基于礦用鉆孔成像儀的孔壁模擬實(shí)驗(yàn)裝置研制

李金波，許興亮，2，張崇禮，楊長(zhǎng)德，常治國(guó)，張偉光

（1.新疆工程學(xué)院礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，烏魯木齊 830000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

0 引言

礦用鉆孔成像儀可用于探測(cè)煤巖體的褶皺、斷層、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造；探測(cè)煤層及其頂板巖層的巖性；探測(cè)礦井巷道和回采工作面頂板離層狀態(tài)；探測(cè)巖體錨桿鉆孔和煤層瓦斯鉆孔等鉆孔質(zhì)量。通過(guò)鉆孔成像儀拍攝的鉆孔孔壁照片與視頻，利用系統(tǒng)軟件生成的報(bào)告資料對(duì)煤巖地質(zhì)體的巖性進(jìn)行綜合分析，獲取煤巖地質(zhì)體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等特點(diǎn)，為礦山巷道支護(hù)、圍巖控制、災(zāi)害防治等提供參考依據(jù)［1-3］。

近幾年，鉆孔成像技術(shù)在煤礦煤層頂板巖層測(cè)試分析中得到不斷推廣和普及，大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究證實(shí)了鉆孔成像技術(shù)基本可以勝任對(duì)煤礦地質(zhì)條件的調(diào)查分析與研究預(yù)判［4-9］。王川嬰等［10］通過(guò)鉆孔成像技術(shù)，以孔壁巖體的破碎程度為依據(jù)，建立了孔壁巖體完整性指數(shù)RMDI；李衛(wèi)明等［11］基于鉆孔攝影技術(shù)對(duì)水平鉆孔節(jié)理裂隙發(fā)育特征進(jìn)行了研究；于鐘博等［12-14］通過(guò)鉆孔成像技術(shù)對(duì)某礦井“兩帶”高度進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究，確定了垮落帶高度和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨确秶?；王振廣等［15］采用鉆孔成像技術(shù)對(duì)云煤二礦采煤工作面頂板進(jìn)行了多次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，通過(guò)不同時(shí)間、相同位置的孔壁成像對(duì)比分析，確定了采動(dòng)覆巖上方垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度和變化特征，計(jì)算得出垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨取?/p>

由此可見(jiàn)，掌握礦用鉆孔成像儀工作原理與設(shè)備操作方法，開(kāi)展相關(guān)煤巖體巖性分析進(jìn)而為后續(xù)技術(shù)工作提供參考依據(jù)，是煤礦技術(shù)人員必備的一項(xiàng)基本技能。本文設(shè)計(jì)并研制一種基于礦用鉆孔成像儀的鉆孔孔壁模擬實(shí)驗(yàn)裝置。

1 孔壁模擬實(shí)驗(yàn)裝置基本要求

礦用鉆孔成像儀通過(guò)拍攝、錄制煤巖體鉆孔孔壁圖片與視頻的形式，對(duì)井下未知的煤巖地質(zhì)體鉆孔所處位置的巖（煤）性質(zhì)進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而達(dá)到窺視目的。因此，孔壁模擬實(shí)驗(yàn)裝置要滿足相應(yīng)的功能條件，提供煤巖地質(zhì)體不同的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等模擬效果，達(dá)到實(shí)驗(yàn)有效模擬目的，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。結(jié)合設(shè)備功能和煤巖體基本性質(zhì)，孔壁模擬實(shí)驗(yàn)裝置的基本要求如下：

（1）煤礦地下開(kāi)采空間為三維地質(zhì)體，因此孔壁模擬裝置應(yīng)滿足立體性。

（2）煤層埋藏于地下，從地表到深地分布有表土層、巖層、煤層以及巖層與煤層交互等不同地質(zhì)體。因此，實(shí)驗(yàn)裝置的孔壁模擬應(yīng)做到多樣性，能有效區(qū)分巖體、煤層、夾矸等各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)體。

（3）地下巖體（煤層）在各種地質(zhì)作用（如構(gòu)造運(yùn)動(dòng)）下，常存在褶皺、斷層、裂隙等不同程度發(fā)育，因此實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)具備模擬不同結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的功能。

（4）地下巖體尤其是煤層的賦存狀態(tài)不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)裝置的孔壁應(yīng)模擬出地質(zhì)體（巖層或煤層）不同的走向、傾向、厚度等要素。

（5）孔壁模擬實(shí)驗(yàn)裝置在具備上述較強(qiáng)的真實(shí)模擬仿真效果基礎(chǔ)上，同時(shí)應(yīng)具備可拆卸、可組裝、可修復(fù)等可再利用性。

（6）實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)確保安全性，做到材料環(huán)保不危害學(xué)生身體健康、裝置安全不損傷礦用鉆孔成像儀。

2 孔壁模擬實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

基于礦用鉆孔成像儀的孔壁模擬實(shí)驗(yàn)裝置，由結(jié)構(gòu)主體和輔助裝置兩大部分組成。孔壁模擬實(shí)驗(yàn)裝置主體部分示意圖與剖視圖見(jiàn)圖1 和圖2。本文圖中數(shù)字對(duì)應(yīng)設(shè)備見(jiàn)表1。

圖1 孔壁模擬裝置主體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 孔壁模擬裝置主體結(jié)構(gòu)剖視圖

表1 圖中數(shù)字對(duì)應(yīng)設(shè)備名稱

2.1 結(jié)構(gòu)主體

孔壁模擬實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)主體部分呈圓柱狀結(jié)構(gòu)，主要包含包括完整巖層孔壁層、裂隙巖層孔壁層、裂縫巖層孔壁層、破碎巖層孔壁層和急傾斜煤層系列孔壁層5 種不同鉆孔模擬孔壁。模擬孔壁主體上端設(shè)置開(kāi)口，開(kāi)口由上向下依次穿過(guò)完整巖層孔壁層、裂隙巖層孔壁層、裂縫巖層孔壁層、破碎巖層孔壁層和急傾斜煤層系列孔壁層形成通孔。

實(shí)驗(yàn)裝置主體結(jié)構(gòu)由上到下的通孔，用以模擬礦井煤巖地質(zhì)體的鉆孔；由上而下的完整巖層孔壁層等系列孔壁模擬層用以模擬礦井巖層（煤層）鉆孔對(duì)應(yīng)的孔壁結(jié)構(gòu)，其具有一定的立體性、多樣性和仿真性。實(shí)踐教學(xué)參與者可以使用礦井鉆孔成像儀對(duì)孔壁層的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造進(jìn)行影像拍攝采集，進(jìn)而對(duì)地質(zhì)體巖性進(jìn)行綜合分析，為后續(xù)工作提供技術(shù)參考依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)裝置主體從上到下的5 層孔壁層通過(guò)黏貼劑緊密粘合連接，孔壁層之間緊密粘合、不留縫隙。黏合厚度較薄，避免相鄰的孔壁層之間的黏貼劑層較厚而降低孔壁模擬裝置的模擬效果。主體通孔的底部設(shè)置有封堵層，封堵層連接在通孔底部巖層的下端，將底部巖石層下端的開(kāi)口封堵，形成上端敞口下端封堵的鉆孔孔壁模擬結(jié)構(gòu)，真實(shí)的模擬出井下實(shí)際鉆孔的鉆孔孔壁結(jié)構(gòu)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室空間及礦用鉆孔成像儀的功能特點(diǎn)，考慮學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程的便捷性與可操作性，設(shè)計(jì)孔壁模擬實(shí)驗(yàn)裝置的完整巖層孔壁層、裂隙巖層孔壁層、裂縫巖層孔壁層、破碎巖層孔壁層以及急傾斜煤層系列孔壁層的長(zhǎng)度均為250～350 mm；依據(jù)礦用鉆孔成像儀探頭的直徑結(jié)構(gòu)大小，設(shè)計(jì)通孔為圓形孔，直徑為40～60 mm。各個(gè)孔壁層的長(zhǎng)度適中，通孔的孔徑適合，有利于實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的順利開(kāi)展。

2.2 輔助裝置

2.2.1 結(jié)構(gòu)組成

實(shí)驗(yàn)裝置的輔助裝置包括底板、支撐架、下壓機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)等四部分組成。

（1）底板。用于支撐模擬孔壁主體。

（2）支撐架。連接在底板上且向上延伸，其內(nèi)側(cè)與底板之間形成可容納孔壁層主體的容納空腔，其結(jié)構(gòu)示意圖詳見(jiàn)圖3。

圖3 支撐架結(jié)構(gòu)示意圖

（3）下壓機(jī)構(gòu)。下壓機(jī)構(gòu)可上下滑動(dòng)，安裝在支撐架上，且可伸入容納空腔內(nèi)，用于在豎直方向從上向下對(duì)放置在容納空腔內(nèi)的孔壁層進(jìn)行施壓；下壓機(jī)構(gòu)輔助裝置對(duì)孔壁層進(jìn)行施壓的示意圖詳見(jiàn)圖4。

圖4 下壓機(jī)構(gòu)施壓結(jié)構(gòu)示意圖

（4）鎖緊機(jī)構(gòu)。鎖緊機(jī)構(gòu)有多個(gè)，其在豎直方向間隔安裝在支撐架上，用于對(duì)放置在容納空腔內(nèi)的孔壁層進(jìn)行鎖緊。

2.2.2 孔壁層連接

孔壁模擬實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)主體的輔助裝置上設(shè)計(jì)有底板和支撐架，支撐架的內(nèi)側(cè)與底板之間形成可容納實(shí)驗(yàn)裝置主體的容納空腔。在進(jìn)行制造孔壁模擬裝置的過(guò)程中，將需要連接的第一段孔壁層放置在底板上，然后在第1 段孔壁層的上端面涂上黏貼劑，然后將需要連接在第1 段孔壁層上方的第2 段孔壁層放置在第1 段孔壁層的上端面，通過(guò)向下滑動(dòng)下壓機(jī)構(gòu)對(duì)第2段孔壁層進(jìn)行施壓，使得孔壁層緊密粘合，然后通過(guò)鎖緊機(jī)構(gòu)對(duì)第2 段孔壁層進(jìn)行鎖緊，再松開(kāi)下壓機(jī)構(gòu)且將下壓機(jī)構(gòu)向上滑動(dòng)，以此類推完成5 段孔壁層有效穩(wěn)固連接。

2.2.3 各輔助裝置結(jié)構(gòu)與連接方式

支撐架包括兩類不同立柱，分別為立柱1 與立柱2。立柱1 與立柱2 連接在底板上且豎直向上延伸。

鎖緊機(jī)構(gòu)上下滑動(dòng)安裝在多根立柱1 之間，便于通過(guò)將鎖緊機(jī)構(gòu)上下滑動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)鎖緊機(jī)構(gòu)的位置，對(duì)多個(gè)孔壁層進(jìn)行鎖緊；立柱2 位于相鄰的兩根立柱1之間，下壓機(jī)構(gòu)上下滑動(dòng)安裝在立柱2 上，便于對(duì)下壓機(jī)構(gòu)上下滑動(dòng)，有利于在將多個(gè)孔壁層進(jìn)行粘合連接的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)不同孔壁層進(jìn)行施壓。

鎖緊機(jī)構(gòu)包括圓環(huán)形支撐座和鎖緊件。①圓環(huán)形支撐座上設(shè)有滑動(dòng)凸塊，滑動(dòng)凸塊安裝在滑槽內(nèi)上下滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行上下滑動(dòng)；②圓環(huán)形支撐板上連接有多個(gè)鎖緊件，鎖緊件對(duì)容納空腔內(nèi)的孔壁層進(jìn)行鎖緊。圓環(huán)形支撐座示意圖詳見(jiàn)圖5。

圖5 圓環(huán)形支撐座結(jié)構(gòu)示意圖

下壓機(jī)構(gòu)包括滑塊、水平支撐板、旋緊件、施壓板等?；瑝K上設(shè)有滑動(dòng)安裝部，滑動(dòng)安裝部安裝在滑槽內(nèi)通過(guò)鎖緊件連接在立柱2 不同高度位置上；水平支撐板連接在滑動(dòng)安裝部上，向容納空腔內(nèi)水平延伸形成延伸端；旋緊件適配螺紋連接在螺紋孔內(nèi)，通過(guò)旋緊件對(duì)放置在容納空腔內(nèi)的孔壁層進(jìn)行施壓；施壓板連接在旋緊件的下端，位于容納空腔內(nèi)，用于對(duì)孔壁層進(jìn)行施壓，施壓板的底部連接有彈性墊，用以提高施壓板對(duì)孔壁層進(jìn)行施壓的平衡性以及可靠性。

2.2.4 孔壁模擬結(jié)構(gòu)

主體位于輔助裝置內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖和俯視圖詳見(jiàn)圖6 和圖7。

圖6 孔壁模擬實(shí)驗(yàn)裝置（完整）示意圖

圖7 孔壁模擬實(shí)驗(yàn)裝置（完整）俯視圖

3 孔壁模擬實(shí)驗(yàn)裝置的使用

在“礦用鉆孔成像儀使用”實(shí)驗(yàn)操作的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)中，按照實(shí)驗(yàn)儀器正常使用步驟與方法進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。首先安置好孔壁模擬實(shí)驗(yàn)裝置，然后連接好鉆孔成像儀的視頻輸入線、深度脈沖線，將深度編碼器有序連接，再開(kāi)啟鉆孔成像儀，使用推桿將攝像探頭緩緩?fù)迫肟妆谀M實(shí)驗(yàn)裝置的鉆孔中，最后將錄制的影響資料拷貝到計(jì)算機(jī)里進(jìn)行綜合分析。

4 結(jié)語(yǔ)

孔壁模擬實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與研制，在一定程度上達(dá)到了仿真井下煤巖地質(zhì)體鉆孔的效果，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中能夠模擬探測(cè)地質(zhì)體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的每一個(gè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了從觀看演示性實(shí)驗(yàn)到動(dòng)手操作設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的進(jìn)步，對(duì)提高學(xué)生掌握鉆孔成像儀操作技能具有一定幫助，對(duì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)具有積極促進(jìn)作用。同時(shí)，模擬裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不具備隨時(shí)變化性，與井下動(dòng)態(tài)的煤巖地質(zhì)體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造實(shí)際相比還有很大差距，再加上實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)與井下施工環(huán)境的巨大差別，難以實(shí)現(xiàn)完全達(dá)到井下真實(shí)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)效果，因此，更高標(biāo)準(zhǔn)的模擬實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)研制工作有待進(jìn)一步探索和研究。