井下钻孔探测技术在煤矿水文地质方面的应用

井下钻孔探测技术在煤矿水文地质方面的应用

原王军

山西兰花集团东峰煤矿有限公司 山西晋城 048000

摘要：随着煤矿井下开采深度增加，开采范围的拓展，井下煤炭开采的地质条件变得越来越复杂，安全隐患增多，矿井涌水、突水危害就是威胁煤矿安全生产的重大问题之一。井下钻孔测井可以有效提升钻探成果解释的可靠性，提高广大地质工作者判断地质情况的准确性，大量减少钻探工程的浪费。本文主要就对井下钻孔探测技术在煤矿水文地质方面的应用进行分析和探讨。

关键词：井下钻孔探测技术；煤矿水文地质；应用

1井下钻孔探测技术的原理简介

由于井下特殊的防爆要求与施工条件，能够进行井下钻孔测井的技术很少，矿用钻孔测井分析技术能够进行井下钻孔综合测井与数据分析。矿用钻孔测井分析仪结构由探头、主机控制箱、主机控制面板、分析软件、专用探头推杆5 部分构成（图1）。其中，探头由视频采集模块、自然伽玛模块、孔斜测量模块构成，在井下现场一次可以采集高分辨率视频、自然伽玛数据、孔斜方位角与倾斜角、钻孔深度数据。探头与控制箱采用有缆传输方式进行通信。

图1 自然伽马与视频同步分析岩性示意

采用自然伽玛测井曲线与视频同步数据分析，来判读岩性与分层，弥补了单一曲线分析岩性的不足，即按照同一深度上的视频、曲线数据相互印证判断岩层岩性。软件能够绘制钻孔岩性柱状、钻孔平面图及地质剖面图，视频能够分析钻孔的内部结构如岩层软硬程度、岩石孔隙、裂隙发育情况、出水点、顶板离层情况及断层等，各种图形可以以CAD或图片格式输出。

该钻孔测井分析仪具有体积小巧、功耗低、携带方便、操作简单、高效准确、成本低廉、采集信息量丰富、分析功能强大、成果丰富等特点，能够适用于包括锚索钻孔在内的井下所有类型的钻孔探测需要，可以广泛应用于各类矿山井下的防治水、地质勘查、地质找矿、顶板支护探测钻孔及各类隧道施工中钻孔的信息采集分析等领域。

2井下钻孔探测技术在某煤矿采区的应用

某煤矿上覆采空区的分布位置、延伸方向；采空区距工作面的垂直深度；工作面上部含水层的裂隙发育；上覆煤层的厚度及距离本煤层的垂直深度；分析得出钻孔内煤岩层柱状图；针对上覆采空区进行了钻孔探测技术。

2.1工作面的水文地质条件

工作面6#煤整体呈单斜构造，走向北西，倾向北东，但煤层底板起伏变化不大。地质构造较简单，工作面顶板为泥岩，层位较稳定，但泥岩硬度较低。

工作面上部有原小煤窑1#煤采空区积水。影响范围在运输顺槽开口掘进至约300m范围内，根据钻孔资料分析，距6#煤层平均间距约55m。

2.2测孔技术的解释方法

具体解释步骤如下：

①数据导入：用专用数据线，将仪器主机箱的“通讯”端口与电脑的USB端口相连接，下载测孔数据。

②新建工程：利用导入的测孔数据新建工程，输入各项参数后经过软件处理后保存。

③岩性柱状图成图：岩性分析过程是根据自然伽玛曲线与视频同步进行分析，主显示区会出现一条红色的直线，称之为“分析指示线”，它会随视频播放的进度上下移动，指示出视频与GR曲线对应的位置。当曲线的GR异常值出现明显变化，即地层岩性分层时，通过视频查看当前岩性与曲线特征的对应关系，共同确定当前的岩性与分层，经过软件处理后最终成图。

④钻孔孔斜剖面图与地质剖面成图：利用软件中的钻孔剖面功能，通过分析测孔数据后，绘制出钻孔轨迹剖面图。如果此时钻孔的岩性柱状图已经形成，在导出的CAD文件转换格式中，将会保存沿着钻孔剖面线的岩层分层点信息（此图即地质剖面原型，如图1所示中的曲线上的0、1、2、3、4、5为分层点；0-1为炭质泥岩、1-2为煤等），用户只需根据前方视倾角、构造情况在CAD中根据分层点信息，绘制出最终的地质剖面图。

注：0-1为炭质泥岩；1-2为煤；2-3为炭质泥岩；

3-4为煤；4-5为砂质泥岩

图1 在CAD中打开的钻孔预测地质剖面原型图

⑤轨迹矫正：消除仪器扶正及各地地磁场不同，软件自动对探测轨迹进行矫正，出厂前软件设置“方位角”逆时针矫正4°，“倾角”向下矫正4.5°，根据需要进行修改。

2.3井下测孔技术取得的主要成果

本次井下测孔技术取得了清晰、高质量的视频等数据资料，在此基础上经过精细软件解分析释获得了丰富的水文地质成果：查明了探测上覆采空区的3#、4#、17#、18#四个钻孔内的孔内岩石塌陷情况、分层性、厚度、岩层软硬程度、岩石孔隙、裂隙、出水点特征；3#孔在3.5m处见煤且上覆砂岩中含有方解石，可作为矿井岩层标志层进行比对，在生产中更有效的控制巷道掘进层位；4#孔在25m时裂隙发育，49m时孔壁破碎，对照钻探时情况，解释说明了49m时钻探回水小的原因；综合分析两个探孔都穿过2#煤层，根据视频可以看出，2#煤层底板岩性裂隙发育较为破碎。17#孔在16m时见煤，32m时岩石破碎疑似遇到老空，18#孔31m时见采空，通过分析两个探孔均探到采空区，都在6#煤层31m左右，可以确定为2#煤层采空，孔内无水。通过数据分析得出四个钻孔的钻孔轨迹平剖面图以及柱状图表：3#器探测73.36m，钻孔在终孔位置与设计水平偏差1m，与设计钻孔垂直偏差7.1m；4#仪器探测72.51m，钻孔在终孔位置与设计水平偏差0.4m，与设计钻孔垂直偏差4.04m；17#仪器探测33m，钻孔在终孔位置与设计水平偏差0.55m，与设计钻孔垂直偏差1.7m；18#仪器探测37.31m，钻孔在终孔位置与设计水平偏差0.71m，与设计钻孔垂直偏差1.14m。

结语

由于井下地质条件的复杂性，探测目的的多样性，但常规地面测井技术不能应用于井下钻探。如果没有测井技术，一是会造成钻孔没有达到设计位置，增加了成本，影响安全生产；二是钻探成果难以解释，无法准确判断岩性、层位、水文情况及偏斜轨迹，从而会导致技术判断失误，不能实现钻探的目的。有时多孔也达不到设计目的，造成浪费。利用钻孔测井分析仪对施工的井下钻孔测井，可以准确获取孔内地质、水文、偏斜等信息，一孔就能够达到设计初衷，甚至可以实现一孔多用，减少了钻孔个数和钻孔工程量。受钻探技术、成本的影响，目前阶段普通钻机无法实现定向钻探，解决不了指哪打哪的问题，通过井下钻孔综合测井技术的实施，可以首先知道打到哪了，一旦没有打到指定位置，可以及时补充钻孔，并逐渐摸索偏斜规律，提高钻孔的准确性，减少无效钻孔。综上所述，本次井下钻孔探测技术取得了丰富的地质效果。所取得的地质成果指出了巷道掘进以及开采过程中可能遇到的水文地质问题，分析得出工作面内岩层的综合柱状图，查明了上覆采空区的分布范围，为巷道的掘进开采提供了水文地质资料，更有效的探放上覆采空积水，为矿井防治水提供了又一有力的技术手段；并且计算得出钻孔终孔位置的偏差，为以后钻孔设计提供依据，为煤矿安全、高效生产提供了有效的技术支持，产生了很好的经济和社会效益。

参考文献

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[2]赵海鹏.井下钻孔测井技术在煤矿探放水中的应用[J].能源与节能,2019(02):176-177+188.

[3]王永文.煤矿井下钻孔综合测井技术及应用[J].煤炭与化工,2017,40(05):95-98+102.