煤矿水害探测中一体化探测技术的应用研究

徐念庭

（晋城泽祥勘探测绘有限公司，山西 晋城 048000）

引言

在煤矿开采过程中，水灾为影响安全高效开采的严重问题。通过对现有资料进行分析可以看出，通常矿井出现突水事故主要由于如下两方面的原因：一是顶底板水；二是采空积水区等。为了能够更好地监测煤矿水害问题通常选用两种方法：物探、钻探[1-2]。其中，钻探可以细分为长钻孔、常规钻孔、地面探测钻孔等。而对于物探而言，依据探测原理将其划分为地震类、电磁类、红外探测、电磁辐射等，其中，最为常用的是地震类、红外探测、电磁辐射探测等类型。由于物探方法都具有各自的特点，因此在进行地质监测的过程中，选用一种方式往往不能有效地检测是否存在水害。而钻物探是一个一体化技术综合钻探与物探的结合。其可以实现一孔多用，从而可以有效地提高水害钻探工程的精度[3-5]。

1 工程概况

山西某矿90603 综采工作面开采9 号煤层，经过探究发现，煤层埋深可以达到530 m，对应的厚度达到3.68 m，以及倾斜角度为7°，在对其进行设计时，走向长度为1 980 m，而倾角长度为246 m。对于该工作面，由于回采巷道并未掘进完成，回风巷道已经掘进了205 m，运输巷道掘进了36 m。图1 表示相应的采面位置关系图。

图1 采面位置关系示意图

2 钻探物探一体化技术原理

通常该钻探物探一体技术包括钻探、钻柱振动录井技术、孔中瞬变电磁法、孔中电法等。

2.1 钻柱振动录井技术

钻柱振动录井技术将振动传感器设置在靠近钻头位置，这样就可以对钻孔钻探设备的振动情况进行实时监测。当传感器监测到振动信息后将其储存在储存器中，并且运用随钻测振仪对数据进行分析。

2.2 孔中瞬变电磁法

孔中瞬变电磁法将钻孔巷道以及相应的水边电磁法结合起来，其检测方式与瞬变电磁法保持一致。当在巷道内部使用发射线圈的过程中可以产生瞬变电磁场源激发现象，这时接收线圈可以接收到不同孔深的感应电压信号，从而可以对钻孔外激发以及相应的内孔进行检测，图2 表示相应的检测示意图。

图2 孔中瞬变电磁法布置图

2.3 孔中电法

在使用孔中电法探测时，通常选用YZD 11 槽波地震电法系统，其可以有效地检测探测器的灵敏度。实现高密度点发检测以及对孔低进行超前检测。具体如下所示：将双模电极设定在特定的PVC 管内部，这时电极可以借助铜丝与煤壁进行耦合，通常将电极极距设置为2.5 m，共计设置32 道。在进行现场检测的过程中，为了能够对孔内进行全面的检测，通常可以移动PVC 管。第265 页图3 表示相应的钻孔内电法电极装置布置情况。

图3 孔中电法布置图

3 钻探物探一体化技术探测成果分析

为了能够更好地识别90603 回风巷掘进前方地质水文的情况，为此在掘进巷道前方设置钻探物探一体化探测。在探测的过程中，将其划分为如下两个阶段：钻探中和钻探后。针对不同的阶段选用相应的探测方法：对于探测中而言，通常选用钻柱振动录井技术，进而可以有效地确定钻孔深度的轨迹，这样可以获得钻孔钻进不同岩层时的地震属性，并且能够实现对钻探过程进行全程管控。当完成钻探施工后，借助瞬变电磁法、孔中电法等物探技术对钻孔内壁岩性以及地质构造发育进行全面的探测。通常在90603 回风巷掘进迎头位置设置钻探钻孔，进而可以对钻孔周围以及相应的前方岩体裂隙发育、地质构造、富水性、岩性变化等进行探测。在探测钻孔施工时，同步实施钻柱振动录井，接着在完成钻孔施工后可以实施孔中瞬变电磁法以及孔中电法探测。

3.1 钻柱振动结果

对于采集到的不同钻井下的振动录井数据而言，选欧冠方差分析法。由于钻井处于停机以及加钻杆的情况下，振动传感器采集到的振动信息比较小，因此相应的振动数据方差也比较小。而当钻机处于正常工作状态下，由于受到振动比较大，因此所对应的数据信号比较强，进而导致振动方差数据也比较大，如图4 表示相应的振动数据分布图。

图4 钻孔钻进过程中振动数据分析图

通过分析图4 可以看出，当钻孔钻进初始阶段，由于地质条件比较稳定，而地质变化较大的区间主要集中在钻孔钻进后期，而钻孔在如下几个数据段出现了异常：12.1 m～12.4 m、58.0 m～58.3 m、67.5 m～68.2 m。通过借助钻孔排渣以及相应的钻进数据分析可以看出，煤层中的裂隙带属于振动数据异常区域。

3.2 孔中瞬变电磁法探测结果

图5 表示相应的孔中瞬变电磁法探测结果图。通过分析该图5 可以看出，在钻探钻孔周围0 m～17 m范围内，其整体的视电阻率比较高，未有明显的异常区。对于17 m～30 m 的范围的钻孔，即使其视电阻率等值线比较高，可是也未出现显著的低阻异常区。在探测钻孔周边17 m～30 m 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。

图5 孔中瞬变电磁法探测结果

3.3 孔中电法探测结果

图6 表示钻孔获取到的孔中电法探测结果。通过分析图6 可以看出，孔中电法探测距离达到了110 m。其围岩体视电阻率都大于20 Ω·m。

图6 孔中电法探测结果

3.4 综合应用结果分析

将该钻探物探一体化技术应用到90603 回风巷掘进工作面后，经过工程实践发现，经过检测发现在排水与返水过程都未出现异常。通过分析发现，钻柱振动录井技术应用显示，钻孔钻进到如下几个范围内煤体裂隙较为发育：12.1 m～12.4 m、58.0 m～58.3 m、67.5 m～68.2 m。并且，采用瞬变电磁法及孔中电法探测后发现，并未出现异常区域。由此可以看出该技术检测精度相对较高。

4 结语

采用钻探物探一体化技术能够有效地检测掘进过程中出现的富水区域以及相应的地质构造位置，这样可以大大优化掘进安全以及最大限度的降低水害的影响。经过工程实践发现，该技术可以精确地检测围岩富水区域是否存在异常，采用孔中电法可对地质异常体类型、位置精准判定。由此可以看出，该技术具有一定的推广价值。