大數據時代煤田地質勘探空間分析及鉆孔設計

宗 誠

（安徽省煤田地質局第二勘探隊， 安徽 蕪湖 241000）

引言

地震勘探法是煤田地球物理勘探方法之一，地震勘探法的應用對了解區域煤田煤炭資源分布、地質構造及煤層形態結構應用效果顯著。同時實時解決煤炭資源開采過程中遇到的巖性、埋深及煤層構造等地質問題。隨著地震勘探技術應用發展，地震勘探法已由二維地震提升到三維地震勘探，三維地震勘探應用煤炭采區以來，煤礦生產廣泛應用三維地震勘探法。隨著地震勘探法新技術的發展，高精度、高分辨率、高清晰度、高保真度及定量分析的地震勘探法應用，在煤礦隱蔽致災探測發揮重要作用。隨著電子信息技術的高新技術發展革新，地震勘探技術的應用在煤礦生產中提供了巨大的發展空間[1]。

1 鉆孔空間數據庫設計

鉆孔空間數據庫由空間數據表和屬性數據表組成。其中，單孔施工數據表存放了具有空間特征的坐標信息，可在地圖上投影表達空間位置及相關信息，為空間數據表；其他幾個數據表（單孔煤層數據表、煤層數據表、單孔煤質數據表、單孔力學數據表）均為屬性數據表，屬性數據表與空間數據表通過相同關鍵字段（鉆孔編號）的主外鍵關系建立了邏輯連接，從而使屬性數據表也間接獲得了空間信息特征，也可在GIS地圖上表達各種屬性數據信息。

數據表之間的具體關系為單孔煤層數據表、單孔煤質數據表、單孔力學數據表與單孔施工數據表之間通過鉆孔編號字段建立多對一的主外鍵邏輯關系，單孔煤層數據表、單孔煤質數據表、單孔力學數據表與煤層數據表之間通過煤層編號字段建立多對一的主外鍵邏輯關系。

煤層數據表為各表間的共用信息表，主要記錄鉆孔中共有的煤層信息，如煤層編號、煤層組合、煤層所在礦區及地區特征。鉆孔空間各數據表之間的空間查詢、展示、共享和更新等可通過數據表的連接關系進行[2]。

2 數據獲取方式

2.1 鉆孔位置信息傳輸

鉆孔空間數據庫系統通過網絡通信端口接收GPS 無線發送的鉆孔位置，建立實時數據交換關系，實現煤田地質鉆孔位置實時空間數據與靜態屬性數據無縫對接，以感知煤田地質鉆孔現狀，并將鉆孔位置信息發送至地圖導航商業服務公司提供的服務平臺，完成鉆孔坐標位置定位。

2.2 鉆孔數據獲取方式

鉆孔空間數據庫系統的推送助手負責向用戶手機端發送鉆孔地圖導航APP 及鉆孔空間數據庫系統網頁地址，通過服務賬號方式對外開放。用戶可以隨時隨地了解勘探區所有煤田地質鉆孔的地質信息及鉆孔封孔標志的位移動態，并通過地圖導航方式實地跟蹤調查每個鉆孔，分析鉆孔位置標志的變化，提前感知可能的地質災害或收集地質構造運動的間接證據。實地鉆孔標志處張貼二維碼標志，二維碼后臺服務系統保存了該鉆孔施工組織設計、鉆探施工、采樣、鉆遇地層、煤層、煤層間距、煤質化驗及測井解釋等信息，用戶可通過手機二維碼掃描方式獲得特定鉆孔的煤田地質相關信息，了解該鉆孔的施工情況、地質特征及相關責任人[3]。

3 灰巖水長觀鉆孔設計方案

3.1 鉆孔位置

1 號灰巖鉆孔距光5 點前11.8 m，孔口坐標為（3 712 841，39 517 477），開孔位置標高是-748.7 m，終孔層位在“四灰”，預計鉆孔鉆深150 m。2 號灰巖鉆孔距彎起點前20 m，孔口坐標為（3 713 156，39 512 676），開孔位置標高是-900.2 m，終孔層位在“四灰”底部，預計鉆孔鉆深155 m，如下頁圖1 所示。

3.2 鉆孔巖性

根據10-11 勘探線剖面中的89-3 鉆孔巖性資料和Ⅲ一軌道、回風上山打鉆探查資料分析，1 號鉆孔孔口層位位于10 煤頂板上約38 m 處，2 號鉆孔孔口層位位于10 煤頂板上約41.5 m 處，終孔層位均位于10 煤以下“四灰”底部。10 煤底板隔水層厚度65.35～68.2 m，平均間距在66.8 m，隔水層巖性以泥巖、粉砂巖和砂巖為主。其巖性組合情況為：開孔位置以下0～37 m 為泥巖、砂巖，38～41 m 揭穿10 煤層，42 m至“一灰”頂板多為泥砂巖互層。

3.3 孔口結構

開孔直徑Φ150 mm，終孔直徑Φ73 mm。0～3 m下Φ146 mm 護壁管，0～80 m 為Φ127 mm 孔徑，下Φ108 mm 止水套管，套管長度為80 m，以下為Φ73 mm裸孔。

4 鉆探技術要求

鉆孔終孔層位：終孔層位為“四灰”底部，鉆孔深度設計1 號鉆孔150 m、2 號鉆孔155 m。鉆孔方位：向下垂直于巷道底板施工，孔斜要達到能保證下套管和取芯的要求。取芯：鉆孔全部取芯，隔水層每個層位取巖芯20～30 cm 長，作為樣品裝進樣盒，蠟封，送安徽理工大學進行力學試驗、測試。鉆孔施工過程中要把揭露的地質構造異常帶和巖溶情況標注記錄好。施工單位下設的套管要確保鉆孔能滿足長觀孔要求及施工安全要求?？卓谘b置：為防止水壓大，確保施工安全，孔口要裝設一套高壓閥門（DN100 mm、10 MPa）。取水樣：鉆孔施工至每個灰巖層位，如有出水，要及時在每個含水層各取水樣2 個，每個樣品重2.5 kg，并及時交礦地測科，派人在24 h 內送到有關單位化驗。鉆孔施工過程中遇到地質構造、巖溶等情況要及時與礦方聯系，礦方到現場進行觀測。遇到重大安全問題要立即停鉆但不得拔鉆，并及時通知礦方，以便及時采取措施進行處理。鉆孔施工結束后，施工方要做好鉆孔鉆探柱狀圖，竣工報告交礦方驗收。壓水試驗：鉆孔施工至砂巖層段（垂深30～35 m）時要做壓水試驗，以探查砂巖含水層段的裂隙發育情況。做壓水試驗時，要詳細記錄鉆孔壓力表的壓力值、壓注水量（m3/min）和鉆孔深度。鉆孔孔深要比預計下套管深度深1～2 m，已防止因巖粉未沖凈而造成套管下不到預定深度。

5 下套管技術

下套管前一定要校正孔深，徹底沖洗干凈孔內的巖粉，并按要求長度把套管下至預定深度。各段套管之間的絲扣必須抹上鉛油或纏上棉紗。套管絲扣要擰緊，防止脫扣或漏水。夾板一定要擰緊，防止套管滑脫掉入孔內。若鉆孔偏斜，要在套管外壁四周焊接小段圓鋼，防止套管緊靠孔壁一側，造成注漿止水效果不理想。施工過程中，為控制鉆孔出水，Φ108 mm 套管孔口焊接法蘭盤一個（法蘭盤規格統一為外徑Φ250 mm，眼中距Φ200 mm，螺栓眼Φ20 mm×8），施工接近一灰時須及時安裝高壓閘閥，必要時可關閉閘閥。

注漿前首先徹底清理巷道底板浮矸，露出實底。用425 號優質水泥機械注漿固管，漿液濃度不低于0.7∶1，反漿后順時針轉動套管1～2 周，使水泥漿液均勻充滿套管四周間隙，在孔口大量反漿后方可停止注漿。水泥沉淀后，上部套管壁與孔壁及管壁與管壁之間要人工灌注或管壁注漿，確保上部管壁間的環狀間隙充滿水泥，防止套管松動。注漿后凝固48 min 才能掃孔，掃孔至預定深度下1 m 左右后，做孔口管耐壓試驗，試驗壓力大于靜水壓力的1.5～2 倍，持續時間不少于10 min，孔口周圍無出水冒漿現象，套管不松動方可繼續鉆進，否則必須重新注漿。

6 結語

煤田地質勘探鉆孔探明勘探區煤層厚度、煤層分布規律、煤層間距、煤層頂、底板特征、煤質特征等。進一步探明礦井賦存層位、富水性、水壓、水量，測試隔水層巖石力學性質，分析礦井深部的灰巖水化學性質，取得灰巖水放水實驗資料，通過鉆探鉆孔標記中植入電子芯片，實時向用戶發送鉆孔的數據信息實時傳輸鉆孔數據庫管理系統，并實現對井下灰巖水的長期觀測。提高地質資料的利用效率。