随着煤矿开采深度的不断增加,煤矿巷道冒顶事故日益凸显,对煤巷顶板岩层地质构造认识不足,是引发巷道冒顶事故的重要因素之一。巷道顶板岩层的稳定性不仅取决于单个岩层的物理力学性质,更重要的是顶板各岩层的组合关系及弱面沉积构造的存在。其中顶板岩层的组合直接关系到顶板的冒落类型和支护方法,而弱面沉积构造则破坏了岩石的连续性,尤其是各种泥质胶结的砂纹层理、互层层理、交错层理及各种潮汐层理等的存在使巷道顶板存在冒顶的隐患。因此,探明顶板的岩层组合对于巷道支护和巷道的稳定性显得尤为重要。本文以此为背景,以煤岩的岩石学特性及钻机钻具的振动分析为主线,综合分析归纳了煤巷顶板岩层的岩相及其特性,阐明了锚杆钻机钻进锚固孔过程中钻杆振动特性变化的物理力学机制,分析了同种岩层具有相同或相似的矿物组分、连结结构、胶结物、粒度等岩石学特征及物理力学性质,钻削此类岩石时锚杆钻机具有相似的振动特性,在此基础上采用理论分析、仪器研发、实验室试验和现场实践等综合研究方法,系统地分析研究了基于随钻振动信号测量识别煤巷顶板岩层特征的方法,并在锚杆钻头钻进过程中的受力、钻进轨迹、振动信息的特征识别等方面进行了深入研究,提出了在工作面掘进的同时采用基于随钻振动信号识别煤巷顶板岩层的方法,研究过程如下:(1)通过分析钻头的受力及煤岩的矿物组分、粒度、连结结构、胶结物、成熟度等煤岩的岩石学特征,阐明了锚杆钻机钻进过程中钻杆振动特性变化的物理力学机制,即同种岩层具有相同或相似的岩石学及物理力学特性,钻削此类岩石时锚杆钻机具有相似的振动特性,钻削不同类岩层时,由于钻机钻头所受到的作用力不相同,致使锚杆钻机的振动特性亦不相同,进而提出了采用随钻振动特性识别岩层的方法。(2)分析了锚杆钻机破岩过程中的两种破碎岩石的运动,一种是使岩层的岩芯破碎的轴向推进运动,另一种是切削岩芯周围岩石的旋转破岩运动,两种运动叠加在一起,形成了锚杆钻机钻头沿着螺旋轨迹钻进的钻孔。在此研究基础上研究了钻机钻进锚固孔过程中钻头的受力情况,进而得出了锚固孔的钻进轨迹方程。(1)钻机钻头在破岩时,受钻机轴向的钻进力,同时其表面还受到接触岩石的阻力以及钻机转动的扭矩力。这些力叠加在一起,形成了锚杆钻头的总钻入力,锚杆钻头在总钻入力的作用下钻削煤岩。(2)将钻头在锚杆钻机的轴向推动下破碎岩心的运动轨迹与在锚杆钻机旋转力的作用下切削岩芯周围岩石的旋转破岩运动轨迹叠加在一起,形成了锚杆钻机钻具沿着螺旋轨迹钻进的钻孔轨迹,其运动轨迹为:(3)通过分析钻机钻进锚固孔过程中钻具的纵向振动、横向振动及扭转振动产生的机理及锚杆钻机钻具纵向振动波、横向振动波及扭转振动波在钻杆中传播的一般规律,基于振动测试原理,结合煤矿实际情况及锚杆钻机的机械结构特点,设计研发了用于鉴别不同岩层钻进特性的顶板岩层探测仪,可实时采集锚杆钻机的纵向、横向和扭转三个方向的振动信息,依据此三轴振动信息识别顶板岩层。本文从振动传感器的选型安装、外壳结构的设计及数据采集与预处理系统的设计三个方面详细阐述了顶板岩层探测仪的设计理念及设计方法。(1)顶板岩层探测仪在结构设计上遵循了本质安全、防水防震、使用方便的设计原则,依据锚杆钻机的振动特性及振动信号的测试原理选择了适当的振动传感器及恰当的安装位置,由于将振动传感器安装在了钻机与钻杆接头处的正中位置,故在对探测仪进行结构设计时采用了居中对称结构,两侧过水设计及防爆壳体设计,所有指示灯按键均具有防水性能,同时,为了便于安装使用,设计了顶板岩层探测仪与锚杆钻机及钻杆的专用接头。(2)顶板岩层探测仪按照本质安全型标准进行自主设计研发,电路设计使用DXP2004,软件开发使用C语言程序环境,上位机软件使用Delphi开发,仪器所用芯片均为低功耗芯片,采用ADS1248配合LTC1569完成滤波、放大、模数转换等工作,采用STM32F103C8T6作为CPU芯片完成数据采集,并将采集到的数据存储至W25Q128外扩存储芯片,通过STM32F103C8T6芯片自带USB通讯接口与上位机进行通信。(3)采用将电路设计与数据处理相结合的方法进行随钻振动信号的处理分析,解决了由于振动信号采集存储过程中存在噪声和干扰的问题,有效地剔除了采样数据中的噪声和干扰,在振动信号的钻进用时、标准差、幅值区间、幅值概率等特征参数的提取方面取得了良好的效果。(4)利用基于随钻振动测试研制的顶板岩层探测仪,设计了实验室钻进试验,进行了矿物组分、粒度、胶结物、胶结结构、抗剪切能力等岩石学及物理力学性质存在明显差异的两种物质的钻进试验,试验结果表明,在钻杆结构和钻进参数不变的情况下,锚杆钻机在钻进这两种介质时其三轴加速度均存在不同程度的变化,由此可知,基于随钻振动信号测量的方式可很好地辨识岩石学及物理力学性质差异较大的介质。(5)基于实验室试验研究发现,锚杆钻机钻具的横向、扭转及纵向三轴加速度瞬时值存在同步性,当锚杆钻机在钻进不同岩层时,其纵向加速度幅值区分度较好,横向及扭转加速度幅值区分度较差,在此研究结果基础上,提出了以纵向加速度为基准,以横向和扭转加速度为参考进行振动信号特征研究的方法。(6)基于实验室试验结果,将基于随钻振动信号测量的顶板岩层探测仪用于东庞矿进行工程实践,实践结果表明,基于随钻振动信号测量识别煤巷顶板岩层的方法可有效识别顶板岩层,效果良好,实现了与锚杆支护的同步性,为顶板岩层结构探测节约了大量的人力物力。