大数据时代煤田地质勘探空间分析及钻孔设计

宗 诚

（安徽省煤田地质局第二勘探队， 安徽 芜湖 241000）

引言

地震勘探法是煤田地球物理勘探方法之一，地震勘探法的应用对了解区域煤田煤炭资源分布、地质构造及煤层形态结构应用效果显著。同时实时解决煤炭资源开采过程中遇到的岩性、埋深及煤层构造等地质问题。随着地震勘探技术应用发展，地震勘探法已由二维地震提升到三维地震勘探，三维地震勘探应用煤炭采区以来，煤矿生产广泛应用三维地震勘探法。随着地震勘探法新技术的发展，高精度、高分辨率、高清晰度、高保真度及定量分析的地震勘探法应用，在煤矿隐蔽致灾探测发挥重要作用。随着电子信息技术的高新技术发展革新，地震勘探技术的应用在煤矿生产中提供了巨大的发展空间[1]。

1 钻孔空间数据库设计

钻孔空间数据库由空间数据表和属性数据表组成。其中，单孔施工数据表存放了具有空间特征的坐标信息，可在地图上投影表达空间位置及相关信息，为空间数据表；其他几个数据表（单孔煤层数据表、煤层数据表、单孔煤质数据表、单孔力学数据表）均为属性数据表，属性数据表与空间数据表通过相同关键字段（钻孔编号）的主外键关系建立了逻辑连接，从而使属性数据表也间接获得了空间信息特征，也可在GIS地图上表达各种属性数据信息。

数据表之间的具体关系为单孔煤层数据表、单孔煤质数据表、单孔力学数据表与单孔施工数据表之间通过钻孔编号字段建立多对一的主外键逻辑关系，单孔煤层数据表、单孔煤质数据表、单孔力学数据表与煤层数据表之间通过煤层编号字段建立多对一的主外键逻辑关系。

煤层数据表为各表间的共用信息表，主要记录钻孔中共有的煤层信息，如煤层编号、煤层组合、煤层所在矿区及地区特征。钻孔空间各数据表之间的空间查询、展示、共享和更新等可通过数据表的连接关系进行[2]。

2 数据获取方式

2.1 钻孔位置信息传输

钻孔空间数据库系统通过网络通信端口接收GPS 无线发送的钻孔位置，建立实时数据交换关系，实现煤田地质钻孔位置实时空间数据与静态属性数据无缝对接，以感知煤田地质钻孔现状，并将钻孔位置信息发送至地图导航商业服务公司提供的服务平台，完成钻孔坐标位置定位。

2.2 钻孔数据获取方式

钻孔空间数据库系统的推送助手负责向用户手机端发送钻孔地图导航APP 及钻孔空间数据库系统网页地址，通过服务账号方式对外开放。用户可以随时随地了解勘探区所有煤田地质钻孔的地质信息及钻孔封孔标志的位移动态，并通过地图导航方式实地跟踪调查每个钻孔，分析钻孔位置标志的变化，提前感知可能的地质灾害或收集地质构造运动的间接证据。实地钻孔标志处张贴二维码标志，二维码后台服务系统保存了该钻孔施工组织设计、钻探施工、采样、钻遇地层、煤层、煤层间距、煤质化验及测井解释等信息，用户可通过手机二维码扫描方式获得特定钻孔的煤田地质相关信息，了解该钻孔的施工情况、地质特征及相关责任人[3]。

3 灰岩水长观钻孔设计方案

3.1 钻孔位置

1 号灰岩钻孔距光5 点前11.8 m，孔口坐标为（3 712 841，39 517 477），开孔位置标高是-748.7 m，终孔层位在“四灰”，预计钻孔钻深150 m。2 号灰岩钻孔距弯起点前20 m，孔口坐标为（3 713 156，39 512 676），开孔位置标高是-900.2 m，终孔层位在“四灰”底部，预计钻孔钻深155 m，如下页图1 所示。

3.2 钻孔岩性

根据10-11 勘探线剖面中的89-3 钻孔岩性资料和Ⅲ一轨道、回风上山打钻探查资料分析，1 号钻孔孔口层位位于10 煤顶板上约38 m 处，2 号钻孔孔口层位位于10 煤顶板上约41.5 m 处，终孔层位均位于10 煤以下“四灰”底部。10 煤底板隔水层厚度65.35～68.2 m，平均间距在66.8 m，隔水层岩性以泥岩、粉砂岩和砂岩为主。其岩性组合情况为：开孔位置以下0～37 m 为泥岩、砂岩，38～41 m 揭穿10 煤层，42 m至“一灰”顶板多为泥砂岩互层。

3.3 孔口结构

开孔直径Φ150 mm，终孔直径Φ73 mm。0～3 m下Φ146 mm 护壁管，0～80 m 为Φ127 mm 孔径，下Φ108 mm 止水套管，套管长度为80 m，以下为Φ73 mm裸孔。

4 钻探技术要求

钻孔终孔层位：终孔层位为“四灰”底部，钻孔深度设计1 号钻孔150 m、2 号钻孔155 m。钻孔方位：向下垂直于巷道底板施工，孔斜要达到能保证下套管和取芯的要求。取芯：钻孔全部取芯，隔水层每个层位取岩芯20～30 cm 长，作为样品装进样盒，蜡封，送安徽理工大学进行力学试验、测试。钻孔施工过程中要把揭露的地质构造异常带和岩溶情况标注记录好。施工单位下设的套管要确保钻孔能满足长观孔要求及施工安全要求。孔口装置：为防止水压大，确保施工安全，孔口要装设一套高压阀门（DN100 mm、10 MPa）。取水样：钻孔施工至每个灰岩层位，如有出水，要及时在每个含水层各取水样2 个，每个样品重2.5 kg，并及时交矿地测科，派人在24 h 内送到有关单位化验。钻孔施工过程中遇到地质构造、岩溶等情况要及时与矿方联系，矿方到现场进行观测。遇到重大安全问题要立即停钻但不得拔钻，并及时通知矿方，以便及时采取措施进行处理。钻孔施工结束后，施工方要做好钻孔钻探柱状图，竣工报告交矿方验收。压水试验：钻孔施工至砂岩层段（垂深30～35 m）时要做压水试验，以探查砂岩含水层段的裂隙发育情况。做压水试验时，要详细记录钻孔压力表的压力值、压注水量（m3/min）和钻孔深度。钻孔孔深要比预计下套管深度深1～2 m，已防止因岩粉未冲净而造成套管下不到预定深度。

5 下套管技术

下套管前一定要校正孔深，彻底冲洗干净孔内的岩粉，并按要求长度把套管下至预定深度。各段套管之间的丝扣必须抹上铅油或缠上棉纱。套管丝扣要拧紧，防止脱扣或漏水。夹板一定要拧紧，防止套管滑脱掉入孔内。若钻孔偏斜，要在套管外壁四周焊接小段圆钢，防止套管紧靠孔壁一侧，造成注浆止水效果不理想。施工过程中，为控制钻孔出水，Φ108 mm 套管孔口焊接法兰盘一个（法兰盘规格统一为外径Φ250 mm，眼中距Φ200 mm，螺栓眼Φ20 mm×8），施工接近一灰时须及时安装高压闸阀，必要时可关闭闸阀。

注浆前首先彻底清理巷道底板浮矸，露出实底。用425 号优质水泥机械注浆固管，浆液浓度不低于0.7∶1，反浆后顺时针转动套管1～2 周，使水泥浆液均匀充满套管四周间隙，在孔口大量反浆后方可停止注浆。水泥沉淀后，上部套管壁与孔壁及管壁与管壁之间要人工灌注或管壁注浆，确保上部管壁间的环状间隙充满水泥，防止套管松动。注浆后凝固48 min 才能扫孔，扫孔至预定深度下1 m 左右后，做孔口管耐压试验，试验压力大于静水压力的1.5～2 倍，持续时间不少于10 min，孔口周围无出水冒浆现象，套管不松动方可继续钻进，否则必须重新注浆。

6 结语

煤田地质勘探钻孔探明勘探区煤层厚度、煤层分布规律、煤层间距、煤层顶、底板特征、煤质特征等。进一步探明矿井赋存层位、富水性、水压、水量，测试隔水层岩石力学性质，分析矿井深部的灰岩水化学性质，取得灰岩水放水实验资料，通过钻探钻孔标记中植入电子芯片，实时向用户发送钻孔的数据信息实时传输钻孔数据库管理系统，并实现对井下灰岩水的长期观测。提高地质资料的利用效率。