集卡，還有穩(wěn)壓電源等實(shí)驗(yàn)工具依據(jù)接線圖的要求進(jìn)行連接，注意電路正負(fù)極，避免發(fā)生因?yàn)殡娐愤B線錯(cuò)誤而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗的人為因素。④按動(dòng)直流穩(wěn)壓電源按鈕，利用直流穩(wěn)壓電源給變送器輸送正２４Ｖ 的直流電，接下來打開計(jì)算機(jī)，找到相應(yīng)的控制程序并進(jìn)行調(diào)試。⑤對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行壓力水、電的充足供應(yīng)，然后對(duì)頂板巖層鉆孔。⑥統(tǒng)一出廠的品牌鉆頭，每個(gè)鉆孔換成新鉆頭，避免鉆頭因新舊差異而干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
３．２ 試驗(yàn)各巖層厚度的實(shí)際值與檢測(cè)值的比較
實(shí)驗(yàn)分為６個(gè)縱向條目和３個(gè)橫向條目，縱向條目即混泥土２、混泥土１、石灰?guī)r、黃泥漿、砂質(zhì)泥巖、水泥砂漿。３個(gè)橫向條目，即實(shí)際厚度、檢 測(cè)厚度、誤差比。
通過縱向６個(gè)條目與橫向４個(gè)條目的綜合對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了巖層實(shí)際厚度 與檢測(cè)厚度之間的 誤 差。比如混泥土２實(shí)際厚度為１９５ｍｍ，而實(shí)驗(yàn)檢測(cè)厚度為２０１ｍｍ，誤差是百分之３．０８，這個(gè)誤差比很小。而且發(fā)現(xiàn)另外一些巖層種類實(shí)際厚度與勘測(cè)厚度的誤差比也很小。
４ 結(jié)論
通過隨鉆頂板巖性探測(cè)的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了巷道頂板的單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)值在巖層分界面的地方產(chǎn)生不斷變化，而且在遇到特殊位置軟弱夾層處的時(shí)候也發(fā)生不斷變化的規(guī)律。當(dāng)檢測(cè)到錨桿鉆機(jī)液壓系統(tǒng)中的壓力和流量發(fā)生對(duì)應(yīng)效應(yīng)時(shí)，能夠判斷鉆頭通過了巖層哪一界面，是巖層這一分界面，還是軟弱夾層面。在判斷清楚是哪一層巖層界面后，對(duì)應(yīng)的工程師需要根據(jù)現(xiàn)有巖層特質(zhì)與現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)情況，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)巷道頂板支護(hù)方法，防止因此因素造成不良后果。
在巷道頂板巖層隨鉆識(shí)別和試驗(yàn)系統(tǒng)上有了新的研究成果，即在過去頂板巖層識(shí)別系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，發(fā)了新的頂板巖層隨鉆識(shí)別系統(tǒng)。利用對(duì)鉆孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及配套單軸抗壓強(qiáng)度值試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)液壓錨桿鉆機(jī)的鉆進(jìn)參數(shù)能夠很大程度的減少誤差，較為準(zhǔn)確的地根據(jù)頂板識(shí)別系統(tǒng)推算出其單軸抗壓強(qiáng)度、位置遠(yuǎn)近和薄厚程度。
利用巷道頂板巖層識(shí)別試驗(yàn)系統(tǒng)，推算出的單軸抗壓強(qiáng)度誤差少，從而勘測(cè)技術(shù)的穩(wěn)定性及勘測(cè)工程的安全性，同時(shí)也能減少一些因?yàn)榭睖y(cè)技術(shù)失誤造成的自然災(zāi)害事故，減少了一些工作人員的傷亡，減少了一些重大經(jīng)濟(jì)損失事件的發(fā)生。
但掘進(jìn)巷道頂板巖層隨鉆識(shí)別系統(tǒng)的使用工程中，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)等綜合情況來使用。
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