钻屑法预测围岩冲击危险预测技术实践

韩树标 赵根喜

【摘要】本文介绍了运用煤峪口矿钻屑法施工来预测矿井围岩冲击危险，解决了矿井安全生产所面临威胁，取得了积极的效果，收到了良好的社会和经济效益，为矿井的健康发展奠定了基础。

【关键词】钻屑法预测冲击危险实践

1.引言

煤峪口矿是一个具有近百年开采历史的老矿井，随着时间的推移，井田范围内的11～12#层307盘区已全部开采完，同时14#层8702、8705、8704、8707也已结束开采，所以盘区西部巷道矿压显现相对比较明显，表现为盘区集中压力大，动压显现破坏频繁发生，如何做好动压显现的预测预报，就成为矿井安全生产所面临的一个重要任务，为此我矿充分依靠现代科技，从实际出发，运用钻屑法施工技术，成功解决了我矿围岩冲击危险预测，收到了良好的效果。

2.研究方法

根据煤峪口矿实际情况，确定回采工作面冲击地压监测方法采用钻屑法。

2.1.钻屑法机理

钻屑法是通过在煤层中钻小直径钻孔，当钻孔进入煤体高应力区时，钻进过程呈现动态特征，孔壁煤体部分可能突然挤入孔内，并伴有振动、声响或微冲击等现象，单位长度排出的煤粉量大于正常量，钻屑粒度增大，可能出现卡钻现象。为了及时客观地评价采掘地点的冲击危险程度，必须适时确定支承压力带峰值大小和位置。但是直接测定煤层应力相当困难，尚没有可靠方法。一般采用相对评价的方法，对处于极限应力状态的边缘区进行钻进，研究钻进过程中的动态效应与煤体应力之间的关系，从而判定冲击危险性。

2.2.施工方法

2.2.1.钻屑法檢验始终超前工作面煤壁20-40m，钻孔每帮布置一个，直径42mm，长度20米，钻孔间距2m，从钻进第2米时开始称重。

2.2.2.监测钻孔应布置在距巷道底板1.2-1.5m处的煤层内，巷道两帮监测钻孔要垂直于巷道壁、平行于煤层布置，钻头直径42mm。

2.2.3.煤粉监测使用ZQJ-160钻机和分节麻花钻杆，钻进速度要均匀，推力和钻孔成一条直线，每1～2分钟钻进1m。

2.2.4.做好现场记录，按称重系统说明书记录。判定工作面有冲击危险，采取卸压措施。

2.2.5.施工机具

施工机具包括：ZQJ-160气动钻机：1台；钻杆：插销式麻花钻杆，每节长1.0m，20节；称重系统；

2.2.6.人员配备

工程技术人员2名，钻机工人2名；安科公司技术人员2名。

2.2.7.工作流程

2.2.7.1.在巷道两帮钻孔，并依次标定孔1、孔2、孔3……；

2.2.7.2.连接钻头、钻杆，最后打钻；

2.2.7.3.打完第1 m后，将称重系统放在孔口下方，开始收集煤粉；

2.2.7.4.自第2m开始，每钻进1m用称重系统收集一次煤粉，并进行称重记录。称重前将自煤壁顶板掉入煤粉中的大块碎煤等杂物挑选出去再进行称重。直至钻进20m，共收集称重4份煤粉；

2.2.7.5.重复步骤以上第2～4步。

2.3.冲击危险性检验过程

通过分别在该区域进行的煤粉检验钻测试钻孔，发现5706顺槽的钻屑量很少且无伴随的动力现象，冲击危险性较低。最终确定在4#导向点972.531左右两侧一共施工5个钻孔，具体孔口位置以方便操作为宜。钻孔从5706顺槽由内到外的方向对钻孔进行编号，分别为H01～H05。

2.3.1.钻孔参数

钻孔深度10m，钻孔直径42mm，孔口高度距底板1m左右，平行于煤层施工，保证始终在煤层内钻进。

2.3.2.钻屑量数据

施工钻孔的同时，使用手持式记录仪对钻孔钻进过程中的每米钻

屑量进行自动称量并对伴随的动力现象进行统计。

2.3.3.数据分析

将手持式采集仪内的钻孔数据导入至地面电脑内，利用配套研发的煤矿动力灾害危险性自动分析软件进行数据分析。

2.3.3.1.煤粉量分析

点击煤矿动力灾害危险性自动分析软件的多孔分析按键，选择煤粉量分析功能，软件自动将5个钻孔的煤粉量曲线进行汇总并对比。

由煤粉量分析可看出，本次施工的5个钻孔中，煤粉量超标的有钻孔H02的第2m，钻孔H01的第8m，钻孔H03和H04的第10m，钻孔H05的第8-10m。

根据现场实际情况，钻孔H02的钻进过程中是由于工人对新钻机不太熟悉，钻头角度在反复调整，导致该进尺过程中的煤粉量高于标准值，该数据无分析价值。

钻孔H01的第8m煤粉量超标，且在钻进过程中出现卡钻现象，说明该位置附近的应力集中较其他区域明显。随后施工的第9和第10m煤粉量恢复到正常值范围内且无动力现象发生，该钻孔一直未见大颗粒煤粉出现，可以判断该施工位置的第8m附近存在应力集中现象，但并不严重。钻孔H03和H04的第10m也是类似情况。

钻孔H05的第8-10m明显煤粉量超标，且第7-10m一直伴随有卡钻和顶钻现象发生，说明该钻孔位置的8-10m处应力集中明显。

2.3.3.2.动力现象分析

选择软件的动力现象分析功能可以看出，钻孔H01的第8m存在卡钻现象；钻孔H02的第2m存在卡钻现象，第7m存在吸钻现象；钻孔H03的第1m存在煤炮现象，第2m存在卡钻现象，第5m存在顶钻现象，第10m存在卡钻现象；钻孔H04的无动力现象；钻孔H05的第7-10m存在卡钻现象，第8m同时存在顶钻现象。

通过动力现象的分析对比，可以明显看出钻孔H01和H05的伴生动力现象较为明显。

2.3.3.3.综合分析

综合煤粉量和动力现象的分析结果，对本次施工的5个钻孔进行综合评价可看出，钻孔H02的第2m为黄色预警，钻孔H05的第8和10m为黄色预警。结合上述分析可知，H02的第2m存在较大的人为因素干扰，所以可忽略不计。

3.结论

通过在5706顺槽导向点972.531附近施工了5个煤粉检验钻孔，并使用手持式采集仪对钻孔数据进行了实时自动采集。利用本次项目配套研发的煤矿动力灾害危险性自动分析软件，将钻孔数据进行汇总并分别针对煤粉量和动力现象逐个分析，最终发现钻孔H05的第8-10m存在应力集中现象，处于黄色预警状态，应对该区域进行重点监控，并采取适当的卸压措施。

4.推广应用前景及存在的问题

4.1.分类完成灾害检验与治理各项关键数据的自动化采集和整理，通过现场和实验室实验，对相关技术细节进行试验，在单项技术试验成功的基础上，再进行整体合成。

4.2.同步进行理论研究，对检验参数与灾害危险性之间的内在关系进行深入研究，建立明确可靠的理论关系，为检验钻机的智能化灾害判别、治理钻机的智能化钻凿参数即时优化提供理论依据，并据此编制相应的应用软件。

基于钻屑法研究煤矿动力灾害危险性是最常用的基本方法，也是采用检验钻判别灾害危险性的主要依据，其参数指标包括打钻过程中单位进尺排出的煤粉重量以及顶钻、卡钻、吸钻和煤炮频次。通过对各参数的理论计算，可实现对冲击危险性的判别与预警。传统钻屑法数据的获取和危险性判别主要靠人工完成，主观因素影响过大，智能化软件的编制应用即可有效克服这种缺陷，真正实现动力灾害危险性判别与预警的智能化、规范化和标准化。