鉆探物探一體化技術(shù)在煤礦水害探測(cè)中的應(yīng)用

趙劍

【摘 要】 為實(shí)現(xiàn)煤礦井下水害的有效預(yù)防，文章提出將鉆探物探一體化技術(shù)應(yīng)用到掘進(jìn)巷道超前探測(cè)中，通過(guò)鉆探、鉆柱振動(dòng)錄井技術(shù)、孔中瞬變電磁法、孔中電法等技術(shù)有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)煤礦水害有效探測(cè)。對(duì)鉆探物探一體化技術(shù)原理進(jìn)行闡述，并以90603回風(fēng)巷超前探測(cè)為工程實(shí)例，對(duì)鉆探物探一體化技術(shù)應(yīng)用情況進(jìn)行探討。結(jié)果表明，鉆探物探一體化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡、鉆進(jìn)煤巖層情況確定，可對(duì)鉆孔周邊富水區(qū)以及導(dǎo)水構(gòu)造等有效探測(cè)，探測(cè)成果可為巷道防治水工作開(kāi)展提供指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】 水害防治;鉆探物探一體化技術(shù);地質(zhì)構(gòu)造;富水區(qū)

【中圖分類(lèi)號(hào)】 TD745 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2021）04-0010-03

水災(zāi)一直是影響煤礦安全高效開(kāi)采的重要問(wèn)題。根據(jù)已有統(tǒng)計(jì)資料顯示，礦井出現(xiàn)突水事故水源主要為頂?shù)装逅?、采空區(qū)積水等，其中水力聯(lián)系通道多為陷落柱、斷層等地質(zhì)構(gòu)造，因此對(duì)涌水水源以及水力聯(lián)系通道探測(cè)對(duì)提高煤炭安全生產(chǎn)保障能力具有重要意義?，F(xiàn)階段煤礦常用的水害探測(cè)技術(shù)有物探、鉆探兩類(lèi)。鉆探可細(xì)分為定向長(zhǎng)鉆孔、常規(guī)探測(cè)鉆孔以及地面探測(cè)鉆孔等類(lèi)型;物探根據(jù)探測(cè)原理可細(xì)分為地震類(lèi)、電磁法類(lèi)、紅外探測(cè)、電磁輻射探測(cè)等類(lèi)型，其中煤礦應(yīng)用最為廣泛的物探技術(shù)為礦井地震法、瞬變電磁法以及直流電法等。上述各種物探方式均有其各種特點(diǎn)，在地質(zhì)條件復(fù)雜情況下往往采取一種探測(cè)方法難以實(shí)現(xiàn)水害的精準(zhǔn)探測(cè)。鉆探物探一體化技術(shù)綜合鉆探、物探特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)一孔多用，提升水害鉆探工程探測(cè)精度以及探測(cè)范圍，對(duì)提高煤礦井下水害探測(cè)效率具有一定的促進(jìn)作用。

1 工程概況

山西某礦90603綜采工作面開(kāi)采9#煤層，煤層埋深530m、厚度3.68m、傾角7°，采面設(shè)計(jì)走向、傾向長(zhǎng)度分別為1980m、246m。90603工作面回采巷道尚處于掘進(jìn)階段，其中回風(fēng)巷已掘進(jìn)205m、運(yùn)輸巷掘進(jìn)36m，回風(fēng)巷與鄰近的90601采空區(qū)間留設(shè)有20m護(hù)巷煤柱。具體采面位置關(guān)系見(jiàn)圖1所示。

2 鉆探物探一體化技術(shù)原理

鉆探物探一體化技術(shù)涉及到鉆探、鉆柱振動(dòng)錄井技術(shù)、孔中瞬變電磁法及孔中電法等技術(shù)。

2.1 鉆柱振動(dòng)錄井技術(shù)

鉆柱振動(dòng)錄井技術(shù)是在靠近鉆頭位置的鉆桿上布置振動(dòng)傳感器對(duì)鉆孔鉆探設(shè)備振動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。振動(dòng)傳感器獲取到的振動(dòng)信號(hào)主要來(lái)源于鉆頭，并將振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)。振動(dòng)數(shù)據(jù)采用隨鉆測(cè)震儀分析，該設(shè)備具有鉆孔軌跡測(cè)量、隨鉆三分量振動(dòng)測(cè)量功能，通過(guò)分析巖層、鉆頭間的動(dòng)力反應(yīng)譜實(shí)現(xiàn)前方構(gòu)造探測(cè)。

2.2 孔中瞬變電磁法

孔中瞬變電磁法是鉆孔、巷道以及瞬變電磁法相結(jié)合的探測(cè)技術(shù)，探測(cè)原理與井下瞬變電磁法一致。在巷道內(nèi)使用發(fā)射線圈實(shí)現(xiàn)瞬變電磁場(chǎng)源激發(fā)，在探測(cè)鉆孔內(nèi)通過(guò)電磁傳感器（接收線圈）獲取不同孔深感應(yīng)電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)鉆孔外激發(fā)、鉆孔內(nèi)探測(cè)。具體探測(cè)示意圖見(jiàn)圖2。

2.3 孔中電法

孔中電法探測(cè)使用到的探測(cè)系數(shù)為YZD11槽波地震電法系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有探測(cè)靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，可在鉆孔中進(jìn)行高密度電法探測(cè)、孔底進(jìn)行超前探測(cè)。具體探測(cè)方法為：將雙模電極固定到特制的PVC管內(nèi)，電極通過(guò)銅絲與煤壁耦合，電極極距為2.5m，現(xiàn)場(chǎng)共計(jì)布置32道;現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)可通過(guò)移動(dòng)PVC管實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)全覆蓋測(cè)量，具體鉆孔內(nèi)電法電極裝置布置情況見(jiàn)圖3所示。

3 鉆探物探一體化技術(shù)探測(cè)成果分析

為了精準(zhǔn)探測(cè)90603回風(fēng)巷掘進(jìn)前方水文地質(zhì)情況，確保巷道安全掘進(jìn)，決定在巷道掘進(jìn)迎頭位置進(jìn)行鉆探物探一體化探測(cè)。探測(cè)可細(xì)分為鉆探中以及鉆探后兩個(gè)階段，各個(gè)階段采取不同的探測(cè)方法，具體為：

鉆探中采用鉆柱振動(dòng)錄井技術(shù)確定鉆孔探測(cè)軌跡，測(cè)試鉆孔鉆進(jìn)至不同巖層時(shí)的地震屬性，以便對(duì)鉆探過(guò)程進(jìn)行全程管控;

鉆探施工完成后，使用孔中瞬變電磁法、孔中電法等物探技術(shù)詳細(xì)探測(cè)鉆孔圍巖巖性、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況以及富水情況。

鉆探鉆孔布置在90603回風(fēng)巷掘進(jìn)迎頭位置，主要對(duì)鉆孔周邊及前方巖體裂隙發(fā)育情況、巖性變化、地質(zhì)構(gòu)造及富水性等進(jìn)行探測(cè)。在探測(cè)鉆孔施工過(guò)程中同步進(jìn)行鉆柱振動(dòng)錄井，其次在鉆孔施工完成后依次進(jìn)行孔中瞬變電磁法以及孔中電法探測(cè)。在掘進(jìn)迎頭布置的鉆孔垂直煤壁施工，鉆孔孔深75m、孔徑113mm、仰角9°。

3.1鉆柱振動(dòng)結(jié)果

采用方差分析對(duì)鉆孔不同鉆進(jìn)狀態(tài)下的振動(dòng)錄井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。鉆機(jī)在停機(jī)、加鉆桿等工況下振動(dòng)傳感器獲取到的振動(dòng)信號(hào)較小、振動(dòng)數(shù)據(jù)方差較小;鉆機(jī)正常鉆進(jìn)過(guò)程中振動(dòng)信號(hào)較強(qiáng)、振動(dòng)數(shù)據(jù)方差大。結(jié)合正常鉆進(jìn)時(shí)間、方差值等剔除停機(jī)、加鉆桿等振動(dòng)數(shù)據(jù)得到鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中振動(dòng)數(shù)據(jù)分析圖，具體見(jiàn)圖4所示。

從圖中看出，鉆孔在鉆進(jìn)初期地質(zhì)條件較為穩(wěn)定，地質(zhì)條件出現(xiàn)較大變化區(qū)間主要集中在鉆孔鉆進(jìn)后期，具體鉆孔在12.1～12.4m、58.0～58.3m、67.5～68.2m范圍內(nèi)存在振動(dòng)數(shù)據(jù)異常區(qū)。結(jié)合鉆孔排渣及其他鉆進(jìn)數(shù)據(jù)分析，判定上述振動(dòng)數(shù)據(jù)異常區(qū)為煤層中的裂隙帶。

3.2 孔中瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果

具體孔中瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5所示。從圖中看出，在鉆探鉆孔周邊0～17m范圍內(nèi)，圍巖中視電阻率整體較高，同時(shí)視電阻率等值線變化較為平緩，未有明顯的異常區(qū);在探測(cè)鉆孔周邊17～30m范圍內(nèi)，雖然視電阻率等值線變化較為明顯，但是無(wú)顯著的低阻異常區(qū)。

3.3 孔中電法探測(cè)結(jié)果

具體鉆孔獲取到的孔中電法探測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6所示?？字须姺ㄌ綔y(cè)距離為110m，從圖中看出，探測(cè)范圍煤巖體視電阻率均在20Ω·m以上，同時(shí)不存在有視電阻突變區(qū)，表明探測(cè)范圍內(nèi)煤巖體富水性較弱，同時(shí)無(wú)明顯的導(dǎo)水構(gòu)造存在。

3.4 綜合應(yīng)用結(jié)果分析

在90603回風(fēng)巷掘進(jìn)迎頭采用鉆探物探一體化技術(shù)進(jìn)行探測(cè)，在探測(cè)鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中排水、返水始終正常，未揭露有明顯的地質(zhì)構(gòu)造;鉆柱振動(dòng)錄井技術(shù)應(yīng)用顯示，鉆孔鉆進(jìn)至12.1～12.4m、58.0～58.3m、67.5～68.2m范圍內(nèi)煤體裂隙較為發(fā)育;孔中瞬變電磁法及孔中電法探測(cè)結(jié)果均顯示探測(cè)鉆孔周邊無(wú)視電阻突變區(qū)以及低阻異常區(qū)，表明探測(cè)鉆孔周邊無(wú)明顯的富水區(qū)以及地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)。

90603回風(fēng)巷施工的其他探測(cè)鉆孔均未探測(cè)到地質(zhì)構(gòu)造，同時(shí)鉆孔未有涌水情況發(fā)生。巷道正常掘進(jìn)過(guò)程中頂板未有淋水，表明鉆探物探一體化技術(shù)探測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)度較高。

4 總結(jié)

采用鉆探物探一體化技術(shù)對(duì)掘進(jìn)巷道前方潛在的富水區(qū)域、地質(zhì)構(gòu)造等進(jìn)行探測(cè)，以便確保巷道掘進(jìn)安全，降低水害影響;并對(duì)鉆探物探一體化技術(shù)原理、布置情況進(jìn)行分析。

采用鉆柱振動(dòng)錄井技術(shù)并結(jié)合鉆孔排渣、返水情況可實(shí)現(xiàn)鉆孔鉆進(jìn)軌跡、鉆進(jìn)煤巖層巖性變化以及探測(cè)揭露的地質(zhì)構(gòu)造探測(cè);采用孔中瞬變電磁法可實(shí)現(xiàn)鉆孔周邊富水異常體位置的圈定，同時(shí)結(jié)合孔中電法可對(duì)地質(zhì)異常體類(lèi)型、位置精準(zhǔn)判定。

采用鉆探物探一體化技術(shù)后，未探測(cè)到90603回風(fēng)巷周邊存在富水體以及導(dǎo)水構(gòu)造，巷道掘進(jìn)不會(huì)出現(xiàn)淋水或者異常涌出事故。

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