基于矿用钻孔成像仪的孔壁模拟实验装置研制

李金波，许兴亮，2，张崇礼，杨长德，常治国，张伟光

（1.新疆工程学院矿业工程与地质学院，乌鲁木齐 830000；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116）

0 引言

矿用钻孔成像仪可用于探测煤岩体的褶皱、断层、裂隙等地质构造；探测煤层及其顶板岩层的岩性；探测矿井巷道和回采工作面顶板离层状态；探测岩体锚杆钻孔和煤层瓦斯钻孔等钻孔质量。通过钻孔成像仪拍摄的钻孔孔壁照片与视频，利用系统软件生成的报告资料对煤岩地质体的岩性进行综合分析，获取煤岩地质体结构、构造等特点，为矿山巷道支护、围岩控制、灾害防治等提供参考依据［1-3］。

近几年，钻孔成像技术在煤矿煤层顶板岩层测试分析中得到不断推广和普及，大量现场测试研究证实了钻孔成像技术基本可以胜任对煤矿地质条件的调查分析与研究预判［4-9］。王川婴等［10］通过钻孔成像技术，以孔壁岩体的破碎程度为依据，建立了孔壁岩体完整性指数RMDI；李卫明等［11］基于钻孔摄影技术对水平钻孔节理裂隙发育特征进行了研究；于钟博等［12-14］通过钻孔成像技术对某矿井“两带”高度进行了实测研究，确定了垮落带高度和导水断裂带高度范围；王振广等［15］采用钻孔成像技术对云煤二矿采煤工作面顶板进行了多次现场实测，通过不同时间、相同位置的孔壁成像对比分析，确定了采动覆岩上方垮落带和导水断裂带发育高度和变化特征，计算得出垮落带和导水断裂带高度。

由此可见，掌握矿用钻孔成像仪工作原理与设备操作方法，开展相关煤岩体岩性分析进而为后续技术工作提供参考依据，是煤矿技术人员必备的一项基本技能。本文设计并研制一种基于矿用钻孔成像仪的钻孔孔壁模拟实验装置。

1 孔壁模拟实验装置基本要求

矿用钻孔成像仪通过拍摄、录制煤岩体钻孔孔壁图片与视频的形式，对井下未知的煤岩地质体钻孔所处位置的岩（煤）性质进行综合分析，进而达到窥视目的。因此，孔壁模拟实验装置要满足相应的功能条件，提供煤岩地质体不同的结构、构造等模拟效果，达到实验有效模拟目的，实现实验教学效果。结合设备功能和煤岩体基本性质，孔壁模拟实验装置的基本要求如下：

（1）煤矿地下开采空间为三维地质体，因此孔壁模拟装置应满足立体性。

（2）煤层埋藏于地下，从地表到深地分布有表土层、岩层、煤层以及岩层与煤层交互等不同地质体。因此，实验装置的孔壁模拟应做到多样性，能有效区分岩体、煤层、夹矸等各种地质结构体。

（3）地下岩体（煤层）在各种地质作用（如构造运动）下，常存在褶皱、断层、裂隙等不同程度发育，因此实验装置应具备模拟不同结构、构造的功能。

（4）地下岩体尤其是煤层的赋存状态不稳定，实验装置的孔壁应模拟出地质体（岩层或煤层）不同的走向、倾向、厚度等要素。

（5）孔壁模拟实验装置在具备上述较强的真实模拟仿真效果基础上，同时应具备可拆卸、可组装、可修复等可再利用性。

（6）实验装置应确保安全性，做到材料环保不危害学生身体健康、装置安全不损伤矿用钻孔成像仪。

2 孔壁模拟实验装置结构

基于矿用钻孔成像仪的孔壁模拟实验装置，由结构主体和辅助装置两大部分组成。孔壁模拟实验装置主体部分示意图与剖视图见图1 和图2。本文图中数字对应设备见表1。

图1 孔壁模拟装置主体结构示意图

图2 孔壁模拟装置主体结构剖视图

表1 图中数字对应设备名称

2.1 结构主体

孔壁模拟实验装置结构主体部分呈圆柱状结构，主要包含包括完整岩层孔壁层、裂隙岩层孔壁层、裂缝岩层孔壁层、破碎岩层孔壁层和急倾斜煤层系列孔壁层5 种不同钻孔模拟孔壁。模拟孔壁主体上端设置开口，开口由上向下依次穿过完整岩层孔壁层、裂隙岩层孔壁层、裂缝岩层孔壁层、破碎岩层孔壁层和急倾斜煤层系列孔壁层形成通孔。

实验装置主体结构由上到下的通孔，用以模拟矿井煤岩地质体的钻孔；由上而下的完整岩层孔壁层等系列孔壁模拟层用以模拟矿井岩层（煤层）钻孔对应的孔壁结构，其具有一定的立体性、多样性和仿真性。实践教学参与者可以使用矿井钻孔成像仪对孔壁层的结构、构造进行影像拍摄采集，进而对地质体岩性进行综合分析，为后续工作提供技术参考依据。

实验装置主体从上到下的5 层孔壁层通过黏贴剂紧密粘合连接，孔壁层之间紧密粘合、不留缝隙。黏合厚度较薄，避免相邻的孔壁层之间的黏贴剂层较厚而降低孔壁模拟装置的模拟效果。主体通孔的底部设置有封堵层，封堵层连接在通孔底部岩层的下端，将底部岩石层下端的开口封堵，形成上端敞口下端封堵的钻孔孔壁模拟结构，真实的模拟出井下实际钻孔的钻孔孔壁结构。

根据实验室空间及矿用钻孔成像仪的功能特点，考虑学生实验过程的便捷性与可操作性，设计孔壁模拟实验装置的完整岩层孔壁层、裂隙岩层孔壁层、裂缝岩层孔壁层、破碎岩层孔壁层以及急倾斜煤层系列孔壁层的长度均为250～350 mm；依据矿用钻孔成像仪探头的直径结构大小，设计通孔为圆形孔，直径为40～60 mm。各个孔壁层的长度适中，通孔的孔径适合，有利于实践教学活动的顺利开展。

2.2 辅助装置

2.2.1 结构组成

实验装置的辅助装置包括底板、支撑架、下压机构和锁紧机构等四部分组成。

（1）底板。用于支撑模拟孔壁主体。

（2）支撑架。连接在底板上且向上延伸，其内侧与底板之间形成可容纳孔壁层主体的容纳空腔，其结构示意图详见图3。

图3 支撑架结构示意图

（3）下压机构。下压机构可上下滑动，安装在支撑架上，且可伸入容纳空腔内，用于在竖直方向从上向下对放置在容纳空腔内的孔壁层进行施压；下压机构辅助装置对孔壁层进行施压的示意图详见图4。

图4 下压机构施压结构示意图

（4）锁紧机构。锁紧机构有多个，其在竖直方向间隔安装在支撑架上，用于对放置在容纳空腔内的孔壁层进行锁紧。

2.2.2 孔壁层连接

孔壁模拟实验装置结构主体的辅助装置上设计有底板和支撑架，支撑架的内侧与底板之间形成可容纳实验装置主体的容纳空腔。在进行制造孔壁模拟装置的过程中，将需要连接的第一段孔壁层放置在底板上，然后在第1 段孔壁层的上端面涂上黏贴剂，然后将需要连接在第1 段孔壁层上方的第2 段孔壁层放置在第1 段孔壁层的上端面，通过向下滑动下压机构对第2段孔壁层进行施压，使得孔壁层紧密粘合，然后通过锁紧机构对第2 段孔壁层进行锁紧，再松开下压机构且将下压机构向上滑动，以此类推完成5 段孔壁层有效稳固连接。

2.2.3 各辅助装置结构与连接方式

支撑架包括两类不同立柱，分别为立柱1 与立柱2。立柱1 与立柱2 连接在底板上且竖直向上延伸。

锁紧机构上下滑动安装在多根立柱1 之间，便于通过将锁紧机构上下滑动来调节锁紧机构的位置，对多个孔壁层进行锁紧；立柱2 位于相邻的两根立柱1之间，下压机构上下滑动安装在立柱2 上，便于对下压机构上下滑动，有利于在将多个孔壁层进行粘合连接的过程中实现对不同孔壁层进行施压。

锁紧机构包括圆环形支撑座和锁紧件。①圆环形支撑座上设有滑动凸块，滑动凸块安装在滑槽内上下滑动，实现对锁紧机构进行上下滑动；②圆环形支撑板上连接有多个锁紧件，锁紧件对容纳空腔内的孔壁层进行锁紧。圆环形支撑座示意图详见图5。

图5 圆环形支撑座结构示意图

下压机构包括滑块、水平支撑板、旋紧件、施压板等。滑块上设有滑动安装部，滑动安装部安装在滑槽内通过锁紧件连接在立柱2 不同高度位置上；水平支撑板连接在滑动安装部上，向容纳空腔内水平延伸形成延伸端；旋紧件适配螺纹连接在螺纹孔内，通过旋紧件对放置在容纳空腔内的孔壁层进行施压；施压板连接在旋紧件的下端，位于容纳空腔内，用于对孔壁层进行施压，施压板的底部连接有弹性垫，用以提高施压板对孔壁层进行施压的平衡性以及可靠性。

2.2.4 孔壁模拟结构

主体位于辅助装置内的结构示意图和俯视图详见图6 和图7。

图6 孔壁模拟实验装置（完整）示意图

图7 孔壁模拟实验装置（完整）俯视图

3 孔壁模拟实验装置的使用

在“矿用钻孔成像仪使用”实验操作的实践教学活动中，按照实验仪器正常使用步骤与方法进行相关实验。首先安置好孔壁模拟实验装置，然后连接好钻孔成像仪的视频输入线、深度脉冲线，将深度编码器有序连接，再开启钻孔成像仪，使用推杆将摄像探头缓缓推入孔壁模拟实验装置的钻孔中，最后将录制的影响资料拷贝到计算机里进行综合分析。

4 结语

孔壁模拟实验装置的设计与研制，在一定程度上达到了仿真井下煤岩地质体钻孔的效果，使学生在实验操作过程中能够模拟探测地质体结构、构造的每一个过程，实现了从观看演示性实验到动手操作设计性实验的进步，对提高学生掌握钻孔成像仪操作技能具有一定帮助，对应用型人才培养具有积极促进作用。同时，模拟装置结构简单，不具备随时变化性，与井下动态的煤岩地质体结构、构造实际相比还有很大差距，再加上实验室模拟实验与井下施工环境的巨大差别，难以实现完全达到井下真实环境的实验效果，因此，更高标准的模拟实验装置设计研制工作有待进一步探索和研究。