鉆孔自然伽馬與視頻探測系統(tǒng)的應用

王文國

（山西煤炭運銷集團華陽煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048017）

井下鉆孔自然伽馬與視頻同步探測系統(tǒng)，是用于煤礦井下鉆孔綜合采集與分析的新型技術。它能夠一次完成視頻、自然伽馬、測斜(鉆孔方位、傾斜度)數(shù)據(jù)采集，并結(jié)合軟件進行數(shù)據(jù)的同步分析計算，獲取鉆孔巖性柱狀、鉆孔軌跡、鉆孔結(jié)構(gòu)等多項成果。該技術在華陽煤業(yè)井巷施工過程中推廣應用，給礦井防治水工作提供了很大的技術保證。現(xiàn)以華陽煤業(yè)15101工作面回風順槽1#鉆場鉆孔探測為例，闡述該技術應用情況。

1 引進該技術的原因

1.1 災害分析

華陽煤業(yè)為一座資源整合礦井，瓦斯等級為低瓦斯礦井，煤塵無爆炸危險性，煤層自燃傾向性等級為Ⅱ級，屬可燃煤層。開采煤層為15#煤層，其頂板為K2灰?guī)r，厚9.66～9.80m，K2灰?guī)r下部有0～0.2m左右的泥巖偽頂。由于煤層賦存較淺，上覆巖層裂隙發(fā)育，地表水經(jīng)充水通道灌入采空區(qū)中，在采空區(qū)中容易形成積水，對采煤工作形成威脅，為安全生產(chǎn)帶來隱患。綜合考慮，本礦主要自然災害是水害。

1.2 通常采用的探水方法

根據(jù)防治水細則規(guī)定，堅持“物探先行、鉆探驗證、化探跟進”的探測制度，物探主要采用YCS-40型礦用本安瞬變電磁儀，探測有效距離100m，留設40m的超前距離，60m允許掘進距離，即60m做一次物探。鉆探：15101回順采用ZYW-1200型礦用液壓探水鉆機，每個鉆場設計3個鉆孔，起鉆高度距底板1.5m，鉆探有效距離70m，幫距取20m，超前距30m，允許掘進距離40m?；剑翰蓸雍?2h內(nèi)通過水質(zhì)化驗—對水質(zhì)成分及時化驗，通過各類離子含量分析判斷水源。

1.3 常規(guī)水害探測方法的缺陷

常規(guī)探測方法基本掌握正常區(qū)域水體存在情況，但對出現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造段、地層層位異常區(qū)段，特別是小股水量，探測不準確，容易在采取應對措施方面造成誤判。為更準確有效判斷水源、出水點的位置、出水量等參數(shù)，采用鉆孔自然伽馬及視頻探測方法彌補上述不足。

2 工作原理

該探測系統(tǒng)由硬件和分析軟件構(gòu)成，硬件部分由主機面板、線纜箱、探頭、推桿四部分構(gòu)成。使用時，可以實現(xiàn)井下視頻、自然伽馬、鉆孔軌跡（方位角、傾角）、鉆孔深度數(shù)據(jù)的一次采集。在地面通過分析軟件，實現(xiàn)井下實測數(shù)據(jù)下載，進而對鉆孔孔斜計算，定量分析揭露地層的巖性、厚度、含水性及孔壁的結(jié)構(gòu)特征（包括分層性、厚度、巖層軟硬程度、巖石空隙、裂隙、出水點特征、頂板離層情況及斷層等）。

3 工作面概況

15101回風順槽井下位于15#煤層三條大巷以北，為首采工作面回風順槽，東邊150m為15101運輸順槽，該巷道開口位置距15#煤運輸大巷8#測點32.24m處，方位角為1°05′45〃，沿15#煤層頂板掘進，巷道設計長度980m，巷道斷面為矩形斷面，凈寬4.0m，凈高3.0m，凈斷面積12.0m2。地面相對位置為上掌村以東280m，寨上村西北500m，地表為低山丘陵地貌，部分為耕地。

4 探測操作

4.1 準備工作

4.1.1 入井前準備

在地面確保儀器已經(jīng)充足電，連接主機箱與探頭電纜，加電查看儀器工作是否處于正常狀態(tài)；根據(jù)探測鉆孔的最大深度，攜帶足夠數(shù)量的推桿；檢查工具包內(nèi)的開口扳手、螺絲刀、防水膠帶、鏡頭等是否齊全。

4.1.2 操作前選位準備

到達現(xiàn)場后，首先將“主機箱面板”放在鉆孔附近的平坦位置，打開箱蓋；將推桿及工具包準備到位。

4.1.3 操作前對設備檢查

在“主機線纜箱”上的電纜頭架子上，取下電纜頭，檢查電纜頭處的防水膠圈是否完整，有破損時務必更換。檢查儀器的扶正器螺絲是否正常，扶正器的彈片能否正常收縮。檢查探頭各部件連接處有無松動現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題及時更換處理。

4.1.4 將“探頭”與“電纜箱”的電纜頭連接

連接時要輕緩轉(zhuǎn)動儀器探頭，擰緊探頭與電纜頭螺母。此時，按動“電源”開關，“探頭”的LED燈被點亮，主機箱視頻窗口可以清晰看見探頭所探視頻。注意禁止轉(zhuǎn)動電纜頭端，防止電纜線擰斷。

4.1.5 推桿間連接

取出一節(jié)“推桿”，用推桿公扣一段對準探頭尾部絲扣，擰動推桿將其連接到“探頭”；然后，將“探頭”及第一節(jié)推桿送至被測鉆孔的孔口深度約25cm的位置。

4.1.6 注意事項

安裝完成第一節(jié)推桿后，打防水膠帶，以保護線纜接頭部分不會受到線纜拉動的損傷。注意：（1）打防水膠帶應當將電纜與推桿一起纏緊；（2）防水膠帶打3～5圈，打3～4處，均勻分布在第一節(jié)推桿；（3）不得使用非防水膠帶代替防水膠帶。

4.2 過程操作

4.2.1 零位操作

按動主機操作界面上的“電源”按鈕，“電源指示”燈亮起，隨后，“液晶顯示區(qū)”可以查看到儀器在孔口處的鉆孔視頻圖像；查看數(shù)碼管上的深度顯示窗是否為“000.00”，如果不是，按動“清零”按鈕，使其顯示為此數(shù)值。

4.2.2 啟動

按動主機操作界面啟動按鈕，主機操作界面上的工作指示頂亮起，大約5～10s后，該指示燈開始閃爍，同時，液晶顯示區(qū)左上角出現(xiàn)紅色閃爍的REC開始錄像，說明一切工作正常，此時可以開始探測。

4.2.3 過程操作

開始連接第二節(jié)推桿。拿出第二節(jié)推桿，將其公扣與第一節(jié)推桿的母口的絲扣進行連接。注意一定要將絲扣擰到底，絲扣接觸端不能有間隙。連接推桿完成后，緩慢、勻速推送推桿，推進速度不能超過0.3m/s，將儀器探頭緩慢向孔中推進。

按照以上連接方式與推進要求，逐次連接其余推桿，以盡可能均勻速度將探頭送入鉆孔。

4.2.4 關閉操作

主機箱操作人員觀察深度數(shù)據(jù)、視頻、儀器的工作指示燈狀態(tài)，直至探測到鉆孔孔底。再次按動啟動鍵，工作指示燈停止閃爍，液晶顯示區(qū)左上方的REC標識消失，并停止顯示內(nèi)容，此時儀器停止全部數(shù)據(jù)采集。待儀器停止工作后約10s，按動電源按鍵，關閉主機箱并退出儀器。

4.3 回退操作

4.3.1 推桿、探頭的退出

將推桿和線纜一起向鉆孔外拉出，逐次旋轉(zhuǎn)擰開各節(jié)推桿，直至探頭從鉆孔中取出。注意，旋轉(zhuǎn)擰開推桿時，用手抓緊孔口處的推桿，只旋轉(zhuǎn)卸下被拉出孔口外部的推桿，以防止鉆孔內(nèi)部推桿在旋轉(zhuǎn)時脫開，致使探頭丟落在鉆孔內(nèi)的事故發(fā)生。退出推桿過程中同步轉(zhuǎn)動主機箱上的輪柄，回收線纜。退出探頭后，去掉防水膠帶，卸下探頭，清潔整理儀器。

4.3.2 數(shù)據(jù)下載

用專用數(shù)據(jù)線將主機箱通訊端口與電腦連接，將視頻資料剪切保存到計算機中。利用系統(tǒng)自動分析系統(tǒng)，生成鉆孔定向剖面圖、鉆孔平面軌跡圖，并按照設定比例尺生成鉆孔柱狀圖進行CAD圖形輸出。

5 成果分析

圖1 探放水鉆孔布置圖

圖2 1#鉆孔軌跡剖面圖

巷道在施工超前鉆探探測時，水平面扇形布置了三個鉆孔（圖1）。該處開口段為全巖，以第1個鉆孔為例，沿設計鉆進12m后打到煤層，鉆進約25m后又遇到巖層，掘進約44m后再次進入煤層，終孔深度為60m。

這種現(xiàn)象按照常規(guī)的鉆探設計及地質(zhì)層位分析，對前方的地質(zhì)情況難以判斷。采用井下鉆孔自然伽瑪與視頻同步探測系統(tǒng)對鉆孔探測，其中1#鉆孔主要成果如下。

圖3 1#鉆孔測井柱狀圖

圖4 1#鉆孔預想地質(zhì)剖面圖

如圖3所示，紅色曲線所代表的實測鉆孔軌跡在剖面上發(fā)生了“波動”現(xiàn)象，開孔后鉆孔首先水平前進10多米后有稍向上向趨勢，約20m后向下方偏斜至終孔。

通過特殊點視頻截圖，結(jié)合鉆孔軌跡和測井柱狀圖，可以斷定：鉆孔在19m處遇到約5cm的裂隙，裂隙有少量出水，此為鉆孔出水的根源，超過20m后，孔內(nèi)基本無水，巖性成像清晰，到43m處煤巖過渡段出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，而后進入全煤層直至終孔。

綜合以上成果分析及2#、3#鉆孔的測井情況判斷，超前鉆探所揭露的巷道前方應該沒有構(gòu)造異?，F(xiàn)象，所發(fā)生的鉆探異常，是由于鉆孔軌跡“波動”導致的鉆孔揭露層位異常。根據(jù)探測成果繪出1#鉆孔的預想地質(zhì)剖面圖。后經(jīng)巷道向前施工驗證，前方地質(zhì)構(gòu)造情況與本次測井分析成果完全一致。