張宏偉

(1.中國中煤能源集團有限公司，北京 100120；2.中煤陜西榆林化工能源有限公司，陜西 榆林 719054)

針對煤礦頂板事故的致災(zāi)機理和預(yù)防控制方法，國內(nèi)外學(xué)者從采礦、煤田地質(zhì)、工程地質(zhì)、工程力學(xué)等學(xué)科的不同視角，對頂板災(zāi)害活動特征及其力學(xué)機制、頂板支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的災(zāi)變與預(yù)報分析、預(yù)報系統(tǒng)等方面進行了大量探索[1-4]。頂板巖性結(jié)構(gòu)探測的設(shè)備開發(fā)與數(shù)據(jù)處理技術(shù)不斷提升，在研究鉆進信號參數(shù)響應(yīng)規(guī)律方面取得了極大進步，在巖層識別方面進行了大量的分析，總結(jié)了豐富的科研經(jīng)驗，但仍存在著一定的問題：①只考慮單一參數(shù)來分析巖層結(jié)構(gòu)及厚度分布，還需要提高精確度，將多種參數(shù)與巖石結(jié)構(gòu)特性進行互補與融合分析；②大部分鉆探設(shè)備龐大，價格高昂，二次開發(fā)費用高；③大部分研究均是在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上進行試驗，實際試驗時各參數(shù)在鉆進不同巖石情況下，鉆進反饋參數(shù)均會發(fā)生改變，缺乏在試驗室內(nèi)鉆進信號采集分析的成套設(shè)備[5-8]。

基于上述問題，團隊設(shè)計研發(fā)了多參數(shù)多角度識別頂板隱患的鉆進模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)了鉆進模擬實驗的自動化、集成化。鉆機機身將推力、位移、扭矩、轉(zhuǎn)速、三軸振動傳感器等多個高精度傳感器集合于一體，有效解決了單一傳感器采集數(shù)據(jù)不全面的問題，將多傳感器信息進行互補融合，分析鉆進參數(shù)的響應(yīng)特征[9，10]。自動化測控系統(tǒng)和高頻率采集卡保證了數(shù)據(jù)精確度，同時也提高了鉆進過程實時信息的獲取、處理及傳輸技術(shù)。開發(fā)了一種新型巖石鉆進測試系統(tǒng)，建立相似模擬試驗臺，制作試件簡單方便，可進行不同種類巖石試樣在多種鉆機參數(shù)(鉆桿推力、鉆進速度、推進距離、轉(zhuǎn)速、扭矩、X、Y、Z 三軸振動信號)組合模式下的鉆進測試，鉆探測試的同時并實時反饋巖層結(jié)構(gòu)的變化。

1 鉆進模擬系統(tǒng)

1.1 鉆進設(shè)備

煤炭生產(chǎn)中面臨的主要問題是安全生產(chǎn)問題，頂板事故的累計死亡人數(shù)和發(fā)生頻率都高居首位。大量煤炭企業(yè)林立與開采資源需求的增加，使煤炭企業(yè)在開采時增加了掘進巷道速度與掘進工程量，并且逐漸向深部的煤炭資源轉(zhuǎn)移，雖然企業(yè)加強了安全生產(chǎn)管理，但隨著基礎(chǔ)工程數(shù)量的增多頂板事故仍威脅著礦井的安全生產(chǎn)[11-14]。針對頂板安全隱患問題，為加強災(zāi)害預(yù)防與治理能力，設(shè)計研發(fā)了多參數(shù)多角度智能識別頂板隱患的鉆進設(shè)備，主要由多工位試驗臺、高壓加載試驗臺、鉆進系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和配套泵站五部分組成，如圖1所示。

圖1 鉆進設(shè)備組成結(jié)構(gòu)

該鉆進設(shè)備實現(xiàn)了智能化、自動化、集成化的目標(biāo)，鉆機機身將推力、位移、扭矩、轉(zhuǎn)速、三軸振動傳感器等多個高精度傳感器集合于一體，有效解決了單一傳感器采集數(shù)據(jù)不全面的問題。

1.2 系統(tǒng)功能

鉆探試驗實際由兩部分組成，分別是鉆孔設(shè)備與探測介質(zhì)，當(dāng)向巷道頂板鉆進錨桿錨固孔時所遇到的巖石種類多種多樣，因此了解巖石的組成和構(gòu)造十分重要。鉆探試驗以模擬不同強度的巖石為探測介質(zhì)，研究影響鉆孔破巖效率的主要因素和試驗設(shè)備的破巖做功分析，將采集的鉆進參數(shù)進行處理達(dá)到識別巖層強度變化的目的[15-18]。

多參數(shù)多角度智能識別頂板隱患的鉆進設(shè)備可以將多傳感器信息進行互補融合，分析巖石性質(zhì)與鉆進參數(shù)的響應(yīng)規(guī)律；自動化測控系統(tǒng)和高頻率采集卡保證了數(shù)據(jù)精確度，同時也提高了鉆進過程實時信息的獲取、處理及傳輸技術(shù)；研究了鉆孔破巖過程中的主要影響因素，基于能量守恒理論分析了鉆進過程中的能量損耗問題，推導(dǎo)出巖石的單位體積破碎比功值，以巖石的抗壓強度作為識別參數(shù)進行擬合，開發(fā)了一種新型巖石鉆進測試系統(tǒng)，建立相似模擬試驗臺，可進行不同種類巖石試樣在多種參數(shù)組合控制模式下的鉆進測試，根據(jù)測量后的擬合結(jié)果判斷巖層厚度與軟弱巖層位置[19，20]。

2 試驗方案

利用隨鉆探測設(shè)備進行試驗，試驗材料選擇抗壓強度差異顯著的青磚、紅磚、青石、花崗巖。設(shè)計兩次試驗方案，首先選用青磚與紅磚進行初次試驗，再進行青石與花崗巖試驗，改變不同力學(xué)參數(shù)觀察效果。

2.1 青磚與紅磚試驗方案

選用工業(yè)規(guī)格強度等級為MU15的青磚和MU30的紅磚。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的燒結(jié)普通磚規(guī)定，青磚的平均抗壓強度為15MPa，紅磚的平均抗壓強度為30MPa。通過電機分配的液壓系統(tǒng)流量控制鉆進設(shè)備的轉(zhuǎn)速和推力的初始值。具體流程如下：

1)方案一：選取青磚材料，堆積高度38cm左右，四周加固，調(diào)整液壓系統(tǒng)流量控制初始值推力與轉(zhuǎn)速值，進行第一次鉆孔試驗，采集推力、推進位移、轉(zhuǎn)速、扭矩、振動等參數(shù)。

2)方案二：選取紅磚材料，堆積高度38cm左右，同種鉆進條件下，采集推力、推進位移、轉(zhuǎn)速、扭矩、振動等參數(shù)變化。

3)方案三：改變推力初始值，進行組合巖層試驗，保證試驗條件相同，紅磚堆積高度為38cm，布置在下，青磚堆積高度為38cm。

4)方案四：再次改變推力初始值，進行組合巖層試驗保證試驗條件相同，紅磚堆積高度為38cm，布置在上，青磚堆積高度 38cm，布置在下。

振動變送器接收單軸振動信號，鉆機設(shè)備只安裝了一個振動變送器，通過安裝不同位置收集兩種材料X、Y、Z方向的振動信號。方案一、二測量Z軸振動信號變化，方案三測Y軸振動信號變化，方案四測X軸振動信號變化。

2.2 青石與花崗巖試驗方案

選用青磚和紅磚作為初次試驗材料，其抗壓強度較低，并且堆積材料的間隙較大，對數(shù)據(jù)分析有明顯影響，需要繼續(xù)豐富試驗內(nèi)容。青磚與紅磚模擬軟弱巖層，將青石與花崗巖模擬為堅硬巖層。采用18cm×18cm×40cm 的青石和花崗巖材料作為試驗?zāi)Ｐ?。其中張后全[21]對不同尺寸青石進行單軸抗壓試驗后，確定青石的抗壓強度范圍為105.758～119.690MPa。傅偉斌[22]對不同尺寸花崗巖進行單軸抗壓試驗后，確定花崗巖的抗壓強度范圍為 71.5～93.5MPa。

花崗巖與青石作為第二次試驗材料，其抗壓強度較大與青磚、紅磚等材料有明顯不同，試驗材料的完整性好、顆粒膠結(jié)程度較均勻，并且準(zhǔn)備了多套高強度鉆頭、鉆桿，優(yōu)化了試驗步驟。增加了兩個量程為0～100mm/s振動傳感器，可測X、Y、Z三軸振動信號；同時更換為12路采集卡，更新并升級了UMS亞為USB信號采集與記錄平臺；完善鉆機供水系統(tǒng)，高壓抽水泵通過軟管連接至操作閥，目的是降低鉆頭與孔底產(chǎn)生的高溫影響，提高降塵效果與清理巖石碎屑的能力，減少鉆頭對巖屑的反復(fù)研磨，提高破巖效率和推進速度。增大鉆孔試驗的水流壓力，加快水流速度使清理巖石碎屑的能力增強，對于一些遇水易固結(jié)的巖石材料不易造成水眼堵塞，減少卡鉆狀況的發(fā)生。本組試驗分為四組，青石組試驗、花崗巖下青石上試驗、花崗巖組試驗、青石下花崗巖上試驗，最后組合對比分析其特征規(guī)律。操作流程同青磚與紅磚一致。試驗如圖2所示。

圖2 試驗方案設(shè)計

3 鉆進反饋信息分析

分析鉆進試驗的動態(tài)參數(shù)響應(yīng)規(guī)律，以巖石的抗壓強度作為識別參數(shù)，根據(jù)單位體積的破碎比功值與抗壓強度，確定巖石位置及結(jié)構(gòu)差異。

3.1 青磚與紅磚試驗反饋信息分析

3.1.1 第一次青磚試驗

第一次青磚試驗如圖3所示，初次試驗時出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，再次試驗時鉆機接觸試件高度為381.8mm，結(jié)束高度為891.1mm，對試件進行鉆孔的長度為509.3mm，其中有效段平均速度為141.48mm/s。通過數(shù)據(jù)對比分析，Z軸振動信號在時間32：38.0激增，有明顯的躍遷現(xiàn)象，位移值瞬間增加說明在該時間點，鉆頭與試件下表面相互接觸，振動傳感器采集數(shù)據(jù)的變化也十分明顯，振動加速度擴大約3.2倍，平均轉(zhuǎn)速為31r/min，轉(zhuǎn)速信號基本保持穩(wěn)定。

圖3 第一次青磚試驗

3.1.2 第一次紅磚試驗

在第一次紅磚試驗如圖4所示，鉆機初始高度 295.7mm，鉆頭與試件間預(yù)留上升高度為 20.8mm，鉆頭與紅磚接觸時位移計數(shù)值為316.5mm，結(jié)束高度698.1mm，鉆進試件有效長度為381.6mm，平均速度121.78mm/s。將采集的數(shù)據(jù)提取有效鉆進段參數(shù)，通過數(shù)據(jù)對比分析可知，Z軸振動信號在時間58∶56∶8出現(xiàn)激增，有明顯的躍遷現(xiàn)象，位移值瞬間增加，振動加速度擴大近6倍，平均轉(zhuǎn)速450r/min，轉(zhuǎn)速信號基本保持穩(wěn)定。

圖4 第一次紅磚試驗

3.1.3 紅磚下青磚上試驗

紅磚下青磚上試驗如圖5所示，鉆機起始高度287.8mm，標(biāo)注位置為實際鉆頭與試件接觸高度為316.1mm，試驗結(jié)束鉆進試件高度1080.7mm，振動、推力、扭矩信號均出現(xiàn)躍遷現(xiàn)象，數(shù)值在短時間內(nèi)迅速增長，其中扭矩信號上升時間要略晚于推力和振動信號，紅磚和青磚堆積高度約為38cm，但磚體之間空隙較大，不能完全貼合，因此振動、推力、扭矩信號呈波浪形式，鉆進至交界面處傳感器信號迅速下降，通過采集的數(shù)據(jù)能夠有效的確定材料所在位置及紅磚與青磚數(shù)值大小的信號變化情況。

圖5 紅磚下青磚上試驗

高度為451.3mm處，通過推力操作閥改變了初始推力大小，使得軸向推進距離增加，推進速度發(fā)生改變，紅磚第一段的鉆進平均速度為28.15mm/s，二段平均速度為18.13mm/s，青磚的鉆進速度為36.99mm/s，是紅磚平均速度的2倍。鉆頭由紅磚鉆進至青磚處，交界面處數(shù)值變化呈明顯的階梯狀，從圖中可以觀察到青磚扭矩范圍在33N·m以下，紅磚的平均扭矩35.1N·m，平均推力3724.8N，青磚的平均扭矩為30.3N·m，平均推力2757.9N。

3.1.4 青磚下紅磚上試驗

青磚下紅磚上試驗如圖6所示，鉆機初始高度為309.8mm，鉆頭與試件接觸高度為332.0mm，鉆進結(jié)束高度為1098.5mm，振動信號、推力、扭矩在接觸試件后出現(xiàn)明顯躍遷現(xiàn)象，扭矩與轉(zhuǎn)速信號呈明顯的對稱關(guān)系，由于鉆進的試件不同，此時推力與扭矩數(shù)據(jù)值增長幅度發(fā)生改變，推力超過青磚階段的最大值2.31kN，扭矩超過青磚階段的最大值20.6N·m，鉆機鉆進至紅磚材料時，推力和扭矩參數(shù)能較明顯的反饋青磚進入紅磚的過渡階段。

圖6 青磚下紅磚上試驗

紅磚的平均速度為15.58mm/s，青磚平均速度為17.28mm/s。青磚的平均扭矩為14.5N·m，平均推力1852.1N；紅磚的平均推力3628.1N，近似青磚的2倍，通過扭矩與推力信號的強弱特點也能簡單的識別出兩種試驗材料。

3.2 青石與花崗巖試驗反饋信息分析

3.2.1 組合青石對比分析

將所有的青石試驗數(shù)據(jù)提取，同種材料相互對比分析，如圖7所示，推力、扭矩、推進速度、轉(zhuǎn)速均是鉆進過程中的變量，其中預(yù)想通過電機控制轉(zhuǎn)速的大小，保持不變是完全不可能的，初始轉(zhuǎn)速雖然相同，但由于轉(zhuǎn)速-扭矩系統(tǒng)的組合旋切破巖模式，實際試驗過程中一般轉(zhuǎn)速隨扭矩呈反比關(guān)系，當(dāng)扭矩增加時轉(zhuǎn)速下降，扭矩減小時轉(zhuǎn)速增加。

圖7 組合青石對比分析

結(jié)合表1所示的鉆進參數(shù)表可知，組合青石的設(shè)定為初始轉(zhuǎn)速450r/min，改變推力大小的對比分析試驗，①②組試驗數(shù)據(jù)中，當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時，扭矩值對推進速度影響效果明顯，扭矩值約為推進速度的5.7倍。試驗③中當(dāng)扭矩縮小約1.9倍，轉(zhuǎn)速下降變化值約為2倍，平均速度降低約2.4倍，說明青石試驗中旋切破巖過程的扭矩是主要做功方式，與轉(zhuǎn)速成反比，與推進速度呈一定的線性關(guān)系。

表1 青石鉆進參數(shù)對比分析

3.2.2 組合花崗巖對比分析

將所有的花崗巖試驗數(shù)據(jù)提取，進行各參數(shù)數(shù)據(jù)的對比分析，如圖8所示，結(jié)合表1所示的鉆進參數(shù)表可知，①、②組試驗通過推力操作閥改變推力大??；②、③組試驗對比，③組試驗更換了高強度鉆頭。

圖8 組合花崗巖對比分析

①、②組實驗通過改變推力的大小控制鉆頭軸向推進，在扭矩的作用下完成不同的剪切破壞狀態(tài)，隨著推力增加鉆頭侵入巖石的速度加快，單位時間內(nèi)切削破碎巖石的體積增加，扭矩數(shù)值的增長說明了扭矩做功的增加，因此推力、推進速度、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)之間相互影響具有定量關(guān)系，在處于合理的切削巖石鉆進過程中，推力與扭矩和推進速度成正比，扭矩與轉(zhuǎn)速成反比。②、③實驗數(shù)據(jù)表明當(dāng)更換高強度鉆頭后，鉆頭的尺寸與切削能力發(fā)生改變，因此各參數(shù)間的定量關(guān)系也會發(fā)生變化，試驗中要注意設(shè)備的統(tǒng)一。

各個傳感器采集的數(shù)據(jù)見表2。

表2 花崗巖鉆進參數(shù)對比分析

3.2.3 青石與花崗巖鉆探試驗?zāi)芰繉Ρ确治?/p>

將青石與花崗巖的有效段試驗數(shù)據(jù)匯總分析，如圖9所示，各參數(shù)對應(yīng)的巖性特征不能直觀體現(xiàn)，因此結(jié)合單位體積的破碎比功值進行分析。

圖9 青石與花崗巖鉆進參數(shù)對比分析

試驗條件在轉(zhuǎn)速和推力通過電機分配的液壓系統(tǒng)流量控制初始值，但與巖石接觸后，轉(zhuǎn)速和推力值都會受到影響，推力由于巖石產(chǎn)生的回彈力出現(xiàn)數(shù)值波動?；谀芰科胶饫碚撏茖?dǎo)出的單位體積破碎比功值可知鉆進速度、轉(zhuǎn)速、扭矩、推力等參數(shù)相互影響存在定量關(guān)系。

鉆機向上鉆孔旋切破巖時，單位時間內(nèi)鉆機做功主要分為2部分，分別為扭矩-轉(zhuǎn)速系統(tǒng)旋切破巖、剪切破碎所做的功，推力-鉆速系統(tǒng)壓入巖石，擠壓破碎做功。鉆機做功產(chǎn)生的能量主要用于切削破碎巖石和與孔底摩擦的損耗能量，如熱能、振動、聲響等。

試驗結(jié)果根據(jù)能量守恒原理結(jié)合鉆進能量理論，可推導(dǎo)單位體積的鉆進能量比功值，即單位體積破碎比功值η，對比分析可知，青石組單位體積破碎功η值的范圍為294.25～315.93，平均值為305.09，抗壓強度范圍為105.758～119.690MPa，取值110.724MPa；花崗巖組單位破碎功η值的范圍為236.21～266.22，平均值為251.11，抗壓強度范圍71.5～93.5MPa，取值81.775MPa。紅磚η值的范圍為108.24～100.11，青磚η值的范圍為47.39～47.45。

圖10 抗壓強度與單位體積破碎比功值的擬合曲線

如圖10所示，單位體積的破碎比功值η與抗壓強度運用多項式擬合的方式，X軸表示η值，Y軸表示抗壓強度，擬合優(yōu)度R2=0.9822，擬合后最優(yōu)時的函數(shù)表達(dá)式為：RC=0.3893η-7.2639。

擬合后的單位體積的破碎比功值η與抗壓強度關(guān)系公式，如圖11所示，當(dāng)X的最高次為1次時擬合結(jié)果最優(yōu)，均方誤差為28.4519，權(quán)重系數(shù)為[0，0.389255]，偏置為-7.2639，隨著X的最高次項逐漸增加，均方誤差越大，擬合程度越差。

圖11 擬合優(yōu)度介紹

4 結(jié) 論

1)青磚與紅磚試驗說明，鉆頭與試件表面接觸后各參數(shù)有明顯的躍遷現(xiàn)象，表現(xiàn)為數(shù)值巨幅增長并穩(wěn)定在某一數(shù)值范圍。扭矩-轉(zhuǎn)速旋切破巖的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，扭矩增加轉(zhuǎn)速下降，扭矩減小轉(zhuǎn)速增加，扭矩與轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系。當(dāng)巖石強度較低、推力較大時，豎直方向鉆進系統(tǒng)增加了推進距離，單位時間做功占比增加。

2)試驗條件在轉(zhuǎn)速和推力通過電機分配的液壓系統(tǒng)流量控制初始值，但與巖石接觸后，轉(zhuǎn)速和推力值都會受到影響，推力由于不同巖石產(chǎn)生的回彈力也會導(dǎo)致數(shù)值波動的差異。轉(zhuǎn)速信號在遇到巖石后下降量有所差異，但轉(zhuǎn)速數(shù)值波動穩(wěn)定。鉆進速度、轉(zhuǎn)速、扭矩、推力等多參量相互影響存在定量關(guān)系。

3)因鉆進系統(tǒng)的復(fù)雜多變的特點，將多個傳感器采集的試驗結(jié)果融合，結(jié)果根據(jù)能量守恒原理，參照鉆進能量理論，可推導(dǎo)出單位體積的鉆進能量比功值，將單位體積的破碎比功值η與抗壓強度運用多項式進行擬合，擬合優(yōu)度R2=0.9822，擬合后最優(yōu)時的函數(shù)表達(dá)式為：RC=0.3893η-7.2639。