鉆孔測井分析技術在隱伏構造探測中的應用

許 敏，單紅民，馬慶勛

(1.陜西陜煤銅川礦業有限公司，陜西 銅川 727000；2.陜西陜煤銅川礦業有限公司柴家溝煤礦，陜西銅川 727200；3.西安科技大學測繪科學與技術學院，陜西 西安 710054)

0 引言

陜煤銅川礦業有限公司柴家溝煤礦位于銅川市太安鎮境內，井田為一寬緩向斜，軸向東北，煤層傾角一般為3°～10°，未見火成巖及斷層，構造條件簡單，地質構造復雜度為Ⅰ類，目前主采煤層為4-2煤。然而，在該礦開采42223工作面時，受到工作面內部沿工作面走向延伸的小角度正斷層影響，頂底板錯動、煤層厚度異常變化致使回采面出現一半以上的巖石、半巖石斷面，嚴重影響了回采推進進度、煤質及安全。

42224工作面與42223工作面緊鄰，同樣處于“秋溝向斜”軸部構造區，在巷道掘進時揭露了4條小斷層，工作面槽波物探亦解釋出2條隱伏斷層，鑒于這些斷層空間關聯關系、在工作面內部的落差變化、延伸長度處于不確定狀態，亦有可能嚴重影響工作面的推進、安全與回采煤質，須采取必要的技術手段予以查明，為工作面回采方案合理調整、合理安排生產計劃提供技術依據。

受限于現有的技術條件，如何高效查明上述問題，是礦井地質工作者面臨的嚴峻挑戰。為此，集團公司科技中心設立了專項課題進行研究，采用井下鉆探與最新的礦用鉆孔測井與數據分析技術，成功解決了柴家溝煤礦回采工作面隱伏構造探測問題。

1 槽波物探情況

2017年12月，中煤科工集團西安研究院有限公司對柴家溝礦42224工作面進行了槽波地震勘探，根據成果報告新發現CF1、CF2等2條斷層，如圖1所示。

圖1 42224工作面槽波地震勘探異常區(局部)

根據槽波勘探報告，CF1斷層為走向NE，落差小于1/2煤厚，位于42224運輸巷順槽780～970 m之間，距離42224回風順槽50 m，該斷層在工作面內延伸長度約180 m。在CACT成像反映明顯，為較可靠斷層。CF2斷層為走向E，落差小于1/2煤厚，位于42224運輸巷順槽680～780 m之間，該斷層在工作面內延伸約120 m。在CACT成像反映明顯，為較可靠斷層。

驗證查明物探異常區的這2條斷層及煤層賦存情況，以利于該工作面回采設計方案的及時調整，減少地質條件未能準確查明對生產造成的影響，是本次探測的重點研究內容。

2 探測方法與技術原理

針對上述柴家溝煤礦42224工作面進行了槽波地震勘探發現的槽波地震勘探異常區，采用了井下鉆探與井下鉆孔綜合測井分析技術進行了探測分析。礦用鉆孔測井分析儀是一種專門為井下鉆探研制的鉆孔綜合測井技術，它能夠在煤礦井下一次快速完成視頻、自然伽馬、軌跡(方位角、傾角)數據采集工作，地面處理軟件可以進行高效的數據處理，自動導出鉆孔軌跡平面圖、鉆孔軌跡剖面圖、視頻巖心圖等成果，很好地解決了鉆探成果的分析難題。

2.1 探測鉆孔設計施工方案

根據42224工作面槽波地震探測的異常區分布，對應異常區的范圍，劃分異常區為3個，分別編號為1#、2#、3#異常區，對應鉆場編號為1#、2#、3#鉆場，在每個鉆場分步實施。鉆探工程布置情況如圖2所示。

圖2 CF1、CF2斷層井下鉆探工程布置設計圖

在各鉆場施工圖2所示的鉆孔：各鉆場鉆孔垂直巷道扇形布置，沿煤層向運輸巷方向鉆探，3#鉆孔布置4個鉆孔，1#、2#鉆場分別施工3個鉆孔，驗證槽波地震勘探異常區存在與否、控制異常區邊界。鉆探過程若遇巖石繼續鉆進，穿過巖層進入煤層，遇見煤層頂底板后可以繼續鉆進，直至進入穩定煤層后停止，多數鉆孔橫穿工作面至工作面運輸巷。

在每個鉆孔施工完畢后，立即使用“礦用鉆孔測井分析儀”進行探測分析，通過鉆孔軌跡、鉆探層位分析，提交初步分析成果，制定下一步實施方案。

2.2 鉆孔綜合測井與數據分析技術原理

YCJ90/360型“礦井鉆孔測井分析儀”是一項能夠進行井下鉆孔綜合測井與數據分析的技術，圖3為礦用鉆孔測井分析儀工作原理。它由西安瑞泰電氣有限公司與西安科技大學聯合研制，總體結構由探頭、控制箱、數據傳輸模塊、分析軟件、專用探頭推桿5部分構成。其中，探頭由視頻采集模塊、自然伽瑪模塊、孔斜測量模塊構成，在井下現場一次可以采集高分辨率視頻、自然伽瑪數據、孔斜方位角與傾斜角、鉆孔深度數據[1-2]。該技術經中國煤炭工業協會技術鑒定達到國際領先水平，并獲得陜西省科技進步二等獎，2017年6月被中華人民共和國科學技術部、國家安全生產監督管理總局聯合認定為安全生產先進性適用性技術。

圖3 礦用鉆孔測井分析儀工作原理

該技術采用自然伽瑪測井曲線與視頻同步數據分析，來判讀巖性與分層，彌補了單一曲線分析巖性的不足，即按照同一深度上的視頻、曲線數據相互印證判斷巖層巖性；軟件能夠繪制鉆孔巖性柱狀、鉆孔平面圖及地質剖面圖；視頻能夠分析鉆孔的內部結構如巖層軟硬程度、巖石孔隙、裂隙發育情況、出水點、頂板離層情況及斷層等，各種圖形可以CAD或圖片輸出[3-6]。

3 探測數據成果分析

由于工作面寬度較窄，上下巷地質素描與測量的高程控制能夠較為準確地反映煤層產狀的變化，故可以在鉆孔軌跡分析時將煤層底板等高線的變化作為預測地質體變化、對比產狀異常的初步依據。現以2#異常區探測成果分析為例，對該技術的應用情況予以說明。

3.1 鉆探施工與測井情況

由于該異常區條件復雜，實際施工鉆孔11個，其平面布置情況平面圖如圖4所示，圖中紅色粗線為鉆孔實測的軌跡，黑色的虛線為按照鉆探開孔方向與深度標注的鉆孔實際施工的推測軌跡，黑色實線為設計鉆孔軌跡。

圖4 2#異常區鉆探工程布置與平面軌跡探測情況

平面上鉆孔總體上實測的軌跡與設計軌跡存有一定的偏差，大多數鉆孔在見到巖石后立即停止鉆探，只有2-6孔，見到巖石后為驗證整個區域的異常分布情況，施工了130 m；2-8鉆孔沿著煤層鉆進，在110 m深度進入頂板，終孔深度132 m；2-1、2-補鉆孔軌跡均進入了頂板，其余的鉆孔除2-5進入頂板外，均揭露了一個底板隆起區，但未打穿該底板隆起區。

3.2 成果分析

圖5為2#異常區的探測鉆孔綜合地質剖面圖，圖6為2#異常區綜合地剖面線位置平面示意圖。

圖5 2#異常區綜合地質剖面圖

由圖5可以看出，位于工作面中部的槽波異常區有2-1#鉆孔，2-2補2#、2-8#等3個鉆孔沿煤層穿過該區；2-2#、2-3#、2-4#、2-6#、2-7#、2-2補1#孔打到巖石。通過鉆孔軌跡、巖性分析，認為是煤層底板在此發生了隆起。

圖6 2#異常區綜合地剖面線位置平面示意圖

由此可見，該異常區作為槽波地震推測斷層CF1主要發育區域，證明該區域煤層延續性未受到破壞，只是由于距離2#鉆場20～45 m范圍內，底板隆起區域的阻隔影響，在2#鉆場鉆孔穿越底板隆起區困難，導致多個鉆孔遇到巖石，2#～8#等3個鉆孔從煤層的上半部穿過，這樣即便CF1斷層存在，其落差也會很小，煤層頂板被斷層錯開的可能性很小。

根據鉆探測井分析，推測在靠近回風巷2#鉆場附近發育一個東西走向的底板隆起區域，其垂直走向(南北向)寬度應該小于40 m，最大高度有可能超過煤層厚度的1/2，該隆起區域槽波地震資料并無顯示。

4 結語

通過本次采用井下鉆探與綜合測井分析的技術手段，對柴家溝煤礦42224工作面內槽波異常區的查明與驗證，基本查明了3個槽波地震勘探異常區的地質構造情況。后經工作面回采證明本次探查驗證工作所取得的成果與實際揭露情況基本符合，煤巖層在工作面內賦存狀態連續，槽波地震勘探成果中的CF1與CF2斷層不存在，只是在該區域發現了2處頂板下沉的區段，對回采工作造成了一定的影響。通過本次YCJ90/360型“礦用鉆孔測井分析儀”技術的應用，證明該技術對探測工作面隱伏構造及其他礦井地質工作具有其獨特的適用性與先進性。