鉆探物探一體化技術在煤礦水害探測中的應用

趙劍

【摘 要】 為實現煤礦井下水害的有效預防，文章提出將鉆探物探一體化技術應用到掘進巷道超前探測中，通過鉆探、鉆柱振動錄井技術、孔中瞬變電磁法、孔中電法等技術有效結合，實現煤礦水害有效探測。對鉆探物探一體化技術原理進行闡述，并以90603回風巷超前探測為工程實例，對鉆探物探一體化技術應用情況進行探討。結果表明，鉆探物探一體化技術可實現鉆孔軌跡、鉆進煤巖層情況確定，可對鉆孔周邊富水區以及導水構造等有效探測，探測成果可為巷道防治水工作開展提供指導。

【關鍵詞】 水害防治;鉆探物探一體化技術;地質構造;富水區

【中圖分類號】 TD745 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）04-0010-03

水災一直是影響煤礦安全高效開采的重要問題。根據已有統計資料顯示，礦井出現突水事故水源主要為頂底板水、采空區積水等，其中水力聯系通道多為陷落柱、斷層等地質構造，因此對涌水水源以及水力聯系通道探測對提高煤炭安全生產保障能力具有重要意義。現階段煤礦常用的水害探測技術有物探、鉆探兩類。鉆探可細分為定向長鉆孔、常規探測鉆孔以及地面探測鉆孔等類型;物探根據探測原理可細分為地震類、電磁法類、紅外探測、電磁輻射探測等類型，其中煤礦應用最為廣泛的物探技術為礦井地震法、瞬變電磁法以及直流電法等。上述各種物探方式均有其各種特點，在地質條件復雜情況下往往采取一種探測方法難以實現水害的精準探測。鉆探物探一體化技術綜合鉆探、物探特點，可實現一孔多用，提升水害鉆探工程探測精度以及探測范圍，對提高煤礦井下水害探測效率具有一定的促進作用。

1 工程概況

山西某礦90603綜采工作面開采9#煤層，煤層埋深530m、厚度3.68m、傾角7°，采面設計走向、傾向長度分別為1980m、246m。90603工作面回采巷道尚處于掘進階段，其中回風巷已掘進205m、運輸巷掘進36m，回風巷與鄰近的90601采空區間留設有20m護巷煤柱。具體采面位置關系見圖1所示。

2 鉆探物探一體化技術原理

鉆探物探一體化技術涉及到鉆探、鉆柱振動錄井技術、孔中瞬變電磁法及孔中電法等技術。

2.1 鉆柱振動錄井技術

鉆柱振動錄井技術是在靠近鉆頭位置的鉆桿上布置振動傳感器對鉆孔鉆探設備振動情況進行實時監測。振動傳感器獲取到的振動信號主要來源于鉆頭，并將振動監測數據在存儲器中存儲。振動數據采用隨鉆測震儀分析，該設備具有鉆孔軌跡測量、隨鉆三分量振動測量功能，通過分析巖層、鉆頭間的動力反應譜實現前方構造探測。

2.2 孔中瞬變電磁法

孔中瞬變電磁法是鉆孔、巷道以及瞬變電磁法相結合的探測技術，探測原理與井下瞬變電磁法一致。在巷道內使用發射線圈實現瞬變電磁場源激發，在探測鉆孔內通過電磁傳感器（接收線圈）獲取不同孔深感應電壓信號，從而實現鉆孔外激發、鉆孔內探測。具體探測示意圖見圖2。

2.3 孔中電法

孔中電法探測使用到的探測系數為YZD11槽波地震電法系統，該系統具有探測靈敏度高的優點，可在鉆孔中進行高密度電法探測、孔底進行超前探測。具體探測方法為：將雙模電極固定到特制的PVC管內，電極通過銅絲與煤壁耦合，電極極距為2.5m，現場共計布置32道;現場探測時可通過移動PVC管實現孔內全覆蓋測量，具體鉆孔內電法電極裝置布置情況見圖3所示。

3 鉆探物探一體化技術探測成果分析

為了精準探測90603回風巷掘進前方水文地質情況，確保巷道安全掘進，決定在巷道掘進迎頭位置進行鉆探物探一體化探測。探測可細分為鉆探中以及鉆探后兩個階段，各個階段采取不同的探測方法，具體為：

鉆探中采用鉆柱振動錄井技術確定鉆孔探測軌跡，測試鉆孔鉆進至不同巖層時的地震屬性，以便對鉆探過程進行全程管控;

鉆探施工完成后，使用孔中瞬變電磁法、孔中電法等物探技術詳細探測鉆孔圍巖巖性、地質構造發育情況以及富水情況。

鉆探鉆孔布置在90603回風巷掘進迎頭位置，主要對鉆孔周邊及前方巖體裂隙發育情況、巖性變化、地質構造及富水性等進行探測。在探測鉆孔施工過程中同步進行鉆柱振動錄井，其次在鉆孔施工完成后依次進行孔中瞬變電磁法以及孔中電法探測。在掘進迎頭布置的鉆孔垂直煤壁施工，鉆孔孔深75m、孔徑113mm、仰角9°。

3.1鉆柱振動結果

采用方差分析對鉆孔不同鉆進狀態下的振動錄井數據進行分析。鉆機在停機、加鉆桿等工況下振動傳感器獲取到的振動信號較小、振動數據方差較小;鉆機正常鉆進過程中振動信號較強、振動數據方差大。結合正常鉆進時間、方差值等剔除停機、加鉆桿等振動數據得到鉆孔鉆進過程中振動數據分析圖，具體見圖4所示。

從圖中看出，鉆孔在鉆進初期地質條件較為穩定，地質條件出現較大變化區間主要集中在鉆孔鉆進后期，具體鉆孔在12.1～12.4m、58.0～58.3m、67.5～68.2m范圍內存在振動數據異常區。結合鉆孔排渣及其他鉆進數據分析，判定上述振動數據異常區為煤層中的裂隙帶。

3.2 孔中瞬變電磁法探測結果

具體孔中瞬變電磁法探測結果見圖5所示。從圖中看出，在鉆探鉆孔周邊0～17m范圍內，圍巖中視電阻率整體較高，同時視電阻率等值線變化較為平緩，未有明顯的異常區;在探測鉆孔周邊17～30m范圍內，雖然視電阻率等值線變化較為明顯，但是無顯著的低阻異常區。

3.3 孔中電法探測結果

具體鉆孔獲取到的孔中電法探測結果見圖6所示。孔中電法探測距離為110m，從圖中看出，探測范圍煤巖體視電阻率均在20Ω·m以上，同時不存在有視電阻突變區，表明探測范圍內煤巖體富水性較弱，同時無明顯的導水構造存在。

3.4 綜合應用結果分析

在90603回風巷掘進迎頭采用鉆探物探一體化技術進行探測，在探測鉆孔鉆進過程中排水、返水始終正常，未揭露有明顯的地質構造;鉆柱振動錄井技術應用顯示，鉆孔鉆進至12.1～12.4m、58.0～58.3m、67.5～68.2m范圍內煤體裂隙較為發育;孔中瞬變電磁法及孔中電法探測結果均顯示探測鉆孔周邊無視電阻突變區以及低阻異常區，表明探測鉆孔周邊無明顯的富水區以及地質構造異常區。

90603回風巷施工的其他探測鉆孔均未探測到地質構造，同時鉆孔未有涌水情況發生。巷道正常掘進過程中頂板未有淋水，表明鉆探物探一體化技術探測結果精準度較高。

4 總結

采用鉆探物探一體化技術對掘進巷道前方潛在的富水區域、地質構造等進行探測，以便確保巷道掘進安全，降低水害影響;并對鉆探物探一體化技術原理、布置情況進行分析。

采用鉆柱振動錄井技術并結合鉆孔排渣、返水情況可實現鉆孔鉆進軌跡、鉆進煤巖層巖性變化以及探測揭露的地質構造探測;采用孔中瞬變電磁法可實現鉆孔周邊富水異常體位置的圈定，同時結合孔中電法可對地質異常體類型、位置精準判定。

采用鉆探物探一體化技術后，未探測到90603回風巷周邊存在富水體以及導水構造，巷道掘進不會出現淋水或者異常涌出事故。

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