ZKXG100 型鉆孔成像軌跡檢測裝置在煤礦探放水中的應用

倫 敏

（晉能控股煤業(yè)集團掌石溝煤礦， 山西 高平 048400）

1 掌石溝煤礦15201 回風順槽概況

掌石溝煤礦15201 回風順槽位于15 號煤二采區(qū)，15201 回風順槽設(shè)計長度為1 400 m，巷道設(shè)計斷面規(guī)格為寬×高=4.2 m×4.0 m，巷道掘進煤層為15 號煤，煤（巖）層總體構(gòu)造為一向東傾斜單斜構(gòu)造，走向近南北NE20°～NE30°，傾向NE，傾角0°～4°，平均2°，平均厚度為4.0 m。根據(jù)探測資料顯示15201 回風順槽掘進期間頂板含水層主要以K2 石灰?guī)r巖溶裂隙含水層為主，砂巖裂隙含水層次之。K2 石灰?guī)r為15 號煤層頂板，平均厚7.77 m，K2 灰?guī)r以上為泥巖隔水層，單層厚度不等，阻隔或減弱了含水層之間的水力聯(lián)系，但是由于頂板存在局部破碎或裂隙等現(xiàn)象，可能會在巷道掘進過程中，由于采動影響會造成上部老空水或含水層水導通流至巷道中。

15201 回風順槽掘進前期，對巷道頂板施工探水鉆孔進行放水，鉆孔深度為80 m，仰角為20°，鉆孔直徑為75 mm。鉆孔施工期間主要通過人工觀察鉆孔返煤泥判斷孔壁巖性情況及穿層位置，但是傳統(tǒng)人工判斷誤差效果差，且無法對鉆孔壁裂隙情況進行分析，導致在前期探放水施工時經(jīng)常出現(xiàn)鉆孔塌孔、鉆孔深度不足等現(xiàn)象，嚴重制約著巷道探放水施工安全。

2 鉆孔成像軌跡檢測裝置介紹

為了實時掌握探水鉆孔穿層情況及孔壁巖體情況，15201 回風順槽在后期探水鉆孔施工過程整個采用ZKXG100 型鉆孔成像軌跡檢測裝置進行孔壁巖性觀察。

2.1 裝置結(jié)構(gòu)

該裝置主要由 ZKXG100-Z 主機 1 臺、ZKXG100-T/T（A）探頭 1 個、ZKXG100-S 深度編碼器1 個、礦用電纜線及線架1 套、推桿若干、主機充電器以及USB 數(shù)據(jù)傳輸線等部分組成，如圖1 所示。

圖1 ZKXG100 型鉆孔成像軌跡檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 主要用途

1）觀測礦體礦脈厚度、傾向和傾角，斷層裂隙產(chǎn)狀及發(fā)育情況：探測鉆孔空間三維軌跡和鉆孔深度及區(qū)分礦體、巖體、煤層、夾矸、土層等各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)體。

2）觀測和定量分析煤層等礦體走向、厚度、傾向、傾角，層內(nèi)夾矸及與頂板巖層的離層裂縫程度，含水斷層、溶溝溶洞、巖層水流向以及地層巖性和巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造等。

3）探測煤礦頂板地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存、工作面前方斷層構(gòu)造、上覆巖層導水裂隙帶等。

2.3 工作原理

1）探頭內(nèi)置高清攝像頭和三維電子羅盤，攝像頭采集鉆孔孔壁圖像數(shù)據(jù)。水平模式下三維羅盤記錄探頭前進方位角及傾角；垂直模式下三位電子羅盤標注孔壁方位，并補償由探頭旋轉(zhuǎn)造成的角度偏移。深度計數(shù)器記錄探頭所在位置深度。

2）主機將探頭采集到的孔壁圖像展開按深度一幀一幀拼接成孔壁展開圖，記錄對應深度的三維坐標角度信息，存儲為.TCD 成像軌跡文件；監(jiān)視窗口視屏信號轉(zhuǎn)存為.H264 文件。

3 ZKXG100 型鉆孔成像軌跡檢測裝置應用

3.1 裝置參數(shù)設(shè)置

1）將ZKXG100 型鉆孔成像軌跡檢測裝置中探頭連接到信號接口；深度計數(shù)器滑輪連接到深度接口，并將探頭穿過深度計數(shù)器并卡緊壓線輪；按鉆孔實際信息輸入鉆孔編號和鉆孔直徑，若鉆孔編號長度小于8 個字符，后面三位為數(shù)字字符。

2）脈沖距離為深度計數(shù)器滑輪每轉(zhuǎn)動1°探頭前進的距離，缺省值（默認值）為0.691 m，其隨滑輪直徑和線纜直徑變化而變化。修正方法如下：從絞車上精確地量出一段10 m 長的線纜，在線纜上做好首尾兩處標記。然后架起三角支架，并裝上滑輪，讓線纜穿過滑輪。接著，將線纜從事先做好標記的一端放至另一端，觀察屏幕上顯示的深度數(shù)據(jù)的變化，記錄線纜兩處標記的兩個讀數(shù)相減后即為本機計量長度如上頁圖1 所示，假設(shè)為L。如果L＝1 000 cm，則表示計量值準確，無需進行校準；否則，則應返回到“參數(shù)設(shè)置”菜單，修改脈沖距離值，計算公式為修改值＝預設(shè)值×1 000/L。

3）初始深度按照探頭實際位置輸入，若在孔口則輸入0。角度誤差為羅盤安裝誤差，其修正方法如下：用A4 紙畫一同心圓并用地質(zhì)羅盤校正正北，探頭設(shè)置為垂直狀態(tài)下，圖像正上方對準正北，此時方位角理論顯示為0°，若大于0°則輸入方位角顯示實際值，若小于0°則輸入方位角-36°。

4）羅盤狀態(tài)的設(shè)置：若鉆孔角度大于75°，設(shè)為垂直模式；若鉆孔角度小于75°，則設(shè)為水平模式。

3.2 圖像采集

1）主界面上點擊圖像采集按鈕，選擇是否啟用羅盤即可進入采集界面；點擊開始拼接、開始錄像，緩慢勻速推進推桿。

2）點擊亮度進入亮度調(diào)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)光電旋鈕亮度變低，逆時針旋轉(zhuǎn)光電旋鈕增強亮度，再次點擊退出；點擊截圖抓拍關(guān)鍵位置，探頭到孔底時點擊停止錄像，點擊退出采集返回主界面。

3.3 注意事項

1）Φ24 探頭適用于 Φ30～45 mm 直徑鉆孔，Φ40探頭適用于Φ45～100 mm 直徑鉆孔。當孔徑和探頭直徑相差較大時需加居中器，或?qū)⒔^緣膠布纏繞在探頭前端，使探頭居中，以便采集到較好的孔壁圖像。

2）當孔內(nèi)和外部溫差較大時，探頭玻璃窗易起水霧。可以先將探頭放入孔內(nèi)10 min 左右以便探頭適應孔內(nèi)溫度，或者將探頭放入熱水中侵泡2 min。

3）拼圖時必須確保深度計數(shù)器不移動，否則可能會造成圖像扭曲和深度不準；連接推桿時前面一根推桿需固定不動，轉(zhuǎn)動后面一根推桿旋緊。

4）采集速度控制在1～2 m/min，勻速推進，否則會導致圖像拼接不連續(xù)而出現(xiàn)黑色的條帶，若出現(xiàn)上述情況，請將探頭回拉，待拼接圖像將黑色條帶覆蓋后方可繼續(xù)往前推探頭。

4 應用效果

掌石溝煤礦對15201 回風順槽后期掘進探水鉆孔施工過程中采用了ZKXG100 型鉆孔成像軌跡檢測裝置，通過2 個月實際應用效果來看，該裝置應用方便、檢測精度高，便于鉆孔施工人員實時掌握孔壁巖性，有效保證了掘進巷道探放水施工安全。該裝置已在其他煤礦得到推廣應用。