煤礦隱伏小斷層的瓦斯抽采鉆孔探測方法

薛洪來，溫 哲

(1.常州大學 環境與安全工程學院，江蘇 常州 213164；2.常州大學 石油化工學院，江蘇 常州 213164)

我國大多數煤田地質構造復雜，煤礦采掘過程中，經常遇到5 m 以下的小斷層等隱伏構造，對安全生產構成了嚴重威脅。目前，礦井地質構造探測斷層常用方法主要包括鉆探法和物探法兩類。鉆探法是最直觀、最有效的技術手段，但是，需要向采掘工作面前方煤體施工專門的地質勘探鉆孔，工程量大、成本高、影響礦井正常的采掘作業。常用的物探方法包括三維地震勘探法[1]、瑞利波法[2]、槽波法[3-4]、探地雷達法[5]、瞬變電磁法[6]和直流電法[7-8]等。由于受到煤巖物理力學性質、礦井地質構造復雜程度以及井下施工設備、采掘作業的影響，現有的物探技術仍面臨信噪比低、分辨率低等難題，仍無法避免漏報、誤報現象，尤其對于5 m 以下斷層，準確率尚待進一步提高[9-10]。

突出礦井采掘作業之前，必須施工大量鉆孔測量煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯放散初速度和鉆屑量，預測突出危險性，抽采突出危險區域煤層瓦斯，檢驗防治煤與瓦斯突出措施效果[11]。瓦斯抽采鉆孔的基本布孔方式包括穿層網格鉆孔和順層鉆孔，鉆孔長度一般為30～100 m，穿層網格鉆孔終孔控制間距能夠達到5～12 m；順層鉆孔終孔控制間距可達2～6 m[12]。如此高密集的抽采鉆孔對煤層內部構造控制程度高，為高精度探查小斷層提供了必要的工程條件。如果能有效地綜合利用這些瓦斯抽采鉆孔，充分發揮其地質勘查作用，將有助于提高礦井采掘工作面超前地質探測精度[13]。

1 煤巷條帶順層瓦斯抽采鉆孔探測隱伏斷層

1.1 基本原理

目前，我國煤礦順層瓦斯抽采常用鉆機能夠滿足軟、硬巖層內鉆孔施工要求，對鉆孔深度、鉆孔軌跡的控制能力強[14]，尤其是千米定向鉆機，甚至可以實現超長孔深的定向鉆進[15]。盡管現行設備不能獲取完整的煤巖心，卻完全可以通過鉆屑性質，獲知鉆孔鉆進至巖層或者煤層等重要的定性和定量地質信息。

按照《防治煤與瓦斯突出規定》要求，通常在煤巷兩幫開挖鉆場，向掘進工作面前方施工鉆孔，控制煤層巷道兩側的范圍為：傾斜、急傾斜煤層巷道上幫輪廓線外至少20 m(L2)，下幫至少10 m(L1)，其他為巷道兩側輪廓線外至少各15 m，工作面前方60 mL3以深(圖1a)。當瓦斯抽采鉆孔鉆至斷層面處，鉆屑性質發生改變，根據鉆孔開孔參數和鉆至斷層面的孔深，計算得到斷層面控制點三維坐標，進而結合空間幾何關系確定斷層的位置、產狀(圖1b)。

圖1 常規順層瓦斯抽采鉆孔Fig.1 The conventional gas drainage boreholes along the coal seam

1.2 技術方案

1.2.1 獲取基礎數據

如圖2 所示，首先建立相對坐標系o-xyz，獲取施工鉆孔i的開孔坐標Si(xi,yi,zi)、仰角(俯角)αi及其平面投影與ox軸的逆時針夾角βi等基礎數據。鉆孔施工過程中，注意觀察鉆進狀態(包括給進力、起拔力、鉆進速度、轉速、泵量和夾鉆情況)和鉆屑情況(包括鉆屑量和鉆屑性質)，及時準確地記錄鉆至斷層面的孔深Li。

記m條鉆孔構成的開孔坐標、孔深構成的矩陣分別為：

根據圖2，鉆孔i終孔坐標Fi(Xi,Yi,Zi)相對于開孔坐標Si(xi,yi,zi)的增量為

則，鉆孔i的終孔坐標為：

m條鉆孔終孔坐標記為F，則：

1.2.2 斷層判識

1) 斷層面方程

根據獲取的煤巷條帶順層瓦斯抽采鉆孔i控制斷層面的三維坐標(Xi,Yi,Zi)，利用最小二乘法原理確定斷層面方程，進而計算出斷層面的空間產狀及其與工作面的距離。如圖1a 所示，斷層面坐標可以用空間平面方程表示，即：

式中：a0、a1和a2為目標系數；X、Y為斷層面的x軸、y軸坐標。

令

空間曲面的擬合值f(Xi,Yi)與真實值ψ(Xi,Yi)的誤差平方和為：

式中：ω(Xi,Yi)為加權系數，取值根據鉆孔i的現場施工情況確定。如果鉆孔i施工困難，施工過程中頻繁出現夾鉆現象，甚至出現鉆桿折斷，則ω(Xi,Yi)=0；其他情況ω(Xi,Yi)=1。

將式(5)和式(6)代入式(7)得：

將式(8)轉化為關于變量aj的函數形式T，即：

式(9)兩邊分別對a0、a1和a2求導，得：

其中，k=0，1，2。

要滿足誤差平方和‖δ‖2最小，則式(10)等于零，得：

則式(11)轉換為：

將獲取的鉆孔三維坐標代入式(10)求得(φj,φk)和Φk，進而由式(12)求得斷層面方程目標系數a0、a1和a2。

2) 斷層產狀

由式(5)可知，斷層面的法線n=(–a1,a2,1)，其在水平面的投影n′=(–a1,–a2,0)，則斷層面的傾角γ滿足

在ox軸上截取單位向量μ=(1,0,0)，斷層傾向與ox軸逆時針夾角ω滿足：

3) 斷層位置

大量理論研究和實踐表明，在斷層附近一定范圍內，容易發生煤與瓦斯突出[16-17]。因此，煤巷掘進過斷層時，保證工作面與斷層之間預留足夠的安全距離，提前實施專項防突措施，對防止煤與瓦斯突出具有重要意義。

由式(5)知，斷層面與ox軸的交點r1=(–a0/a1,0,0)。掘進工作面與ox軸的交點r0=(e,0,0)通過現場測量獲取，則掘進工作面至斷層面的法向距離D滿足：

式中：s=r1-r0=(-a0/a1-e,0,0)。

2 煤巷條帶穿層瓦斯抽采鉆孔的隱伏小斷層探測

2.1 基本原理

通常在煤巷臨近巖層或者煤層開設專門瓦斯抽采巷，穿過巖層鉆至煤層底板(或頂板)，控制煤層巷道兩側的范圍與順層瓦斯抽采鉆孔相同，如圖3a所示。當設計煤巷中存在隱伏小斷層時，根據鉆孔的開孔坐標、方位角、仰角和鉆至煤層底板的孔深，計算煤層底板控制點三維坐標，通過Matlab 軟件繪制出煤層底板等高線圖及其三維展示圖，可直觀觀察到斷層的位置和產狀，如圖3b 所示。

圖3 常規煤巷條帶穿層鉆孔Fig.3 The conventional designed scheme of cross drilling in the roadway strips

2.2 技術方案

首先采用式(2)計算煤層底板控制點三維坐標，而后根據鉆孔控制煤層底板三維坐標，利用Matlab 軟件繪制出抽采區域煤層底板等高線圖及其三維展示圖。最后采用圖像處理技術判識隱伏斷層及其產狀。

2.2.1 利用圖像處理技術識別斷層位置

煤層底板等高線圖中，每一個像素點均包含了底板三維坐標信息，像素點顏色值與底板高程存在以下映射關系：

式中：Cuv為像素點(u,v)顏色值；Zuv為像素點(u,v)對應的底板高程，m；Zmax、Zmin分別為底板高程最大值、最小值，m。

式(16)表明煤層底板等高線圖顏色可以用來表征煤層底板高低起伏。選擇長×寬為p×q個像素點作為觀察窗口，沿著煤層走向平移w步，按照式(17)計算觀察窗口覆蓋面內的顏色均值Sw：

當煤層存在隱伏斷層時，煤層底板會出現突然降低或者升高，觀察窗口由斷層一盤滑移至另一盤的過程中，Sw將會逐漸降低或者逐漸增大，根據該特征判斷斷層位置。

2.2.2 利用圖形處理技術計算斷層走向

如圖4 所示，確定斷層位置之后，由斷盤1 中沿基準線間隔d個像素點，設置觀察窗g1、g2、…、gn，分別沿著設計煤巷移動wg1、wg2、…、wgn步至被斷盤1 與斷盤2 均分位置處，即滿足：

圖4 斷層走向計算方法Fig.4 Calculation of fault strike

式中：Swgn為觀察窗gn顏色均值；分別為觀察窗gn全部落在斷盤1、斷盤2 的顏色均值。

利用Matlab 軟件，按照式(18)對坐標點(0,wg1)、(d,wg2)、(2d,wg3)、…、[(n–1)d,wgn]進行最小二乘擬合得到下式：

式中：η即斷層走向；χ、κ分別為x、y軸變量；ζ為系數。

2.2.3 利用圖形處理技術計算斷層落差

由式(16)得：

沿觀察窗gn移動區域，底板高程落差Tn為：

斷層落差平均值為：

3 斷層探測軟件

為了便于應用，根據上述原理和方法，在Matlab的圖形用戶界面(GUI)的設計環境下，采用M 語言編寫了一款利用煤巷條帶瓦斯抽采鉆孔探測斷層的軟件(圖5)。軟件界面包括4 個模塊：鉆孔參數(開孔坐標、方位角、仰角和孔深)，順層鉆孔、穿層鉆孔和圖像顯示。鉆孔參數模塊可以調取Microsoft Excel、txt 文件和導入數據功能。順層鉆孔模塊和穿層鉆孔模塊將上述數學方法程序化后，能夠自動處理鉆孔參數，并輸出、顯示計算結果。順層鉆孔模塊只適用于煤巷條帶順層瓦斯抽采鉆孔，其下設置斷層產狀和鉆孔至斷層面法線距離2 個按鈕，分別控制斷層傾向、傾角和距離的輸出及顯示。對于煤巷條帶穿層瓦斯抽采鉆孔，通過操作穿層鉆孔模塊中的等高線圖和三維圖控件，實現煤層底板等高線圖及其三維圖的可視化。圖像顯示模塊中，可以對輸出的圖像進行預處理、保存和清除操作。

圖5 軟件界面Fig.5 The software interface

4 工程應用

4.1 試驗區概況

為了驗證上述方法的可行性，以焦作市古漢山礦16031 采區回風巷為試驗區，選取其中一段典型區域作為地質模型進行試驗。該區域煤層厚度為6 m，傾角為15°，走向長100 m，傾斜寬35 m。煤層透氣性系數為0.023 89～3.018 6 m2/(MPa2·d)。實測煤層原始瓦斯含量24.67 m3/t，大于《防治煤與瓦斯突出規定》突出煤層瓦斯含量臨界值，具有煤與瓦斯突出危險性。

4.2 預抽煤巷條帶煤層瓦斯鉆孔布置

以上述試驗區為研究對象，分別采用順層、穿層的方式布置鉆孔，預抽煤巷條帶煤層瓦斯。

1) 順層鉆孔

在巷道兩壁每隔40 m 開挖鉆場，每個鉆場布置10 條鉆孔，掘進工作面布置1 條鉆孔，鉆孔按照上下兩排交叉方式布孔，終孔間距為5 m，抽采控制范圍為掘進工作面前方60 m，設計煤巷上、下幫各15 m，如圖6 所示。

圖6 順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯布置Fig.6 The layout of boreholes along the coal seam for gas-predrainage of roadway strips

2) 穿層鉆孔

底抽巷布置在設計煤巷下方20 m 的煤層底板巖層中，在底抽巷每隔25 m 布設一個鉆場，共設4個鉆場，每個鉆場打35 個鉆孔，分為五組施工，終孔間距5 m×5 m，設計煤巷上、下幫控制范圍為15 m(圖7)。

圖7 穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯布置Fig.7 The layout of boreholes cross the coal seam for pre-drainage of roadway strips

4.3 瓦斯探測結果

4.3.1 順層鉆孔

首先，建立統一坐標系，ox為煤巷掘進方向，oz為重力反方向，oy垂直于平面xoz，且方向與正北方向重合?，F場測量獲得全部鉆孔開孔坐標、仰角、方位角以及鉆至煤巖交界面處孔深，見表1。

從表1 中可以看出來，現場施工的21 個鉆孔，均在未達到設計孔深之前，有大量巖粉排出，說明掘進工作面前方存在隱伏斷層，斷層探測結果如圖8所示。由式(13)求得斷層面方程為：f=35.5–1.78X。

表1 順層鉆孔施工參數Table 1 The parameters of boreholes along the coal seam

圖8 順層鉆孔探測斷層三維展示Fig.8 3D figure of faults detected by boreholes along the coal seam

根據式(14)—式(15)得到該斷層的傾角約為60°，傾向為90°，掘進工作面至斷層的法向距離為17 m，探測結果與實際完全一致。

4.3.2 穿層鉆孔

根據上述基礎數據獲取方法，通過編程計算，得到140 組數據。根據式(16)，獲取觀察窗內顏色均值沿著煤層走向移動的變化圖(圖9a)，可以看出，在移動至600 步處，發生了突變，說明該處存在斷層。由式(17)計算得到斷層走向圖(圖9b)，斷層走向與設計煤巷垂直。根據式(18)計算得到斷層落差約為3 m。結果與煤層底板等高線(圖9c)及其三維圖(圖9d)相一致。

圖9 穿層鉆孔探測斷層判識Fig.9 The figures of fault detected by boreholes cross the coal seam

4.3.3 斷層綜合探測結果

通過穿層、順層鉆孔探測結果可知，在掘進巷道50 m 處存在一條隱伏逆斷層，走向與巷道垂直，落差為3 m，傾角為60°。

5 探測精度的影響因素及控制措施

5.1 鉆孔偏斜

受煤層地質條件、工人操作水平和施工工藝等因素的影響，鉆孔會偏離設計軌跡發生偏斜，方位角、仰角隨之改變，分別在左右、垂直方向產生偏移量。采用順層方式布置瓦斯抽采鉆孔時，如果偏移量小于鉆孔終孔控制點至煤層底板水平距離和垂直距離，雖然能夠探測出斷層，但按照式(1)和式(2)計算得到的斷層產狀、位置會產生偏差；反之，則鉆孔中排出的巖粉來自煤層底板，導致誤判斷層。因此，獲取鉆孔參數等基礎數據之后，必須檢驗鉆孔是否鉆至煤層底板(頂板)，采用斷層上下盤的鉆孔巖屑數據計算斷層產狀和位置。

采用穿層方式布置瓦斯抽采鉆孔時，仍以上述工程地質條件為例，如果將孔深誤差分別設置為0～1、0～3、0～5 m，賦給每個鉆孔，然后按照上述方法繪制出落差為3 m 的斷層受到干擾后的等高線(圖10)。由圖中可知，隨著孔深誤差的增大，煤層等高線圖及其三維展示圖受到的干擾增強，但是，即使孔深誤差為5 m 時，煤層底板等高線圖及其三維圖中依然能夠顯示斷層。

圖10 不同孔深誤差干擾后煤層底板等高線Fig.10 The contour map of coal floor under different drilling deviations

5.2 斷層落差

鉆屑性質是利用順層瓦斯抽采鉆孔探測隱伏小斷層的基本依據，如果斷層落差小于斷層面鉆孔控制點至煤層底板(或頂板)的垂直距離，則鉆孔穿過斷層面后不會出現巖屑，導致漏判。在斷層相對下降盤掘進時，如圖11a 所示，鉆至孔深l處，可探測斷層落差，h滿足式(23)；在斷層相對上升盤掘進時，如圖11b 所示，h應滿足式(24)。式中：δ為煤層厚度；h1、h2分別為鉆孔設計開孔、終孔至煤層底板的垂直距離；L為鉆孔設計孔深。

圖11 順層瓦斯抽采鉆孔與斷層落差關系Fig.11 The relationship between the boreholes along coal seam and fault throw

采用穿層方式布置瓦斯抽采鉆孔時，以上述工程地質為例，孔深誤差設定為0～3 m，斷層落差分別設為5、3、1 m，計算并繪制煤層底板等高線(圖12)。從圖中可以看到，孔深誤差相同的條件下，在煤層底板等高線圖及其三維展示圖中，落差越小，斷層顯示越不清晰，在0～3 m 孔深誤差下，1 m 落差的斷層已經難以分辨。

圖12 不同落差斷層下煤層底板等高線Fig.12 The contour map of coal floor under different fault throw

5.3 探測精度的控制措施

綜上所述，利用瓦斯抽采鉆孔探測煤礦隱伏小斷層技術，提高其準確度的關鍵有兩點：一是防止鉆孔偏斜，二是合理篩選鉆孔有效數據。

防止鉆孔偏斜要綜合考慮礦井地質條件、鉆孔設備選型和施工工藝設計三方面：礦井地質條件包括煤(巖)層產狀、煤(巖)層厚度、煤(巖)層空間分布、煤(巖)層的物理性質等，這是鉆孔設備選型和施工工藝設計的基礎依據；鉆機、鉆頭和鉆桿的型號應與煤(巖)物理性質、鉆孔設計參數相適宜，尤其應注意鉆桿剛度的選擇和連接形式；給進力、泵量、轉速和鉆進速度等工藝參數應相互配合，這是防止鉆孔偏斜的關鍵，應根據鉆進力學參數、鉆屑量、煤(巖)物理性質、鉆孔深度等參數設計工藝參數。

數據篩選主要依據鉆孔施工情況，完善施工記錄可以為篩選有效數據提供重要依據。鉆孔施工過程中，除了記錄必要的鉆孔參數，如鉆孔仰角、方位角和孔深等，還應記錄鉆屑性質、鉆屑量和卡鉆、夾鉆、鉆桿斷裂等突發情況。同時，通常采用測斜儀檢驗鉆孔質量，這些實測數據也能夠為鉆孔偏斜的矯正提供參考。此外，通過對比相鄰鉆孔的實際數據，可用以剔除出施工異常的鉆孔數據。

6 結論

a.煤礦生產過程中，大量的防突措施鉆孔為小斷層的預測提供了良好的工程條件，綜合利用順層、穿層瓦斯抽采鉆孔的時空互補特性，通過鉆孔定位、模型計算、圖像處理等方法能夠準確判識隱伏小斷層的位置、產狀、落差和性質。

b.斷層探測軟件運行結果表明，利用Matlab軟件的GUI 功能，將數學模型程序化，能夠準確完成鉆孔數據處理、斷層參數計算、以及圖像預處理等功能。

c.利用煤巷條帶瓦斯抽采鉆孔預測小斷層時，鉆孔參數誤差對探測準確性有一定影響，對于落差小于1 m 的斷層，分辨能力較弱，但對于落差1 m以上的斷層，能夠準確識別。