钻进参数在突出煤层中的响应特征及应用基础研究

In order to extract coal seam gas of the coal and gas outburst mines, it is required to drill a hole of tens of thousands of meters or even hundreds of thousands of meters long holes in total in a mine each year.Drilling in the construction process will form a massive amount of drilling data.These data contain a lot of geological information, but did not cause people's enough attention. Using the research methods of theoretical analysis, laboratory experiments and field experiments to This project studys the drillability of gas containing coal,and obtain its drillability index and drillability extreme value firstly.Secondly, the response characteristics of drilling parameters in the outburst coal seam are studied,especially in the geological tectonic belt, soft coal and broken area , ground stress concentration belt, the gas enrichment region, the thickness variation of coal seam and the area such as abnormal zone. Again, the sensitive indexes of the strong outburst dangerous body of coal seam are researched and combining the clustering analysis data mining method,the identification theory and method of strong and prominent dangerous body in mining face are set up and finally, the application basic research is carried out.Through the project, accurately identifying the strong and prominent dangerous body in the stope face is of great theoretical and practical significance to guide the safe mining of the mining face of coal seam.In addition, the large amount of drilling data obtained by drilling in various coal seams can also lay an important foundation for the development and application of intelligent drilling RIGS in the future.

为了抽采突出煤层瓦斯，一个矿井每年需要施工总长十几万米、甚至数十万米长的钻孔。钻孔在施工过程中会形成海量的钻进数据，这些数据包含大量的煤层瓦斯地质信息，目前尚未引起大家的足够重视。本项目采用理论分析、实验室实验与现场试验相结合的研究方法，首先对含瓦斯煤的可钻性进行分析研究，获得其可钻性指标及可钻性极值，并开展钻进参数在突出煤层中的响应特征研究，获得有用钻进信息，特别是研究钻头在穿过煤层松软破碎区、瓦斯富集区及地应力集中区时的钻进参数变化规律；其次研究突出煤层强突出危险体识别的敏感指标及临界值，结合聚类分析数据挖掘方法，最终建立回采工作面强突出危险体的识别理论与方法，并开展应用基础研究。通过项目开展，精准识别回采工作面内的强突出危险体，对指导突出煤层回采工作面的安全开采具有重要的理论及现实意义。另外项目获得的各类煤层海量钻进数据，也可为今后智能钻机的开发与应用奠定重要的基础。

为了抽采突出煤层瓦斯，一个矿井每年需要施工总长十几万米、甚至数十万米长的钻孔。钻孔在施工过程中会形成海量的钻进数据，这些数据包含大量的煤层瓦斯地质信息，目前尚未引起大家的足够重视。本因此依托于钻孔施工开展钻进参数在突出煤层中的响应特征研究，不仅能够将尚未得到重视的钻进数据加以利用，而且能够借助日常生产作业完成对回采工作面地质情况的完整勘查，弥补了常规地质勘察测点稀疏易漏查的缺点。本研究的主要研究内容及重要结论如下：.（1）为保障整体研究的顺利进行，以材料的力学性能、瓦斯吸附能力以及钻进性能为出发点，使用了粉煤、水泥和木质纤维素作为用料，使用正交实验、多因素耦合分析以及相似性评价的方法，得到了一种适用于钻进模拟实验的相似材料操作流程。.（2）通过采集分选来不同突出危险性矿井典型钻孔的钻屑样品，发现进入断层损伤带后，在构造应力的作用下煤体的强度出现不同程度下降，导致钻屑的几何特征出现异常波动，表现出高占比的大粒径颗粒。.（3）依据能量守恒定律，通过引入孔底摩擦与钻杆与孔壁的摩擦消耗的能量获得了一种新的计算钻进能量的物理模型，使用信息熵变化量作为未知因素消耗的能量对钻进能量指标进行了修正，并以实验试件的接触角、硬度和应力条件作为强突出危险体的技术指标进行了模拟实验，讨论了该模型作为可钻性指标的适用性。.（4）使用实验期间的钻进参数、信息熵变化量及修正的钻进能量指标，借助机器学习的方法对于实验中各变量识别的准确性进行对比。其中支持向量机的预测准确率为83.6%远高于其他方法。.（5）通过开发数字化矿用坑道钻机工况监测仪，前往南阳煤矿依据以上研究成果开展工业性实验，获得了3203回采工作面回风巷一侧171m~1381m工段内部的煤体特征，并沿钻孔方向划定了突出危险体分布情况。