УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВО ВРЕМЯ БУРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА КРЕПОСТИ ПО ПРОТОДЬЯКОНОВУ ПОРОДЫ КРОВЛИ ТУННЕЛЯ НА ОСНОВЕ ИЗМЕРИТЕЛЯ УРОВНЯ ЗВУКА Российский патент 2019 года по МПК E21B47/12 

I. Область техники

[01] Настоящее изобретение относится к устройству и способу определения во время бурения, которые лежат в области техники крепи горного туннеля, и, в частности, относится к устройству и способу определения во время бурения коэффициента крепости по Протодьяконову породы кровли туннеля на основе измерителя уровня звука, которые подходят для геологических условий, при которых имеется небольшое пространство между плоскостями напластования между слоями породы с отличающимися литологическими свойствами на кровле туннеля угольной шахты.

II. Уровень техники

[02] Крепь туннеля является ключевой технологией для безопасной разработки угля. Среди аварий в шахтах имеется большая доля инцидентов, связанных с разрушением кровли в результате недостаточной прочности крепи, которая обусловлена тем, что литологические свойства местной кровли не были своевременно определены. В связи с этим, во время строительства туннеля необходимо своевременно определять литологические свойства кровли туннеля. Для площади, где существует возможность аварии в виде обрушения кровли, следует своевременно изменять способ крепи или регулировать параметры крепи для обеспечения безопасности и устойчивости кровли.

[03] В настоящее время способ определения литологических свойств локальной кровли туннеля в основном включает в себя способ отбора керна, способ вдавливания стенки шпура, способ наблюдения стенки шпура и геологическое радиолокационное зондирование и т.п. Согласно способу отбора керна проводят отбор керна на кровле геологическим керновым буром и анализируют литологические свойства кровли согласно столбчатой структуре керна, однако геологическую буровую установку нельзя применять для работы на продвигающемся рабочем забое и нельзя применять в любое время в любом месте с продвижением короткозабойной врубовой машины, вследствие больших габаритов установки. Согласно способу вдавливания стенки шпура некоторые пластически деформируемые материалы, лишенные жидкотекучести и упругости, связывают с поверхностями шпура, внутренние датчики шпуров, подлежащих детектированию, вводят для копирования во вдавливание, и вдавливание измеряют, чтобы оценить внутренние структуры шпуров, подлежащих детектированию, однако таким способом нельзя измерить литологические свойства кровли и обеспечить научные и актуальные данные для расчета конструкции крепи. Согласно способу наблюдения виды внутри шпуров непосредственно фотографируют с помощью зонда с применением записывающего устройства детектирования пласта породы и других приборов, однако под влиянием окружающей среды подземной угольной шахты увеличивается ошибка в параметрах окружающей структуры породы кровли вследствие низкой точности наблюдения. Геологическое радиолокационное зондирование относится к электромагнитной технологии, где отличающиеся среды в слоях породы кровли точно распознают и устанавливают в граничных линиях на основе разницы электрических свойств детектируемых сред, такой способ недостаточно раскрывает связанность и развитие трещин и не позволяет успешно идентифицировать литологические свойства слоев породы на кровле туннеля, что является ключевым и трудноисполнимым в разработке и строительстве крепи туннеля. Таким образом, для получения суммарных характеристик слоев породы на кровле угольной шахты имеется острая необходимость разработки способа адаптации к окружающей среде подземной угольной шахты и быстрой идентификации литологических свойств кровли.

III. Раскрытие сущности изобретения

[04] Техническая проблема:

обеспечить нацеленные на решение вышеупомянутых технических проблем устройство определения во время бурения коэффициента крепости по Протодьяконову на основе измерителя уровня звука породы кровли туннеля, которое имеет простую конструкцию, удобно в применении и управлении и имеет низкую интенсивность детектирования и собирает данные коэффициента крепости по Протодьяконову породы кровли туннеля посредством генерирования шума в процессе бурения, а также соответствующий способ.

[05] Техническое решение:

для решения вышеупомянутой задачи устройство определения во время бурения коэффициента крепости по Протодьяконову для породы кровли туннеля на основе измерителя уровня звука согласно настоящему изобретению содержит действующее во время бурения подшипниковое устройство, индивидуальную машину для постановки анкерной крепи, измеритель уровня звука и бурильную штангу, при этом индивидуальная машина для постановки анкерной крепи расположена вертикально на нижней плите туннеля; верхняя часть индивидуальной машины для постановки анкерной крепи оснащена действующим во время бурения подшипниковым устройством, проходящим при бурении в кровлю туннеля с помощью мерной бурильной штанги; а действующее во время бурения подшипниковое устройство соединено с измерителем уровня звука соединительным проводом.

[06] Действующее во время бурения подшипниковое устройство содержит зонды измерителя уровня звука, конические элементы, подшипник бесшумного действия и буровое долото, которые расположены на бурильной штанге, при этом буровое долото расположено на вершине мерной бурильной штанги; подшипник бесшумного действия расположен на бурильной штанге ниже бурового долота; множество конических элементов расположены на подшипнике бесшумного действия; зонды измерителя уровня звука расположены на конических элементах; и зонды измерителя уровня звука соединены с измерителем уровня звука соединительным проводом.

[07] Внутренний диаметр подшипника бесшумного действия составляет 15-25 мм, и наружный диаметр составляет 25-35 мм; и внутренний диаметр имеет сварное соединение с мерной бурильной штангой, и наружный диаметр имеет сварное соединение с коническими элементами.

[08] Индивидуальная машина для постановки анкерной крепи является гидравлической или пневматической; бурильная штанга является мерной бурильной штангой, и длина мерной бурильной штанги составляет 1 м; канавка высотой 1 см и глубиной 1 мм выполнена металлорежущим станком от верха до низа с интервалами 10 см; отражающее покрытие расположено на поверхности мерной бурильной штанги; и напыляют красная, оранжевая, желтая, зеленая, голубая, синяя, фиолетовая, черная и белая полосы внутри канавки от верха до низа вдоль направления бурения, при этом длина L1 составляет 100 см, и длина L2 составляет 10 см.

[09] Способ определения во время бурения коэффициента крепости по Протодьяконову для породы кровли туннеля на основе применения измерителя уровня звука отличается тем, что включает следующие этапы:

[010] а) установление стандартного каталога с коэффициентов крепости по Протодьяконову пород в шахте в диапазоне 0,3-20: выбор места отбора керна в туннеле того же угольного пласта, бурение горных пород в отличающихся слоях в пределах 20 м на месте отбора керна на кровле, станочная обработка и комбинирование до стандартного испытательного образца согласно Способу измерения физических и механических свойств угля и горной породы, выполнение бурильного эксперимента в лаборатории с применением машины для постановки анкерной крепи и бурового долота для отличающихся комбинаций пород с коэффициентом крепости керна по Протодьяконову в диапазоне 0,3-20, запись шума в децибелах в процессе бурения стандартного испытательного образца испытательным буровым долотом с применением измерителя уровня звука и выполнение испытания бурением на всех стандартных испытательных образцах с получением диапазона шума в децибелах стандартного испытательного образца породы с отличающимися коэффициентами крепости по Протодьяконову в диапазоне 0,3-20 в процессе бурения;

[011] б) пуск индивидуальной машины для постановки анкерной крепи с обеспечением индивидуальной машиной для постановки анкерной крепи привода для действующего во время бурения подшипникового устройства с помощью бурильной штанги для бурения шпуров в кровле туннеля, включение в работу измерителя уровня звука, получение данных шума в децибелах действующим во время бурения подшипниковым устройством при бурении кровли туннеля и динамической кривой в децибелах; остановка бурения после бурения каждых 10 см в привязке к отсчету по мерной бурильной штанге, техническое считывание диапазона в децибелах в измерителе уровня звука, и сравнение со значениями в диапазоне 0,3-20 стандартного каталога коэффициентов крепости по Протодьяконову пород, установленных для шахты, с получением коэффициента уплотненности горной породы и расстояние бурения в пределах диапазона; в случае недостаточной длины мерной бурильной штанги, дополнительное расположение удлиненной мерной бурильной штанги на заднем конце;

[012] в) повторение этапа 6 с получением коэффициента уплотненности горной породы в пределах диапазона шпура кровли.

[013] Положительные результаты: согласно способу, шум, генерируемый в процессе пробивания машиной для постановки анкерной крепи, преобразуется в полезный источник звука, с получением в режиме реального времени и непрерывно определения коэффициента уплотненности породы кровли. Действующее во время бурения подшипниковое устройство с зондом измерителя уровня звука расположено за буровым долотом; шум в децибелах объема шпуров с отличающимися глубинами оценивают в процессе бурения в привязке к отсчету по мерной бурильной штанге, и коэффициент крепости породы по Протодьяконову в пределах досягаемости при бурении кровли туннеля быстро получают путем сравнения с децибелами в объеме бурения горной породы туннеля на площадке работ, соответствующими значениям в диапазоне 0,3-20 стандартного каталога коэффициентов крепости по Протодьяконову пород, установленных лабораторией. Вредный шум процессе пробивания преобразуют в полезный источник звука для своевременного регулирования параметра крепи согласно местным условиям с изменением в коэффициенте уплотненности локальной породы кровли в процессе его определения во время бурения, и крепь улучшают или влияние крепи снижают надлежащим образом для эффективного предотвращения образования обломков крепи, а также обрушения кровли, обусловленного недостаточной прочностью крепи во время добычи, при этом обеспечивая безопасную и надежную эксплуатационную среду для угольных шахт. Способ имеет преимущества в виде удобства применения на площадке работ, простоты эксплуатации, низкой трудоемкости и отсутствия отрицательного влияния на нормальную добычу.

IV. Краткое описание чертежей

[014] На фиг. 1 показана принципиальная схема конструкции с плоскостной схемой изобретения.

[015] На фиг. 2 показана схема действующего во время бурения подшипникового устройства согласно изобретению.

[016] На фиг. 3 показана схема мерной бурильной штанги изобретения.

[017] На фигурах показано следующее:

1 - действующее во время бурения подшипниковое устройство;

2 - индивидуальная машина для постановки анкерной крепи;

3 - измеритель уровня звука,

4 - мерная бурильная штанга;

5 - кровля туннеля;

6 - нижняя плита туннеля;

7 - зонд измерителя уровня звука;

8 - конический элемент;

9 - бесшумный подшипник;

10 - буровое долото;

11 - шпур;

12 - соединительный провод.

V. Осуществление изобретения

[018] Ниже настоящее изобретение дополнительно подробно описано в варианте осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.

[019] Как показано на фиг. 1, устройство определения во время бурения коэффициента крепости по Протодьяконову породы кровли туннеля, на основе измерителя уровня звука, изобретения содержит действующее во время бурения подшипниковое устройство 1, индивидуальную машину 2 для постановки анкерной крепи, измеритель 3 уровня звука и бурильную штангу, при этом индивидуальная машина 2 для постановки анкерной крепи расположена вертикально на нижней плите 6 туннеля; верхняя часть индивидуальной машины 2 для постановки анкерной крепи оснащена действующим во время бурения подшипниковым устройством 1, проходящим при бурении в кровлю туннеля 5 на мерной бурильной штанге 4; и действующее во время бурения подшипниковое устройство 1 соединено с измерителем 3 уровня звука соединительным проводом 12.

[020] Как показано на фиг. 2, действующее во время бурения подшипниковое устройство 1 содержит зонды 7 измерителя уровня звука, конические элементы 8, бесшумный подшипник 9 и буровое долото 10, которые расположены на бурильной штанге, при этом буровое долото 10 расположено на вершине мерной бурильной штанги 4; бесшумный подшипник 9 расположен на бурильной штанге ниже бурового долота 10; множество конических элементов 8 расположены на бесшумном подшипнике 9; зонды 7 измерителя уровня звука расположены на конических элементах 8; и зонды 7 измерителя уровня звука соединены с измерителем 3 уровня звука соединительным проводом 12. Внутренний диаметр бесшумного подшипника 9 составляет 15-25 мм, и наружный диаметр составляет 25-35 мм; и внутренний диаметр имеет сварное соединение с мерной бурильной штангой 4, и наружный диаметр имеет сварное соединение с коническими элементами 8.

[021] Как показано на фиг. 3, индивидуальная машина 2 для постановки анкерной крепи является гидравлической или пневматической; бурильная штанга является мерной бурильной штангой 4, и длина мерной бурильной штанги 4 составляет 1 м; канавка высотой 1 см и глубиной 1 мм выполнена металлорежущим станком от верха до низа с интервалами 10 см; отражающее покрытие расположено на поверхности мерной бурильной штанги 4; и полосы красная, оранжевая, желтая, зеленая, голубая, синяя, фиолетовая, черная и белая напыляют внутри канавки сверху вниз вдоль направления бурения, при этом длина L1 составляет 100 см, и длина L2 составляет 10 см.

[022] Способ определения во время бурения коэффициента крепости по Протодьяконову для породы кровли туннеля на основе применения измерителя уровня звука отличается тем, что содержит следующие этапы:

[023] Установление стандартного каталога коэффициентов крепости по Протодьяконову породы в шахте в диапазоне 0,3-20: выбор места отбора керна в туннеле того же угольного пласта, бурение пород в отличающихся слоях в пределах 20 м на месте отбора керна на кровле, станочная обработка и комбинирование до стандартного испытательного образца согласно Способу измерения физических и механических свойств угля и горной породы, выполнение бурильного эксперимента в лаборатории с применением машины для постановки анкерной крепи и бурового долота для отличающихся комбинаций пород со значениями коэффициента крепости керна по Протодьяконову в диапазоне 0,3-20, запись шума в децибелах в процессе бурения стандартного испытательного образца испытательным буровым долотом с применением измерителя уровня звука и выполнение испытания бурением на всех стандартных испытательных образцах с получением диапазона шума в децибелах стандартного испытательного образца породы с отличающимися коэффициентами крепости по Протодьяконову в диапазоне 0,3-20 в процессе бурения;

[024] Пуск индивидуальной машины 2 для постановки анкерной крепи с обеспечением индивидуальной машиной 2 для постановки анкерной крепи привода для действующего во время бурения подшипникового устройства 1 с помощью бурильной штанги для бурения шпуров 11 в кровле 5 туннеля, включение в работу измерителя 3 уровня звука, получение данных шума в децибелах действующим во время бурения подшипниковым устройством 1 при бурении кровли 5 туннеля и динамической кривой в децибелах; остановка бурения после бурения каждых 10 см в привязке к отсчету по мерной бурильной штанге 4, техническое считывание диапазона в децибелах в измерителе 3 уровня звука и сравнение со значениямив диапазоне 0,3-20 стандартного каталога коэффициентов крепости пород по Протодьяконову пород, установленных для шахты, с получением коэффициента уплотненности горной породы и расстояния бурения в пределах диапазона; сравнение со значением в диапазоне 0,3-20 стандартного каталога коэффициентов крепости по Протодьяконову пород согласно измеренным децибелам при бурении на 0,1 м для определения коэффициента уплотненности породы в пределах расстояния 0,1 м в шпуре; своевременная модификация параметра крепи согласно отличающимся коэффициентам уплотненности породы кровли, например, когда горная порода в локальной кровле является рыхлой (такой как аргиллит), крепь требует улучшения и увеличения концентрации болтов крепи для обеспечения устойчивости кровли; когда горная порода в локальной кровле является твердой (такой как песчаник), шаг сетки между болтами крепи можно надлежащим образом увеличить, можно выполнить требования по крепи и, при этом, уменьшить отходы материалов, получая крепь туннеля, соответствующую местным условиям;

[025] в случае недостаточной длины мерной бурильной штанги 4, дополнительное расположение удлиненной мерной бурильной штанги 4 на заднем конце;

[026] с. Повторение этапа b для получения коэффициента уплотненности горной породы в пределах диапазона шпура 11 кровли.

Настоящее изобретение раскрывает устройство и способ определения во время бурения коэффициента крепости по Протодьяконову для породы кровли туннеля на основе измерения уровня звука. Для решения проблемы определения во время бурения показателя важных механических свойств горной породы, коэффициента крепости по Протодьяконову, влияющего на схему анкерования и крепи кровли туннеля угольной шахты, выполняют шпуры диаметром 32~42 мм в кровле туннеля, действующее во время бурения подшипниковое устройство с зондом измерителя уровня звука расположено за буровым долотом. Применяют способ комбинирования с отсчетами по мерной бурильной штанге. В процессе бурения испытывают величину шума в децибелах шпуров с отличающимися глубинами, коэффициент крепости по Протодьяконову для горной породы в диапазоне кровли туннеля шпуров получают быстро посредством сравнения с величиной шума в децибелах бурения горной породы туннеля на площадке работ в соединении с коэффициентом крепости по Протодьяконову в диапазоне 0,3-20 стандартного каталога пород, установленного в лаборатории, и вредный шум в процессе пробивания преобразуют в полезный источник звука, при этом получая технологию определения во время бурения. Указанное является подходящим для определения во время бурения коэффициента крепости по Протодьяконову песчаника, сланца, аргиллита и других обычных осажденных слоев пород каменноугольной формации. Указанное имеет преимущества удобства применения на площадке работ, простоты эксплуатации, низкой трудоемкости и отсутствия отрицательного влияния на нормальный процесс добычи. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство определения во время бурения коэффициента крепости по Протодьяконову породы кровли туннеля на основе измерителя уровня звука, содержащее действующее во время бурения подшипниковое устройство (1), индивидуальную машину (2) для постановки анкерной крепи, измеритель (3) уровня звука и бурильную штангу,

при этом индивидуальная машина (2) для постановки анкерной крепи расположена вертикально на нижней плите (6) туннеля;

верхняя часть индивидуальной машины (2) для постановки анкерной крепи оснащена действующим во время бурения подшипниковым устройством (1), проходящим при бурении в кровлю (5) туннеля с помощью мерной бурильной штанги (4); а

действующее во время бурения подшипниковое устройство (1) соединено с измерителем (3) уровня звука соединительным проводом (12).

2. Устройство определения во время бурения коэффициента крепости по Протодьяконову породы кровли туннеля на основе измерителя уровня звука по п. 1, в котором действующее во время бурения подшипниковое устройство (1) содержит зонды (7) измерителя уровня звука, конические элементы (8), бесшумный подшипник (9) и буровое долото (10), которые расположены на бурильной штанге, при этом

буровое долото (10) расположено на вершине мерной бурильной штанги (4);

бесшумный подшипник (9) расположен на бурильной штанге ниже бурового долота (10);

множество конических элементов (8) расположены на бесшумном подшипнике (9);

зонды (7) измерителя уровня звука расположены на конических элементах (8) и

зонды (7) измерителя уровня звука соединены с измерителем (3) уровня звука соединительным проводом (12).

3. Устройство определения во время бурения коэффициента крепости по Протодьяконову породы кровли туннеля на основе измерителя уровня звука по п. 2, в котором внутренний диаметр бесшумного подшипника (9) составляет 15-25 мм и наружный диаметр составляет 25-35 мм;

внутренний диаметр имеет сварное соединение с мерной бурильной штангой (4) и наружный диаметр имеет сварное соединение с коническими элементами (8).

4. Устройство определения во время бурения коэффициента крепости по Протодьяконову породы кровли туннеля на основе измерителя уровня звука по п. 1 или 2, которое отличается тем, что индивидуальная машина (2) для постановки анкерной крепи является гидравлической или пневматической;

бурильная штанга является мерной бурильной штангой (4) и длина мерной бурильной штанги (4) составляет 1 м;

канавка высотой 1 см и глубиной 1 мм выполнена станком от верха до низа с интервалами 10 см;

отражающее покрытие расположено на поверхности мерной бурильной штанги (4) и

красную, оранжевую, желтую, зеленую, голубую, синюю, фиолетовую, черную и белую полосы напыляют внутри канавок от верха до низа вдоль направления бурения,

при этом длина L1 составляет 100 см и длина L2 составляет 10 см.

5. Способ определения во время бурения коэффициента крепости по Протодьяконову для породы кровли туннеля на основе измерителя уровня звука с применением устройства по п. 1, отличающийся тем, что включает следующие этапы:

a) установление стандартного каталога коэффициентов крепости по Протодьяконову пород в шахте в диапазоне 0,3-20:

выбор места отбора керна в туннеле того же угольного пласта,

бурение пород в отличающихся слоях в пределах 20 м на месте отбора керна на кровле,

станочная обработка и комбинирование до стандартного испытательного образца согласно Способу измерения физических и механических свойств угля и горной породы,

выполнение бурильного эксперимента в лаборатории с применением машины для постановки анкерной крепи и бурового долота для отличающихся комбинаций пород с коэффициентом крепости керна по Протодьяконову в диапазоне 0,3-20,

запись шума в децибелах в процессе бурения стандартного испытательного образца испытательным буровым долотом с применением измерителя уровня звука и

выполнение испытания бурением на всех стандартных испытательных образцах с получением диапазона шума в децибелах стандартного испытательного образца породы с отличающимися коэффициентами крепости по Протодьяконову в диапазоне 0,3-20 в процессе бурения;

b) пуск индивидуальной машины (2) для постановки анкерной крепи с обеспечением индивидуальной машиной (2) для постановки анкерной крепи привода для действующего во время бурения подшипникового устройства (1) с помощью бурильной штанги для бурения шпуров (11) в кровле (5) туннеля,

включение в работу измерителя (3) уровня звука,

получение данных шума в децибелах действующим во время бурения подшипниковым устройством (1) при бурении кровли (5) туннеля и динамической кривой в децибелах;

остановка бурения после бурения каждых 10 см в привязке к отсчету по мерной бурильной штанге (4),

техническое считывание диапазона в децибелах в измерителе (3) уровня звука и

сравнение со значениями в диапазоне 0,3-20 стандартного каталога коэффициентов крепости по Протодьяконову пород, установленных для шахты, с получением коэффициента уплотненности горной породы и расстояния бурения в пределах диапазона;

в случае недостаточной длины мерной бурильной штанги (4) дополнительное расположение удлиненной мерной бурильной штанги (4) на заднем конце и

с) повторение этапа b с получением коэффициента уплотненности горной породы в пределах диапазона шпура (11) кровли.