本文選題：隨鉆振動　切入點：頂板巖層　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著煤礦開采深度的不斷增加,煤礦巷道冒頂事故日益凸顯,對煤巷頂板巖層地質(zhì)構(gòu)造認(rèn)識不足,是引發(fā)巷道冒頂事故的重要因素之一。巷道頂板巖層的穩(wěn)定性不僅取決于單個巖層的物理力學(xué)性質(zhì),更重要的是頂板各巖層的組合關(guān)系及弱面沉積構(gòu)造的存在。其中頂板巖層的組合直接關(guān)系到頂板的冒落類型和支護(hù)方法,而弱面沉積構(gòu)造則破壞了巖石的連續(xù)性,尤其是各種泥質(zhì)膠結(jié)的砂紋層理、互層層理、交錯層理及各種潮汐層理等的存在使巷道頂板存在冒頂?shù)碾[患。因此,探明頂板的巖層組合對于巷道支護(hù)和巷道的穩(wěn)定性顯得尤為重要。本文以此為背景,以煤巖的巖石學(xué)特性及鉆機鉆具的振動分析為主線,綜合分析歸納了煤巷頂板巖層的巖相及其特性,闡明了錨桿鉆機鉆進(jìn)錨固孔過程中鉆桿振動特性變化的物理力學(xué)機制,分析了同種巖層具有相同或相似的礦物組分、連結(jié)結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物、粒度等巖石學(xué)特征及物理力學(xué)性質(zhì),鉆削此類巖石時錨桿鉆機具有相似的振動特性,在此基礎(chǔ)上采用理論分析、儀器研發(fā)、實驗室試驗和現(xiàn)場實踐等綜合研究方法,系統(tǒng)地分析研究了基于隨鉆振動信號測量識別煤巷頂板巖層特征的方法,并在錨桿鉆頭鉆進(jìn)過程中的受力、鉆進(jìn)軌跡、振動信息的特征識別等方面進(jìn)行了深入研究,提出了在工作面掘進(jìn)的同時采用基于隨鉆振動信號識別煤巷頂板巖層的方法,研究過程如下:(1)通過分析鉆頭的受力及煤巖的礦物組分、粒度、連結(jié)結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物、成熟度等煤巖的巖石學(xué)特征,闡明了錨桿鉆機鉆進(jìn)過程中鉆桿振動特性變化的物理力學(xué)機制,即同種巖層具有相同或相似的巖石學(xué)及物理力學(xué)特性,鉆削此類巖石時錨桿鉆機具有相似的振動特性,鉆削不同類巖層時,由于鉆機鉆頭所受到的作用力不相同,致使錨桿鉆機的振動特性亦不相同,進(jìn)而提出了采用隨鉆振動特性識別巖層的方法。(2)分析了錨桿鉆機破巖過程中的兩種破碎巖石的運動,一種是使巖層的巖芯破碎的軸向推進(jìn)運動,另一種是切削巖芯周圍巖石的旋轉(zhuǎn)破巖運動,兩種運動疊加在一起,形成了錨桿鉆機鉆頭沿著螺旋軌跡鉆進(jìn)的鉆孔。在此研究基礎(chǔ)上研究了鉆機鉆進(jìn)錨固孔過程中鉆頭的受力情況,進(jìn)而得出了錨固孔的鉆進(jìn)軌跡方程。(1)鉆機鉆頭在破巖時,受鉆機軸向的鉆進(jìn)力,同時其表面還受到接觸巖石的阻力以及鉆機轉(zhuǎn)動的扭矩力。這些力疊加在一起,形成了錨桿鉆頭的總鉆入力,錨桿鉆頭在總鉆入力的作用下鉆削煤巖。(2)將鉆頭在錨桿鉆機的軸向推動下破碎巖心的運動軌跡與在錨桿鉆機旋轉(zhuǎn)力的作用下切削巖芯周圍巖石的旋轉(zhuǎn)破巖運動軌跡疊加在一起,形成了錨桿鉆機鉆具沿著螺旋軌跡鉆進(jìn)的鉆孔軌跡,其運動軌跡為:(3)通過分析鉆機鉆進(jìn)錨固孔過程中鉆具的縱向振動、橫向振動及扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的機理及錨桿鉆機鉆具縱向振動波、橫向振動波及扭轉(zhuǎn)振動波在鉆桿中傳播的一般規(guī)律,基于振動測試原理,結(jié)合煤礦實際情況及錨桿鉆機的機械結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計研發(fā)了用于鑒別不同巖層鉆進(jìn)特性的頂板巖層探測儀,可實時采集錨桿鉆機的縱向、橫向和扭轉(zhuǎn)三個方向的振動信息,依據(jù)此三軸振動信息識別頂板巖層。本文從振動傳感器的選型安裝、外殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計及數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計三個方面詳細(xì)闡述了頂板巖層探測儀的設(shè)計理念及設(shè)計方法。(1)頂板巖層探測儀在結(jié)構(gòu)設(shè)計上遵循了本質(zhì)安全、防水防震、使用方便的設(shè)計原則,依據(jù)錨桿鉆機的振動特性及振動信號的測試原理選擇了適當(dāng)?shù)恼駝觽鞲衅骷扒‘?dāng)?shù)陌惭b位置,由于將振動傳感器安裝在了鉆機與鉆桿接頭處的正中位置,故在對探測儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用了居中對稱結(jié)構(gòu),兩側(cè)過水設(shè)計及防爆殼體設(shè)計,所有指示燈按鍵均具有防水性能,同時,為了便于安裝使用,設(shè)計了頂板巖層探測儀與錨桿鉆機及鉆桿的專用接頭。(2)頂板巖層探測儀按照本質(zhì)安全型標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自主設(shè)計研發(fā),電路設(shè)計使用DXP2004,軟件開發(fā)使用C語言程序環(huán)境,上位機軟件使用Delphi開發(fā),儀器所用芯片均為低功耗芯片,采用ADS1248配合LTC1569完成濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等工作,采用STM32F103C8T6作為CPU芯片完成數(shù)據(jù)采集,并將采集到的數(shù)據(jù)存儲至W25Q128外擴存儲芯片,通過STM32F103C8T6芯片自帶USB通訊接口與上位機進(jìn)行通信。(3)采用將電路設(shè)計與數(shù)據(jù)處理相結(jié)合的方法進(jìn)行隨鉆振動信號的處理分析,解決了由于振動信號采集存儲過程中存在噪聲和干擾的問題,有效地剔除了采樣數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾,在振動信號的鉆進(jìn)用時、標(biāo)準(zhǔn)差、幅值區(qū)間、幅值概率等特征參數(shù)的提取方面取得了良好的效果。(4)利用基于隨鉆振動測試研制的頂板巖層探測儀,設(shè)計了實驗室鉆進(jìn)試驗,進(jìn)行了礦物組分、粒度、膠結(jié)物、膠結(jié)結(jié)構(gòu)、抗剪切能力等巖石學(xué)及物理力學(xué)性質(zhì)存在明顯差異的兩種物質(zhì)的鉆進(jìn)試驗,試驗結(jié)果表明,在鉆桿結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)參數(shù)不變的情況下,錨桿鉆機在鉆進(jìn)這兩種介質(zhì)時其三軸加速度均存在不同程度的變化,由此可知,基于隨鉆振動信號測量的方式可很好地辨識巖石學(xué)及物理力學(xué)性質(zhì)差異較大的介質(zhì)。(5)基于實驗室試驗研究發(fā)現(xiàn),錨桿鉆機鉆具的橫向、扭轉(zhuǎn)及縱向三軸加速度瞬時值存在同步性,當(dāng)錨桿鉆機在鉆進(jìn)不同巖層時,其縱向加速度幅值區(qū)分度較好,橫向及扭轉(zhuǎn)加速度幅值區(qū)分度較差,在此研究結(jié)果基礎(chǔ)上,提出了以縱向加速度為基準(zhǔn),以橫向和扭轉(zhuǎn)加速度為參考進(jìn)行振動信號特征研究的方法。(6)基于實驗室試驗結(jié)果,將基于隨鉆振動信號測量的頂板巖層探測儀用于東龐礦進(jìn)行工程實踐,實踐結(jié)果表明,基于隨鉆振動信號測量識別煤巷頂板巖層的方法可有效識別頂板巖層,效果良好,實現(xiàn)了與錨桿支護(hù)的同步性,為頂板巖層結(jié)構(gòu)探測節(jié)約了大量的人力物力。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TD315;TD353

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1582272