关键词：煤矿巷道；顶板岩石强度；随钻探测技术
煤矿安全高效生产，取决于巷道支护方案设计的科学性和合理性，各个不同生产环节中，岩层岩性识别和厚度判定的准确性对巷道支护方案设计水平具有直接性的影响。做好巷道顶板岩石强度和厚度的预测，进而采取多种不同的支护方案，是煤矿生产的必须环节。在传统的顶板岩性探测中，由于钻取过程滞后时间较长，无法达到随钻随测的目的，常会出现岩性判断错误或者岩性判别错误的问题。随着这方面理论研究水平的提升，随钻随测技术应用水平不断提升，为巷道支护优化提供了良好依据。
1、有限元模型建立
1.1 基本假设
巷道掘进施工与支护施工水平具有直接性的关系，传统工作模式中，通常是采用开挖等形式对岩石性质进行界定。随着探测技术和计算机分析应用技术之间的结合不断深入，有限元模型计算在顶板岩石强度计算中所起到的作用愈加明显[1]。由于有限元模型计算与实际钻进过程必然会存在不同的偏差，为确保数字计算的可实施，需要对有限元模型进行假设。在本研究中，假设锚杆钻机在钻进中一直与巷道顶板保持垂直状态；不考虑钻头刚度对顶板岩石的钻进影响；不考虑在钻进过程中出现的重复破碎问题；假设顶板岩石为各向同性。
1.2 设定模型并划分网格
在设定模型之前，需要对各项必要的数据进行准确采集，包括锚杆钻机钻头和巷道顶板岩石的物理力学性能数据。这些数据内容包括材料的密度、弹性模量、泊松比、粘聚力和单轴抗压强度等。在建立钻头钻进巷道顶板三维模型时，应当对模型大小和计算数据参数进行合理设置，既能满足计算要求，又能够确保预测结果与实际状态更加接近。在进行网络划分时，一般是根据巷道工作面数据、岩石数据和钻头材料数据等，进行单元划分[2]。在进行模拟过程中，可以对钻头的钻压、扭矩、钻速和转速数据等进行对应调整，进而完成模拟流程。
2、随钻探测技术应用流程
2.1 数据采集
在对煤矿巷道顶板岩石钻进速度数据进行采集时，需要依托相应的设备建立完善的采集系统，其设备主要包括脉冲式激光测距仪、顶板反射器、单体锚杆钻机和紧固装置等几个部分。在钻孔过程中，通常是以10s为时间间隔，使用脉冲式激光测距仪进行测定并存储钻进距离。在钻孔流程完成之后，对采集数据进行整理，进而得出钻孔过程的位移-时间曲线。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在数据采集流程中，需要注意操作的准确性，尽量减少人为操作不当对数据采集误差所造成的影响。
2.2 建立随钻探测数据库
根据不同的巷道情形，需要在轨道大巷和辅助运输大巷设定合理数量的钻孔数和钻孔深度。在对钻孔位置进行设定时，要求任意两个钻孔距离不得低于100m，在钻孔附近20cm处垂直顶板岩层进行取芯[3]。将岩心编号和钻孔进行对应处理的情形下，观察顶板岩层，并在实验室环境下测定出准确的岩石物理力学性能测定。岩石物理力学性能的测定是依据《煤与岩石物理力学性质测定方法》（MT38-48-87）进行试样加工,并在万能试验机上对相关参数进行准确测定，对于测定结果，要进行全面分析。
2.3 强度及分层厚度预测
在完成数据采集和随钻探测数据库之后，需要对巷道顶板岩石强度和分层厚度进行预测，这也是随钻钻探技术应用最为关键的环节。通常情形下，是采用钻进时间-位移曲线进行分析。由于岩层包括石灰岩、细砂岩、砂质泥岩等多种不同类型，其强度之间存在较大差异，在进行预测时需要根据位移曲线进行准确判定。在具体操作过程中，钻进准备时间通常会占据总时间的较大比例，由此会对钻孔的成形速度造成一定的影响。在其他影响因素已经确定的情形下，顶板岩层越坚硬，所需要的钻进时间就会越长。在进行预测时，需要严格依照数据平台进行测算和分析，确保预测结果的准确性。
2.4 预测分析
在对预测结果进行分析时，需要利用岩层探测记录仪对钻孔进行窥视操作，进而深入观察顶板岩层的具体情形。通过具体的随钻探测预测结果和窥视结果进行对比可以发现：在钻头所钻岩层比下一钻进的岩层强度高，或者所钻进位置为构造区域时，钻速会提前增大；在钻头所钻岩层比下一钻进岩层强度低，或者从构造区域钻出至下一岩层时，钻头在钻出瞬间速度会有明显提升，但是这种提升平均到整体岩层厚度预测时对误差产生的影响并不是很明显。在对预测结果进行分析时可以发现，基于随钻探测技术应用对巷道顶板岩性进行预测，在进行厚度预测时误差通常在2cm左右，但是对岩石的单轴抗压强度和岩层类别预测的准确性稍有不足，在巷道顶板岩性和支护参数优化设定时能够起到基本的指导作用。
3、结束语
煤炭能源在我国基本能源结构中占据较大比例，煤炭工业也是我国的支柱产业之一，对国民经济发展具有重要的保障作用。煤矿巷道顶板岩石强度的测定是煤矿巷道支护和顶板安全保护的重要影响因素，对煤矿井下作业安全具有重要影响。依托计算机技术和钻探数据分析技术，能够随钻对顶板岩石强度和厚度进行更为准确的预测。以此不仅能够提升井下巷道爆破钻孔施工、支护方案设计和顶板保护方案的科学性，还能够有效降低巷道施工整体成本，为企业创造更高的经济效益。
【基金项目】本文系中国矿业大学2018年度大学生创新训练计划项目，项目编号：201810290002.
参考文献
[1]翟召宁.浅析煤矿井下巷道掘进顶板支护[J].内蒙古煤炭经济,2019(15):74.
[2]廉瑞,刘灿灿,杨璐.煤矿巷道顶板岩石强度随钻探测技术研究[J].煤炭技术,2018,37(08):69-71.
[3]唐欢欢.煤矿井下巷道掘进中的安全问题[J].科技风,2019(30):189.
论文作者:吕卫东1,宋媛媛2,辛维1,花秀伟1
论文发表刊物:《科学与技术》2019年20期
论文发表时间:2020/4/28
标签：顶板论文; 巷道论文; 岩层论文; 岩石论文; 钻孔论文; 强度论文; 钻头论文; 《科学与技术》2019年20期论文;