一种钻孔冲击危险程度判定方法及其采用的震动采集装置与流程

本发明涉及钻孔冲击危险程度判定
技术领域：
，特别是涉及一种钻孔冲击危险程度判定方法及其采用的震动采集装置。
背景技术：
：冲击地压是影响世界范围内采矿业安全健康发展的主要因素之一，其具有突发性强、影响因素多、偶然性强等特点，具有极强的毁灭性，一旦发生这种灾害将造成矿井人员生命和财产的重大损失。因此，通过确定钻孔位置冲击危险程度进行提前预判，是预防重大矿井灾害事故的重要措施。当前，钻孔冲击危险程度的判定方法主要有两类，第一类是通过理论计算进行判定的，比如“综合指数法”、“可能性指数法”、“多因素耦合评价”等，第二类是通过实际数据进行判定的，目前这类判定方法只有“钻屑法”一种，但是上述方法均具有各自的局限性，详细分析如下：综合指数法是在分析已发生的各种冲击地压灾害的基础上，综合分析各种采矿地质因素对冲击地压发生的影响，确定各种因素的影响权重，然后将其综合起来，建立冲击地压危险性评价和预测的一种方法。综合指数法归根结底是依靠经验和统计的方法得出的，其基础是已发生冲击地压灾害的分析结果。而冲击地压的发生是极其复杂的，实际情况下，确实存在发生原因和条件类似的事故，但这毕竟是少数的，大多数情况下，冲击地压的发生原因和触发因素是完全不同的。可能性指数法是一种基于采动应力和冲击地压倾向性的冲击地压危险度评价方法。它应用模糊数学理论，计算某一应力状态和冲击倾向性指数对“发生冲击地压”的隶属度，进而判断发生冲击地压的可能性。可能性指数法的判定基础是模糊数学理论和经验数据，因此这种判定方法的准确性难以保证。冲击地压的发生与否一定程度上取决于开采区域的应力水平，多因素耦合评价就是利用这一点展开计算的。通过将自重应力、初次来压及周期来压、见方、巷道群、超前支承压力系数、褶曲、断层、顶板特征(坚硬岩层)等诸多因素进行叠加，形成最终的应力值。这些因素的应力增加系数是靠经验选取的，最终计算得到的应力值的基础是诸多经验系数，可靠性大大降低。钻屑法是冲击地压危险性揭示的常用检验方法，其通过钻进一定直径的钻孔(通常为42mm)，称量每米产生的钻屑量来表征钻进位置的应力集中程度，其基础是应力值与钻屑量存在线性关系。钻屑法采用的钻屑量是基于现场钻进过程获得的，这种依据实际数据的判定方法从一定程度上要优于通过理论计算的判定方法，但是钻屑法在钻进过程和称量过程中受人为因素影响大，容易产生较大误差，对判定的准确性造成不利影响，而且为了进行危险程度判定，特意钻进一个钻孔无疑会加大现场工作人员的工作量。综上，现有的钻孔冲击危险程度的判定方法，准确率不高、可靠性没有保障，预警效果较差，不能有效性地指导矿井钻孔进行灾害防护。技术实现要素：为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术的钻孔冲击危险程度的判定方法，准确率不高、可靠性没有保障，而提供一种依靠现场采集数据、准确率高、可靠性强的钻孔冲击危险程度判定方法及其采用的震动采集装置。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种钻孔冲击危险程度判定方法，包括以下步骤：步骤一，在钻孔内一侧布置震动采集装置，采集钻孔施工过程的震动数据；步骤二，分析计算所述震动数据，获得每米深度有效钻进时长、每米深度平均振幅和震动事件发生数量；步骤三，通过所述每米深度有效钻进时长计算有效钻进时长指数i1，通过所述每米深度平均振幅计算钻进困难指数i2，通过所述震动事件发生数量计算卸压效果指数i3；步骤四，对所述有效钻进时长指数i1、所述钻进困难指数i2和所述卸压效果指数i3分配权重并累加，得到钻孔冲击危险程度指数i0，i0＝k1i1+k2i2-k3i3式中：i1为有效钻进时长指数，k1为有效钻进时长权重系数，i2为钻进困难指数，k2为钻进困难权重系数，i3为卸压效果指数，k3为卸压效果权重系数；步骤五，根据所述钻孔冲击危险程度指数i0判定所述钻孔冲击危险程度。优选地，所述步骤二中，由所述震动数据计算得出钻孔施工深度，根据所述钻孔施工深度计算获得所述每米深度有效钻进时长、所述每米深度平均振幅和所述震动事件发生数量。优选地，由所述震动数据计算得出所述钻孔施工深度的步骤包括：①波形信号数据导出；②将所述波形信号转换为数字信号；③提取所述数字信号的最大值；④识别震动事件；⑤去除震动事件最大振幅；⑥识别振幅簇变化特征参数，合并部分振幅簇；⑦生成所述钻进施工深度数据。优选地，所述步骤三包括：a.预先设置不同冲击危险性等级的每米有效钻进时长判定阈值及各所述有效钻进时长判定阈值所对应的所述有效钻进时长指数数值，计算当前所述每米深度有效钻进时长的平均值，将当前所述每米深度有效钻进时长的平均值与所述每米有效钻进时长判定阈值进行比对，获得当前所述每米深度有效钻进时长对应的所述有效钻进时长指数i1；b.预先设置不同冲击危险性等级的平均振幅判定阈值及各所述平均振幅判定阈值所对应的所述钻进困难指数数值，将当前所述每米深度平均振幅与所述平均振幅判定阈值进行比对，获得当前所述每米深度平均振幅对应的所述钻进困难指数i2；c.预先设置震动事件发生数量判定阈值及各所述震动事件发生数量判定阈值所对应的所述卸压效果指数数值，将当前所述震动事件发生数量与所述震动事件发生数量判定阈值进行比对，获得当前所述震动事件发生数量对应的所述卸压效果指数i3。优选地，所述有效钻进时长判定阈值、所述平均振幅判定阈值和所述震动事件发生数量判定阈值根据前期大量统计结果取平均值设置。优选地，步骤五中，预先设置不同所述钻孔冲击危险程度指数所对应的钻孔冲击危险程度等级，根据当前计算得到的所述钻孔冲击危险程度指数i0判定当前钻孔的所述钻孔冲击危险程度。优选地，所述步骤一中，在钻孔施工前布置所述震动采集装置，所述震动采集装置在钻孔施工过程中采集震动数据，钻孔施工结束后完成震动数据采集。优选地，所述钻孔为卸压钻孔。一种上述钻孔冲击危险程度判定方法采用的震动采集装置，所述震动采集装置设置于钻孔内一侧，包括采集仪和至少两个间隔布置的动圈传感器，所述采集仪与各所述动圈传感器通过传输电缆电连接。优选地，包括三个所述动圈传感器，三个所述动圈传感器间隔1米布置于钻孔内一侧。本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明提供的钻孔冲击危险程度判定方法及其采用的震动采集装置，利用卸压孔施工过程采集震动信号，根据现场采集数据对钻孔冲击危险程度进行判断，与理论计算判定方法相比准确率更高，判定结果可靠性强，与“钻屑法”相比，无需单独钻孔，只需在矿井卸压孔施工过程中即可完成现场数据采集，大大降低了施工工程量，同时保证了判定准确率，为预防重大矿井灾害事故提供可靠依据。附图说明为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图1是本发明钻孔冲击危险程度判定方法的流程图；图2是本发明中震动采集装置的布置图。图中附图标记表示为：1-采集仪，2-动圈传感器，3-电缆，a-钻孔施工位置，b-巷道顶板，c-巷帮，d-巷道底板。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1所示，是本发明一种钻孔冲击危险程度判定方法的优选实施例，该判定方法主要应用于卸压钻孔中，特别是大直径卸压钻孔，而不用另外钻孔，节约工程量。所述钻孔冲击危险程度判定方法包括以下步骤：步骤一，在钻孔内一侧布置震动采集装置，采集钻孔施工过程的震动数据所述震动采集装置包括采集仪1和至少两个间隔布置的动圈传感器2，所述采集仪1与各所述动圈传感器2通过传输电缆3电连接。本发明选用的采集仪为24位高精度采集仪，技术参数是：(1)通道数：1～3通道；(2)采样频率：单通道工作1～7khz可选，三通道工作1～2khz可选；(3)授时方式：地面gps卫星授时，高精度时钟芯片；(4)工作电压：3.6v；(5)数据存储方式：sd卡(16g)；(6)工作时间：标配电池可持续工作96小时以上；(7)外形尺寸：200mm*280mm*110mm；(8)外观结构：电池、天线及电路分仓防水；(9)重量：1.5kg；(10)本案参数：3.6vdc；ii：200ma；ci：0μf；li：0mh；(11)指示灯功能：上电、授时、采集和电量预警；(12)隔离电压：1500vac/60s。本发明选用的动圈传感器为快插式高频采集动圈速度传感器，技术参数是：(1)型号：gzc60；(2)灵敏度：100v/m/s；(3)最大传输距离：50m；(4)与采集仪连接方式：两芯电缆；(5)震动：加速度50m/s2；(6)冲击：峰值加速度500m/s2。本发明选用的电缆为mhyvp1*2*7/0.43两芯电缆。在钻孔施工前布置所述震动采集装置，所述震动采集装置在钻孔施工过程中采集震动数据，钻孔施工结束后完成震动数据采集。如图2所示，本实施例中，采用三个所述动圈传感器2，三个所述动圈传感器2间隔1米布置于钻孔内一侧，所述钻孔为卸压钻孔，图2中a处为钻孔施工位置，b为巷道顶板，c为巷帮，d为巷道电缆。所述震动采集装置的布置和采集过程详述如下：(1)将动圈传感器的端部与锚杆端部拧紧，三个动感传感器分别布置在卸压钻孔一侧1m、2m、3m处，将采集仪悬挂至金属网上，采集仪通过电缆与三个动感传感器相连接。(2)卸压钻孔施工前，确保采集仪已与三个传感器连接，将采集仪开关开启，开启后，采集仪指示灯会闪烁，代表已开启并连接正常，然后开始施工卸压钻孔。(3)卸压钻孔施工结束后，关闭采集仪开关，完成数据采集。(4)将各个动圈传感器拆下，移动并安装至下一个钻孔一侧1m、2m、3m处，开启下一个采集循环。(5)采集几天数据后，采集仪sd卡存储满后，将sd卡拆下，带上井待分析(除sd卡外其他设备均不带上井)，电池电量耗尽后，应及时更换电池。所述震动采集装置的采集原理是：大直径卸压钻孔施工过程中，由钻机、钻杆、钻头组成的钻进系统在煤体中钻进时，钻头切削煤体会产生震动信号，同时钻杆受到钻头和钻机的双重力作用下，也会产生三向震动(轴向震动、切向震动、旋转震动)，钻机受到钻杆的震动也会产生震动信号，在煤体性质相同的情况下，这些震动信号的强度大小与煤体应力相关。卸压钻孔施工过程中，由于钻孔空间的形成，打破了煤体的原始应力状态，应力状态改变时，可能会发生震动事件，这些震动事件的产生代表煤体的破裂过程，但破裂的具体位置并不确定，只是能够确定钻进至何种深度时产生了震动事件。震动信号的产生位置为震动系统或者是钻进过程中导致的震动事件位置，这些震动信号传递至不同间距条件下的传感器时，虽然引起的震动幅度大小不一，但震动幅度的变化方式和趋势是一致的，当三个传感器具有相同的变化趋势时，更加印证了震动信号的正确性。当震动信号传递至传感器位置时，传感器受震动信号的影响，其内部的线圈会随着外部的震动而震动，同时切割磁感线，使线圈内部产生电动势，自此，震动信号(通常由震动速度来表征，单位为m/s)就会转化为电信号(单位为mv)，进而得到波形文件，并通过传输电缆传输至采集仪，采集仪以一定的采样频率记录产生的电动势大小，并存储至内部的sd卡中，就完成了震动信号的采集和记录。采集得到的电动势的大小可以反映震动信号的震动幅度，震动幅度越大，电动势越大。钻进过程中由于钻进难易程度不同(煤体的应力不同)，钻机的震动也会不同，传递至各传感器的震动信号强度也不同。当钻进介质均为煤体时，钻进难易程度(用钻进振幅大小来衡量)由煤体应力决定，煤体应力越大，钻进越困难，震动幅度越大，反之，钻进越容易，震动幅度越小。钻孔过程中，还会发生煤体破裂现象，该现象会同时导致特定震动事件和声音信号(俗称煤炮)。步骤二，分析计算所述震动数据，获得每米深度有效钻进时长、每米深度平均振幅和震动事件发生数量由所述震动数据先计算得出钻孔施工深度，然后根据所述钻孔施工深度计算获得所述每米深度有效钻进时长、所述每米深度平均振幅和所述震动事件发生数量。由所述震动数据计算得出所述钻孔施工深度的步骤包括：①波形信号数据导出；②将所述波形信号转换为数字信号；③提取所述数字信号的最大值；④识别震动事件；⑤去除震动事件最大振幅；⑥识别振幅簇变化特征参数，合并部分振幅簇；⑦生成所述钻进施工深度数据。在获得钻进施工深度后，统计每米深度有效钻进时长，计算每米深度平均振幅(由设置在不同位置的所有传感器所检测到的不同深度的震动幅度取平均值获得)，统计震动事件发生数量及产生深度。步骤三，通过所述每米深度有效钻进时长计算有效钻进时长指数i1，通过所述每米深度平均振幅计算钻进困难指数i2，通过所述震动事件发生数量计算卸压效果指数i3本步骤包括：a.预先设置不同冲击危险性等级的每米有效钻进时长判定阈值及各所述每米有效钻进时长判定阈值所对应的所述有效钻进时长指数数值，计算当前所述每米深度有效钻进时长的平均值，将当前所述每米深度有效钻进时长的平均值与所述每米有效钻进时长判定阈值进行比对，获得当前所述每米深度有效钻进时长对应的所述有效钻进时长指数i1。其中，所述每米有效钻进时长判定阈值根据前期大量统计结果取平均值设置。b.预先设置不同冲击危险性等级的平均振幅判定阈值及各所述平均振幅判定阈值所对应的所述钻进困难指数数值，将当前所述每米深度平均振幅与所述平均振幅判定阈值进行比对，获得当前所述每米深度平均振幅对应的所述钻进困难指数i2。其中，所述平均振幅判定阈值根据前期大量统计结果取平均值设置。c.预先设置震动事件发生数量判定阈值及各所述震动事件发生数量判定阈值所对应的所述卸压效果指数数值，将当前所述震动事件发生数量与所述震动事件发生数量判定阈值进行比对，获得当前所述震动事件发生数量对应的所述卸压效果指数i3。其中，所述震动事件发生数量判定阈值根据前期大量统计结果取平均值设置。步骤四，对所述有效钻进时长指数i1、所述钻进困难指数i2和所述卸压效果指数i3分配权重并累加，得到钻孔冲击危险程度指数i0计算公式为：i0＝k1i1+k2i2-k3i3(注：由于卸压效果起到积极作用，卸压效果指数应该为减。)式中：i1为有效钻进时长指数，k1为有效钻进时长权重系数，i2为钻进困难指数，k2为钻进困难权重系数，i3为卸压效果指数，k3为卸压效果权重系数。步骤五，根据所述钻孔冲击危险程度指数i0判定所述钻孔冲击危险程度。预先设置不同所述钻孔冲击危险程度指数所对应的钻孔冲击危险程度等级，根据当前计算得到的所述钻孔冲击危险程度指数i0判定当前钻孔的所述钻孔冲击危险程度。将钻孔冲击危险程度分为“无”、“弱”、“中”、“强”四个等级，该等级可作为冲击地压危险性评价的重要依据。下面结合具体案例，说明本发明的判断方法。按照上述方法在某煤矿进行实地监测，采用三个动圈传感器，在卸压钻孔内三个动圈传感器设置于钻孔一侧1m、2m、3m处，采集仪采样频率为1000hz，其监测结果如下：以每米有效钻进时长1:00、1:45和2:30作为冲击危险性“无、弱、中等、强”等级的判定阈值，见表1。案例中得到的每米有效钻进时长为01:50，依据表1，有效钻进时长指标冲击危险性为“中等”，i1取值为1.5。表1有效钻进时长(判断阈值)/mm:ss﹤1:001:00-1:451:45-2:30＞2:30冲击危险性无弱中等强有效钻进时长指数i111.21.51.8注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。以钻进过程每米深度平均振幅“2mv、4mv和6mv”为冲击危险性“无、弱、中等、强”等级的判定阈值，见表2。案例中得到的钻进过程每米深度平均振幅为5.7mv，依据表2，钻进过程每米深度平均振幅指标冲击危险性为“中等”，i2取值为1.5。表2平均振幅(判断阈值)/mv﹤22-44-6＞6冲击危险性无弱中等强钻进困难指数i211.21.51.8注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。震动事件发生数量对应的卸压效果指数数值见表3。案例中得到的震动事件发生数量为3个，依据表3，卸压效果指数i3取值为1.2。表3震动事件发生数量(判断阈值)/个0、1、23、4、56、7、8＞8卸压效果指数i311.21.51.8注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。按照公式i0＝k1i1+k2i2-k3i3，计算钻孔冲击危险程度指数，计算结果为：i0＝k1i1+k2i2-k3i3＝1*1.5+1*1.5-1*1.2＝1.8钻孔冲击危险程度指数所对应的钻孔冲击危险程度等级见表4，根据表4，钻孔冲击危险程度指数i0为1.8对应的钻孔综合危险程度为“中等”。经过现场验证，该结果与现场实际经验判别结果相同。表4钻孔冲击危险程度指数i0＜1.21.2-1.5(包括1.5)1.5-1.8≥1.8钻孔冲击危险程度无弱中等强注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。为了更好的验证该结果的准确性，在另外八个不同矿井实施了现场试验，九个钻孔中(加以上案例中的钻孔)，其中八个与现场动力现象结果相同，准确率达到了89％，详细结果见表5。该方法的实施，基本可取代钻屑法的施工，节省了大量的人力物力及工程量。表5在其他实施例中，震动采集装置可以包括采集仪和两个、四个、五个、六个等数量的动圈传感器。各个动圈传感器之间间隔一定距离布置，比如间隔0.5米、2米、3米、5米等。具体设置动圈传感器数量和各动圈传感器的间距根据实际钻孔现场情况设定。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。当前第1页12