钻探物探一体化技术在煤矿水害探测中的应用

赵剑

【摘 要】 为实现煤矿井下水害的有效预防，文章提出将钻探物探一体化技术应用到掘进巷道超前探测中，通过钻探、钻柱振动录井技术、孔中瞬变电磁法、孔中电法等技术有效结合，实现煤矿水害有效探测。对钻探物探一体化技术原理进行阐述，并以90603回风巷超前探测为工程实例，对钻探物探一体化技术应用情况进行探讨。结果表明，钻探物探一体化技术可实现钻孔轨迹、钻进煤岩层情况确定，可对钻孔周边富水区以及导水构造等有效探测，探测成果可为巷道防治水工作开展提供指导。

【关键词】 水害防治;钻探物探一体化技术;地质构造;富水区

【中圖分类号】 TD745 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）04-0010-03

水灾一直是影响煤矿安全高效开采的重要问题。根据已有统计资料显示，矿井出现突水事故水源主要为顶底板水、采空区积水等，其中水力联系通道多为陷落柱、断层等地质构造，因此对涌水水源以及水力联系通道探测对提高煤炭安全生产保障能力具有重要意义。现阶段煤矿常用的水害探测技术有物探、钻探两类。钻探可细分为定向长钻孔、常规探测钻孔以及地面探测钻孔等类型;物探根据探测原理可细分为地震类、电磁法类、红外探测、电磁辐射探测等类型，其中煤矿应用最为广泛的物探技术为矿井地震法、瞬变电磁法以及直流电法等。上述各种物探方式均有其各种特点，在地质条件复杂情况下往往采取一种探测方法难以实现水害的精准探测。钻探物探一体化技术综合钻探、物探特点，可实现一孔多用，提升水害钻探工程探测精度以及探测范围，对提高煤矿井下水害探测效率具有一定的促进作用。

1 工程概况

山西某矿90603综采工作面开采9#煤层，煤层埋深530m、厚度3.68m、倾角7°，采面设计走向、倾向长度分别为1980m、246m。90603工作面回采巷道尚处于掘进阶段，其中回风巷已掘进205m、运输巷掘进36m，回风巷与邻近的90601采空区间留设有20m护巷煤柱。具体采面位置关系见图1所示。

2 钻探物探一体化技术原理

钻探物探一体化技术涉及到钻探、钻柱振动录井技术、孔中瞬变电磁法及孔中电法等技术。

2.1 钻柱振动录井技术

钻柱振动录井技术是在靠近钻头位置的钻杆上布置振动传感器对钻孔钻探设备振动情况进行实时监测。振动传感器获取到的振动信号主要来源于钻头，并将振动监测数据在存储器中存储。振动数据采用随钻测震仪分析，该设备具有钻孔轨迹测量、随钻三分量振动测量功能，通过分析岩层、钻头间的动力反应谱实现前方构造探测。

2.2 孔中瞬变电磁法

孔中瞬变电磁法是钻孔、巷道以及瞬变电磁法相结合的探测技术，探测原理与井下瞬变电磁法一致。在巷道内使用发射线圈实现瞬变电磁场源激发，在探测钻孔内通过电磁传感器（接收线圈）获取不同孔深感应电压信号，从而实现钻孔外激发、钻孔内探测。具体探测示意图见图2。

2.3 孔中电法

孔中电法探测使用到的探测系数为YZD11槽波地震电法系统，该系统具有探测灵敏度高的优点，可在钻孔中进行高密度电法探测、孔底进行超前探测。具体探测方法为：将双模电极固定到特制的PVC管内，电极通过铜丝与煤壁耦合，电极极距为2.5m，现场共计布置32道;现场探测时可通过移动PVC管实现孔内全覆盖测量，具体钻孔内电法电极装置布置情况见图3所示。

3 钻探物探一体化技术探测成果分析

为了精准探测90603回风巷掘进前方水文地质情况，确保巷道安全掘进，决定在巷道掘进迎头位置进行钻探物探一体化探测。探测可细分为钻探中以及钻探后两个阶段，各个阶段采取不同的探测方法，具体为：

钻探中采用钻柱振动录井技术确定钻孔探测轨迹，测试钻孔钻进至不同岩层时的地震属性，以便对钻探过程进行全程管控;

钻探施工完成后，使用孔中瞬变电磁法、孔中电法等物探技术详细探测钻孔围岩岩性、地质构造发育情况以及富水情况。

钻探钻孔布置在90603回风巷掘进迎头位置，主要对钻孔周边及前方岩体裂隙发育情况、岩性变化、地质构造及富水性等进行探测。在探测钻孔施工过程中同步进行钻柱振动录井，其次在钻孔施工完成后依次进行孔中瞬变电磁法以及孔中电法探测。在掘进迎头布置的钻孔垂直煤壁施工，钻孔孔深75m、孔径113mm、仰角9°。

3.1钻柱振动结果

采用方差分析对钻孔不同钻进状态下的振动录井数据进行分析。钻机在停机、加钻杆等工况下振动传感器获取到的振动信号较小、振动数据方差较小;钻机正常钻进过程中振动信号较强、振动数据方差大。结合正常钻进时间、方差值等剔除停机、加钻杆等振动数据得到钻孔钻进过程中振动数据分析图，具体见图4所示。

从图中看出，钻孔在钻进初期地质条件较为稳定，地质条件出现较大变化区间主要集中在钻孔钻进后期，具体钻孔在12.1～12.4m、58.0～58.3m、67.5～68.2m范围内存在振动数据异常区。结合钻孔排渣及其他钻进数据分析，判定上述振动数据异常区为煤层中的裂隙带。

3.2 孔中瞬变电磁法探测结果

具体孔中瞬变电磁法探测结果见图5所示。从图中看出，在钻探钻孔周边0～17m范围内，围岩中视电阻率整体较高，同时视电阻率等值线变化较为平缓，未有明显的异常区;在探测钻孔周边17～30m范围内，虽然视电阻率等值线变化较为明显，但是无显著的低阻异常区。

3.3 孔中电法探测结果

具体钻孔获取到的孔中电法探测结果见图6所示。孔中电法探测距离为110m，从图中看出，探测范围煤岩体视电阻率均在20Ω·m以上，同时不存在有视电阻突变区，表明探测范围内煤岩体富水性较弱，同时无明显的导水构造存在。

3.4 综合应用结果分析

在90603回风巷掘进迎头采用钻探物探一体化技术进行探测，在探测钻孔钻进过程中排水、返水始终正常，未揭露有明显的地质构造;钻柱振动录井技术应用显示，钻孔钻进至12.1～12.4m、58.0～58.3m、67.5～68.2m范圍内煤体裂隙较为发育;孔中瞬变电磁法及孔中电法探测结果均显示探测钻孔周边无视电阻突变区以及低阻异常区，表明探测钻孔周边无明显的富水区以及地质构造异常区。

90603回风巷施工的其他探测钻孔均未探测到地质构造，同时钻孔未有涌水情况发生。巷道正常掘进过程中顶板未有淋水，表明钻探物探一体化技术探测结果精准度较高。

4 总结

采用钻探物探一体化技术对掘进巷道前方潜在的富水区域、地质构造等进行探测，以便确保巷道掘进安全，降低水害影响;并对钻探物探一体化技术原理、布置情况进行分析。

采用钻柱振动录井技术并结合钻孔排渣、返水情况可实现钻孔钻进轨迹、钻进煤岩层岩性变化以及探测揭露的地质构造探测;采用孔中瞬变电磁法可实现钻孔周边富水异常体位置的圈定，同时结合孔中电法可对地质异常体类型、位置精准判定。

采用钻探物探一体化技术后，未探测到90603回风巷周边存在富水体以及导水构造，巷道掘进不会出现淋水或者异常涌出事故。

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