矿用钻孔测井分析仪在煤层底板涌水探测中的应用

王永文，赵益晨，苏建国，赵海鹏

(山西汾西矿业(集团)有限责任公司,山西 介休 032000)

地球物理测井技术是钻探成果解释可靠性的保障，地面钻探钻孔如果不测井，钻孔成果会定性为不可靠。井下钻孔不测井，其成果往往更难解释。西安瑞泰电气有限公司联合西安科技大学等高校研发出一套井下钻孔综合测井仪器—YCJ90/360型矿用钻孔测井分析仪。它可以实现对视频、自然伽玛、钻孔轨迹(方位角、倾角)数据、钻孔深度数据的一次性采集，通过软件实现钻孔孔斜计算，定量分析揭露地层的岩性、厚度、含水性及孔壁结构特征(包括分层性、厚度、岩层软硬程度、岩石孔隙、裂隙、出水点特征、顶板离层情况及断层等)，有效提升钻探成果解释的可靠性。山西焦煤集团岚县正利煤业应用该矿用钻孔测井分析仪对煤层底板涌水情况进行探测。

1 矿用钻孔测井分析仪的工作原理

矿用钻孔测井分析仪总体结构由探头、控制箱、数据传输模块、分析软件、专用探头推杆 5 部分构成。其中，探头由视频采集模块、自然伽玛模块、孔斜测量模块构成，在井下现场一次可以采集高分辨率视频、自然伽玛数据、孔斜方位角与倾斜角、钻孔深度数据。探头与控制箱采用有缆传输方式进行通信[1].

钻孔测井分析仪采用自然伽玛测井曲线与视频同步数据分析，判读岩性与分层，弥补了单一曲线分析岩性的不足(图1),即按照同一深度上的视频、曲线数据相互印证判断岩层岩性； 软件能够绘制钻孔岩性柱状、钻孔平面图及地质剖面图；视频能够分析钻孔的内部结构，如岩层软硬程度、岩石孔隙、裂隙发育情况、出水点、顶板离层情况及断层等，各种图形可以用CAD 或图片输出[2-6].

图1 自然伽马与视频同步分析岩性示意图

该仪器具有体积小巧、功耗低、携带方便、操作简单、高效准确、成本低、采集信息量丰富、分析功能强大、成果丰富等特点，能够适合于包括锚索钻孔在内的井下所有类型的钻孔探测需要，可以广泛应用于各类矿山井下的防治水、地质勘查、地质找矿、顶板支护探测钻孔及各类隧道施工中钻孔的信息采集分析等领域。

2 探测与数据分析应用

2.1 探测目的与钻孔设计参数

正利煤业14-1106工作面开采4-1#煤，上覆山西组砂岩裂隙水及4-1#煤下部底板砂岩裂隙水为工作面直接充水水源。该底板含水层裂隙不发育，补给条件差，地下水以静储量为主，用水量较小。然而，该工作面4-1#煤层均埋藏在奥灰水静水位以下，属于带压开采，所承受水压约7.0 MPa，奥灰水对4-1#煤层底板突水系数为0.045 MPa/m，为工作面潜在突水水源，一旦发生煤层底板奥灰水突水，可能造成淹井事故。因此，水害防治始终是该矿的主要安全问题。

2018年1月，14-1106工作面下顺槽迎头超前钻探突然出水，调整角度后继续施工8个钻孔，有的孔出水，有的孔不出水，最大出水量约50 m3/h，水压为1.0 MPa，该巷道因此停止掘进，钻孔出水原因，水源及通道亟待查明。为此，采用YCJ90/360型矿用钻孔测井分析仪，进行了8个钻孔的探测，由于测井时间距离钻孔完工时间较长，多个钻孔塌孔，仅对其中最有价值的3个钻孔的测井数据进行分析。探测钻孔的设计参数见表1.

表1 14-1106工作面探测钻孔设计参数表

2.2 探测数据与成果分析

井下探测3个钻孔在2个多小时内完成，经过数据下载，通过专用的测井数据分析，测孔结果如下：

1) 钻孔视频数据分析。从该视频可以看出，煤层底板的砂质泥岩层位中，有多处裂隙发育，其中，2#、14#孔分别在57.6 m、61.0 m处，孔内裂隙发育，有大的空洞，并伴随有大量涌水，仪器在14#孔的出水位置产生剧烈摇晃、涌出岩粉现象，说明该处为岩层涌水点。4#钻孔在89.0 m处发现一个承压水柱，喷射出水，在65 m处发现煤层裂隙涌水现象。

2) 岩性分析。通过仪器专用软件进行视频与自然伽马同步分析岩性，并结合钻孔轨迹数据分析，2#、14#孔均穿过煤层进入煤层底板的砂质泥岩层位，并且裂隙孔隙发育，出水量大。4#钻孔从开孔至59.5 m在煤层中，其后至75.4 m进入砂质泥岩层位中，最后至终孔90.48 m再次进入煤层中，见图2.

3) 实测钻孔轨迹分析。以2#孔的方位为基准投影制作的实测轨迹剖面见图3，平面图见图4. 其中2#、14#钻孔进入煤层底板，从钻孔的实测轨迹可以看出，钻孔在钻探过程中发生了不同程度的轨迹偏斜现象。结合岩性分析与钻孔轨迹分析预测巷道前方的地质剖面情况，预计巷道迎头前方20～60 m，裂隙发育，破碎位置在煤层底板砂质泥岩层位，局部煤层裂隙也发育。

综合推测煤层底板裂隙及破碎带平面大致的边界范围见图4虚线。

图2 钻孔分析柱状图

图3 钻孔实测轨迹剖面图

图4 钻孔实测轨迹平面示意图

4) 钻孔出水原因、水源及通道分析。该次探测钻孔8个，除2#、4#、14#钻孔测至孔底，其他孔均有不同程度塌孔，未测至出水位置。8个钻孔均有涌水现象，2#孔水量约50 m3/h，4#孔约2 m3/h，14#孔约19.6 m3/h.2#孔分别在42～57 m有多处裂隙及空洞出水；4#孔分别在61～62 m、88～90 m有多处裂隙和孔隙出水，14#下斜孔在25 m左右裂隙发育，61～62 m裂隙、孔隙出水。结合各钻孔的视频资料验证，2#、4#、14#钻孔出水位置均有裂隙和孔隙发育，而且孔隙越大出水量越大，3个孔出水点水压均为1.0 MPa，结合已知资料分析，出水水源为下部奥灰承压水，出水通道为裂隙、孔隙。

3 结束语

采用YCJ90/300型矿用钻孔测井分析仪对正利煤业14-1106工作面底板涌水情况进行探测，对最有价值的2#、4#、14#探测钻孔，进行钻孔视频数据分析，岩性分析及实测钻孔垂向轨迹图与剖面分析，预测2#、4#、14#钻孔出水位置均有裂隙和孔隙发育，出水水源为下部奥灰承压水，出水通道为裂隙、孔隙。