专利名称：一种冲击地压的预测方法
技术领域：
本发明涉及一种矿山冲击地压或岩爆的预测方法。
背景技术：
冲击地压又称岩爆，是指井巷或工作面周围岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而突然产生剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。它具有很大的破坏性，是煤矿重大灾害之一。冲击地压发生之前都有预兆，主要表现为:周期来压显现剧烈，切眼煤墙片帮，上下端头冒顶，顶板下沉速度增大；打卸压炮、卸压孔时存在卡钻和吸钻现象。一般情况下，冲击地压发生在采掘工作面的应力集中区。它的峰值越大，峰值位置距离煤壁越近，发生冲击地压的危险性越大。冲击地压发生前煤岩变形停滞，顶底板移动速度变缓，煤由工作面压出也变缓。受到压缩的煤层和发生变形的顶、底板以弹性变形的方式承受高压，并积存大量变形能。通过监测变形能变化引起的声发射和微震活动，就可能推断冲击危险程度。积存能量多，冲击危险性就大。如果是多次释放，则释放的规模小。如果是一次集中释放，则冲击强烈。冲击地压的预测方法，除了以往的经验类比法外，大致可以分为两类。一类是以钻屑法为主的局部探测法，包括煤岩体变形观测法、煤岩体应力测量法、流动地音检测法、岩饼法等。这类方法主要用于探测采掘局部区段的冲击危险程度，并且简单易行、直观可靠，已经得到广泛应用。但这类方法的缺点是预测工作在时间、空间上不连续，费工费时。第二类是系统监测方法，包括地音系统监测法和微震系统监测法，以及其他地球物理方法，如:电磁辐射、地温、地磁等。该类方法根据连续记录煤岩体内出现的动力现象预测冲击地压危险状态。所依据的基本条件是岩体结构的危险破坏过程，是以超前出现的一系列物理现象为信息。这类方法可以实现在空间和时间上的连续监测。但采用此方法维护管理较困难，分析数据和判定煤岩体的力学状态难度较大，需要经过长期试验，积累大量经验数据才可准确预测。因此，开发一种冲击地压钻杆动参数预测方法，在钻孔时采用拾振装置将这些振动现象记录下来，便可根据些振动现象的特征值判断是否有冲击危险性。或者将拾振装置采集到的信号作为钻屑法监测冲击矿压的主要指标从而提高钻屑法预测精度，对于提高煤矿安全预警度意义明显。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种准确度高的冲击地压的预测方法。本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤:
I)连接检测装置:将三维拾振连接套的一端固接在钻杆上，确认三维拾振连接套与信号收发机间的信号收发送正常后，再将三维拾振连接套的另一端与煤电钻套接，开启煤电钻试运转；
所述三维拾振连接套由三维加速度传感器和三维加速度传感器两端的连接装置I和连接装置II固定连接组成，所述三维加速度传感器的外壳上固接有无线射频收发芯片；信号收发机的外壳上固接有无线射频收发芯片，所述的连接装置I与煤电钻套接，连接装置II与钻杆固接。2)预钻孔:在非高应力集中区预钻孔Im并收集煤粉量，记录钻孔Im所需的时间，将该时间除以15取整得到频谱曲线输出间隔时间钻孔时三维加速度传感器同步采集钻进时钻杆的三维振动情况，三维加速度传感器外壳上固定的无线射频收发芯片I将三维加速度传感器采集到的三向加速度信号传输到带有无线射频收发芯片II的信号收发机上存储，存储在信号收发机上的数字信号经信号收发机上的频谱模块频谱变换后得到数字信号的主振频率并形成振动频谱曲线。3)钻孔与信号采集:启动钻机钻孔，钻孔时三维加速度传感器同步采集钻进时钻杆的三维振动，将三向加速度信号通过无线射频收发芯片I传输到信号收发机上存储，每间隔时间^输出一个频谱曲线，记录每个频谱曲线的前8阶主振频率，输出每阶主振频率随时间或钻孔深度变化曲线；每钻孔Im后停止钻进，并收集煤粉量。4)冲击地压的预测:对于没有冲击地压的正常钻进，钻杆的纵向振动和横向振动相当于两端简支的梁振动力学模型，而当卡钻时，相当于在梁中某点增加一个中间支座限制该点的径向位移，则卡钻时的横向振动频率会明显增加，即在“横向振动频率-钻孔深度”曲线表现出畸变；而当发生钻孔冲击时，钻杆纵向振动的端部条件发生改变，则钻孔冲击时的纵向振动频率也会明显增加，即在“纵向振动频率-钻孔深度”曲线同样表现出畸变；
因此，根据步骤3)中主振频率随时间或钻孔深度变化曲线的畸变点个数可预测煤层的冲击地压倾向性，再结合钻屑量和步骤2)预钻孔时所得到的振动频谱曲线综合预测冲击地压。进一步的，步骤I)中所述的加速度传感器采用内置电荷放大器的压电式加速度传感器，钻杆采用麻花钻杆，煤电钻采用在高应力煤体中钻￠42飞Omm钻孔时所需的煤电钻。本发明的有益效果是:根据钻屑量、钻杆横向主振频率和钻杆纵向主振频率等三个参数来预测煤体的冲击趋向性，将钻屑法中的辅助参数(吸钻、卡钻和钻孔冲击现象)数字化，避免了钻屑法施工中因操作人员漏记而造成对冲击地压漏判现象；同时，将钻进时钻杆振动的主振频率作为主要预测参数，大大提高了冲击地压预测的准确性。
图1是本发明方法所采用装置的结构图。图中:1、煤电钻，2、三维拾振连接套，3、麻花钻杆，4、钻头，5、无线射频收发芯片I
，6、信号收发机，7、无线射频收发芯片II，21、连接装置I，22、三维加速度传感器，21、连接
装置II。
具体实施例方式下面结合 附图1和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。一种冲击地压的预测方法，其步骤如下:
I)连接检测装置:将三维拾振连接套2的一端固接在钻杆3上，确认三维拾振连接套2与信号收发机6间的信号收发送正常后，再将三维拾振连接套2的另一端与煤电钻I套接，开启煤电钻I试运转；
所述三维拾振连接套2由三维加速度传感器22和三维加速度传感器两端的连接装置I 21和连接装置II 23固定连接组成，所述三维加速度传感器22内设有有无线射频收发芯片I 5 ;信号收发机6内设有无线射频收发芯片II 7，所述的连接装置I 21与煤电钻I套接，连接装置II 23与钻杆3固接；
所述的加速度传感器22采用内置电荷放大器的压电式加速度传感器，钻杆3采用麻花钻杆，煤电钻采用在高应力煤体中钻￠42飞Omm钻孔时所需的煤电钻。2)预钻孔:在非高应力集中区预钻孔Im并收集煤粉量，记录钻孔Im所需的时间，将该时间除以15取整得到频谱曲线输出间隔时间钻孔时三维加速度传感器22同步采集钻进时钻杆3的三维振动情况，三维加速度传感器22外壳上固定的无线射频收发芯片I 5将三维加速度传感器22采集到的三向加速度信号传输到带有无线射频收发芯片II 7的信号收发机6上存储，存储在信号收发机6上的数字信号经信号收发机上的频谱模块频谱变换后得到数字信号的主振频率并形成振动频谱曲线。3)钻孔与信号采集:首先根据采高的3.5倍取整确定钻孔深度并准备钻杆及螺纹型连接套，一切准备就绪后启动钻机钻孔，钻孔时三维加速度传感器22同步采集钻进时钻杆的三维振动，将三向加速度信号通过无线射频收发芯片I 5传输到信号收发机6上存储，每间隔时间^输出一个频谱曲线，记录每个频谱曲线的前8阶主振频率，输出每阶主振频率随时间或钻孔深度变化曲线；每钻孔Im后停止钻进，并收集煤粉量；
4)冲击地压的预测:对于没有冲击地压的正常钻进，钻杆的纵向振动和横向振动相当于两端简支的梁振动力学模型，而当卡钻时，相当于在梁中某点增加一个中间支座限制该点的径向位移，则卡钻时的横向振动频率会明显增加，即在“横向振动频率-钻孔深度”曲线表现出畸变；而当发生钻孔冲击时，钻杆纵向振动的端部条件发生改变，则钻孔冲击时的纵向振动频率也会明显增加 ，即在“纵向振动频率-钻孔深度”曲线同样表现出畸变；
因此，根据步骤3)中主振频率随时间或钻孔深度变化曲线的畸变点个数可预测煤层的冲击地压倾向性，再结合钻屑量和步骤2)预钻孔时所得到的振动频谱曲线综合预测冲击地压。
权利要求
1.一种冲击地压的预测方法，其步骤为: 1)连接检测装置:将三维拾振连接套(2)的一端固接在钻杆(3)上，另一端与煤电钻(I)套接，开启煤电钻(I)试运转； 所述三维拾振连接套(2)由三维加速度传感器(22)和三维加速度传感器两端的连接装置I (21)和连接装置II (23)固定连接组成，所述三维加速度传感器(22)的外壳上固接有无线射频收发芯片I (5);信号收发机(6)的外壳上固接有无线射频收发芯片II (7)； 2)预钻孔:在非高应力集中区预钻孔Im并收集煤粉量，记录钻孔Im所需的时间，将该时间除以15取整得到振动频谱曲线输出间隔时间钻孔时三维加速度传感器(22)同步采集钻进时钻杆(3)的三维振动情况，无线射频收发芯片I (5)将三维加速度传感器(22)采集到的三向加速度信号传输到带有无线射频收发芯片II (7)的信号收发机(6)上存储，存储在信号收发机(6)上的数字信号经信号收发机上的频谱模块频谱变换后得到数字信号的主振频率并形成振动频谱曲线； 3)钻孔与信号采集:启动钻机钻孔，钻孔时三维加速度传感器(22)同步采集钻进时钻杆(3)的三维振动，将三向加速度信号通过无线射频收发芯片I (5)传输到信号收发机(6)上存储，每间隔时间^输出一个频谱曲线，记录每个频谱曲线的前8阶主振频率，输出每阶主振频率随时间或钻孔深度变化曲线；每钻孔Im后停止钻进，并收集煤粉量； 4)冲击地压的预测:根据步骤3)中主振频率随时间或钻孔深度变化曲线的畸变点个数可预测煤层的冲击地压倾向性，再结合钻屑量和步骤2)预钻孔时所得到的振动频谱曲线综合预测冲击地压。
2.如权利要求1所述的一种冲击地压的预测方法，步骤I)中所述的加速度传感器(22)采用内置电荷放大器的压电式加速度传感器。
3.如权利要求1所述的一种冲击地压的预测方法，步骤I)中所述的钻杆(3)采用麻花钻杆。`
4.如权利要求1所述的一种冲击地压的预测方法，步骤I)中所述的煤电钻(I)采用在高应力煤体中钻￠42飞Omm钻孔时所需的煤电钻。
全文摘要
本发明公开了一种冲击地压的预测方法。本发明采取在煤电钻(1)和钻杆(3)之间固接三维拾振连接套(2)，由三维拾振连接套(2)同步采集钻进时钻杆的三维振动信号，该振动信号由三维拾振连接套(2)上的无线射频收发芯片(5)无线传输到信号收发机(6)上存储，每间隔时间T输出一个频谱曲线，记录每个频谱曲线的前8阶主振频率，输出每阶主振频率随钻孔深度或时间变化曲线，然后根据主振频率随钻孔深度或时间变化曲线的畸变点个数预测煤层的冲击地压倾向性，再结合钻屑量以及与钻孔时得到的振动曲线综合预测冲击地压。本发明将吸钻、卡钻和钻孔冲击现象数字化，大大提高了冲击地压预测的准确性。
文档编号E21F17/18GK103104294SQ20131004021
公开日2013年5月15日 申请日期2013年2月1日 优先权日2013年2月1日
发明者李青锋, 朱川曲, 李树清 申请人:湖南科技大学