钻孔自然伽马与视频探测系统的应用

王文国

（山西煤炭运销集团华阳煤业有限公司，山西 晋城 048017）

井下钻孔自然伽马与视频同步探测系统，是用于煤矿井下钻孔综合采集与分析的新型技术。它能够一次完成视频、自然伽马、测斜(钻孔方位、倾斜度)数据采集，并结合软件进行数据的同步分析计算，获取钻孔岩性柱状、钻孔轨迹、钻孔结构等多项成果。该技术在华阳煤业井巷施工过程中推广应用，给矿井防治水工作提供了很大的技术保证。现以华阳煤业15101工作面回风顺槽1#钻场钻孔探测为例，阐述该技术应用情况。

1 引进该技术的原因

1.1 灾害分析

华阳煤业为一座资源整合矿井，瓦斯等级为低瓦斯矿井，煤尘无爆炸危险性，煤层自燃倾向性等级为Ⅱ级，属可燃煤层。开采煤层为15#煤层，其顶板为K2灰岩，厚9.66～9.80m，K2灰岩下部有0～0.2m左右的泥岩伪顶。由于煤层赋存较浅，上覆岩层裂隙发育，地表水经充水通道灌入采空区中，在采空区中容易形成积水，对采煤工作形成威胁，为安全生产带来隐患。综合考虑，本矿主要自然灾害是水害。

1.2 通常采用的探水方法

根据防治水细则规定，坚持“物探先行、钻探验证、化探跟进”的探测制度，物探主要采用YCS-40型矿用本安瞬变电磁仪，探测有效距离100m，留设40m的超前距离，60m允许掘进距离，即60m做一次物探。钻探：15101回顺采用ZYW-1200型矿用液压探水钻机，每个钻场设计3个钻孔，起钻高度距底板1.5m，钻探有效距离70m，帮距取20m，超前距30m，允许掘进距离40m。化探：采样后12h内通过水质化验—对水质成分及时化验，通过各类离子含量分析判断水源。

1.3 常规水害探测方法的缺陷

常规探测方法基本掌握正常区域水体存在情况，但对出现地质构造段、地层层位异常区段，特别是小股水量，探测不准确，容易在采取应对措施方面造成误判。为更准确有效判断水源、出水点的位置、出水量等参数，采用钻孔自然伽马及视频探测方法弥补上述不足。

2 工作原理

该探测系统由硬件和分析软件构成，硬件部分由主机面板、线缆箱、探头、推杆四部分构成。使用时，可以实现井下视频、自然伽马、钻孔轨迹（方位角、倾角）、钻孔深度数据的一次采集。在地面通过分析软件，实现井下实测数据下载，进而对钻孔孔斜计算，定量分析揭露地层的岩性、厚度、含水性及孔壁的结构特征（包括分层性、厚度、岩层软硬程度、岩石空隙、裂隙、出水点特征、顶板离层情况及断层等）。

3 工作面概况

15101回风顺槽井下位于15#煤层三条大巷以北，为首采工作面回风顺槽，东边150m为15101运输顺槽，该巷道开口位置距15#煤运输大巷8#测点32.24m处，方位角为1°05′45〃，沿15#煤层顶板掘进，巷道设计长度980m，巷道断面为矩形断面，净宽4.0m，净高3.0m，净断面积12.0m2。地面相对位置为上掌村以东280m，寨上村西北500m，地表为低山丘陵地貌，部分为耕地。

4 探测操作

4.1 准备工作

4.1.1 入井前准备

在地面确保仪器已经充足电，连接主机箱与探头电缆，加电查看仪器工作是否处于正常状态；根据探测钻孔的最大深度，携带足够数量的推杆；检查工具包内的开口扳手、螺丝刀、防水胶带、镜头等是否齐全。

4.1.2 操作前选位准备

到达现场后，首先将“主机箱面板”放在钻孔附近的平坦位置，打开箱盖；将推杆及工具包准备到位。

4.1.3 操作前对设备检查

在“主机线缆箱”上的电缆头架子上，取下电缆头，检查电缆头处的防水胶圈是否完整，有破损时务必更换。检查仪器的扶正器螺丝是否正常，扶正器的弹片能否正常收缩。检查探头各部件连接处有无松动现象，发现问题及时更换处理。

4.1.4 将“探头”与“电缆箱”的电缆头连接

连接时要轻缓转动仪器探头，拧紧探头与电缆头螺母。此时，按动“电源”开关，“探头”的LED灯被点亮，主机箱视频窗口可以清晰看见探头所探视频。注意禁止转动电缆头端，防止电缆线拧断。

4.1.5 推杆间连接

取出一节“推杆”，用推杆公扣一段对准探头尾部丝扣，拧动推杆将其连接到“探头”；然后，将“探头”及第一节推杆送至被测钻孔的孔口深度约25cm的位置。

4.1.6 注意事项

安装完成第一节推杆后，打防水胶带，以保护线缆接头部分不会受到线缆拉动的损伤。注意：（1）打防水胶带应当将电缆与推杆一起缠紧；（2）防水胶带打3～5圈，打3～4处，均匀分布在第一节推杆；（3）不得使用非防水胶带代替防水胶带。

4.2 过程操作

4.2.1 零位操作

按动主机操作界面上的“电源”按钮，“电源指示”灯亮起，随后，“液晶显示区”可以查看到仪器在孔口处的钻孔视频图像；查看数码管上的深度显示窗是否为“000.00”，如果不是，按动“清零”按钮，使其显示为此数值。

4.2.2 启动

按动主机操作界面启动按钮，主机操作界面上的工作指示顶亮起，大约5～10s后，该指示灯开始闪烁，同时，液晶显示区左上角出现红色闪烁的REC开始录像，说明一切工作正常，此时可以开始探测。

4.2.3 过程操作

开始连接第二节推杆。拿出第二节推杆，将其公扣与第一节推杆的母口的丝扣进行连接。注意一定要将丝扣拧到底，丝扣接触端不能有间隙。连接推杆完成后，缓慢、匀速推送推杆，推进速度不能超过0.3m/s，将仪器探头缓慢向孔中推进。

按照以上连接方式与推进要求，逐次连接其余推杆，以尽可能均匀速度将探头送入钻孔。

4.2.4 关闭操作

主机箱操作人员观察深度数据、视频、仪器的工作指示灯状态，直至探测到钻孔孔底。再次按动启动键，工作指示灯停止闪烁，液晶显示区左上方的REC标识消失，并停止显示内容，此时仪器停止全部数据采集。待仪器停止工作后约10s，按动电源按键，关闭主机箱并退出仪器。

4.3 回退操作

4.3.1 推杆、探头的退出

将推杆和线缆一起向钻孔外拉出，逐次旋转拧开各节推杆，直至探头从钻孔中取出。注意，旋转拧开推杆时，用手抓紧孔口处的推杆，只旋转卸下被拉出孔口外部的推杆，以防止钻孔内部推杆在旋转时脱开，致使探头丢落在钻孔内的事故发生。退出推杆过程中同步转动主机箱上的轮柄，回收线缆。退出探头后，去掉防水胶带，卸下探头，清洁整理仪器。

4.3.2 数据下载

用专用数据线将主机箱通讯端口与电脑连接，将视频资料剪切保存到计算机中。利用系统自动分析系统，生成钻孔定向剖面图、钻孔平面轨迹图，并按照设定比例尺生成钻孔柱状图进行CAD图形输出。

5 成果分析

图1 探放水钻孔布置图

图2 1#钻孔轨迹剖面图

巷道在施工超前钻探探测时，水平面扇形布置了三个钻孔（图1）。该处开口段为全岩，以第1个钻孔为例，沿设计钻进12m后打到煤层，钻进约25m后又遇到岩层，掘进约44m后再次进入煤层，终孔深度为60m。

这种现象按照常规的钻探设计及地质层位分析，对前方的地质情况难以判断。采用井下钻孔自然伽玛与视频同步探测系统对钻孔探测，其中1#钻孔主要成果如下。

图3 1#钻孔测井柱状图

图4 1#钻孔预想地质剖面图

如图3所示，红色曲线所代表的实测钻孔轨迹在剖面上发生了“波动”现象，开孔后钻孔首先水平前进10多米后有稍向上向趋势，约20m后向下方偏斜至终孔。

通过特殊点视频截图，结合钻孔轨迹和测井柱状图，可以断定：钻孔在19m处遇到约5cm的裂隙，裂隙有少量出水，此为钻孔出水的根源，超过20m后，孔内基本无水，岩性成像清晰，到43m处煤岩过渡段出现塌孔现象，而后进入全煤层直至终孔。

综合以上成果分析及2#、3#钻孔的测井情况判断，超前钻探所揭露的巷道前方应该没有构造异常现象，所发生的钻探异常，是由于钻孔轨迹“波动”导致的钻孔揭露层位异常。根据探测成果绘出1#钻孔的预想地质剖面图。后经巷道向前施工验证，前方地质构造情况与本次测井分析成果完全一致。