煤礦井下定向鉆孔中電阻率探測技術(shù)與應用

李博凡，劉 磊，范 濤，蔣齊平，王 杰

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

在煤礦井下開展物探工程，由于需要一定施工空間，地面成熟的多種方法在井下工況條件下受到極大的制約。無線電磁波透視法和反射/透射槽波法是探查工作面內(nèi)部隱伏構(gòu)造的有效手段[1-2]，音頻電透視方法則在底板/頂板富水性探查方面有較好的運用[3-4]。借助鉆孔開展多孔聯(lián)合方式進行孔間目標體探查已在地鐵線路先期勘探中得到了運用，對解決勘探盲區(qū)問題行之有效[5-6]。張平松等[7]利用井下鉆孔直流電阻率法進行煤層開采過程中頂板“三帶”破壞監(jiān)測，將探查過程與采掘活動聯(lián)系起來，擴展了井下直流電阻率法的使用范圍，但由于鉆孔深度相對較小，控制范圍較為有限，無法大面積推廣使用。在煤礦井下利用鉆孔開展物探工程，可突破井下有限空間對多種物探方法的施工制約，取得更好的勘探成果。

井下定向鉆進技術(shù)對于高瓦斯工作面煤層氣預抽[8-9]、灰?guī)r底板注漿改造起著關(guān)鍵性作用[10-11]，定向鉆孔設(shè)計深度通常在400 m 以上，常規(guī)勘探手段無法對定向鉆孔旁隱伏構(gòu)造發(fā)育情況進行探查。基于此，本文提出一種利用定向鉆孔開展孔中直流電阻率法徑向探測和透視探測相結(jié)合的方法，進行隱伏構(gòu)造探測，并在陜西韓城某礦進行探測試驗，驗證其方法的可行性。

1 孔中直流電阻率法探測技術(shù)

與地面直流電阻率法不同，煤礦井下電法勘探環(huán)境為全空間介質(zhì)環(huán)境，對于水平定向鉆孔而言，結(jié)合煤礦固有的地層特征，勘探環(huán)境基本處于層狀介質(zhì)。建立全空間地層模型，采取三維數(shù)值模擬形式計算電場分布以研究隱伏構(gòu)造的異常響應規(guī)律，地面勘探中常用的視電阻率計算方法對于井下勘探同樣適用。

點電源在導電介質(zhì)中電場分布用微分方程形式描述，具體公式[12]如下：

式中：u為介質(zhì)中某點電位值；σ為導電介質(zhì)電導率；I為供電電流大??；δ為狄利克雷函數(shù)；A為供電電極坐標。

黃俊革等[13-14]對煤礦巷道直流電阻率法探測已做了相當詳盡的三維數(shù)值模擬研究工作，從基礎(chǔ)理論方面解釋了井下探測面臨的難點。盡管垂直孔中直流電阻率法透視技術(shù)已成熟運用[15-16]，但定向水平鉆孔徑向探查研究依然未見實例。

1.1 層狀全空間地質(zhì)異常體基本特征

數(shù)值模擬過程中，無論是陷落柱模型，還是采空巷道模型，在異常體設(shè)計上，均采用與實際異常形態(tài)相似的塊體代替，并使該塊體電阻率值與背景圍巖存在一定差異。研究不同地質(zhì)體的異常特征，實際上就是研究不同形狀、不同電性差異模型的電場分布情況。

煤礦井下為全空間層狀介質(zhì)探測環(huán)境，煤層為高阻介質(zhì)，頂?shù)装迥?砂巖電阻率相對較低，為研究陷落柱等異常地質(zhì)體在層狀介質(zhì)中的探測異常規(guī)律，將實際多層介質(zhì)簡化為三層模型，模型總體上體現(xiàn)含煤地層電阻率變化規(guī)律。鉆孔探測模型如圖1 所示。

圖1 孔中直流電阻率法探測模型Fig.1 DC resistivity detection model in hole

孔中電極以間距4 m 分布于鉆孔中，供電電極A位于鉆孔孔口附近，電極A處位置為深度原點，在圖1 所示的模型中，當設(shè)定頂、底板和中間層電阻率均為100 Ω·m 時，為均勻全空間模型；設(shè)定頂、底板電阻率均為100 Ω·m，煤層電阻率為1 000 Ω·m 時，為層狀模型；設(shè)定頂、底板電阻率均為100 Ω·m，煤層電阻率為1 000 Ω·m，且在鉆孔深度為50 m，偏離鉆孔徑向15 m位置存在一個直徑為20 m 的低阻陷落柱，低阻陷落柱電阻率為10 Ω·m 時，為層狀異常模型；中間層厚度6 m，頂、底板厚度均為400 m，鉆孔位于中間層中心位置。供電電極A固定，M、N為相鄰接收電極，M、N中點為O點。采用AMN三極裝置沿鉆孔接收電位差，且根據(jù)公式計算全空間條件下對應的視電阻率值，計算公式如下：

式中：K為全空間裝置系數(shù)；ΔU為測量電位差數(shù)據(jù)。

不同模型前80 m 深度范圍內(nèi)電位差數(shù)據(jù)對應的視電阻率曲線如圖2 所示。

圖2 三種模型視電阻率曲線Fig.2 Apparent resistivity curves of three models

由圖2 可知，全空間均勻模型視電阻率值不隨收發(fā)極距dAO變化，為水平直線；層狀介質(zhì)模型dAO<20 m時，視電阻率值主要被中間層電阻率影響，dAO>20 m 時，中間層影響消失，頂?shù)讕r層電性情況逐漸在視電阻率值中體現(xiàn)；當層狀介質(zhì)中存在電阻率更低異常體時，視電阻率曲線在層狀模型視電阻率曲線基礎(chǔ)上出現(xiàn)小幅度凹陷。層狀介質(zhì)視電阻率曲線背景上疊加不同程度的凹陷或凸起是水平鉆孔中視電阻率測量曲線基本特征。

1.2 頂?shù)装鍘r層電阻率影響分析

實際勘探中，煤層與砂巖、泥巖電阻率均有較大分布范圍，煤層電阻率變化范圍為幾百Ω·m 到數(shù)千Ω·m 不等，砂巖、泥巖電阻率分布范圍數(shù)十Ω·m 到數(shù)百Ω·m 不等。煤層電阻率設(shè)定為1 000 Ω·m，頂、底板砂巖電阻率均為100 Ω·m，以鉆孔開口處為坐標原點，鉆進方向為x軸，間距4 m 為電極距在鉆孔中布置21 個接收電極，孔口電極A供電，根據(jù)文獻[12]所采用的數(shù)值模擬方法，繪制均勻全空間與層狀介質(zhì)的測量電位差曲線和視電阻率曲線，分別如圖3 和圖4所示。

圖3 層狀模型與均勻全空間模型電壓對比Fig.3 Comparison of the layered model and the full-space measurement voltage

由圖3 可知，無論是均勻全空間模型還是層狀模型，電位差均隨極距衰減。由圖4 可知，均勻全空間背景時，視電阻率為一條水平直線；層狀介質(zhì)視電阻率曲線數(shù)值隨收發(fā)極距增大逐漸減小，最終穩(wěn)定至頂、底板電阻率值。鉆孔中徑向探測需要在變化的背景影響中識別其他地質(zhì)構(gòu)造引起的異常。

圖4 層狀模型與均勻全空間模型視電阻率對比Fig.4 Comparison of the layered model and the full space apparent resistivity

當頂?shù)装咫娮杪手迪嗤瑫r，視電阻率曲線最終將反映頂板/底板電阻率，當頂、底板電阻率存在差異，受體積效應的影響，視電阻率曲線漸進值將被頂板、底板電阻率值共同決定。與前文所設(shè)定的模型參數(shù)類似，中間煤層電阻率為1 000 Ω·m，頂板電阻率為100 Ω·m，底板電阻率值分別為10、100、1 000、3 000 Ω·m，分別對應泥巖、砂巖、灰?guī)r等不同介質(zhì)，孔口供電，不同底板電阻率模型對應接收視電阻率曲線如圖5 所示。

圖5 不同底板電阻率模型視電阻率曲線Fig.5 Apparent resistivity curves of different resistivity floor models

由圖5 可知，鉆孔所在層位對dAO<20 m 的接收數(shù)據(jù)有較大影響，當dAO>20 m 時，視電阻率值為頂、底板電阻率的綜合值，不再隨dAO距離改變而變化，視電阻率曲線呈現(xiàn)水平狀態(tài)，為異常體探測提供了一個較為簡單的背景。

1.3 水平定向鉆孔電阻率反演

將電位差曲線轉(zhuǎn)換成視電阻率曲線能較為清晰反映異常體在測量深度上的位置，但對于地質(zhì)異常體的具體形態(tài)，尤其只有單個鉆孔測量數(shù)據(jù)的前提下，二維反演是數(shù)據(jù)處理的有效手段，對以鉆孔為軸心，一定半徑范圍內(nèi)的柱狀空間進行不等間距剖分，如圖6所示。

圖6 水平鉆孔反演剖分Fig.6 schematic diagram of horizontal drilling inversion subdivision

由圖6 可知，單孔測量數(shù)據(jù)無法對異常體進行準確的三維空間定位。在鉆孔深度方向，接收數(shù)據(jù)能較好反映異常體位置；徑向平面內(nèi)，同等規(guī)模、相同極徑、不同極角的異常體將產(chǎn)生同樣的異常電位值，數(shù)據(jù)處理結(jié)果只反映異常體在軸向和徑向兩個方向上的位置信息。

直流電阻率法二、三維反演理論和方法都較為成熟，對于不同維度數(shù)據(jù)，可以得出較好的對應維度反演結(jié)果。以三層介質(zhì)下陷落柱模型的反演結(jié)果為例，中間層電阻率為1 000 Ω·m，上覆層和下伏地層電阻率均為100 Ω·m，鉆孔徑向10 m 處存在一個直徑為15 m，高度為60 m 的低阻陷落柱模型，鉆孔深度80 m，陷落柱中心位于鉆孔深度45 m 處，采用全排列單極-偶極三極工作方式，孔中均勻布置的21 個電極依次供電，供電電極向大地供入電流時，其他電極均作為接收電極，記錄所有相鄰2 個電極之間的電位差。對數(shù)據(jù)進行二維反演，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 陷落柱模型二維反演結(jié)果Fig.7 2d inversion results of collapse column model

由圖7 可知，陷落柱模型反演位置與設(shè)定位置十分吻合，異常區(qū)在鉆進方向和徑向方向邊界較為清晰，二維反演結(jié)果具備較高的分辨率。上述結(jié)果表明，可以采取孔中直流電阻率法對定向鉆孔徑向一定范圍內(nèi)存在的隱伏構(gòu)造、巖性變化、工程施工前后介質(zhì)電性變化情況進行探查。

2 水平定向長鉆孔中直流電阻率法施工工藝

2.1 電纜鋪設(shè)裝置

對比地面垂直鉆孔施工，水平長鉆孔中高密度電纜安裝難度有較大提升，需要特定輔助安裝設(shè)備。輔助裝置示意圖如圖8 所示。

圖8 深長鉆孔電纜推送裝置Fig.8 Cable push device of deep and long drilling borehole

裝置主體為直徑73 mm 內(nèi)平鉆桿，取心鉆頭防止孔徑變化對輸送過程造成不利影響，懸掛裝置保證高密度電纜單向移動，水力輸送器推動懸掛裝置在鉆桿內(nèi)向前移動并最終固定于鉆孔底部，固定短節(jié)用于連接水力輸送器和孔中電纜，特種水便采取側(cè)方打壓方式為線纜向前移動提供動能，保證線纜平鋪于定向鉆孔中。

2.2 電纜水力輸送流程

定向鉆孔施工完畢后，退出用于鉆探施工的通纜鉆桿，將內(nèi)徑32 mm 的內(nèi)平鉆桿送入鉆孔中，懸掛裝置、水力輸送器依次送入內(nèi)徑為32 mm 內(nèi)平鉆桿，固定短節(jié)連接電纜和水力輸送器，鉆桿尾端水力打壓，特種水便尾部采用可變直徑橡膠圈作為電纜輸送口。水力輸送器在水壓推動下逐漸向鉆孔底部移動，帶動孔中電纜逐漸平鋪于鉆桿中，當懸掛裝置到達孔底，退出內(nèi)平鉆桿。懸掛裝置的單向運動結(jié)構(gòu)，使孔中電纜不隨鉆桿退出。鉆桿完全退出后，開展孔中直流電阻率法探測和孔間透視探測。

2.3 孔中直流電阻率法探測

電纜鋪設(shè)在定向鉆孔水平段后，即可開展孔中直流電阻率法探測，僅有1 個鉆孔可用時，進行單孔測量，獲得地質(zhì)異常體發(fā)育深度和徑向范圍，當具備2 個平行鉆孔時，可開展孔間透視探查，具體布置如圖9所示。

圖9 鉆孔中直流電阻率法探測Fig.9 Schematic diagram of DC resistivity detection in drilling hole

僅有1 個可用鉆孔情況下，開展單孔測量：孔內(nèi)布置的N個電極，按電極編號依次供電，每個電極供電時，該供電電極80 m 范圍內(nèi)的所有相鄰電極（供電電極除外）進行電位差測量，形成單孔探測原始記錄數(shù)據(jù)。實測數(shù)據(jù)表明，當供電接收距離dAO>80 m，電位差數(shù)值較小，信號信噪比大大降低，深部反演結(jié)果可靠性減弱。當鉆孔1、鉆孔2 同時具備施工條件時，鉆孔1 中1 號電極供電，鉆孔2 中1 號電極附近50～80 m 范圍內(nèi)電極作為接收電極，相鄰電極測量電位差。隨著供電電極位置向孔內(nèi)移動，各供電電極對應的接收數(shù)據(jù)量將趨于相同。

3 工程試驗

3.1 工程概況

陜西韓城某礦23208 工作面地面高程586.7～856.0 m。所在地層構(gòu)造形態(tài)總體為一單斜構(gòu)造，傾角2°～6°，進風巷鉆場附近，巷道掘進過程中未揭露斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，施工探測環(huán)境較為均一。

工作面開采的2 號煤層位于下二疊統(tǒng)山西組內(nèi)，地層整合于下伏太原組之上，陸相沉積，山西組地層厚度38.12～100.68 m，平均60.26 m。共含6 層煤，自上到下依次編號1上、1、2上、2、3 和3下號煤，3 號煤層為本組主要可采煤層。2 號煤層頂?shù)装寰鶠槟噘|(zhì)砂巖，底板下距3 號煤層頂板4～27.89 m，平均13.0 m，瓦斯抽采定向鉆孔在2 號與3 號煤層中間的泥質(zhì)砂巖中水平鉆進。

在23208 工作面開采過程中，為防止回采時底板破碎造成下組3 號煤瓦斯向采煤工作面擴散，在進風巷內(nèi)，采用底板定向孔對3 號煤進行瓦斯預抽，鉆場共施工5 個底板水平定向鉆孔，相鄰鉆孔平行段間距20 m。定向鉆孔軌跡平面圖如圖10 所示。

圖10 定向鉆孔軌跡平面分布Fig.10 Plane distribution of directional drilling track

2-1 號鉆孔和2-5 號鉆孔是本次的施工鉆孔，2-1 號鉆孔深度486 m，2-5 號鉆孔深度570 m。鉆孔軌跡在造斜段之后基本平行，平行段間距80 m，為探測施工提供了便利條件。

3.2 探測施工過程及探測成果

在2-1 號和2-5 號鉆孔中分別送入長度為410 m的孔中高密度電纜，電纜安裝電極31 個，電極間距12 m，孔中電纜在定向鉆孔中的分布情況如圖11 所示。

圖11 定向鉆孔孔中電極分布Fig.11 Distribution of electrode in directional drilling hole

電極自孔底到孔口依次編號1-31，根據(jù)實測鉆孔軌跡，2-1 號鉆孔造斜段長度約為60 m，鉆孔中電極基本處于水平段。2-5 號鉆孔中22-31 號電極位于鉆孔造斜段，2 根電纜上1 號電極在巷道投影位置基本相同，在2-1 號鉆孔中開展單孔三極直流探測，同時進行兩孔間的直流電阻率法透視探測，分別對單孔測量數(shù)據(jù)和透視數(shù)據(jù)進行二維反演，反演結(jié)果如圖12、圖13 所示。

在圖12 和圖13 中，單孔測量數(shù)據(jù)和孔中透視數(shù)據(jù)反演結(jié)果采用相同區(qū)分色級。單孔測量數(shù)據(jù)與透視數(shù)據(jù)反演成果基本一致，平面圖內(nèi)電阻率值為20～400 Ω·m，平均值200 Ω·m，藍色為電阻率低值區(qū)，紅色為高值區(qū)域。在成果圖橫向坐標200 m 處，視電阻率值低于160 Ω·m，為平面內(nèi)視電阻率值最低，經(jīng)過后期回采驗證，在橫向200 m 處（圖13），實際揭露一個斷距3.5 m 的小斷層。

圖12 2-1 號鉆孔直流電阻率法測量二維反演結(jié)果Fig.12 2d resistivity inversion results of No.2-1 borehole by DC resistivity method

圖13 2-1 號鉆孔與2-5 號鉆孔透視反演視電阻率平面圖Fig.13 Apparent resistivity plan for perspective inversion of No.2-1 drill hole and No.2-5 drill hole

以上工程實例說明，在定向孔中開展直流電阻率法探查工作是可行的。深長鉆孔中開展物探工作，提前在大范圍內(nèi)探明未知地質(zhì)隱患，對于助力煤礦高效率開采具有十分積極的意義，根據(jù)定向鉆孔的多少，可以視情況選擇性開展孔旁探查。當只有一個鉆孔時，開展單孔徑向探測，在具備兩個以上定向鉆孔時，開展孔間透視探測能獲得更加準確的效果。

4 結(jié) 論

a.提出了一種在水平定向鉆孔中開展直流電阻率法探測的方法，采用水力輸送方式在定向鉆孔中布置高密度電纜。使用內(nèi)平鉆桿作為電纜的輸送通道，可將測量電極布置到深度超過400 m 的鉆孔底部，使得更為直接和精細的工作面隱伏構(gòu)造探查變?yōu)榭赡埽瑢崿F(xiàn)了瓦斯抽采鉆孔的“一孔多用”。

b.數(shù)值模擬結(jié)果表明，在水平層狀介質(zhì)的大背景下，采用三極裝置測量的直流電阻率法工作方式在水平鉆孔中進行探測，隨著收發(fā)距不斷增加，鉆孔所在層位對視電阻率的影響逐漸減弱，無其他異常情況下，視電阻率值將逐漸過渡到穩(wěn)定數(shù)值。當鉆孔徑向一定距離存在地質(zhì)異常體時，異常體造成視電阻率曲線出現(xiàn)較為簡單的凹陷或凸起。

c.在陜西韓城某礦23208 工作面的探測實例表明，采用水力輸送方式布置孔中高密度電纜是可行的，單孔徑向探測結(jié)果和兩孔透視探測的結(jié)果表明，采用孔內(nèi)探查的方式可以對孔旁/孔間異常體進行準確探測，單孔徑向探查無法解決的空間定位問題，采用孔間透視能取得更加準確的結(jié)果。