随钻动力学信息对煤层小构造的响应及辨识机制研究

Minor tectonics can induce the concentration or upheaval of stress in front of the mining head by altering coal properties. Therefore, tectonics are the leading cause of gas outburst. As a crucial problem in coal industry, accurate detection of elusive minor tectonics has aroused great interest. According to the effects of tectonics on coal properties, we firstly analyzed the parameter difference of coal around the tectonics and then made two types of specimen. One is homogeneous and another is heterogeneous with typical tectonics. Next, the torque, feed force, rotate speed and acoustic emission of the drill rod were collected during drilling on the platform. Based on the response of these information to the parameters of the homogeneous specimen, a functional model was established. At last, the distribution characteristics of tectonics were identified and inverted by using the heterogeneous specimen with tectonics. This project is helpful to develop the technique of measure while drilling. It’s possible for us to detect elusive minor tectonics accurately, which is a great breakthrough in precise minor tectonic exploration.

小构造周围煤体性质差异，导致采掘面迎头应力集中和应力突变，是诱发瓦斯突出等灾害的首要因素。常规探测技术受精度限制，小构造的精准探测是行业重大难题也是当前研究热点。本项目采用地质力学研究方法，首先研究煤体参数在小构造周围的空间差异特征，分析不同参数对小构造的敏感性，并结合相似准则、CT扫描、3D打印等技术实现不同力学性能均质煤体和含特定地质构造煤体的物理重构。之后，搭建随钻信息采集实验平台，随钻同步采集钻杆扭矩、给进力、转速、声发射等动力学信息，利用深度学习方法研究随钻动力学信息对煤体参数的响应机制，结合钻头破煤的动力学作用机理，建立“煤体参数-随钻信息”的函数模型。最后，利用含特定构造的试块，实现地质构造空间分布特征的随钻辨识与反演。本项目有利于推动井下地质构造随钻探测技术的变革与发展，有利于将普通钻孔拓展为地质探测钻孔，破解小构造不易探测的行业性难题，促进小构造精准探测技术的重大突破。

隐蔽小地质构造严重威胁煤矿井下安全生产，小地质构造附近煤岩力学性质发生突变，极易引发煤与瓦斯突出等动力灾害。由于小地质构造隐蔽性强、采掘工作面动态变化，目前的探测技术很难实现煤岩力学性质的连续、准确探测，更难以实现小构造的精准识别。本项目首先研究了矿用PDC钻头破岩机理，建立了钻头旋切钻进破岩力学模型，阐明了煤岩单轴抗压强度与钻进速度、转速、扭矩和给进力的耦合关系。之后，建成了真三向围压加载的钻测一体化试验平台，可在调控钻进速度或转速的模式下实现扭矩和给进力的实时监测。通过实验室实验、数值模拟和力学理论模型相结合的方法，研究了钻进速度、转速、钻头直径及三向围压对钻进扭矩、给进力的影响规律。根据钻进过程中的随钻实验数据，分别通过钻头旋切钻进力学模型、BP神经网络和量纲分析三种方法实现了红砂岩、青砂岩、大理石、花岗岩、石灰岩、页岩共六种岩石单轴抗压强度的有效预测。同时利用制作的复合煤岩层试样证实了通过随钻参数识别煤岩力学性质及实现煤岩界面定位的有效性。此外，提出了一种非均质地层分布智能钻探装备及方法，能够有效识别地层中的地质构造，并且可以对钻孔施工质量进行评价。本项目的研究成果为实现煤岩力学性质的连续、准确原位探测以及小地质构造的精准识别提供了理论基础和实验经验，对于推动井下地质构造随钻探测技术的发展有积极的意义。项目组1人获国家“万人计划”-青年拔尖人才，1人获矿业、石油及安全工程领域优秀青年科技人才奖，1人获江苏省333高层次人才培养工程第二层次-科技领军人才。