礦用鉆孔測井分析儀在瓦斯抽放鉆孔中的應用

＊高文貴

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司賀西煤礦 山西 032000）

前言

目前，在煤礦生產中，保證工作面的正常回采是很重要的步驟，而高瓦斯礦井瓦斯治理成為工作面安全回采的關鍵。在工作面回采前施工瓦斯抽放鉆孔[1]，降低煤層中的瓦斯含量與壓力是目前高瓦斯礦井防突的重要技術手段。為了保證瓦斯抽采效果，就必須保證煤礦瓦斯抽放鉆孔成孔質量和深度。瓦斯抽放先是打鉆，接著驗孔，最后封孔，其中驗孔相當的重要，如果不進行驗孔[2]，會出現假打孔，打假孔，孔的深度不夠，為隨后的瓦斯治理和抽采帶來困難。測井分析儀為一套專門檢測鉆孔的軌跡、深度及孔壁結構特征的儀器設備，主要通過鉆孔軌跡測量、視頻及自然伽馬測量來實現以上目標。文章通過鉆孔測井分析儀在瓦斯抽放鉆孔中的實際應用，檢測瓦斯抽放鉆孔的成孔質量，根據測孔資料在瓦斯鉆孔鉆探異常區提供可靠資料，進而實現歲瓦斯抽放鉆孔設計的修正，進一步提高瓦斯抽放效果[3]。

1.測井分析儀介紹

礦用鉆孔測井分析儀主要由儀器的硬件系統和軟件分析系統兩部分，儀器可以在井下一次性完成對鉆孔視頻拍攝，測量鉆孔不同深度巖性的自然伽馬值，測量鉆孔的方位角、傾角、深度的資料，然后經過儀器的分析軟件計算鉆孔的孔斜程度，繪制自然伽馬曲線，分析鉆孔內的地層分層情況，分析鉆孔穿過的巖性，分析鉆孔穿過巖性的軟硬程度，查看孔內的孔隙和裂隙法發育程度[4]。

礦用鉆孔測井分析儀除了具有鉆孔軌跡測量、視頻采集功能外，其技術核心重點為增加了利用自然伽馬進行測井分析技術。利用自然伽瑪進行測井分析并劃分巖性是一項重要并十分成熟的技術手段，自然伽馬測井曲線是成熟度很高、可靠性很強和非常基礎的一條測井曲線，其主要根據地下巖層巖石中含有的發射性同位素鈾、釷、鉀離子具有的天然放射性差異及放射性同位素發射的伽馬光子輻射量差異來劃分巖層的類別及厚度，結合鉆孔視頻資料確定巖性。在評價地層時，GR也是一種重要的泥質指示曲線，它可以定性評價巖石的力學強度，往往是泥質含量越高，巖層越軟，反之亦然。

礦用鉆孔測井分析儀設備功能及技術特點如下：

（1）儀器具有能通過測量儀器傳輸線纜長度，來精確獲取鉆孔深度的功能。

（2）儀器具有的測井功能主要依據自然伽馬測井曲線，主要測量的是不同巖層的天然伽馬射線輻射能量強度的方法。在不同的地層中自然伽馬放射性強度的規律具體表現為：在火成巖中，隨著酸性礦物含量的增大放射性的強度逐漸增大；在沉積巖中，隨著泥質成分含量增加，放射性逐漸增強。根據以上規律，自然伽瑪測井結果就能區分不同巖性，進而繪制鉆孔內揭露的地質剖面。

（3）儀器視頻分辨率達到480TVLine影像采集視頻畫面清晰流暢，視頻顯示方式為光源彩色式。視頻存儲方式為錄像存儲式，存儲容量為16G。顯示模塊正常清晰顯示拍攝物圖像。

（4）儀器分析軟件：完成對數據的下載、加工處理、數據分析、綜合成果輸出等功能。

（5）儀器硬件采用高度集成的硬件設計，具備同步采集鉆孔視頻、巖層自然伽瑪、鉆孔全方位孔斜（方位、傾角）、鉆孔深度等數據的功能。

（6）所有類型的采集數據采用連續采集模式，海量數據，為探測結果的準確性提供保障。

（7）便攜設計、獨立操作、不依賴鉆機、探測效率高，正常探測深度小于100m的井下鉆孔，時間不超過40min；井上分析報告一般可以在3h內完成。

（8）分析功能強大、成果豐富：分析軟件可以實現鉆孔孔斜自動計算成圖，包括鉆孔孔斜平面圖、鉆孔孔斜剖面圖；定量分析地層的分層、劃分巖性生成鉆孔柱狀圖；巖層結構（分層巖性、巖石孔隙、裂隙發育情況、出水點位置及特征、頂板離層及鉆孔揭露地質構造情況等）。

（9）可探測井下常見各類鉆孔：適用于正常礦山井下包括錨索孔在內的防探水鉆孔、瓦斯抽放孔、各類工程鉆孔等各種孔徑鉆孔；適用于包括垂直孔在內的任意傾斜角度鉆孔。

（10）解決問題范圍廣：能夠解決鉆探過程中的各類問題，如探測采空區、出水原因、地層異常、頂板支護、斷層、陷落柱等問題。

（11）適用于各級政府對煤礦地質防治水的管理要求，諸如解決探放水鉆孔不可驗證問題，可以驗證鉆孔深度、孔斜、層位、鉆孔結構（如孔口管長度等）、出水點等問題。

2.應用實例

(1)工作面概況

2417工作面位于二采區西翼，底板標高為694～770m，地面標高為962.7～1102.5m。起于4#輔助皮帶巷，止于西側井田邊界。由2417回風聯巷（33m）、2417進料聯巷（67m）、2417材料巷（1181.8m）、2417運輸巷（1335.5m）、2417切割巷1（80.8m）、2417切眼聯巷（154.1m）、2417切割巷2（98.6m）構成。北側為34K4、1305采空區，東側為大巷保安煤柱，南側為3402回采工作面（正施工3402運輸巷），西側為井田邊界，靠近金家莊煤礦（采空區），上部為3303（2）回采工作面（正在回采）。2417工作面上部西北720～1356m范圍為薛家嶺舊村（已搬遷），東南方向為薛家嶺瓦斯發電站。

2417工作面運輸巷長1335.5m，材料巷長1181.8m，輔助材料巷154.1m，切割巷長180.5m，小切眼長65.8m左右。本工作面在太原組4＃煤層中掘進，鄰近工作面煤層平均厚度4.25m，煤結構：1.20(0.25)2.80m，夾矸為泥巖。4#煤層直接頂板為砂質泥巖，厚度約8.49m左右，巖性描述為灰黑色，塊狀，性脆，斷口平坦，較堅硬；老頂為鋁質泥巖，厚度為1.15m左右，巖性描述為淺灰色，富含植物根化石，較軟巖；直接底為砂質泥巖，厚度為5.16m左右，巖性描述為灰黑色，性脆，含砂不均，局部夾泥巖，較堅硬；老底為粗粒砂巖，厚度為11.76m左右，巖性描述為灰色，泥質膠結，上粗下細，較堅硬。

2417工作面位于4#煤層非突出危險區域，根據瓦斯地質圖預計該區域瓦斯含量為4.67～6.16m3/t，瓦斯壓力0.12～0.19MPa，瓦斯絕對涌出量1.87～3.18m3/min。

(2)瓦斯抽放鉆孔的作用

2417工作面主要采區本煤層平行鉆孔預抽進行防治煤與瓦斯突出。其消突機理是通過抽放一定的瓦斯，導致煤體內瓦斯潛能和彈性能得以釋放，煤層得到泄壓，煤體強度減弱或消除突出危險。因此在工作面運輸巷施工密集抽放鉆孔，然后通過抽放瓦斯泄壓消突。

圖1為2417工作面瓦斯抽放鉆孔實際施工布置平面圖，瓦斯抽放孔間距設計為6m。

(3)礦用測井分析儀探測瓦斯抽放孔

本次鉆孔探測采用礦用鉆孔測井分析儀，對2417材料瓦斯抽放孔108#孔進行軌跡、鉆孔視頻、自然伽馬測井分析探測，預探明瓦斯抽放孔煤巖分布情況。

現場探測時儀器操作的具體步驟如下：

①探測前準備工作

A.儀器準備與檢測：在地面對儀器充電，確保儀器滿電；對儀器進行試連接，確保儀器主機與探頭能夠良好連接，試開機，檢測儀器是否工作正常；檢查鉆頭推桿數量，確保鉆桿總體長度大于所需探測鉆孔的最大深度；對工具包進行檢查，查看工具包內的工具是否齊全，主要有螺絲刀、開口扳手、鏡頭布及防水膠帶等。

B.現場儀器擺放：在井下到達所需探測鉆孔位置附近后，將主機、推桿及工具包放置于鉆孔附近的平坦、干燥與安全的位置，為探測工作做準備。

C.井下檢查儀器：取下主機線纜箱的電纜頭，查看電纜頭防水膠圈的完整性，若其損壞，首先更換防水膠圈；檢查儀器探頭扶正器的螺絲、彈片等是否正常，不正常時需用工具維修與更換。

D.儀器連接：將儀器的探頭、扶正器、主機線纜頭進行組裝，儀器的各組件組裝完成后，按動儀器的電源開關，點亮儀器探頭的LED燈，查看主機是否可以清晰看到探頭所采集器的視頻。以上工作完成后，為節省儀器電量可將儀器暫時關機。

E.推桿安裝：安裝推桿時，首先將第一根推桿與儀器探頭安裝，之后按順序逐次安裝推桿，大約5根推管連接好以后則準備等待開始探測。至此，探測前的準備操作就緒。

②現場探測

第1步：首先對儀器的主機開機，儀器開機后其液晶顯示屏則能看到儀器探頭在孔口拍攝的視頻，并查看液晶屏幕上的深度顯示窗口是否為0，若不是，則按儀器主機界面上的清零按鈕，使深度歸零。

第2步：按儀器主機的啟動鍵啟動儀器，儀器啟動后工作指示燈會在5s至10s后開始閃爍，儀器主機左上角的紅色rec字符閃爍時即可以開始進行探測。

第3步：將已經連接好推桿的探頭送進鉆孔開始探測，勻速并緩慢的推進推桿，待連接好的5根鉆桿推進完畢后繼續連接推桿，之后繼續推進，按以上工作順序逐步勻速并緩慢推進推桿與探頭，直至將推桿推送至孔底。孔底的位置在視頻采集狀態正常情況下，可以根據視頻確定，此時，如果遇到鉆孔塌孔嚴重，不得強行推進，以防探頭被卡不能收回；視頻采集受到孔中污水等情況限制時，要緩慢推進探頭至受到明顯阻力不能推進為止，此時，即便沒有到孔底也不能再冒然用力推進，以防探頭被卡不能回收。

第4步：探到孔底后（或由于塌孔被迫終止時）需重新啟動儀器主機，重新進行探測。探測完畢后首先按儀器的啟動鍵，工作指示燈停止閃爍和儀器左上角的rec標識消失后儀器停止數據采集。之后長按電源鍵對儀器關機。

現場探測時根據以上儀器操作流程完成后即可完成108#瓦斯鉆孔的實際探測，可獲得鉆孔內的軌跡、視頻及自然伽馬等資料，詳細如下：

圖2為108#孔設計軌跡與實際軌跡對比圖，圖3為108#鉆孔內典型視頻截圖，圖4為108#鉆孔自然伽馬測井分析。

結合鉆孔軌跡、視頻、伽馬測井綜合分析可得如下結果：

A.實際鉆孔與設計鉆孔相比，終孔平面位置向南偏移11.6m左右，終孔垂直方向向煤層頂板方向偏移16.3m左右；

B.鉆孔視頻與伽馬綜合分析，鉆孔在鉆至83.6m左右由全煤變為半煤巖，之后變為全巖，判斷鉆孔自83.6m至113m范圍內開始沿煤層與煤層頂板之間鉆進，之后巖煤層頂板鉆進。

3.結論

文章通過描述瓦斯抽放鉆孔在瓦斯治理中的作用，采用礦用鉆孔測井分析儀對瓦斯抽放鉆孔進行測孔應用分析，可以得出如下結論：

（1）施工瓦斯抽放鉆孔是瓦斯防治與治理中的一項關鍵技術手段。

（2）礦用鉆孔分析儀可以對瓦斯鉆孔的軌跡、深度、孔內煤巖結果進行定性定量探測，進而分析瓦斯抽放鉆孔實際控制煤層的范圍。

（3）礦用鉆孔分析儀可以對瓦斯抽放鉆孔的成孔質量進行檢測，輔助調整與補打瓦斯抽放鉆孔工作，間接對煤礦瓦斯的防治工作具有一定的指導意義。