基于礦用鉆孔成像儀的孔壁模擬實驗裝置研制

李金波，許興亮，2，張崇禮，楊長德，常治國，張偉光

（1.新疆工程學院礦業(yè)工程與地質(zhì)學院，烏魯木齊 830000；2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇徐州 221116）

0 引言

礦用鉆孔成像儀可用于探測煤巖體的褶皺、斷層、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造；探測煤層及其頂板巖層的巖性；探測礦井巷道和回采工作面頂板離層狀態(tài)；探測巖體錨桿鉆孔和煤層瓦斯鉆孔等鉆孔質(zhì)量。通過鉆孔成像儀拍攝的鉆孔孔壁照片與視頻，利用系統(tǒng)軟件生成的報告資料對煤巖地質(zhì)體的巖性進行綜合分析，獲取煤巖地質(zhì)體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等特點，為礦山巷道支護、圍巖控制、災害防治等提供參考依據(jù)［1-3］。

近幾年，鉆孔成像技術(shù)在煤礦煤層頂板巖層測試分析中得到不斷推廣和普及，大量現(xiàn)場測試研究證實了鉆孔成像技術(shù)基本可以勝任對煤礦地質(zhì)條件的調(diào)查分析與研究預判［4-9］。王川嬰等［10］通過鉆孔成像技術(shù)，以孔壁巖體的破碎程度為依據(jù)，建立了孔壁巖體完整性指數(shù)RMDI；李衛(wèi)明等［11］基于鉆孔攝影技術(shù)對水平鉆孔節(jié)理裂隙發(fā)育特征進行了研究；于鐘博等［12-14］通過鉆孔成像技術(shù)對某礦井“兩帶”高度進行了實測研究，確定了垮落帶高度和導水斷裂帶高度范圍；王振廣等［15］采用鉆孔成像技術(shù)對云煤二礦采煤工作面頂板進行了多次現(xiàn)場實測，通過不同時間、相同位置的孔壁成像對比分析，確定了采動覆巖上方垮落帶和導水斷裂帶發(fā)育高度和變化特征，計算得出垮落帶和導水斷裂帶高度。

由此可見，掌握礦用鉆孔成像儀工作原理與設(shè)備操作方法，開展相關(guān)煤巖體巖性分析進而為后續(xù)技術(shù)工作提供參考依據(jù)，是煤礦技術(shù)人員必備的一項基本技能。本文設(shè)計并研制一種基于礦用鉆孔成像儀的鉆孔孔壁模擬實驗裝置。

1 孔壁模擬實驗裝置基本要求

礦用鉆孔成像儀通過拍攝、錄制煤巖體鉆孔孔壁圖片與視頻的形式，對井下未知的煤巖地質(zhì)體鉆孔所處位置的巖（煤）性質(zhì)進行綜合分析，進而達到窺視目的。因此，孔壁模擬實驗裝置要滿足相應的功能條件，提供煤巖地質(zhì)體不同的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等模擬效果，達到實驗有效模擬目的，實現(xiàn)實驗教學效果。結(jié)合設(shè)備功能和煤巖體基本性質(zhì)，孔壁模擬實驗裝置的基本要求如下：

（1）煤礦地下開采空間為三維地質(zhì)體，因此孔壁模擬裝置應滿足立體性。

（2）煤層埋藏于地下，從地表到深地分布有表土層、巖層、煤層以及巖層與煤層交互等不同地質(zhì)體。因此，實驗裝置的孔壁模擬應做到多樣性，能有效區(qū)分巖體、煤層、夾矸等各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)體。

（3）地下巖體（煤層）在各種地質(zhì)作用（如構(gòu)造運動）下，常存在褶皺、斷層、裂隙等不同程度發(fā)育，因此實驗裝置應具備模擬不同結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的功能。

（4）地下巖體尤其是煤層的賦存狀態(tài)不穩(wěn)定，實驗裝置的孔壁應模擬出地質(zhì)體（巖層或煤層）不同的走向、傾向、厚度等要素。

（5）孔壁模擬實驗裝置在具備上述較強的真實模擬仿真效果基礎(chǔ)上，同時應具備可拆卸、可組裝、可修復等可再利用性。

（6）實驗裝置應確保安全性，做到材料環(huán)保不危害學生身體健康、裝置安全不損傷礦用鉆孔成像儀。

2 孔壁模擬實驗裝置結(jié)構(gòu)

基于礦用鉆孔成像儀的孔壁模擬實驗裝置，由結(jié)構(gòu)主體和輔助裝置兩大部分組成。孔壁模擬實驗裝置主體部分示意圖與剖視圖見圖1 和圖2。本文圖中數(shù)字對應設(shè)備見表1。

圖1 孔壁模擬裝置主體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 孔壁模擬裝置主體結(jié)構(gòu)剖視圖

表1 圖中數(shù)字對應設(shè)備名稱

2.1 結(jié)構(gòu)主體

孔壁模擬實驗裝置結(jié)構(gòu)主體部分呈圓柱狀結(jié)構(gòu)，主要包含包括完整巖層孔壁層、裂隙巖層孔壁層、裂縫巖層孔壁層、破碎巖層孔壁層和急傾斜煤層系列孔壁層5 種不同鉆孔模擬孔壁。模擬孔壁主體上端設(shè)置開口，開口由上向下依次穿過完整巖層孔壁層、裂隙巖層孔壁層、裂縫巖層孔壁層、破碎巖層孔壁層和急傾斜煤層系列孔壁層形成通孔。

實驗裝置主體結(jié)構(gòu)由上到下的通孔，用以模擬礦井煤巖地質(zhì)體的鉆孔；由上而下的完整巖層孔壁層等系列孔壁模擬層用以模擬礦井巖層（煤層）鉆孔對應的孔壁結(jié)構(gòu)，其具有一定的立體性、多樣性和仿真性。實踐教學參與者可以使用礦井鉆孔成像儀對孔壁層的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造進行影像拍攝采集，進而對地質(zhì)體巖性進行綜合分析，為后續(xù)工作提供技術(shù)參考依據(jù)。

實驗裝置主體從上到下的5 層孔壁層通過黏貼劑緊密粘合連接，孔壁層之間緊密粘合、不留縫隙。黏合厚度較薄，避免相鄰的孔壁層之間的黏貼劑層較厚而降低孔壁模擬裝置的模擬效果。主體通孔的底部設(shè)置有封堵層，封堵層連接在通孔底部巖層的下端，將底部巖石層下端的開口封堵，形成上端敞口下端封堵的鉆孔孔壁模擬結(jié)構(gòu)，真實的模擬出井下實際鉆孔的鉆孔孔壁結(jié)構(gòu)。

根據(jù)實驗室空間及礦用鉆孔成像儀的功能特點，考慮學生實驗過程的便捷性與可操作性，設(shè)計孔壁模擬實驗裝置的完整巖層孔壁層、裂隙巖層孔壁層、裂縫巖層孔壁層、破碎巖層孔壁層以及急傾斜煤層系列孔壁層的長度均為250～350 mm；依據(jù)礦用鉆孔成像儀探頭的直徑結(jié)構(gòu)大小，設(shè)計通孔為圓形孔，直徑為40～60 mm。各個孔壁層的長度適中，通孔的孔徑適合，有利于實踐教學活動的順利開展。

2.2 輔助裝置

2.2.1 結(jié)構(gòu)組成

實驗裝置的輔助裝置包括底板、支撐架、下壓機構(gòu)和鎖緊機構(gòu)等四部分組成。

（1）底板。用于支撐模擬孔壁主體。

（2）支撐架。連接在底板上且向上延伸，其內(nèi)側(cè)與底板之間形成可容納孔壁層主體的容納空腔，其結(jié)構(gòu)示意圖詳見圖3。

圖3 支撐架結(jié)構(gòu)示意圖

（3）下壓機構(gòu)。下壓機構(gòu)可上下滑動，安裝在支撐架上，且可伸入容納空腔內(nèi)，用于在豎直方向從上向下對放置在容納空腔內(nèi)的孔壁層進行施壓；下壓機構(gòu)輔助裝置對孔壁層進行施壓的示意圖詳見圖4。

圖4 下壓機構(gòu)施壓結(jié)構(gòu)示意圖

（4）鎖緊機構(gòu)。鎖緊機構(gòu)有多個，其在豎直方向間隔安裝在支撐架上，用于對放置在容納空腔內(nèi)的孔壁層進行鎖緊。

2.2.2 孔壁層連接

孔壁模擬實驗裝置結(jié)構(gòu)主體的輔助裝置上設(shè)計有底板和支撐架，支撐架的內(nèi)側(cè)與底板之間形成可容納實驗裝置主體的容納空腔。在進行制造孔壁模擬裝置的過程中，將需要連接的第一段孔壁層放置在底板上，然后在第1 段孔壁層的上端面涂上黏貼劑，然后將需要連接在第1 段孔壁層上方的第2 段孔壁層放置在第1 段孔壁層的上端面，通過向下滑動下壓機構(gòu)對第2段孔壁層進行施壓，使得孔壁層緊密粘合，然后通過鎖緊機構(gòu)對第2 段孔壁層進行鎖緊，再松開下壓機構(gòu)且將下壓機構(gòu)向上滑動，以此類推完成5 段孔壁層有效穩(wěn)固連接。

2.2.3 各輔助裝置結(jié)構(gòu)與連接方式

支撐架包括兩類不同立柱，分別為立柱1 與立柱2。立柱1 與立柱2 連接在底板上且豎直向上延伸。

鎖緊機構(gòu)上下滑動安裝在多根立柱1 之間，便于通過將鎖緊機構(gòu)上下滑動來調(diào)節(jié)鎖緊機構(gòu)的位置，對多個孔壁層進行鎖緊；立柱2 位于相鄰的兩根立柱1之間，下壓機構(gòu)上下滑動安裝在立柱2 上，便于對下壓機構(gòu)上下滑動，有利于在將多個孔壁層進行粘合連接的過程中實現(xiàn)對不同孔壁層進行施壓。

鎖緊機構(gòu)包括圓環(huán)形支撐座和鎖緊件。①圓環(huán)形支撐座上設(shè)有滑動凸塊，滑動凸塊安裝在滑槽內(nèi)上下滑動，實現(xiàn)對鎖緊機構(gòu)進行上下滑動；②圓環(huán)形支撐板上連接有多個鎖緊件，鎖緊件對容納空腔內(nèi)的孔壁層進行鎖緊。圓環(huán)形支撐座示意圖詳見圖5。

圖5 圓環(huán)形支撐座結(jié)構(gòu)示意圖

下壓機構(gòu)包括滑塊、水平支撐板、旋緊件、施壓板等。滑塊上設(shè)有滑動安裝部，滑動安裝部安裝在滑槽內(nèi)通過鎖緊件連接在立柱2 不同高度位置上；水平支撐板連接在滑動安裝部上，向容納空腔內(nèi)水平延伸形成延伸端；旋緊件適配螺紋連接在螺紋孔內(nèi)，通過旋緊件對放置在容納空腔內(nèi)的孔壁層進行施壓；施壓板連接在旋緊件的下端，位于容納空腔內(nèi)，用于對孔壁層進行施壓，施壓板的底部連接有彈性墊，用以提高施壓板對孔壁層進行施壓的平衡性以及可靠性。

2.2.4 孔壁模擬結(jié)構(gòu)

主體位于輔助裝置內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖和俯視圖詳見圖6 和圖7。

圖6 孔壁模擬實驗裝置（完整）示意圖

圖7 孔壁模擬實驗裝置（完整）俯視圖

3 孔壁模擬實驗裝置的使用

在“礦用鉆孔成像儀使用”實驗操作的實踐教學活動中，按照實驗儀器正常使用步驟與方法進行相關(guān)實驗。首先安置好孔壁模擬實驗裝置，然后連接好鉆孔成像儀的視頻輸入線、深度脈沖線，將深度編碼器有序連接，再開啟鉆孔成像儀，使用推桿將攝像探頭緩緩推入孔壁模擬實驗裝置的鉆孔中，最后將錄制的影響資料拷貝到計算機里進行綜合分析。

4 結(jié)語

孔壁模擬實驗裝置的設(shè)計與研制，在一定程度上達到了仿真井下煤巖地質(zhì)體鉆孔的效果，使學生在實驗操作過程中能夠模擬探測地質(zhì)體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的每一個過程，實現(xiàn)了從觀看演示性實驗到動手操作設(shè)計性實驗的進步，對提高學生掌握鉆孔成像儀操作技能具有一定幫助，對應用型人才培養(yǎng)具有積極促進作用。同時，模擬裝置結(jié)構(gòu)簡單，不具備隨時變化性，與井下動態(tài)的煤巖地質(zhì)體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造實際相比還有很大差距，再加上實驗室模擬實驗與井下施工環(huán)境的巨大差別，難以實現(xiàn)完全達到井下真實環(huán)境的實驗效果，因此，更高標準的模擬實驗裝置設(shè)計研制工作有待進一步探索和研究。