煤礦水文地質探水鉆孔監測系統應用

任艷麗

（晉能控股煤業集團雁崖煤業大同有限公司，山西大同037031）

探放水施工是煤礦防止水害事故主要技術手段，主要對采掘區域施工探水鉆孔，從而實現對積水區探放的目的，傳統超前探水鉆孔一般深度為100m 左右，而鉆孔在施工過程中鉆孔深度和角度是非常重要的參數，決定水是否能按設計要求得到抽排。目前，現有技術中鉆孔深度和角度檢測主要由鉆機操作人員或驗收人員進行人工檢測，而管理人員檢查時也不可能面面俱到，尤其無法保證鉆孔深度和角度滿足相關要求。為了保證施工安全，管理人員只能更加頻繁詳細地下去檢查。因此，人工檢測方式的效率較低、誤差較大，而且不能實現隨鉆隨測，實時性較差，大大降低了探水鉆孔成孔率及成孔效果，制約著煤礦探放水施工安全，對此雁崖煤業公司決定對進行探水鉆孔采用一套監測系統，并在2307巷探水鉆孔中進行實際應用。

1 概述

雁崖煤業公司三盤區2307 巷位于三盤區西翼，巷道東部、南部、西部為實煤區，北部為盤區西翼回風巷、皮帶巷、輔運巷。

2307 巷設計掘進長度為1028m，巷道掘進煤層為山西組4#煤層，煤層為半亮型、暗淡型煤，塊狀。本煤層屬復雜結構煤層，總厚度為2.0～3.60m，平均厚度為2.80m，利用厚度為1.80～3.30m,煤層中普遍含有1 層夾石，局部含有2層夾石，夾石巖性為灰黑色砂質泥巖、黑色泥巖、灰褐色高嶺巖。

根據塔山礦巖溶水突水危險性評價報告提供山西組4#層煤層底板巖溶水突水系數為0.0004～0.0055MPa/m且三盤區水文長觀孔G5顯示突水系數為0.0017MPa/m，三盤區水文長觀孔T1603顯示突水系數為0.0004MPa/m，小于正常塊段突水系數臨界值0.1MPa/m,為安全區。奧灰水水害對8307工作面回采時無大的影響。

工作面對應上覆為侏羅系14 號煤層挖金灣407、408 盤區采空區，預計2017 年4 月進行地面物探工程，并根據物探結果進行地面探放水工作，預計設計施工2個探放水孔，3 個驗證孔。侏羅系14 號煤層蓋山西組厚度為36～130m，侏羅系14 號煤層與二疊系山西組4號煤層層間距為280～360m。8307 面物探面積0.537km2,物探結果顯示在工作面的北部有3處異常區，分別位于巷240～310m、470～530m 以及650～690m 段上覆區域，預計積水量為2455m3，截止目前巷道已掘進177m，巷道掘進前期頂板出現淋水現象。

巷道掘進前期為了保證掘進安全，對巷道采取超前探放水施工，巷道迎頭每排布置3個鉆孔，鉆孔深度為100m，鉆孔仰角為22°，布置間距為1.8m，由于22#煤層穩定性差，鉆孔在施工過程中塌孔現象嚴重，且鉆孔施工時主要采用人工判斷鉆孔方位角，造成鉆孔施工精度低、誤差率高，不利于巷道掘進施工安全。

2 探水鉆孔監測系統應用

為了進一步提高探水鉆孔成孔率，保證鉆孔施工精度，決定對探水鉆孔采用一套在線監測系統。

2.1 鉆孔監測系統結構組成

（1）探水鉆孔監測系統主要包括鉆孔檢測設備、攝像儀、井下環網交換機、地面環網交換機、錄像機、視頻疊加器以及上級單位控制系統等部分組成，如圖1所示。

圖1 探水鉆孔監測系統結構示意圖

（2）鉆孔檢測設備主要用于檢測鉆孔深度及傾角，安裝在巷道鉆機平臺鉆桿端；強磁鐵與鉆孔檢測設備匹配，主要安裝在鉆機的卡盤處；攝像儀安裝在鉆機頂部與巷道鉆機平行。

（3）鉆孔檢測設備與攝像儀與井下環網無線交換機一端連接，井下環網無線交換機另一端通過地面環網交換機一端連接，地面交換機另一端分別與礦端的視頻疊加器、硬盤錄像機及錄入端連接，同時通過煤炭專網分別與上級單位視頻管理平臺、視頻存儲器、業務服務器、時間同步服務器及查看端連接。

（4）鉆孔檢測設備主要由測量傾角的傾角傳感器、與強磁鐵匹配的常開型接近開關、無線開關模塊、RS485轉WIFI模塊等部分組成。鉆孔檢測設備通過傾角傳感器進行傾角測量，在常開型接近開關與強磁鐵吸合后，將開關信號傳輸給無線開關量模塊，傾角傳感器及無線開關量模塊同時將信號發送給KJJ12 礦用本安型無線交換機。

（5）攝像儀為KBA153 礦用本安型攝像儀，共計安裝兩臺，其中一臺攝像儀安裝在鉆機正上方，主要用于監測鉆機鉆進操作的具體細節部分；另一臺攝像儀安裝在鉆機后側5～8m 的側上方，攝像頭正中心對著鉆機，主要用來拍攝鉆機鉆進時，人、機器的整體工作情況。

（6）井下環網無線交換機為KJJ12礦用本安型無線交換機，主要由無線開關量模塊、開關量采集模塊、無線交換機板、光纖收發器、礦用隔爆兼本安型電源等部分組成。

2.2 監測系統工作原理

（1）當探水鉆孔鉆探施工且鉆桿鉆至末端接近鉆孔檢測設備時，鉆孔檢測設備則會與強磁鐵有一次吸合，同時鉆孔檢測設備將此吸合信號及傾角信息傳遞給無線交換機。KJJ12 礦用本安型無線交換機內部無線開關量采集模塊接收到開關信號，通過開關量采集模塊處理將數據轉化成網絡信號。

（2）監控攝像頭直接接收網絡信號并將拍攝視頻傳遞給無線交換機，無線交換機同時將傾角及視頻傳遞給地面環網交換機，地面環網交換機將視頻及傾角傳輸到礦端視頻疊加器、硬盤錄像機中，同時通過煤炭專網將接收到的視頻傳輸上級單位的視頻管理平臺。

（3）視頻疊加器對接收的信號進行分析處理，統計鉆桿傾角、鉆進次數，并計算出鉆孔深度，在視頻中顯示出鉆桿傾角和鉆孔深度；再利用圖像識別技術對視頻中的鉆桿進行識別并計算出鉆桿數量，從而得出鉆孔深度，圖像中計算出的鉆孔深度與通過鉆孔檢測設備得出的鉆孔深度進行校驗，校驗結果可在視頻中顯示出來。

3 鉆孔監測系統優點及實際應用效果

3.1 鉆孔監測系統優點

（1）自動化水平高：該系統主要利用攝像儀成效，利用交換站進行數據存儲，利用工業以太網進行數據傳輸，利用主機服務器進行數據三維成效，可實時對井下鉆孔鉆機深度、鉆進方位角以及鉆孔壁煤巖體情況進行觀察，整套系統自動化水平高。

（2）提高鉆孔施工精度：傳統鉆孔施工過程中主要利用人工進行觀察鉆孔施工情況，而人工巡檢時對鉆孔觀察精度低、勞動作業強度大，鉆孔施工過程中方位角、鉆機位置以及鉆孔成型情況判斷誤差性高，從而造成鉆孔成型以及精度低，而采用鉆孔監測系統后，可對鉆孔方位角實時進行監測，出現誤差后可及時進行調整，從而大大提高了鉆孔施工精度。

3.2 實際應用效果分析

2020年2月13日2307巷已掘進到位，巷道在后期掘進過程中共計施工18 個探水鉆孔，共計放水量為2447m3，通過對巷道探水鉆孔采用在線監測系統后，在后期探水鉆孔施工過程中未出現鉆孔塌孔現象，鉆孔成孔率達100%,鉆孔施工精度提高至98.7%，基本消除了上覆積水水害隱患。

4 結束語

雁崖煤業公司針對2307 巷前期探放水施工時，探水鉆孔精度低以及鉆孔成型效果差等技術難題，對鉆孔施工期間采用一套鉆孔監測系統進行鉆孔成型、方位角、深度、巖性等進行觀測，通過實際應用效果來看，該系統投入使用后能夠為鉆探人員提供鉆孔實際鉆機情況，保證鉆孔能夠準確鉆進至積水區位置，避免了傳統鉆孔施工時因精度低導致探放水施工不到位、水害隱患大等技術難題，保證了巷道探放水施工安全，取得了顯著應用成效。