煤層鉆孔鉆進(jìn)煤粉自動測量方法及試驗研究

尹延春 ，鄭武威 ，趙同彬 ，任文濤 ，張 偉 ，趙志剛

（1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院, 山東 青島 266590；2.山東能源集團(tuán)魯西礦業(yè)有限公司, 山東 菏澤 274900；3.山東唐口煤業(yè)有限公司, 山東 濟(jì)寧 272055）

0 引 言

沖擊地壓作為深部煤礦開采的典型動力災(zāi)害之一，是高應(yīng)力條件下煤巖體彈性能瞬時釋放所引發(fā)的動力失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著井下人員和生產(chǎn)安全[1-3]。近年來，國內(nèi)外專家針對沖擊地壓防治問題，提出了10 余種沖擊地壓發(fā)生理論[4-7]，研發(fā)了多種監(jiān)測預(yù)警和卸壓解危技術(shù)[8-9]，為沖擊地壓有效防治提供了理論和技術(shù)支撐。

在沖擊地壓危險性監(jiān)測預(yù)警方面，我國煤礦常采用微震、鉆屑、煤體應(yīng)力、地音、地震波CT 等技術(shù)[10-13]，其中鉆屑法通過在巷幫煤體鉆孔，根據(jù)每米鉆孔排出的煤粉量及其變化規(guī)律、鉆進(jìn)過程中有關(guān)動力現(xiàn)象鑒別沖擊危險性[14-15]。該方法可以直觀反映巷幫不同位置處的煤體應(yīng)力大小，在沖擊地壓礦井廣泛應(yīng)用。基于鉆屑法，潘一山[16]、李忠華等[17]拓展提出了鉆屑溫度法，發(fā)現(xiàn)鉆屑溫度與煤體應(yīng)力及鉆屑量具有較好的一致性。朱麗媛[18]、徐連滿[19]、李忠華等[20]提出了鉆屑(鉆桿)扭矩法，研究了鉆桿扭矩與煤體應(yīng)力間的關(guān)系，根據(jù)測試發(fā)現(xiàn)2 者具有較好的一致性。周睿[21]利用鉆屑量插值法，研究了超前排放鉆孔的有效影響半徑。上述研究提升了鉆屑法的實用性和監(jiān)測信息的多元性，有效推動了鉆屑法在煤礦中的應(yīng)用。

煤礦鉆屑施工中，孔徑一般為40～44 mm，常用手持式氣動鉆機(jī)鉆孔施工。由于該類型鉆機(jī)功率和扭矩小，在高應(yīng)力煤體區(qū)域鉆進(jìn)時，往往會出現(xiàn)卡鉆、頂鉆等現(xiàn)象，導(dǎo)致無法完成整個鉆孔的鉆屑法施工。因此，部分礦井選擇采用較大功率的鉆車進(jìn)行大孔徑的鉆屑法施工，如耿村礦[22]和謝一礦[23]分別進(jìn)行了孔徑75 mm 和73 mm 的鉆屑法測試，并與42 mm孔徑鉆屑法進(jìn)行了對比分析。唐巨鵬等[24]利用理論分析和室內(nèi)試驗方法，獲得了鉆屑量與鉆桿直徑間的拋物線規(guī)律。上述現(xiàn)場測試和室內(nèi)試驗表明了大孔徑鉆屑法的可行性與實用性，也為其他礦井的不同孔徑鉆屑法檢測提供了借鑒。在沖擊地壓礦井中，卸壓鉆孔也是必須施工的一類大直徑鉆孔，劉金海等[25]論述了大直徑卸壓鉆孔主要通過強(qiáng)排煤粉實現(xiàn)“降模增變”和“耗能增阻”，達(dá)到卸壓解危目的。鑒于大直徑卸壓鉆孔強(qiáng)排粉特征，且鉆孔深度大于鉆屑法，也可用于沖擊地壓煤層的鉆屑檢測分析。

目前鉆屑法常采用袋子或小桶收集煤粉，然后利用手持電子秤稱重，該方法操作簡單，比較適合煤粉量少的鉆孔。當(dāng)煤粉量大時，稱重工作量明顯增加，嚴(yán)重影響鉆屑法施工效率。耿村礦42 mm 鉆孔煤粉量多為2～4 kg/m，而75 mm 鉆孔煤粉量為5～8 kg/m，部分孔段超30 kg/m，煤粉量明顯增大[23]。已有研究表明，在進(jìn)行大直徑鉆孔鉆粉法測試時，現(xiàn)有現(xiàn)場測試與理論研究已驗證其可行性，并為鉆粉率指數(shù)確定提供了依據(jù)，而影響其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵是煤粉量的高效稱重測量。因此，本文根據(jù)鉆孔排粉特征，研發(fā)了煤層鉆孔鉆進(jìn)煤粉自動測量方法，利用室內(nèi)試驗和現(xiàn)場測試驗證了該方法的測試準(zhǔn)確性和有效性。

1 煤粉自動測量原理與方法

1.1 自動測量原理

筆者團(tuán)隊也進(jìn)行了44，76 和150 mm 孔徑的鉆屑法測試，如圖1 所示。對于150 mm 的大直徑卸壓鉆孔，其煤粉量為10～60 kg/m，部分應(yīng)力異常區(qū)能達(dá)186 kg/m，利用容量17 kg 的小桶稱重時，需要進(jìn)行12 次稱重，勞動強(qiáng)度大、工作效率低。

圖1 3 種孔徑鉆屑法測試Fig.1 Test of drilling-cuttings in three diameter boreholes

鉆屑法施工過程中，鉆頭破煤產(chǎn)生的煤粉，在鉆桿作用下以散體形式在孔口自動流出。假設(shè)t時刻孔口處煤粉瞬時流量為Qt，孔內(nèi)單位長度上煤粉質(zhì)量為mt，對應(yīng)煤粉流速為vt，則t1～t2時間段內(nèi)煤粉總質(zhì)量M可表示為

式(1)表明，孔口排出的煤粉總質(zhì)量與某時刻單位長度上煤粉質(zhì)量mt和煤粉流速vt成線性關(guān)系，當(dāng)某一個參量為定值時，可以僅通過監(jiān)測另一個參量來獲得煤粉總質(zhì)量M。煤粉質(zhì)量mt可以利用稱重傳感器獲得，而煤粉流速vt監(jiān)測較困難。且受鉆桿轉(zhuǎn)速等因素影響，孔口處的煤粉流速vt為不斷變化的。因此，利用式(1)自動測量煤粉質(zhì)量時，需要解決2 個問題：①某時刻單位長度上煤粉質(zhì)量mt實時監(jiān)測；②保證煤粉質(zhì)量測點處煤粉流速vt近似不變。

1.2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述原理及技術(shù)問題，設(shè)計的煤粉自動測量裝置整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，該裝置由集粉裝置、稱重裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及固定機(jī)構(gòu)組成。主體結(jié)構(gòu)及作用如下。

圖2 煤層鉆孔煤粉自動測量裝置Fig.2 Automatic measuring device for drilling-cuttings of boreholes in the coal seam

1)集粉裝置。固定安裝于巷幫表面鉆孔開孔處，對鉆孔排出的煤粉進(jìn)行導(dǎo)流，可根據(jù)鉆孔孔徑選擇相應(yīng)尺寸規(guī)格。集粉裝置為三通圓筒結(jié)構(gòu)，下部傾斜圓筒的傾角大于煤粉休止角，集粉管道的水平圓筒直徑大于鉆桿直徑，允許鉆桿穿過的同時，集粉管道前端伸入鉆孔內(nèi)，保證不漏粉?？卓谂懦龅拿悍劢?jīng)集粉管道導(dǎo)流后，減小了煤粉流速及沖擊力劇烈變化對測量結(jié)果的影響。

2)稱重裝置。獨立固定于巷幫表面，對鉆孔排出的、經(jīng)集粉裝置導(dǎo)流的煤粉進(jìn)行實時稱重。稱重裝置的關(guān)鍵部件為稱重傳感器和稱重滑道，稱重滑道傾斜放置，位于集粉管道下開口處。煤粉自集粉管道流出后下落至傾斜放置的稱重滑道，稱重傳感器實時測量稱重滑道上煤粉質(zhì)量。

3)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實時采集和處理稱重傳感器的數(shù)據(jù)，并計算每根鉆桿鉆進(jìn)時排出的煤粉質(zhì)量。

1.3 測量分析方法

利用研發(fā)的鉆孔煤粉自動測量裝置，所測實時數(shù)據(jù)為某一時刻稱重滑道上煤粉質(zhì)量，等效于式(1)中的mt，將其定義為煤粉流動質(zhì)量Mf。受鉆桿轉(zhuǎn)速等因素影響，鉆孔孔口處煤粉流速vt波動較大，但集粉管道的導(dǎo)流作用可使下落至稱重滑道處的煤粉流速波動明顯減小，假定其不變時，則式(1)的煤粉質(zhì)量可表示為

式中：Ms為煤粉累加質(zhì)量，是t1～t2時間段內(nèi)煤粉流動質(zhì)量Mf的積分；f(Ms,M)為煤粉質(zhì)量標(biāo)定函數(shù)。

煤粉質(zhì)量標(biāo)定函數(shù)可以根據(jù)鉆孔煤粉質(zhì)量數(shù)據(jù)計算確定，流程如圖3a 所示，具體方法為

圖3 煤粉質(zhì)量標(biāo)定方法Fig.3 Calibration method of drilling-cuttings quality

1)施工標(biāo)定鉆孔。選擇巷幫一個或多個鉆孔作為標(biāo)定鉆孔，在鉆屑法監(jiān)測時，采用鉆孔煤粉自動測量裝置監(jiān)測煤粉流動質(zhì)量Mf，同時利用常規(guī)稱重法獲取煤粉實際稱重質(zhì)量Mw。

2)計算煤粉累加質(zhì)量。根據(jù)監(jiān)測得到的煤粉流動質(zhì)量–時間曲線(圖3b)，區(qū)分單桿鉆進(jìn)長度(一般為1 m)的煤粉量數(shù)據(jù)，將單桿鉆進(jìn)長度的流動質(zhì)量進(jìn)行加和，得到單桿鉆進(jìn)長度的煤粉累加質(zhì)量Ms。

3)確定標(biāo)定函數(shù)。將常規(guī)稱重法得到的單桿鉆進(jìn)時煤粉質(zhì)量Mw和累加質(zhì)量Ms進(jìn)行線性擬合(圖3c)，得到標(biāo)定函數(shù)f(Ms,Mw)。

煤粉質(zhì)量標(biāo)定函數(shù)確定后，當(dāng)煤粉自動測量裝置的測量參數(shù)不變時，可利用該標(biāo)定函數(shù)獲取同一條巷道或采區(qū)內(nèi)其他鉆孔的煤粉質(zhì)量，方法為：施工鉆孔時，利用鉆孔煤粉自動測量裝置監(jiān)測煤粉流動質(zhì)量，并計算單桿鉆進(jìn)長度的煤粉累加質(zhì)量Ms；將煤粉累加質(zhì)量Ms與標(biāo)定函數(shù)f(Ms,Mw)相乘，即可得到煤粉實際質(zhì)量。

2 煤粉測量準(zhǔn)確度驗證

2.1 試驗方案

現(xiàn)場鉆屑法施工過程中，受不均勻分布的煤體應(yīng)力影響，孔口排出的煤粉流量及粒徑是不斷變化的，使用常規(guī)稱重法時，上述因素不會影響煤粉質(zhì)量稱重結(jié)果。由于所研發(fā)的鉆孔煤粉自動測量裝置監(jiān)測獲得的直接數(shù)據(jù)是煤粉流動質(zhì)量，該流動質(zhì)量與煤粉流量、粒徑等相關(guān)。因此，為檢驗煤粉自動測量裝置的有效性及準(zhǔn)確性，綜合考慮工程和裝置因素，設(shè)計了4 種室內(nèi)試驗方案，4 種方案的變量分別為采樣頻率、稱重滑道傾角、煤粉流量、煤粉粒徑，具體驗證方案見表1。設(shè)置每類驗證方案共進(jìn)行5 次煤粉測量，煤粉質(zhì)量分別為1.0、1.4、1.8、2.2、2.6 kg。室內(nèi)試驗主要通過對比稱重質(zhì)量Mw和累加質(zhì)量Ms的函數(shù)關(guān)系、稱重質(zhì)量Mw和測算質(zhì)量Mc間的相對誤差來進(jìn)行準(zhǔn)確度檢驗。

表1 煤粉測量室內(nèi)試驗方案Table 1 Laboratory test schemes of drilling-cuttings measurement

需要說明的是，為了避免煤粉揚塵等問題，試驗所采用的材料是沙粒，試驗結(jié)論也適用于煤粉。同時，為了便于與工程對應(yīng)，正文撰寫中用煤粉代替沙粒。

2.2 采樣頻率的影響

不同采樣頻率下煤粉質(zhì)量標(biāo)定曲線及測量誤差如圖4 所示。煤粉自動測量裝置所得到的煤粉累加質(zhì)量與實際稱重質(zhì)量呈明顯線性關(guān)系，且線性擬合函數(shù)的R2大于0.999。隨著采樣頻率的增加，煤粉流動質(zhì)量數(shù)據(jù)量增多，相應(yīng)的煤粉累加質(zhì)量增加，此時累加質(zhì)量和稱重質(zhì)量間的擬合曲線斜率減小。對比發(fā)現(xiàn)，6.25、12.5 和25 Hz 頻率下煤粉質(zhì)量測量誤差最大值為1.20%，誤差均值分別為0.534%、0.218%和0.247%，誤差很小，表明采樣頻率主要影響標(biāo)定函數(shù)，對測量誤差影響很小。

圖4 不同采樣頻率下的測試結(jié)果Fig.4 Testing results at different sampling frequencies

現(xiàn)場測試時，鉆屑法施工單個鉆孔時長約為30 min，大直徑卸壓鉆孔施工時長超過60 min。采樣頻率過高則會導(dǎo)致數(shù)據(jù)量劇增，采樣頻率過低則可能會造成數(shù)據(jù)漏采。因此，現(xiàn)場測試時，應(yīng)保證采樣間隔小于煤粉流經(jīng)稱重滑道的時長(即稱重滑道長度與煤粉流速的比值)，建議采樣頻率保持在10 Hz 以上。

2.3 稱重滑道傾角的影響

不同稱重滑道傾角下煤粉質(zhì)量標(biāo)定曲線和測量誤差如圖5 所示。煤粉自動測量裝置所得到的煤粉累加質(zhì)量與稱重質(zhì)量呈線性關(guān)系，且R2大于0.999。隨著稱重滑道傾角的增加，稱重滑道上煤粉流速增加，采集得到的煤粉流動質(zhì)量數(shù)據(jù)量減少，相應(yīng)的煤粉累加質(zhì)量減小，此時累加質(zhì)量和稱重質(zhì)量間的擬合曲線斜率減小。對比發(fā)現(xiàn)，30°、45°和60°傾角下煤粉質(zhì)量測量誤差最大值為1.09%，誤差均值分別為0.44%、0.218%和0.435%，誤差很小，表明稱重滑道傾角主要影響標(biāo)定函數(shù)，對測量誤差影響很小?？紤]到現(xiàn)場測試中，煤粉中會含有一定的水分，稱重滑道傾角過小時，會發(fā)生煤粉與稱重滑道黏連現(xiàn)象，影響測試結(jié)果。因此，考慮到煤粉休止角約為40°[26]，稱重滑道傾角應(yīng)大于煤粉休止角，建議工程應(yīng)用中的稱重滑道傾角設(shè)定為45°，針對具體工況可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

圖5 不同稱重滑道傾角下的測試結(jié)果Fig.5 Testing results at different dip angels of the weighing slideway

2.4 煤粉流量與粒徑的影響

工程現(xiàn)場鉆屑法測試時，受鉆桿轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)速度、煤體應(yīng)力等因素影響，煤粉流量和粒徑是不斷變化的，且是不可控因素，為了分析不可控的工程因素下的煤粉自動測量裝置的有效性，將方案3 和方案4的測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，利用一個標(biāo)定函數(shù)進(jìn)行擬合，如圖6 所示。

圖6 不同煤粉流量與粒徑下的測試結(jié)果Fig.6 Testing results at different drilling-cutting flow velocities and particles sizes

隨著煤粉稱重質(zhì)量的增加，不同煤粉流量和粒徑下的煤粉累加質(zhì)量離散性逐漸增大，但此時煤粉累加質(zhì)量與實際稱重質(zhì)量仍呈明顯的線性關(guān)系，且R2大于0.992。隨著煤粉流量和粒徑的減小，煤粉質(zhì)量測量誤差隨之增大，如相同粒徑下，流量100 g/s 時誤差均值是0.55%，流量32 g/s 時誤差均值為3.09%。5 種煤粉流量和粒徑組合下煤粉質(zhì)量測量誤差最大值為6.1%，誤差均值為2.26%，雖然測試誤差相比方案1 和2 的誤差有較為明顯的升高，但對于工程現(xiàn)場而言，誤差仍在允許范圍內(nèi)。

綜上所述，煤粉自動測量裝置的測量參數(shù)、煤粉流量與粒徑對于質(zhì)量測試結(jié)果影響較小，主要影響標(biāo)定函數(shù)。對于同一條巷道或一個采區(qū)，當(dāng)自動測量裝置的測量參數(shù)(如采樣頻率、稱重滑道傾角)保持不變時，只需要進(jìn)行一次質(zhì)量標(biāo)定，利用確定的標(biāo)定函數(shù)即可準(zhǔn)確獲取同一條巷道或采區(qū)內(nèi)的鉆孔煤粉質(zhì)量。煤粉自動測量方法具有較高的準(zhǔn)確度，可適用于不同孔徑的鉆屑法測試。

3 工程現(xiàn)場實測

3.1 測試地點

為了檢驗煤粉自動測量裝置在現(xiàn)場鉆屑法測試過程中的準(zhǔn)確性與高效性，在唐口礦6310 工作面運輸巷進(jìn)行了現(xiàn)場測試。該工作面走向長度為840.5 m，傾斜長度為189.2 m，工作面煤層平均厚度9.5 m，最大埋深約950 m。工作面軌道巷鄰近6309 工作面采空區(qū)，運輸巷側(cè)為實體煤區(qū)域，工作面布置情況如圖7 所示。

圖7 唐口礦6310 工作面布置Fig.7 Layout of 6310 working face in Tangkou Mine

3.2 測試方案

本次現(xiàn)場測試重點研究煤粉自動測量裝置在現(xiàn)場鉆屑法中的適用性，并進(jìn)行大直徑卸壓鉆孔的煤粉測量。鉆屑法鉆孔直徑44 mm，深度14 m，所采用的鉆機(jī)為手持氣動式鉆機(jī)。大直徑卸壓鉆孔直徑180 mm，深度25 m，所采用的鉆機(jī)為ZQLC–1 250/12.4S 氣動履帶式鉆機(jī)。煤粉自動測量裝置的稱重傳感器量程為300 g，精度0.01 g，采樣頻率12.5 Hz，稱重滑道傾角45°。

本次測試共布置了2 個測區(qū)，設(shè)計了3 個測試方案，如圖8 所示。①方案1：在1 號測區(qū)布置6 個鉆屑法鉆孔(編號ZH)，間距2 m，同時采用常規(guī)稱重法與煤粉自動測量方法進(jìn)行煤粉稱重，檢驗煤粉自動測量裝置在現(xiàn)場應(yīng)用中的準(zhǔn)確性。②方案2：在2號測區(qū)布置6 個鉆屑法鉆孔，其中3 個鉆孔(編號CG)只采用常規(guī)稱重法測量煤粉質(zhì)量，另3 個鉆孔(編號ZD)只采用煤粉自動測量方法測量煤粉質(zhì)量，兩類方法的鉆孔間隔布置，進(jìn)行鉆屑法時同步記錄施工時間，對比研究煤粉自動測量裝置的施工效率。③方案3：在1 號測區(qū)布置5 個大直徑卸壓鉆孔(編號DZJ)，間距2 m，利用煤粉自動測量裝置對大直徑卸壓鉆孔進(jìn)行煤粉測量，并與鉆屑法鉆孔測量結(jié)果對比，檢驗大直徑卸壓鉆孔煤粉測量的實用性。

圖8 6310 工作面運輸巷鉆孔布置Fig.8 Layout of boreholes in the belt transport roadway of 6310 Working Face

3.3 鉆屑法測試結(jié)果

1 號測區(qū)鉆屑法鉆孔煤粉質(zhì)量測量結(jié)果如圖9所示。以ZH–1 鉆孔為例，測試過程中的煤粉流動質(zhì)量分段明顯，波峰對應(yīng)鉆桿的鉆進(jìn)階段，波谷則對應(yīng)接續(xù)桿階段，可以根據(jù)波形分段來確定鉆進(jìn)時長和接桿時長。鉆桿鉆進(jìn)時，受煤體應(yīng)力、鉆機(jī)性能、工人操作方式等影響，煤粉流動質(zhì)量是波動變化的，且隨著鉆進(jìn)深度的增加，煤粉流動質(zhì)量峰值和鉆進(jìn)時長都有明顯的增加趨勢。

圖9 1 號測區(qū)現(xiàn)場測試結(jié)果Fig.9 Field testing results in No.1 testing zone

對1 號測區(qū)6 個鉆屑法鉆孔的煤粉稱重質(zhì)量和累加質(zhì)量進(jìn)行擬合，可得到標(biāo)定曲線及標(biāo)定函數(shù)，如圖9b 所示。煤粉自動測量裝置所測煤粉累加質(zhì)量與稱重質(zhì)量呈明顯的線性關(guān)系，擬合函數(shù)R2大于0.976。利用標(biāo)定函數(shù)可獲得1 號測區(qū)6 個鉆孔的煤粉測算質(zhì)量，并將其與常規(guī)稱重法測試結(jié)果進(jìn)行對比，具體數(shù)據(jù)見表2。自動測量法得到的測算質(zhì)量最大誤差小于20%，平均誤差為5.13%，誤差在10%以下的數(shù)據(jù)量占比86.91%，對于工程現(xiàn)場而言，該誤差在允許的范圍內(nèi)，因此煤粉自動測量裝置可以實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的現(xiàn)場煤粉監(jiān)測。

表2 1 號測區(qū)鉆屑法鉆孔煤粉質(zhì)量測試結(jié)果Table 2 Quality of drilling-cuttings in No.1 testing zone

2 號測區(qū)鉆孔施工時長的測試結(jié)果見表3，對比2 種方法的鉆進(jìn)時長與接桿時長，常規(guī)稱重法測試時每米鉆進(jìn)時長平均值為57.2 s、接桿時長平均值為44.6 s，自動測量法測試時每米鉆進(jìn)時長平均值為55.9 s、接桿時長平均值為33.4 s。相比于常規(guī)稱重法，利用煤粉自動測量裝置測量時，在接桿階段去除了人工稱重、裝卸煤粉等工序，接桿時長減少了25.16%，整體施工效率提升了11.84%。因此，煤粉自動測量方法在保證測量準(zhǔn)確性的同時，可以提高鉆屑法施工效率，減少工作量。

表3 2 號測區(qū)鉆屑法施工的鉆進(jìn)時長與接桿時長Table 3 Time of drilling process and drilling pipe installation process in No.2 testing zone

3.4 大直徑鉆孔測試結(jié)果

1 號測區(qū)所測鉆屑法鉆孔與大直徑卸壓鉆孔煤粉量分布如圖10 所示。對于鉆屑法鉆孔，在1～5 m范圍內(nèi)，煤粉量較少，巷幫淺部為低應(yīng)力區(qū)；在更深范圍內(nèi)煤粉量逐漸增大，且由于煤體非均質(zhì)等特征影響，煤粉量波動變化明顯，在12、14 m 深度處存在多個峰值區(qū)，為高應(yīng)力集中區(qū)。對于大直徑卸壓鉆孔，煤粉量明顯增多，在1～14 m 范圍內(nèi)，煤粉量分布規(guī)律類似于鉆屑法，表明大直徑卸壓鉆孔的煤粉量可以作為分析煤體應(yīng)力分布的數(shù)據(jù)。由于大直徑卸壓鉆孔深度超過鉆屑法，也可以分析確定巷幫更深位置處的煤體應(yīng)力情況。在15～25 m 范圍內(nèi)，煤粉量呈逐漸上升趨勢。由于巷幫深部煤體處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，受開挖卸荷擾動影響小，煤粉量增加趨勢相對平緩、穩(wěn)定。

圖10 鉆孔煤粉量分布對比Fig.10 Distribution comparison of drilling-cuttings

3.5 討 論

煤粉自動測量方法的關(guān)鍵監(jiān)測數(shù)據(jù)是煤粉流動質(zhì)量，只要煤粉能保持流動狀態(tài)流經(jīng)稱重滑道、且與稱重滑道不黏連，則測量準(zhǔn)確度可以滿足需求。因此，該方法可以適用于測量環(huán)境濕度較高的情況，但需要調(diào)整稱重滑道傾角、并提前做好措施防止煤粉與稱重滑道黏連。但考慮到煤粉含水過多會影響鉆屑法檢測的評價結(jié)果，因此，建議選擇相對干燥處進(jìn)行鉆屑法檢測。

鉆屑法鉆孔和大直徑卸壓鉆孔是沖擊地壓礦井必須施工的2 類鉆孔，一個用于檢測高應(yīng)力集中區(qū)及沖擊危險程度，另一個用于高應(yīng)力區(qū)卸壓，2 類鉆孔施工量較大，如唐口礦每月施工鉆屑法鉆孔約1萬m、卸壓鉆孔約3 萬m。已有研究表明利用大直徑鉆孔進(jìn)行鉆屑法檢測是可行的[22-24]，而所提出的煤粉自動測量方法具有高準(zhǔn)確度、高效率、低勞動量等優(yōu)點，使大直徑鉆孔的鉆屑檢測在工程上具有可操作性，實現(xiàn)了大直徑鉆孔的強(qiáng)排粉卸壓–煤粉測量同步作業(yè)。

在工程應(yīng)用中，需要注意的是，大直徑卸壓鉆孔的鉆屑法不能代替常規(guī)孔徑鉆屑法，但可以作為沖擊危險性檢測的輔助手段，減少鉆屑法鉆孔的施工量。與低擾動的小孔徑鉆屑法不同，大直徑卸壓鉆孔通過強(qiáng)排粉達(dá)到卸壓解危目的，施工后煤體應(yīng)力會調(diào)整，大直徑鉆孔所測煤粉量為卸壓前的數(shù)據(jù)，反映的是卸壓前的煤體應(yīng)力分布。因此，在確定大直徑鉆孔的鉆粉率指數(shù)及臨界指標(biāo)時，不僅要考慮孔徑因素，同時也要考慮卸壓效果，綜合上述因素才能合理確定鉆粉率指數(shù)。當(dāng)利用大直徑卸壓鉆孔進(jìn)行鉆屑檢測時，煤粉量超過臨界值或發(fā)生動力效應(yīng)時，待鉆孔卸壓發(fā)揮效果后進(jìn)行常規(guī)鉆孔鉆屑法檢測，當(dāng)檢測仍存在沖擊危險后，進(jìn)行加強(qiáng)卸壓施工。

4 結(jié) 論

1)煤粉流動質(zhì)量的累加值與實際質(zhì)量呈線性關(guān)系，具體標(biāo)定函數(shù)與測量裝置的稱重滑道傾角、采樣頻率等相關(guān)，煤粉流量、煤粉粒徑等不可控的工程因素對測量準(zhǔn)確性影響較弱。

2)與常規(guī)稱重法相比，在常規(guī)孔徑鉆屑法測試中，煤粉自動測量方法的室內(nèi)測量最大誤差小于6.5%，現(xiàn)場測試中誤差均值為5.13%，誤差小于10%的數(shù)據(jù)占比86.91%，且整體施工效率提升了11.84%，在保證測量高準(zhǔn)確度的同時，降低了勞動量。

3)煤粉自動測量方法可以實現(xiàn)對大直徑卸壓鉆孔的煤粉量測試，鉆孔淺部煤粉量分布規(guī)律與常規(guī)孔徑鉆屑法一致，同時可獲得更深處巷幫煤粉量分布。