鉆孔窺視儀在頂板離層鑒定中的應用

王國瑋

(安徽理工大學礦業工程學院，安徽 淮南 232001)

目前，我國的火力發電仍占全國發電量的70%以上，每年的煤炭消耗量大概在20億噸。因而，在未來的很長一段時間，煤炭仍然在我國的能源消耗結構中扮演著舉足輕重的角色。隨著開采深度的不斷增加，地質結構更加復雜，頂板冒落等事故時有發生，對安全生產和巷道支護帶來了巨大的挑戰，嚴重危害了礦工的生命安全。通過在潘集一、謝橋等礦區，試點使用鉆孔窺視儀，對頂板煤層內部結構進行探明與研究，為后續的巷道支護提供強有力的基礎，應用效果很好。

1 原理

鉆孔攝像經歷了鉆孔照相，到鉆孔攝像，再到數字光學成像的過程。

本次研究所用設備為徐州惠頓礦業科技開發有限公司所生產的礦用鉆孔軌跡測量儀(型號YZG3.7D)，主機配接設備為KJD3.7礦用本安型手持終端，如圖1所示。

圖1 鉆孔窺視儀實物圖

鉆孔窺視儀是一種便攜式防爆檢測儀器，用于觀測小口徑工程孔的內部條件。當探頭送入孔眼時，儀器屏幕上可以看到孔壁的狀態圖像。由于透鏡具有放大和紅外靈敏度的功能，可以清晰地反映孔壁的巖性變化，對于煤巖界面和巖層裂隙，易于識別。

鉆孔窺視儀的工作原理就是：利用 CCD 探頭，把光線轉變成電子信號；通過電纜，將信號輸送到圖像接收器上，進而觀察、記錄、存儲鉆孔內巖體結構圖像。工作原理如圖2、圖3所示。該機主要用于探測煤礦井下錨桿孔、瓦斯抽放孔、頂板孔、放水孔、地質孔及其它鉆孔的數據，然后進行分析研究、信息管理、存檔等。設備為煤礦專用測試設備，符合煤礦安全使用要求[1]。

圖2 設備原理圖

圖3 探頭結構圖

2 使用方法

使用前，把探頭擦拭干凈，然后把連接上撐桿的探頭深入先前打好的鉆孔中；連接好探頭和接受儀，另一邊打開顯示儀并點開“錄像”功能；然后一邊轉動撐桿，一邊插入撐桿。這樣就可以觀察巖層內部的巖石破碎狀態，并且通過實時拍照，真實反映巖石的內部結構狀態。此外，通過連接探頭的電線(盤繞在轉盤上)，可以準確判斷出探頭深入的深度。深入的深度數值可以實時顯示在顯示屏中，為后面的研究提供最精確的信息。

3 現場應用

3.1 地質情況

110801工作面為8煤首采工作面，該面膠帶機順槽自北翼膠帶機大巷T60點北 79.2 m(平距)以259.5施工 1980 m 至110801工作面切眼。巷道東接北翼膠帶機大巷，西至110801工作面切眼，其余均為未開拓區域，對應地表主要為溝渠、農田。總共在煤軌膠回聯巷取點4個。4個孔是為了取巖芯，通過剪切、抗拉、抗壓實驗，獲取圍巖的單軸抗拉、抗壓強度，彈性模量，泊松比，內摩擦角，黏聚力等物理性質，為主采煤層巷道圍巖地質力學評估、錨桿支護設計、開采設計等提供基礎參數。在取芯完成后，在鉆孔窺視前一天用水沖洗鉆孔，防止鉆孔堵塞，影響窺視結果[2]。這里取二號鉆孔研究，如圖4、表1。

圖4 2#鉆孔剖面圖

表1 8煤軌膠回聯巷鉆孔施工參數設計

3.2 觀測結果

鉆孔窺深為 9 m。觀測過程中，巷道圍巖淺部圍巖裂隙發育較為破碎，在距巷道1.566m處首次出現環向裂隙，裂隙縱向發育，延伸約 70 mm。在 2.674 m 處出現環向裂隙，并向巖石深處進一步發展。在4.362處出現環向及縱向裂隙，裂隙由環向裂隙向巷道外延伸。在距巷道 4.569 m 處產生縱向裂隙。在 6.752 m 處出現縱向裂隙帶，孔壁破碎。在8.551 m 處出現環向裂隙，在 8.798 m 處出現鉆孔錯孔，孔壁破碎。因此，8煤頂板出現明顯離層破壞，范圍大概在 8.7 m 附近。詳見圖5～圖9。

圖5 1.556 m—環向裂隙(首次出現)

圖6 2.674 m—環向裂隙，裂隙向巖石深處進一步發展

圖7 4.362 m—環向及縱向裂隙帶、孔壁破碎

圖8 6.752 m—縱向裂隙帶、孔壁破碎

圖9 8.798 m—環向裂隙，孔壁破碎

4 存在問題及改進意見

通過礦井下的實踐證明，鉆孔窺視儀在探測巖層內部結構方面有著顯著作用，但是在使用過程中仍然存在一些問題，需要后續進一步的提高與完善。具體建議如下：1)儀器本身可以進一步減輕質量。礦井下的工作環境跟地面差距很大，儀器質量進一步減輕，會大大提高工作的時效性，更便于攜帶。2)精度需要進一步提高。在本次觀測過程中，由于孔內還有水滴，隨著探頭的深入，不斷地有水霧和煤灰附著在鏡頭上，極大地影響了觀測的效果，因而探頭的鏡片需要能夠防水、不沾灰。3)撐桿是否可以放棄。在觀測過程中，由于鏡頭偏重，而撐桿為了便于深入鉆孔中也無法太重太大，只能使用輕質撐桿，但是隨著深度不斷加深，撐桿根數也會增加，導致“頭重腳輕”，撐桿都被壓彎了，深入時鏡頭會抖動，無法保證觀測的穩定性。因而需要改善撐桿的材料，或者舍棄撐桿，選用更高科技。4)需要和其他儀器或者觀測方法結合起來。單一使用鉆孔窺視儀得到的圖像具有一定的局限性，無法對巖層結構做出精確判別。所以需要與地質雷達、聲波測試、光纖技術等聯合使用，提高實驗的精確度[3]。

5 結語

1)實踐證明，使用礦用鉆孔窺視儀探測巖層內部結構，是一種可靠、牢固的手段，它可以為后續的治理巖層破碎帶和巷道支護提供有利的理論依據。

2)雖然鉆孔窺視儀得到了廣泛的應用，但是其機器本身仍然存在著許多問題，因此需要進一步改進技術工藝、提高科技水平，使得鉆孔窺視儀能夠更加適用于礦井。