鉆孔窺視儀在頂板離層鑒定中的應(yīng)用

王國(guó)瑋

(安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

目前，我國(guó)的火力發(fā)電仍占全國(guó)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(zhǎng)一段時(shí)間，煤炭仍然在我國(guó)的能源消耗結(jié)構(gòu)中扮演著舉足輕重的角色。隨著開采深度的不斷增加，地質(zhì)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，頂板冒落等事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)安全生產(chǎn)和巷道支護(hù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，嚴(yán)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(diǎn)使用鉆孔窺視儀，對(duì)頂板煤層內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探明與研究，為后續(xù)的巷道支護(hù)提供強(qiáng)有力的基礎(chǔ)，應(yīng)用效果很好。

1 原理

鉆孔攝像經(jīng)歷了鉆孔照相，到鉆孔攝像，再到數(shù)字光學(xué)成像的過程。

本次研究所用設(shè)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(cè)量?jī)x(型號(hào)YZG3.7D)，主機(jī)配接設(shè)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(shí)物圖

鉆孔窺視儀是一種便攜式防爆檢測(cè)儀器，用于觀測(cè)小口徑工程孔的內(nèi)部條件。當(dāng)探頭送入孔眼時(shí)，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(duì)于煤巖界面和巖層裂隙，易于識(shí)別。

鉆孔窺視儀的工作原理就是：利用 CCD 探頭，把光線轉(zhuǎn)變成電子信號(hào)；通過電纜，將信號(hào)輸送到圖像接收器上，進(jìn)而觀察、記錄、存儲(chǔ)鉆孔內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)圖像。工作原理如圖2、圖3所示。該機(jī)主要用于探測(cè)煤礦井下錨桿孔、瓦斯抽放孔、頂板孔、放水孔、地質(zhì)孔及其它鉆孔的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行分析研究、信息管理、存檔等。設(shè)備為煤礦專用測(cè)試設(shè)備，符合煤礦安全使用要求[1]。

圖2 設(shè)備原理圖

圖3 探頭結(jié)構(gòu)圖

2 使用方法

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(diǎn)開“錄像”功能；然后一邊轉(zhuǎn)動(dòng)撐桿，一邊插入撐桿。這樣就可以觀察巖層內(nèi)部的巖石破碎狀態(tài)，并且通過實(shí)時(shí)拍照，真實(shí)反映巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)。此外，通過連接探頭的電線(盤繞在轉(zhuǎn)盤上)，可以準(zhǔn)確判斷出探頭深入的深度。深入的深度數(shù)值可以實(shí)時(shí)顯示在顯示屏中，為后面的研究提供最精確的信息。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 地質(zhì)情況

110801工作面為8煤首采工作面，該面膠帶機(jī)順槽自北翼膠帶機(jī)大巷T60點(diǎn)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(jī)大巷，西至110801工作面切眼，其余均為未開拓區(qū)域，對(duì)應(yīng)地表主要為溝渠、農(nóng)田?？偣苍诿很壞z回聯(lián)巷取點(diǎn)4個(gè)。4個(gè)孔是為了取巖芯，通過剪切、抗拉、抗壓實(shí)驗(yàn)，獲取圍巖的單軸抗拉、抗壓強(qiáng)度，彈性模量，泊松比，內(nèi)摩擦角，黏聚力等物理性質(zhì)，為主采煤層巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估、錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)、開采設(shè)計(jì)等提供基礎(chǔ)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(jié)果[2]。這里取二號(hào)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(shè)計(jì)

3.2 觀測(cè)結(jié)果

鉆孔窺深為 9 m。觀測(cè)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(jìn)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(cuò)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(jìn)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

4 存在問題及改進(jìn)意見

通過礦井下的實(shí)踐證明，鉆孔窺視儀在探測(cè)巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jìn)一步的提高與完善。具體建議如下：1)儀器本身可以進(jìn)一步減輕質(zhì)量。礦井下的工作環(huán)境跟地面差距很大，儀器質(zhì)量進(jìn)一步減輕，會(huì)大大提高工作的時(shí)效性，更便于攜帶。2)精度需要進(jìn)一步提高。在本次觀測(cè)過程中，由于孔內(nèi)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(cè)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(cè)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(zhì)撐桿，但是隨著深度不斷加深，撐桿根數(shù)也會(huì)增加，導(dǎo)致“頭重腳輕”，撐桿都被壓彎了，深入時(shí)鏡頭會(huì)抖動(dòng)，無法保證觀測(cè)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(cè)方法結(jié)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(duì)巖層結(jié)構(gòu)做出精確判別。所以需要與地質(zhì)雷達(dá)、聲波測(cè)試、光纖技術(shù)等聯(lián)合使用，提高實(shí)驗(yàn)的精確度[3]。

5 結(jié)語

1)實(shí)踐證明，使用礦用鉆孔窺視儀探測(cè)巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(hù)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(yīng)用，但是其機(jī)器本身仍然存在著許多問題，因此需要進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)工藝、提高科技水平，使得鉆孔窺視儀能夠更加適用于礦井。