钻孔测井技术探测覆岩结构及其关键层判识_刘垚鑫.pdf

第 2 卷第 2 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2 No. 2 2020 年 5 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING May 2020 023038-1 刘垚鑫， 高明仕， 赵华山， 等. 钻孔测井技术探测覆岩结构及其关键层判识[J]. 采矿与岩层控制工程学报， 2020， 2 2 023038. LIU Yaoxin， GAO Mingshi， ZHAO Huashan， et al. Detection of overlying rock structure and identification of key stratum by drilling and logging technology[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering， 2020， 2 2 023038. 钻孔测井技术探测覆岩结构及其关键层判识 刘垚鑫 1,2， 高明仕1,2,3， 赵华山4， 何双龙4， 李振国1,2， 张志聪1,2 1. 中国矿业大学 矿业工程学院， 江苏 徐州 221116； 2. 中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室， 江苏 徐州 221116； 3. 新疆大学 地质 与矿业工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830046； 4. 华亭煤业集团有限责任公司 山寨煤矿， 甘肃 平凉 744112 摘 要 关键层对采场覆岩运动起主要控制作用， 其破断对工作面矿压显现有较大影响。为了 探测工作面顶板覆岩结构并判别覆岩运动中的关键层， 基于随钻测振数据与岩石强度耦合关 系， 在山寨煤矿井下有代表性位置采用钻孔取芯、 钻孔窥视、 随钻测振3者相结合的方法， 通过 钻孔窥视和岩样力学试验， 得到岩石岩性及其强度的精准探测结果， 并对钻杆的振动能量与岩 石强度进行拟合分析， 建立了相关岩体结构识别模型， 最终对覆岩中的关键层进行判别。结果 表明 岩石静、 动弹性模量以及抗压强度3种力学参数都分别与测振能量呈正相关关系， 由此可 应用KSPB软件对煤层顶板覆岩进行关键层精准判别。 关键词 随钻测井； 覆岩结构； KSPB软件； 关键层； 矿压防治 中图分类号 TD325 文献标志码 A 文章编号 2096-7187202002-3038-09 Detection of overlying rock structure and identification of key stratum by drilling and logging technology LIU Yaoxin ， GAO Mingshi ， ZHAO Huashan， HE Shuanglong， LI Zhenguo， ZHANG Zhicong 1. School of Mines， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China； 2. Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining， Ministry of Education of China， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China； 3. College of Geology and Mineral Engineering， Xinjiang University， Urumqi 830046， China； 4. Shanzhai Mine， Huating Coal Group Co.， Pingliang 744112， China Abstract The breaking of key strata which plays a major role in controlling the movement of overlying rock in stope has a great influence of mine pressure in working face. In order to detect the roof overlying structure of working face and distinguish the key strata， based on the coupling relationship between the vibration measurement data while drilling and the strength of the rock mass， the study background was chosen at the representative position of the Shanzhai Coal Mine. At the selected sample location， the of drilling core， peeping through the hole and measuring vibration while drilling were adopted， in order to detect the overlying rock structure at the roof of the working face and distinguish the main strata in the overlying rock movement. Through drilling peeping and rock sample mechanics experiments， the accurate detection results of rock mass lithology and its strength were obtained. The vibration energy and rock mass strength of drill pipe were analyzed and the identification model of related rock mass structure was established. Finally， the key stratum that plays a controlling role in overlying rock movement were quickly identified. The results showed that three types of mechanical parameters of static， dynamic elastic modulus 收稿日期 2019-07-07 修回日期 2019-09-29 责任编辑 许书阁 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51564044 ； 华能集团总部科技资助项目HNKJ17-H28 作者简介 刘垚鑫 1996 ， 男， 山西长治人， 硕士研究生， 主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究工作。E-mail win11505 ChaoXing 刘垚鑫等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023038 023038-2 and rock compressive strength were positively correlated with vibration energy， respectively. Therefore， KSPB software can be used to accurately judge the key stratum of coal seam roof overlying rock. Key words logging while drilling； overburden structure； KSPB software； key stratum； rock burst prevention 矿井巷道支护、 矿压防治等研究都需要以覆岩 结构及其强度为基础依据来进行。目前井下主要 采用的覆岩探测方法是矿用钻机钻孔取芯， 分析岩 芯的岩性状况以及测试岩样力学参数， 但在遇到较 软或泥质岩层时不容易取到岩芯， 且在井下复杂的 工作环境下钻孔取芯费时费力， 取芯率不高， 导致 探测结果可靠性较差。 高岩 等指出钻头的破岩作用使岩石在破碎 时产生声波发射现象， 不同岩性的岩石发生破碎时 其主频明显不同， 通过安装传感器来记录主频变化 从而可形成一种在线识别岩性的分析技术； 贾明 魁 等通过对风动钻削破岩分析研究指出， 钻机在 相同的推力作用下， 在不同岩层中的钻进速度、 转 速差别较大， 即钻机推力、 钻进速度、 转速等参数能 较好反映岩层特性； 刘少伟 等对不同岩性煤巷顶 板进行钻进特性数值试验， 指出钻具在不同类型岩 石中钻进时具有不同的位移响应和振动频率， 这些 是识别顶板岩性的良好指标， 通过监测钻进中这些 指标的变化进行顶板岩性识别， 可以优化顶板的支 护参数， 对现场煤巷顶板冒顶的防治具有重要的意 义。但这些测井方法只是识别所钻地层的岩性变 化， 不能反映具体岩体的强度参数， 在采矿工程中 不仅需要了解地层的岩性变化， 还需要掌握岩体的 物理力学参数， 本文利用随钻测井分析技术来寻找 能够反映井下钻孔施工中钻头所遇地层岩性以及 强度参数的测井方法。 工作面开采之后改变了上覆岩层的原始应力 状态， 采场覆岩随关键层的破断而产生同步破断， 关键层控制的岩层越多、 相关岩层的厚度和覆盖悬 空的面积越大， 其破断释放的能量就越大 。通过 拟合的井下随钻测振能量与岩体强度参数之间的 关系模型， 实现即时识别岩层岩性及强度的测井， 为覆岩关键层的判别提供可靠的地质依据， 提高矿 井对地质灾害的防范能力， 具有重要的工程意义和 广阔的应用前景。 1 钻孔测井分析技术原理 钻进过程中钻头与岩石相互作用使岩石的应 变能以弹性波的方式快速释放， 应力波的传递使钻 具产生复杂的振动， 主要包括轴向振动、 横向振动 和扭转振动等3种基本形式 。钻头对岩石的破岩 作用可以分为2种 一种是轴向冲击破碎， 另一种是 旋转切削破岩， 两者几乎同时进行， 即每个钻进时 刻都包含了钻头对岩石的冲击破碎和旋转切削破 岩。钻头轴向推进时受到岩石对它的反作用力， 大 小与岩石的物理力学性质密切相关， 因此这些冲击 力变化引起的动态振动行为携带着大量的岩层强 度信息， 在钻杆振动中主要表现在轴向振动上。 N dx O 岩石 N dx y x G T N N σ x σr σx r θ O N h a 钻杆轴向振动力学模型 b 岩石单元应力状态模型 图1 钻杆和岩石受力模型 Fig. 1 Mechanical model of drill pipe and rock 图1 a 为钻杆轴向振动受力状态， 图1 b 为钻头 单个牙齿作用下岩石单元应力状态。N为钻头对与 岩石的冲击力； N为作用在钻杆上的反作用力， 以接 触面为起始点沿重力方向建立Ox直线坐标系， 取 钻杆上微段为研究对象。设钻头在时间t内破碎岩 石单元的深度为h， 该段时间内钻杆轴向振动的位 移为y。钻具轴向推进速度v可表示为 dh/dtv； 如图 2所示矿用金刚石三翼钻头直径D与单个牙齿的长 度2r关系为Dd4r。 钻杆轴向振动的动力学方程 为    2 2 3 ddd yN A xxxgA xxT tx NN         1 式中， ρ为钻杆的密度；Ax为钻杆横截面的面积；y 为任意时刻dx微段的轴向位移；g为重力加速度；T 为钻机推力。 ChaoXing 刘垚鑫等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023038 023038-3 钻头刀翼部分沿x轴的反方向对岩石作用有冲 击力N， 采用圆柱坐标， 弹性力学的方法， 求得单个 牙齿对岩石的作用力N引起的应力分量 x  为  5 322 2 3 2 x N hrh    2 式中，r为单个牙齿作用下岩石的破碎半径；h为破碎 深度。 当轴向应力 bx ≥时 b 为岩石的抗压强度 极限 岩石从整体上破碎下来， 在极限平衡状态下， 可认为钻头冲击破碎岩石为单轴压缩过程， 则 10 bx f 3 式中， f为所切削岩石的坚固性系数。 由式 1 ～ 3 得到钻柱轴向振动微分方程为    2 2 d, ,d y A xxN D f vgA xxT t     4 式中，, ,N D f v为钻头受到的反作用力， 与钻孔直 径D、 岩石的坚固性系数f、 钻进速度v有关； 22 /yt 为钻杆轴向振动加速度。 因此可在钻杆顶部与钻头之间连接安装有加 速度传感器、 高精度电子罗盘的探管， 即时记录钻 头钻进速度以及振动加速度。岩层越硬其反射到 钻具振动加速度上的瞬时峰值就越高 图3 ， 根据振 动加速度幅值的变化所表示的破岩能量大小， 可以 客观反映岩层强度的变化。 当钻机、 钻头惟一时， 保持钻压T的大小， 随钻 测振信号中既有钻柱系统自身动态行为产生的周 期信号， 也有钻进时携带岩石强度信息的非周期随 机信号。依据振动信号测井的难点在于 怎样在采 集的数据中提取可以识别钻进岩石信息的有效信 号。由于在时间域内不容易提取其特征值， 因此在 振动信号分析处理中运用傅里叶变换将时域和频 域相互转换， 通过设定滑动时窗的大小对信号进行 逐步扫描。设任意信号为 x t， 其短时傅里叶变换 表达式 为    2 i STFT,ed f fx t Q tt      5 式中， x t为被分析的信号； Q t为窗函数；为时 窗时刻。 通过调整时窗大小增高时间分辨率， 降低频率 分辨率的方法， 提取出振动信号在时域上的变化特 征， 为随钻探测岩层强度提供依据。 2 钻孔测试分析 2.1 测试现场概况 山寨煤矿位于甘肃省平凉市境内， 主采煤层埋 深500 m左右， 煤层平均厚度23.2 m， 开采方法为走 向长壁综合机械化放顶煤采煤法， 全部垮落法管理 顶板。矿井生产过程中矿压显现强烈， 巷道变形严 重， 矿震事件时有发生。结合山寨煤矿生产条件， 选取3处位置进行钻孔测井， 图4为现场测试位置。 在同一测试点布置2个垂直巷道顶板向上的钻 孔 2个钻孔的位置不超过0.5 m ， 孔深60 m以上。一 处钻孔为取芯， 钻孔完成后用钻孔窥视仪器观察孔 壁的岩性变化， 通过岩芯编录和钻孔窥视两者相结 合的方法得到准确的覆岩岩性变化； 另一处钻孔用 于破岩并随钻记录钻具的振动参数 图5 。 2.2 测试结果分析 图6为2号测试点随钻测振中0～13 m孔深范围 内的三分量时域振动原始信号， 其中，X，Z为横向的 2个分量；Y为轴向分量。 2r D 2r d 2r 图2 破岩钻头直径 Fig. 2 Diameter of drilling bit 柱状层厚/m 泥质粉砂岩 粉砂岩 细砂岩 泥质粉砂岩 细砂岩 粉砂岩 1.6 1.9 1.0 1.5 1.6 2.2 测井曲线岩 性 图3 岩性与钻杆顶部振动加速度特征对比 Fig. 3 Comparison of lithology and vibration acceleration at the top of drill pipe ChaoXing 刘垚鑫等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023038 023038-4 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 024681012141618 加速度/Nkg   时间/ks X Y Z 图 6 钻头振动三分量加速度曲线 Fig. 6 Three-component vibration acceleration of drill 对原始信号进行处理 ① 方差分析 钻进岩石 时加速度值较大， 方差较大； 而非钻进岩石过程中 方差较小。因此采用方差分析提取钻进各时段正 常钻进信号， 剔除钻机停机、 加钻杆的时段； ② 振动 加速度的均方值反映了信号的强度或能量， 用0-T 时段内振动信号xt的均方值 2 x 来表示该时段内的 振动能量， 其表达式  为 22 00 1 lim d x T T x t t T     6 图7为钻头轴向振动能量变化， 由图7可知 钻 进中遇到细砂岩层时， 振动信号幅值变化较大， 钻 头钻进的振动能量显著增大。 10 20 30 40 50 60 024681012 能量均方值 钻进深度/m 图7 钻头纵向振动能量分析 Fig. 7 Longitudinal vibration energy of drill 图8为2号测试点0～13 m孔深测振三分量频谱 与钻孔柱状对比， 横轴为钻进深度， 纵轴从上至下 依次为X，Y，Z三个分量。低频成分 0～125 Hz 为环 境背景和钻机固有振动频率， 中频成分 125～ 1 号测试点 2 号测试点 3 号测试点 二采区 三采区 三采区 一采区 四采区 N 图4 测试位置 Fig. 4 Test position 取芯 间距小于 0.5 m 依次钻孔 钻孔窥视 钻机钻机 破岩 随钻测振 图 5 同一测试点的 2 个钻孔 Fig. 5 Two drill hole at the same test point ChaoXing 刘垚鑫等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023038 023038-5 750 Hz 和高频成分 750～1 500 Hz 为钻进岩性的响 应频率。频谱图中X，Z分量频谱在钻进中、 低、 高频 成分能量都有，Y分量频谱在0～2.0,2.6～3.1,5.7～ 6.5 m段的中频成分较其他区段较低， 且几乎看不到 高频成分， 在钻孔柱状图上对应的岩性为泥岩； 在 3.1～5.5,11.8～13.0 m段的中、 高频成分能量有所增 多， 在钻孔柱状图上对应的岩性为泥质粉砂岩； 6.7～10.0 m段中频成分能量明显增强， 在钻孔柱状 图 上 对 应 的 岩 性 为 粉 砂 岩 ； 在 2.0 ～ 2.6,5.5 ～ 5.7,6.5～6.7,10.0～11.8 m段中、 高频成分能量明显 高于其他范围段能量， 在钻孔柱状图上对应的岩性 为细砂岩。钻杆振动信号轴向分量Y 较横向分量 X，Z 对钻进岩性变化敏感， 信号频谱存在明显差 异， 分辨率较高。 0 0.861.732.593.464.325.186.056.917.788.649.5010.3711.2312.1012.96 375 750 1 125 0 0.861.732.593.464.325.186.056.917.788.649.5010.3711.2312.1012.96 375 750 1 125 0 0.861.732.593.464.325.186.056.917.788.649.5010.3711.2312.1012.96 375 750 1 125 X Y Z 钻进深度/m 频率/Hz频率/Hz 频率/Hz 归一化振动能量 0 1 图8 振动三分量频谱与钻孔柱状对比 Fig. 8 Comparison between three-component spectrum of stratigraphic column 2.3 数据拟合分析 提取各段岩层钻进中的振动加速度均方根值， 并与取芯岩样的物理力学参数相对应 表1 ，a表示 振动加速度均方值相对重力加速度 g 的倍数， 由此 建立一个符合山寨煤矿测试区域顶板岩体强度与 随钻测振数据的关系模型 图9 。 表1 振动能量指数与力学参数的对应关系 Table 1 Correspondence between vibration energy and mechanical parameters 序号 R / MPa E/GPa E/GPa a 1 20.1 7.26 14.36 2.5 2 37.3 7.95 13.92 3.0 3 19.3 7.33 15.39 3.0 4 34.5 5.45 9.87 3.0 5 30.5 7.15 13.71 3.0 6 40.3 13.81 22.61 3.5 7 13.6 3.22 9.80 3.5 8 57.4 10.84 16.12 4.0 9 56.1 16.73 25.08 4.0 10 41.9 13.54 22.57 4.0 11 76.8 16.96 23.14 4.5 12 55.8 18.05 27.11 4.5 13 92.0 29.32 38.23 7.0 由图9可知， 这3种力学参数都分别与测振能量 指数呈正相关的关系， 线性相关系数较高， 其表达 式为 0 20 40 60 80 100 抗压强度/MPa 测振能量指数 测振能量指数 234567 234567 y17.394 1x-21.984 R 0.737 22 y5.611 5x-0.820 21 R 0.822 1 a 抗压强度与测振能量指数关系 0 5 10 15 20 25 30 静弹性模量/GPa b 静弹性模量与测振能量指数关系 ChaoXing 刘垚鑫等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023038 023038-6 234567 测振能量指数 y6.190 8x-4.194 R 0.756 28 0 5 10 15 20 25 30 35 40 动弹性模量/GPa c 动弹性模量与测振能量指数关系 图9 岩石力学参数与测振能量指数关系 Fig. 9 Relationship between rock mechanical parameters and vibration energy 17 394121 984 5 61159 245 6 19084 194 c s d .. .. .. Ra Ea Ea        7 式中，R 为岩石抗压强度；E为静弹性模量；E为动 弹性模量；a为测振能量指数。 3 覆岩关键层判识及应用 KSPB软件算法根据关键层理论  进行编 写， 首先计算各岩层所受载荷， 同时通过比较各载 荷大小确定其是否为坚硬岩层， 然后计算各硬岩层 的破断距， 最后按照上层关键层破断距大于下部关 键层破断距的原则对各硬岩层的破断距进行比较 来确定关键层位置， 判别流程如图10所示。 开始 逐层输入岩层参数 判别覆岩坚硬岩层位置 计算各坚硬岩层破断距 关键层主控岩层位置判别 重新计算第k层 硬岩层破断距 LiLi i1,2,,k 显示, 输出关键层位置判别结果 结束 是 否 图10 KSPB软件流程 Fig. 10 Chart of the program KSPB 基于3个测试点的探测结果， 在KSPB关键层判 别软件中从煤层顶板逐层向上输入各岩层的物理 力学参数 图11 ， 对山寨煤矿测试区域的覆岩关键 层进行判别 钻孔从顶板向上深度为60～70 m， 由 于受探测地层范围影响判别结果中最上一层关键 层不能称之为主关键层， 本文称之为主控岩层 。 柱 状孔深/m 2.02.0 2.6 泥岩 3.1 5.5 6.5 5.7 6.8 10.13.3 0.3 0.2 0.8 2.4 0.5 0.6 11.9 13.4 14.01.05 1.5 1.8 15.9 17.5 20.6 22.2 23.51.3 1.6 3.1 1.6 1.9 26.12.6 泥岩 泥质粉砂岩 细砂岩 泥岩 细砂岩 粉砂岩 细砂岩 泥质粉砂岩 细砂岩 粉砂岩 泥质粉砂岩 粉砂岩 泥质粉砂岩 泥岩 油页岩 煤4 0.426.5 层厚/m岩石物理学力学性质 细砂岩 岩层岩性 ρ2.43 g/cm , R 2.62 MPa, E29.32 GPa ρ2.59 g/cm , R 1.75 MPa, E23.22 GPa ρ2.51 g/cm , R 3.60 MPa,E11.40 GPa ρ2.40 g/cm , R 1.90 MPa, E8.95 GPa ρ2.52 g/cm , R 5.20 MPa, E12.11 GPa ρ2.40 g/cm , R 2.02 MPa, E9.12 GPa ρ2.38 g/cm , R 1.51 MPa, E11.40 GPa ρ2.55 g/cm , R 4.89 MPa, E15.20 GPa ρ2.45 g/cm , R 2.11 MPa, E9.24 GPa ρ2.61 g/cm , R 5.08 MPa, E16.14 GPa ρ2.45 g/cm , R 2.08 MPa, E9.65 GPa ρ2.53 g/cm , R 5.33 MPa, E13.52 GPa ρ2.58 g/cm , R 6.13 MPa, E16.58 GPa ρ2.51 g/cm , R 3.62 MPa, E10.35 GPa ρ2.26 g/cm , R 2.84 MPa, E8.32 GPa ρ2.52 g/cm , R 1.73 MPa, E25.02 GPa ρ1.30 g/cm , R 1.25 MPa, E2.35 GPa ρ1.88 g/cm , R 1.31 MPa, E4.54 GPa 图11 2号测试点钻孔柱状图 Fig. 11 Stratigraphic column of drilling at No. 2 test point ChaoXing 刘垚鑫等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023038 023038-7 2号测试点判别结果如图12所示， 图13为3个测 试点的关键层判别结果。煤5顶板覆岩中主控岩层 和亚关键层2破断距基本相同 68 m ， 岩性为泥质粉 砂岩， 亚关键层1岩性为粉砂岩， 破断距为27 m， 与 之前在华亭矿区所判定的关键层情况 表2 相比， 基 本相似。 层号厚度/m岩层岩性关键层位置破断距/m岩层 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 011.00 2.00 0.60 0.50 2.40 0.20 0.80 0.30 3.30 1.80 1.50 1.05 1.90 1.60 3.10 1.60 1.30 2.60 0.40 0.98 1.42 2.05 0.55 2.30 0.50 3.75 2.05 6.93 1.07 6.90 0.80 0.40 0.20 0.50 0.30 3.58 煤5 泥岩 细砂岩 泥岩 泥质粉砂岩 细砂岩 泥岩 细砂岩 粉砂岩 细砂岩 泥质粉砂岩 细砂岩 粉砂岩 泥质粉砂岩 粉砂岩 泥质粉砂岩 泥岩 油页岩 煤4 泥质粉砂岩 煤层 泥质粉砂岩 煤层 泥质粉砂岩 煤层 泥质粉砂岩 煤3 泥质粉砂岩 煤2-3 泥质粉砂岩 煤2-2 泥质粉砂岩 煤层 泥质粉砂岩 煤层 泥质粉砂岩 主控岩层 亚关键层2 亚关键层1 68.803 67.923 27.134 图12 2号测试点主控岩层判别结果 Fig. 12 Results of key stratum of drilling at No. 2 test point 亚关键层1泥质粉砂岩 亚关键层2粉砂岩 主控岩层粉砂岩 亚关键层1粉砂岩 亚关键层2泥质粉砂岩 主控岩层泥质粉砂岩 主控岩层泥质粉砂岩 20.8 m 31.6 m 51.7 m 57.3 m 17.5 m 16.9 m 33.5 m 41.5 m 48.1 m 40.1 m 26.5 m 煤2-3, 厚度1 m 煤2-3, 厚度1 m 煤2-3 亚关键层泥质粉砂岩煤4 煤4 煤5 煤4 随着采动面积和范围的加大, 重点对亚关键层2和主控岩层形成 的组合关键层进行动态监测和控制 开采初期重点对 亚关键层1进行动态监测 1号测试点 2号测试点3号测试点 矿井东部 矿井西部 组合关键层 图 13 山寨煤矿关键层判别结果 Fig. 13 Discrimination results of key strata in Shanzhai Mine ChaoXing 刘垚鑫等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023038 023038-8 表 2 华亭矿区覆岩关键层 Table 2 Key stratum in Huating mining area 岩层 厚度/m 关键层 周期来压步距/m 粉砂岩 21.8 亚关键层 27.1 细粒砂岩 18.9 主关键层 70.2 在山寨煤矿发现开采区域工作面来压呈现大 小周期性变化， 且出现较强的冲击矿压灾害。从3 个测试点的关键层判别结果 图13 分析可知 主控 岩层与亚关键层2层位相距很近， 中间夹有1 m的煤 层 煤2-3 ， 两层硬岩层协调变形、 同步破坏， 他们之 间将产生复合效应， 其在岩层运动的控制作用上比 两岩层一一分开的线性叠加要大得多 。亚关键 层1与亚关键层2之间多为煤层和泥岩等软弱夹 层。开采初期亚关键层1破断， 形成工作面来压的 小周期； 此时亚关键层1之上的软弱夹层形成临时 稳定结构， 随着工作面的推进， 主控岩层与亚关键 层2同步破断集中释放出冲击能量达到最大， 形成 工作面来压的大周期。复合关键层断裂后集中释 放的能量一方面会引起下方煤岩体应力明显增高， 另一方面破断产生的强烈震动会以应力波的形式 对煤岩体施加动载荷， 从而导致处于极限应力状态 的煤岩体系统失稳破坏， 聚集在煤岩体中的弹性能 与关键层断裂破坏释放的震动能相互叠加， 诱发了 冲击矿压 。 4 结 论 1 钻杆轴向振动加速度与岩石的物理力学性 质密切相关， 测振信号频谱表明 钻进中振动的轴 向分量较横向分量对岩石强度变化敏感， 地层岩性 变化使信号频谱存在明显差异。 2 基于随钻测振特征建立符合矿井测试区域 的岩层强度识别模型， 即岩石物理力学参数与测振 能量呈正相关关系。 3 利用钻孔测井分析技术探测岩层强度来实 现覆岩关键层的快速判别， 可以有针对性地指导矿 井安全高效生产， 具有广阔的应用前景。 参考文献 References [1] 高岩， 陈亚西， 郭学增. 钻柱振动信号采集系统及谱分析[J]. 录 井技术， 1998， 9 3 44-51. GAO Yan， CHEN Yaxi， GUO Xuezeng．Drill string vibration signal acquisition system and spectrum analysis[J]．Mud Logging Tech- nology， 1998， 9 3 44-51． [2] 高岩， 刘志国， 郭学增. 钻柱轴向振动固有频率的计算和测量[J]. 西安石油学院学报， 2000， 15 1 39-43. GAO Yan， LIU Zhiguo， GUO Xuezeng．Calculation and measurement of the natural frequency of axial drilling string vibration[J]．Journal of Xian Petroleum Institute， 2000， 15 1 39-43． [3] 贾明魁. 岩层组合劣化探测技术研究[J]. 中国矿业大学学报， 2006， 35 1 44-48. JIA Mingkui. Research on detecting technique for inferior strata combination[J]. Journal of China University of Mining and Technology， 2006， 35 1 44-48. [4] 刘少伟， 冯友良， 刘栋梁. 钻煤巷层状顶板岩石钻进动态响应特性 数值试验[J]. 岩石力学与工程学报， 2014， 33 S1 3170-3176. LIU Shaowei ，FENG Youliang ，LIU Dongliang ． Numerical experiments of dynamic response charateristics of rock drilling on stratified roof in coal roadway[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2014， 33 S1 3170-3176． [5] 刘少伟， 付孟雄， 张辉， 等. 煤巷顶板锚固孔钻进钻杆振动机理与 特征分析[J]. 中国矿业大学学报， 2016， 45 5 893-900. LIU Shaowei ，FU Mengxiong ，ZHANG Hui ，et al ． Vibration mechanism and characteristics analysis of drill rod when drilling roof bolt hole[J]．Journal of China University of Mining Technology， 2016， 45 5 893-900． [6] 付孟雄， 刘少伟， 范凯， 等. 煤巷顶板锚固孔钻进钻杆振动特性数 值模拟研究[J]. 采矿与安全工程学报， 2019， 36 3 473-481. FU Mengxiong， LIU Shaowei， FAN Kai， et al．Numerical simulation research on vibration characteristics of drill rod when drilling