鉆探物探一體化方法在礦井水害精細(xì)探測中的應(yīng)用

李純陽，劉惠洲，劉金鎖，呂榮其，蔣 震，宋佳駿

(1.安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司，合肥 231202; 2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116)

0 引言

隨著淺層煤炭資源的枯竭以及深部開采技術(shù)的發(fā)展，礦井水害已經(jīng)成為煤礦生產(chǎn)和安全的重大災(zāi)害之一[1]。針對礦井水害，必須遵守“預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則，建立立體的礦井水害防治概念[2-3]。針對目前發(fā)生災(zāi)害的統(tǒng)計，造成礦井水害的水源多為老空水和頂?shù)装逅甗4-6]，導(dǎo)水通道多為陷落柱和斷層，故對水源和導(dǎo)水通道的判斷變的日益迫切[7-8]。目前，針對礦井水害的探測方法主要有鉆探、物探和化探等，2010年，繆協(xié)興[9]等提出通過水文地質(zhì)勘查來對區(qū)域整體的分布規(guī)律和水文循環(huán)特征進(jìn)行確定；2007年，于景邨和劉盛東分別提出瞬變電磁技術(shù)和并行電法技術(shù)來判斷礦井水害水源和導(dǎo)水構(gòu)造所在位置；劉峰提出通過水文地球化學(xué)探測技術(shù)來判斷礦井突水水源位置[10-13]。不同的方法存在著其不同的優(yōu)勢，但單一的方法不能夠全面的進(jìn)行礦井水害的判斷，故提出鉆探物探一體化的方法，將鉆探與物探相結(jié)合，在鉆探的資料基礎(chǔ)上，利用鉆孔及巷道空間進(jìn)行綜合物探協(xié)同觀測多種地球物理場特征并開展多場耦合研究，以克服單一地球物理場勘探方法的局限性，降低其多解性，進(jìn)而對充水水源和導(dǎo)水通道進(jìn)行精確的判斷[14]。2001年，劉盛東等提出通過PVC管將電極布置在鉆孔中觀測煤層上覆巖層破壞情況[15]；2017年，王勃和劉盛東[16]等提出孔內(nèi)發(fā)射-孔內(nèi)接收(內(nèi)發(fā)-內(nèi)收)模式和巷道發(fā)射-孔內(nèi)接收(外發(fā)-內(nèi)收)模式來實現(xiàn)瞬變電磁和鉆孔相結(jié)合綜合判斷含水構(gòu)造位置和圍巖巖性變化情況。鑒于此，本文通過在巷道前方鉆場對超前探測孔采用鉆探物探一體化技術(shù)，研究巷道迎頭前方巖層富水性和地質(zhì)構(gòu)造變化，進(jìn)而達(dá)到對礦井水害的精細(xì)探測。

1 現(xiàn)場試驗布置

1.1 地質(zhì)概況

試驗在風(fēng)聯(lián)巷F1導(dǎo)線點附近鉆場的物探孔F1-4內(nèi)開展，鉆孔設(shè)計如圖1所示。在鉆探的同步實施了鉆柱振動錄井技術(shù)，其次在鉆探成孔后實施了孔中地震、孔中直流電法和孔中瞬變電磁法等一系列孔中物探方法。通過試驗對比，對鉆孔及周邊的物性變化、斷層及裂隙發(fā)育、富水性等情況進(jìn)行分辨和評價，并與鉆探揭露情況進(jìn)行對照分析，以更好的判別前方及鉆孔周邊的構(gòu)造發(fā)育及富水性特征。

1.2 鉆柱振動錄井技術(shù)

如圖2所示，鉆柱振動錄井系統(tǒng)作為鉆桿一部分直接接于鉆頭后方進(jìn)入鉆孔，采用三分量加速度傳感器接收鉆機(jī)各種工作狀態(tài)的振動信號及鉆頭破巖時的振動信號。由于同一臺鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)動力功率與鉆頭保持不變，鉆頭與巖性相互作用時，其動力反應(yīng)譜特征與巖性緊密相關(guān)，通過全程記錄鉆柱的動力波譜，可實現(xiàn)隨鉆巖性及斷層破碎帶探測。

圖1 鉆孔布置示意圖Figure 1 A schematic diagram of borehole layout

圖2 鉆柱振動錄井系統(tǒng)圖Figure 2 Drill string vibration logging configuration

1.3 地震超前探測技術(shù)

本次地震超前探測裝置采用定制的孔中地震采集裝置，傳感器為高靈敏度壓電傳感器，通過將傳感器固定在PVC管上達(dá)到與孔壁的耦合，以探查鉆孔周邊及前方的地質(zhì)異常。孔內(nèi)觀測布置如圖3所示，設(shè)計制作了孔中12道檢波器，利用PVC管送入孔中不同深度。實際施工中，孔口位置錘擊點不變，距離鉆孔1.8m，重復(fù)錘擊39次，12道檢波器間距2m，逐步進(jìn)入孔中，步距2m，最終深度為98m。

圖3 孔口激發(fā)—孔內(nèi)接收地震布置平面圖Figure 3 Seismic prospecting layout plan of wellheadshot and downhole receiving

1.4 孔中直流電法技術(shù)

孔中直流電法探測采用定制的孔中電法電極裝置，通過將雙模電極固定在PVC管中送入孔中來達(dá)到電極與孔壁的耦合。孔內(nèi)電法觀測布置如圖4所示，共布置50道雙模電極，道間距2m，孔內(nèi)測線長度98m。

圖4 孔中直流電法布置剖面圖Figure 4 Downhole DC electric prospecting layout section

2 鉆孔物探結(jié)果分析

2.1 鉆柱振動錄井

對F1-4物探孔正常鉆進(jìn)時鉆柱振動錄井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行時域信號能量分析，如圖5(a)所示。前方地質(zhì)情況較為穩(wěn)定，由于受F22斷層發(fā)育帶影響，異常主要集中在孔內(nèi)后半段，鉆進(jìn)深度56.0～60.0、65.0～70.0、73.0～78.0、90.0～96.0m位置處能量逐漸變大。據(jù)此分析在這些位置處巖性發(fā)生一定程度的改變， 推測鉆進(jìn)過程為從較軟的巖石鉆進(jìn)到較堅硬巖石；在鉆進(jìn)深度到85.0～89.0m，振動信號幅度發(fā)生一定程度的減小，導(dǎo)致能量變小，鉆進(jìn)深度能量較前后在一定程度上逐漸減小，據(jù)此推測鉆進(jìn)過程為從較硬的巖石鉆進(jìn)到較軟的煤層或斷層破碎帶等易碎巖石。如圖5(b)所示，每個平頭代表鉆進(jìn)0.5m深度對應(yīng)所需要消耗的時間，從圖中可以看出56.0～60.0、65.0～70.0、74.0～78.0、90.0～96.0m的深度，耗時相對變長，故在鉆進(jìn)時鉆遇巖性發(fā)生一定程度的變硬；在85.0～89.0m的深度耗時相對變短，在鉆進(jìn)的過程中從較硬的巖石鉆進(jìn)到較軟的煤層或斷層破碎帶等易碎的巖石。結(jié)合現(xiàn)場編錄和相關(guān)資料，0～9.5m為煤層，9.5～56、60～65、70～73、78～85、89～90m為泥巖；56～60m為粉砂巖，65～70、73～78、90～96m為砂巖； 85～89m為煤線或破碎帶。

2.2 地震超前探測

地震超前探測所得到的孔口前方地震波深度偏移成像結(jié)果如圖6所示，深度偏移剖面反映了孔口前方彈性差異界面在空間上的位置關(guān)系，在孔口前100m范圍內(nèi)存在3處較為明顯的反射相位，結(jié)合地質(zhì)資料對上述異常段作如下推斷：孔口前方13～18m段存在r1異常界面、35～52m段存在r2異常界面，分析可能為F51斷層及其破碎帶影響或鉆遇巖性變化影響；孔口前方75～80m段存在r3異常界面，分析可能為F22、F51斷層及其破碎帶影響和巖性變化影響。

2.3 孔中直流電法

2.3.1 孔中直流電法測深探測

孔中直流電法探測孔壁的視電阻率圖如圖7所示，圖中反應(yīng)出3處相對低阻區(qū)和2處相對高阻區(qū)：進(jìn)尺12～16、 61～71、 90～98m呈現(xiàn)出相對低阻特征，視電阻率值小于20Ω·m，分析為裂隙發(fā)育局部含水或受巖性變化影響，富水性較弱；進(jìn)尺18～24、52～58m呈現(xiàn)出相對高阻特征，視電阻率值大于50Ω·m，分析為巖性變化或局部裂隙發(fā)育(未含水)，也可能為受電極耦合不良或孔壁破碎影響。

圖5 隨鉆鉆柱振動錄井?dāng)?shù)據(jù)處理與分析Figure 5 Data processing and analysis of drill string vibration logging while drilling

圖6 孔中地震深度偏移成像圖Figure 6 Downhole seismic depth migration imaging

圖7 孔中視電阻率分布圖Figure 7 Downhole apparent resistivities distribution

2.3.2 孔中直流電法超前探測

孔中直流電法超前探視電阻率圖如圖8，F(xiàn)1-4物探孔孔底處前方80m范圍內(nèi)，視電阻率整體較高，視電阻率值大于40Ω·m，分別存在相對低阻區(qū)、相對高阻區(qū)各一處：在孔底前方18～25m呈現(xiàn)相對低阻特征，視電阻率值為40～50Ω·m，可能受F22斷層及破碎帶影響或巖性變化，富水性較弱，但局部可能含裂隙水；孔底前方60～70m呈現(xiàn)出相對高阻特征，視電阻率值大于130Ω·m，可能受斷層及破碎帶影響或巖性變化。

圖8 孔中直流電法超前探測視電阻率圖Figure 8 Downhole DC electric advance prospectingapparent resistivities

2.4 孔中瞬變電磁探測

孔中瞬變電磁信號各分量的瞬變電磁電壓剖面如圖9所示， 由于一次場影響導(dǎo)致靠近孔口的感應(yīng)電壓幅值高，壓制了后面的信號，不利于分析， 先予以剔除。 進(jìn)尺28、 51、 65m處對應(yīng)的各分量感應(yīng)電壓剖面前后呈現(xiàn)顯著的幅值突變， 進(jìn)尺37、75m處對應(yīng)的X、Z分量感應(yīng)電壓剖面前后也呈現(xiàn)出幅值突變，分析信號的異常變化可能受巖性變化或裂隙發(fā)育的影響，信號異常突變的位置對應(yīng)巖性交界區(qū)或裂隙區(qū)的邊界。

圖9 孔中三分量瞬變電磁感應(yīng)電壓剖面圖Figure 9 Downhole three-component TEM induced voltage section

3 結(jié)論

(1)提出利用鉆探物探一體化技術(shù)對鉆孔周圍和前方的地質(zhì)異常、巖層富水性及可能存在的導(dǎo)水通道進(jìn)行準(zhǔn)確的定位；

(2)通過鉆探時采用鉆柱振動錄井技術(shù)，精準(zhǔn)定位出鉆孔中巖性變化和構(gòu)造變化位置，提高鉆探判層質(zhì)量；

(3)通過孔口激發(fā)—孔內(nèi)接收，進(jìn)行地震反射波超前探測技術(shù)，可以預(yù)判鉆孔范圍的地質(zhì)異常位置；

(4)在孔中采用電磁法技術(shù)可以精細(xì)確定孔內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造異常；利用孔內(nèi)電法、瞬變電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理還可以對鉆孔未揭露前方的地質(zhì)異常進(jìn)行超前預(yù)判。