巷道顶板岩性成分的随钻探测装置及方法

摘要

本发明公开了一种巷道顶板岩性成分的随钻探测方法，适用于矿山巷道支护技术领域。通过专用岩屑采集装置采集锚杆钻机在顶板凿孔过程中的随钻岩屑，在巷道掘进工作面完成岩屑引流、过滤、沉淀、烘干的全部过程，结合增强型手持式矿石分析仪，即时测定出巷道顶板一定范围内的岩性成分。本发明操作简单，测试方便，实现了锚杆支护过程凿孔工序的同时完成对巷道顶板岩性的探测分析，尤其适用于矿山岩性复杂多变的地质条件，解决了定量描述顶板岩性成分的重大难题，能够为巷道顶板支护方式和支护参数的设计和调整提供科学的依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种巷道顶板岩性成分的随钻探测的方法，尤其适用于煤矿巷道顶板岩性复杂多变的地质条件，解决了定量描述巷道顶板岩性成分的重大难题，应用于矿山巷道支护技术领域。

背景技术

我国煤炭资源的赋存条件受沉积环境影响，顶板的岩性往往在同一层位的同一巷道中变化频繁，由于巷道顶板的岩性特征不能及时探明，支护设计不能随顶板岩性的变化而及时变更，有时会因为支护强度不够而造成顶板事故，或者支护强度过剩，浪费支护材料，降低掘进效率。

目前，确定巷道顶板岩性的方法主要有以下三种：第一种是利用地质岩心钻，取出岩心，根据岩心的柱状构造，人工分析获得顶板围岩的地质力学参数，再进行支护设计，这种方法耗时长、费用高，地质钻机的体型也较大，不适合在掘进工作面使用，不能随掘进机的掘进而随时随地使用；第二种方法是物探法，利用具有不同物理性质(如密度、磁性、电性、弹性波传播速度、放射性等)的岩层产生的异常来推断地质构造，而物探法预报主要是对界面(断层及其破碎带、软弱夹层、不同岩层分界面、地层分界面)位置的预报，不能有效的识别巷道顶板岩层的岩性，而这正是巷道锚固支护施工的重点和难点。第三种是利用顶板结构窥视仪为观测手段，对巷道顶板的钻孔内的岩性进行窥视，由于复杂的外部环境及仪器本身的不足，常常出现钻孔成像不清晰，导致误差较大，不能定量的测定出顶板的岩性成分。因此对巷道顶板岩性成分探测的方法需要进一步研究，亟需提出一种能够适用于煤矿巷道工作环境，快速、准确探测顶板岩性成分的方法。

发明内容

技术问题：针对上述技术的不足之处，提供一种步骤简单，解决了煤矿巷道掘进与支护过程中不能快速识别顶板岩性成分的技术难题，在巷道掘进过程中即时探明顶板岩层的岩性成分，安全高效的巷道顶板岩性成分的随钻探测装置及方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的巷道顶板岩性成分的随钻探测装置，它包括岩屑采集装置、单体锚杆钻机和增强型手持式矿石分析仪，其中单体锚杆钻机垂直设置并向顶板钻孔；所述的岩屑采集装置包括装置外壳、岩屑采集漏斗、导管、烘干装置、过滤管、排气孔和排水管，其中烘干装置和过滤管分别垂直设置在装置外壳内部，烘干装置在过滤管周围，装置外壳上方设有与过滤管相连接的开口，侧面设有多个排气孔，底部设有排水管，所述岩屑采集漏斗下方中央设有漏斗孔，一侧设有导管，岩屑采集漏斗的上开口设置在单体锚杆钻机钻孔下方，岩屑采集漏斗通过导管与过滤管相连接。

所述的单体锚杆钻机为液压式或气动式；钻杆为刻度式钻杆，沿着长度为1m的钻杆，从上至下每隔20cm加工一圈高为1cm，深为1mm的凹槽，使用反光涂料，沿钻进方向从上至下将凹槽内喷涂红黄绿青蓝5种颜色条带。

所述的岩屑采集漏斗底部的圆形的漏斗孔直径为20～30mm，岩屑采集漏斗最上端的开口为圆形喇叭口，直径为50～60cm，使用膨胀螺栓将岩屑采集漏斗固定在顶板上；岩屑采集漏斗和组成导管的首截50cm的钢管焊接为一体，均为不锈钢材质，连接处位于岩屑采集漏斗的最低端。

所述的导管由多个50cm的短钢管组成，钢管采用螺纹连接。所述的烘干装置由2个内置2000W镍铬丝的电热管组成。所述的过滤管底部和侧壁有过滤孔，过滤管的目数为80到120之间，过滤孔的直径为0.125mm～0.18mm。

一种巷道顶板岩性成分的随钻探测方法，其包括如下步骤：

a.凿孔前，将岩屑采集装置的采集漏斗的上开口升至钻孔下方，调整岩屑采集漏斗位置使漏斗孔正对钻孔下方，使用膨胀螺栓将岩屑采集漏斗固定在顶板的岩壁上；

b.开始凿孔工序：将单体锚杆钻机的刻度式钻杆、钻头穿过岩屑采集漏斗中央的漏斗孔进行垂直顶板凿孔，在钻进过程根据钻孔深度需要不断加长刻度式钻杆；

c.在凿孔过程中，刻度式钻杆每钻进20cm就停止凿孔，此时顶板内的岩石碎屑混合液通过岩屑采集漏斗收集起来，经导管引流入岩屑采集装置的过滤管中进行过滤，水分通过排水管排出，岩屑沉淀在过滤管中，同时设置在过滤管周边的烘干装置对过滤管中沉淀留下的岩屑进行烘干，从而得到此段顶板岩石的采样，更换岩屑采集装置中的过滤管，并将已取出的过滤管按顺序进行记录、编号，从而获得不同深度顶板凿孔的岩石采样；

d.根据凿孔深度循环b、c步骤，直到达到要求钻孔深度；

e.将收集到的过滤管按照编号顺序，依次使用强型手持式矿石分析仪对过滤管中的岩屑进行探测分析，对比凿孔深度记录可以由浅到深地确定钻孔中顶板岩层的岩性特征。

有益效果：

本方法利用专用岩屑采集装置采集锚杆钻机在顶板凿孔过程中的随钻岩屑，在巷道掘进工作面完成岩屑引流、过滤、沉淀、烘干的全部过程，结合增强型手持式矿石分析仪，即时测定出巷道顶板一定范围内的岩性成分。本方法克服了同一巷道中往往采用相同支护方式的工程难题，实现了随巷道顶板岩性成分的变化而及时调整支护方案，适用于巷道顶板岩性复杂的地质条件；在巷道掘进过程中连续探测顶板岩性成分，为支护方式和支护参数设计和调整提供科学的依据，最大限度的减少冒顶事故的发生，为煤矿工人提供安全可靠的工作环境；本发明具有操作简单，安全可靠，施工现场使用方便的优点。

附图说明

图1为本发明的平面布置结构示意图；

图中：1－岩屑采集装置；2－单体锚杆钻机；3－岩屑采集漏斗；4－漏斗孔；5－导管；6－烘干装置；7－过滤管；8－排气孔；9－排水管；10－顶板；11－巷道底板。

图2为刻度式钻杆的示意图；

图3为岩屑采集漏斗的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施实例作进一步的描述：

如图1所示，本发明的巷道顶板岩性成分的随钻探测装置，其特征在于：它包括岩屑采集装置1、单体锚杆钻机2和增强型手持式矿石分析仪，其中单体锚杆钻机2垂直设置并向顶板10钻孔；所述的岩屑采集装置1包括装置外壳、岩屑采集漏斗3、导管5、烘干装置6、过滤管7、排气孔8和排水管9，其中烘干装置6和过滤管7分别垂直设置在装置外壳内部，所述的烘干装置6由2个内置2000W镍铬丝的电热管组成，烘干装置6设置在过滤管7周围，装置外壳上方设有与过滤管7相连接的开口，侧面设有多个排气孔8，底部设有排水管9，所述岩屑采集漏斗3下方中央设有漏斗孔4，一侧设有导管5，所述的导管5由多个50cm的短钢管组成，钢管采用螺纹连接，岩屑采集漏斗3的上开口设置在单体锚杆钻机2钻孔下方，岩屑采集漏斗3通过导管5与过滤管7相连接。所述的过滤管7底部和侧壁有过滤孔，过滤管的目数为80到120之间，过滤孔的直径为0.125mm～0.18mm。

所述的单体锚杆钻机2为液压式或气动式；如图2所示，钻杆为刻度式钻杆，沿着长度为1m的钻杆，从上至下每隔20cm加工一圈高为1cm，深为1mm的凹槽，使用反光涂料，沿钻进方向从上至下将凹槽内喷涂红黄绿青蓝5种颜色条带，其中L₁的长度为100cm，L₂的长度为20cm。

如图3所示，所述的岩屑采集漏斗3底部的圆形的漏斗孔4直径为20～30mm，岩屑采集漏斗3最上端的开口为圆形喇叭口，直径为50～60cm，使用膨胀螺栓将岩屑采集漏斗3固定在顶板上；岩屑采集漏斗3和组成导管5的首截50cm的钢管焊接为一体，均为不锈钢材质，连接处位于岩屑采集漏斗的最低端。

一种巷道顶板岩性成分的随钻探测方法，其包括如下步骤：

a.凿孔前，将岩屑采集装置1的采集漏斗3的上开口升至钻孔下方，调整岩屑采集漏斗3位置使漏斗孔4正对钻孔下方，使用膨胀螺栓将岩屑采集漏斗3固定在顶板的岩壁上；

b.开始凿孔工序：将单体锚杆钻机的刻度式钻杆、钻头穿过岩屑采集漏斗3中央的漏斗孔4进行垂直顶板凿孔，在钻进过程根据钻孔深度需要不断加长刻度式钻杆；

c.在凿孔过程中，刻度式钻杆每钻进20cm就停止凿孔，此时顶板11内的岩石碎屑混合液通过岩屑采集漏斗3收集起来，并导管5引流入岩屑采集装置1的过滤管7中进行过滤，水分通过排水管9排出，岩屑沉淀在过滤管7中，同时设置在过滤管7周边的烘干装置6对过滤管7中沉淀留下来的岩屑进行烘干，从而得到此段顶板11岩石的采样，更换岩屑采集装置1中的过滤管7，并将已取出的过滤管7按顺序进行记录、编号，从而获得不同深度顶板1凿孔的岩石采样；

d.根据凿孔深度循环b、c步骤，直到达到要求钻孔深度；

e.将收集到的过滤管7按照编号顺序，依次使用强型手持式矿石分析仪对过滤管中的岩屑进行探测分析，对比凿孔深度记录可以由浅到深地确定钻孔中顶板岩层的岩性特征。