煤矿水文地质探水钻孔监测系统应用

任艳丽

（晋能控股煤业集团雁崖煤业大同有限公司，山西大同037031）

探放水施工是煤矿防止水害事故主要技术手段，主要对采掘区域施工探水钻孔，从而实现对积水区探放的目的，传统超前探水钻孔一般深度为100m 左右，而钻孔在施工过程中钻孔深度和角度是非常重要的参数，决定水是否能按设计要求得到抽排。目前，现有技术中钻孔深度和角度检测主要由钻机操作人员或验收人员进行人工检测，而管理人员检查时也不可能面面俱到，尤其无法保证钻孔深度和角度满足相关要求。为了保证施工安全，管理人员只能更加频繁详细地下去检查。因此，人工检测方式的效率较低、误差较大，而且不能实现随钻随测，实时性较差，大大降低了探水钻孔成孔率及成孔效果，制约着煤矿探放水施工安全，对此雁崖煤业公司决定对进行探水钻孔采用一套监测系统，并在2307巷探水钻孔中进行实际应用。

1 概述

雁崖煤业公司三盘区2307 巷位于三盘区西翼，巷道东部、南部、西部为实煤区，北部为盘区西翼回风巷、皮带巷、辅运巷。

2307 巷设计掘进长度为1028m，巷道掘进煤层为山西组4#煤层，煤层为半亮型、暗淡型煤，块状。本煤层属复杂结构煤层，总厚度为2.0～3.60m，平均厚度为2.80m，利用厚度为1.80～3.30m,煤层中普遍含有1 层夹石，局部含有2层夹石，夹石岩性为灰黑色砂质泥岩、黑色泥岩、灰褐色高岭岩。

根据塔山矿岩溶水突水危险性评价报告提供山西组4#层煤层底板岩溶水突水系数为0.0004～0.0055MPa/m且三盘区水文长观孔G5显示突水系数为0.0017MPa/m，三盘区水文长观孔T1603显示突水系数为0.0004MPa/m，小于正常块段突水系数临界值0.1MPa/m,为安全区。奥灰水水害对8307工作面回采时无大的影响。

工作面对应上覆为侏罗系14 号煤层挖金湾407、408 盘区采空区，预计2017 年4 月进行地面物探工程，并根据物探结果进行地面探放水工作，预计设计施工2个探放水孔，3 个验证孔。侏罗系14 号煤层盖山西组厚度为36～130m，侏罗系14 号煤层与二叠系山西组4号煤层层间距为280～360m。8307 面物探面积0.537km2,物探结果显示在工作面的北部有3处异常区，分别位于巷240～310m、470～530m 以及650～690m 段上覆区域，预计积水量为2455m3，截止目前巷道已掘进177m，巷道掘进前期顶板出现淋水现象。

巷道掘进前期为了保证掘进安全，对巷道采取超前探放水施工，巷道迎头每排布置3个钻孔，钻孔深度为100m，钻孔仰角为22°，布置间距为1.8m，由于22#煤层稳定性差，钻孔在施工过程中塌孔现象严重，且钻孔施工时主要采用人工判断钻孔方位角，造成钻孔施工精度低、误差率高，不利于巷道掘进施工安全。

2 探水钻孔监测系统应用

为了进一步提高探水钻孔成孔率，保证钻孔施工精度，决定对探水钻孔采用一套在线监测系统。

2.1 钻孔监测系统结构组成

（1）探水钻孔监测系统主要包括钻孔检测设备、摄像仪、井下环网交换机、地面环网交换机、录像机、视频叠加器以及上级单位控制系统等部分组成，如图1所示。

图1 探水钻孔监测系统结构示意图

（2）钻孔检测设备主要用于检测钻孔深度及倾角，安装在巷道钻机平台钻杆端；强磁铁与钻孔检测设备匹配，主要安装在钻机的卡盘处；摄像仪安装在钻机顶部与巷道钻机平行。

（3）钻孔检测设备与摄像仪与井下环网无线交换机一端连接，井下环网无线交换机另一端通过地面环网交换机一端连接，地面交换机另一端分别与矿端的视频叠加器、硬盘录像机及录入端连接，同时通过煤炭专网分别与上级单位视频管理平台、视频存储器、业务服务器、时间同步服务器及查看端连接。

（4）钻孔检测设备主要由测量倾角的倾角传感器、与强磁铁匹配的常开型接近开关、无线开关模块、RS485转WIFI模块等部分组成。钻孔检测设备通过倾角传感器进行倾角测量，在常开型接近开关与强磁铁吸合后，将开关信号传输给无线开关量模块，倾角传感器及无线开关量模块同时将信号发送给KJJ12 矿用本安型无线交换机。

（5）摄像仪为KBA153 矿用本安型摄像仪，共计安装两台，其中一台摄像仪安装在钻机正上方，主要用于监测钻机钻进操作的具体细节部分；另一台摄像仪安装在钻机后侧5～8m 的侧上方，摄像头正中心对着钻机，主要用来拍摄钻机钻进时，人、机器的整体工作情况。

（6）井下环网无线交换机为KJJ12矿用本安型无线交换机，主要由无线开关量模块、开关量采集模块、无线交换机板、光纤收发器、矿用隔爆兼本安型电源等部分组成。

2.2 监测系统工作原理

（1）当探水钻孔钻探施工且钻杆钻至末端接近钻孔检测设备时，钻孔检测设备则会与强磁铁有一次吸合，同时钻孔检测设备将此吸合信号及倾角信息传递给无线交换机。KJJ12 矿用本安型无线交换机内部无线开关量采集模块接收到开关信号，通过开关量采集模块处理将数据转化成网络信号。

（2）监控摄像头直接接收网络信号并将拍摄视频传递给无线交换机，无线交换机同时将倾角及视频传递给地面环网交换机，地面环网交换机将视频及倾角传输到矿端视频叠加器、硬盘录像机中，同时通过煤炭专网将接收到的视频传输上级单位的视频管理平台。

（3）视频叠加器对接收的信号进行分析处理，统计钻杆倾角、钻进次数，并计算出钻孔深度，在视频中显示出钻杆倾角和钻孔深度；再利用图像识别技术对视频中的钻杆进行识别并计算出钻杆数量，从而得出钻孔深度，图像中计算出的钻孔深度与通过钻孔检测设备得出的钻孔深度进行校验，校验结果可在视频中显示出来。

3 钻孔监测系统优点及实际应用效果

3.1 钻孔监测系统优点

（1）自动化水平高：该系统主要利用摄像仪成效，利用交换站进行数据存储，利用工业以太网进行数据传输，利用主机服务器进行数据三维成效，可实时对井下钻孔钻机深度、钻进方位角以及钻孔壁煤岩体情况进行观察，整套系统自动化水平高。

（2）提高钻孔施工精度：传统钻孔施工过程中主要利用人工进行观察钻孔施工情况，而人工巡检时对钻孔观察精度低、劳动作业强度大，钻孔施工过程中方位角、钻机位置以及钻孔成型情况判断误差性高，从而造成钻孔成型以及精度低，而采用钻孔监测系统后，可对钻孔方位角实时进行监测，出现误差后可及时进行调整，从而大大提高了钻孔施工精度。

3.2 实际应用效果分析

2020年2月13日2307巷已掘进到位，巷道在后期掘进过程中共计施工18 个探水钻孔，共计放水量为2447m3，通过对巷道探水钻孔采用在线监测系统后，在后期探水钻孔施工过程中未出现钻孔塌孔现象，钻孔成孔率达100%,钻孔施工精度提高至98.7%，基本消除了上覆积水水害隐患。

4 结束语

雁崖煤业公司针对2307 巷前期探放水施工时，探水钻孔精度低以及钻孔成型效果差等技术难题，对钻孔施工期间采用一套钻孔监测系统进行钻孔成型、方位角、深度、岩性等进行观测，通过实际应用效果来看，该系统投入使用后能够为钻探人员提供钻孔实际钻机情况，保证钻孔能够准确钻进至积水区位置，避免了传统钻孔施工时因精度低导致探放水施工不到位、水害隐患大等技术难题，保证了巷道探放水施工安全，取得了显著应用成效。