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        鉆孔自然伽馬與視頻探測系統(tǒng)的應(yīng)用

        2019-09-28 07:57:34王文國
        山東煤炭科技 2019年9期

        王文國

        (山西煤炭運銷集團華陽煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048017)

        井下鉆孔自然伽馬與視頻同步探測系統(tǒng),是用于煤礦井下鉆孔綜合采集與分析的新型技術(shù)。它能夠一次完成視頻、自然伽馬、測斜(鉆孔方位、傾斜度)數(shù)據(jù)采集,并結(jié)合軟件進行數(shù)據(jù)的同步分析計算,獲取鉆孔巖性柱狀、鉆孔軌跡、鉆孔結(jié)構(gòu)等多項成果。該技術(shù)在華陽煤業(yè)井巷施工過程中推廣應(yīng)用,給礦井防治水工作提供了很大的技術(shù)保證?,F(xiàn)以華陽煤業(yè)15101工作面回風(fēng)順槽1#鉆場鉆孔探測為例,闡述該技術(shù)應(yīng)用情況。

        1 引進該技術(shù)的原因

        1.1 災(zāi)害分析

        華陽煤業(yè)為一座資源整合礦井,瓦斯等級為低瓦斯礦井,煤塵無爆炸危險性,煤層自燃傾向性等級為Ⅱ級,屬可燃煤層。開采煤層為15#煤層,其頂板為K2灰?guī)r,厚9.66~9.80m,K2灰?guī)r下部有0~0.2m左右的泥巖偽頂。由于煤層賦存較淺,上覆巖層裂隙發(fā)育,地表水經(jīng)充水通道灌入采空區(qū)中,在采空區(qū)中容易形成積水,對采煤工作形成威脅,為安全生產(chǎn)帶來隱患。綜合考慮,本礦主要自然災(zāi)害是水害。

        1.2 通常采用的探水方法

        根據(jù)防治水細(xì)則規(guī)定,堅持“物探先行、鉆探驗證、化探跟進”的探測制度,物探主要采用YCS-40型礦用本安瞬變電磁儀,探測有效距離100m,留設(shè)40m的超前距離,60m允許掘進距離,即60m做一次物探。鉆探:15101回順采用ZYW-1200型礦用液壓探水鉆機,每個鉆場設(shè)計3個鉆孔,起鉆高度距底板1.5m,鉆探有效距離70m,幫距取20m,超前距30m,允許掘進距離40m?;剑翰蓸雍?2h內(nèi)通過水質(zhì)化驗—對水質(zhì)成分及時化驗,通過各類離子含量分析判斷水源。

        1.3 常規(guī)水害探測方法的缺陷

        常規(guī)探測方法基本掌握正常區(qū)域水體存在情況,但對出現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造段、地層層位異常區(qū)段,特別是小股水量,探測不準(zhǔn)確,容易在采取應(yīng)對措施方面造成誤判。為更準(zhǔn)確有效判斷水源、出水點的位置、出水量等參數(shù),采用鉆孔自然伽馬及視頻探測方法彌補上述不足。

        2 工作原理

        該探測系統(tǒng)由硬件和分析軟件構(gòu)成,硬件部分由主機面板、線纜箱、探頭、推桿四部分構(gòu)成。使用時,可以實現(xiàn)井下視頻、自然伽馬、鉆孔軌跡(方位角、傾角)、鉆孔深度數(shù)據(jù)的一次采集。在地面通過分析軟件,實現(xiàn)井下實測數(shù)據(jù)下載,進而對鉆孔孔斜計算,定量分析揭露地層的巖性、厚度、含水性及孔壁的結(jié)構(gòu)特征(包括分層性、厚度、巖層軟硬程度、巖石空隙、裂隙、出水點特征、頂板離層情況及斷層等)。

        3 工作面概況

        15101回風(fēng)順槽井下位于15#煤層三條大巷以北,為首采工作面回風(fēng)順槽,東邊150m為15101運輸順槽,該巷道開口位置距15#煤運輸大巷8#測點32.24m處,方位角為1°05′45〃,沿15#煤層頂板掘進,巷道設(shè)計長度980m,巷道斷面為矩形斷面,凈寬4.0m,凈高3.0m,凈斷面積12.0m2。地面相對位置為上掌村以東280m,寨上村西北500m,地表為低山丘陵地貌,部分為耕地。

        4 探測操作

        4.1 準(zhǔn)備工作

        4.1.1 入井前準(zhǔn)備

        在地面確保儀器已經(jīng)充足電,連接主機箱與探頭電纜,加電查看儀器工作是否處于正常狀態(tài);根據(jù)探測鉆孔的最大深度,攜帶足夠數(shù)量的推桿;檢查工具包內(nèi)的開口扳手、螺絲刀、防水膠帶、鏡頭等是否齊全。

        4.1.2 操作前選位準(zhǔn)備

        到達(dá)現(xiàn)場后,首先將“主機箱面板”放在鉆孔附近的平坦位置,打開箱蓋;將推桿及工具包準(zhǔn)備到位。

        4.1.3 操作前對設(shè)備檢查

        在“主機線纜箱”上的電纜頭架子上,取下電纜頭,檢查電纜頭處的防水膠圈是否完整,有破損時務(wù)必更換。檢查儀器的扶正器螺絲是否正常,扶正器的彈片能否正常收縮。檢查探頭各部件連接處有無松動現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)問題及時更換處理。

        4.1.4 將“探頭”與“電纜箱”的電纜頭連接

        連接時要輕緩轉(zhuǎn)動儀器探頭,擰緊探頭與電纜頭螺母。此時,按動“電源”開關(guān),“探頭”的LED燈被點亮,主機箱視頻窗口可以清晰看見探頭所探視頻。注意禁止轉(zhuǎn)動電纜頭端,防止電纜線擰斷。

        4.1.5 推桿間連接

        取出一節(jié)“推桿”,用推桿公扣一段對準(zhǔn)探頭尾部絲扣,擰動推桿將其連接到“探頭”;然后,將“探頭”及第一節(jié)推桿送至被測鉆孔的孔口深度約25cm的位置。

        4.1.6 注意事項

        安裝完成第一節(jié)推桿后,打防水膠帶,以保護線纜接頭部分不會受到線纜拉動的損傷。注意:(1)打防水膠帶應(yīng)當(dāng)將電纜與推桿一起纏緊;(2)防水膠帶打3~5圈,打3~4處,均勻分布在第一節(jié)推桿;(3)不得使用非防水膠帶代替防水膠帶。

        4.2 過程操作

        4.2.1 零位操作

        按動主機操作界面上的“電源”按鈕,“電源指示”燈亮起,隨后,“液晶顯示區(qū)”可以查看到儀器在孔口處的鉆孔視頻圖像;查看數(shù)碼管上的深度顯示窗是否為“000.00”,如果不是,按動“清零”按鈕,使其顯示為此數(shù)值。

        4.2.2 啟動

        按動主機操作界面啟動按鈕,主機操作界面上的工作指示頂亮起,大約5~10s后,該指示燈開始閃爍,同時,液晶顯示區(qū)左上角出現(xiàn)紅色閃爍的REC開始錄像,說明一切工作正常,此時可以開始探測。

        4.2.3 過程操作

        開始連接第二節(jié)推桿。拿出第二節(jié)推桿,將其公扣與第一節(jié)推桿的母口的絲扣進行連接。注意一定要將絲扣擰到底,絲扣接觸端不能有間隙。連接推桿完成后,緩慢、勻速推送推桿,推進速度不能超過0.3m/s,將儀器探頭緩慢向孔中推進。

        按照以上連接方式與推進要求,逐次連接其余推桿,以盡可能均勻速度將探頭送入鉆孔。

        4.2.4 關(guān)閉操作

        主機箱操作人員觀察深度數(shù)據(jù)、視頻、儀器的工作指示燈狀態(tài),直至探測到鉆孔孔底。再次按動啟動鍵,工作指示燈停止閃爍,液晶顯示區(qū)左上方的REC標(biāo)識消失,并停止顯示內(nèi)容,此時儀器停止全部數(shù)據(jù)采集。待儀器停止工作后約10s,按動電源按鍵,關(guān)閉主機箱并退出儀器。

        4.3 回退操作

        4.3.1 推桿、探頭的退出

        將推桿和線纜一起向鉆孔外拉出,逐次旋轉(zhuǎn)擰開各節(jié)推桿,直至探頭從鉆孔中取出。注意,旋轉(zhuǎn)擰開推桿時,用手抓緊孔口處的推桿,只旋轉(zhuǎn)卸下被拉出孔口外部的推桿,以防止鉆孔內(nèi)部推桿在旋轉(zhuǎn)時脫開,致使探頭丟落在鉆孔內(nèi)的事故發(fā)生。退出推桿過程中同步轉(zhuǎn)動主機箱上的輪柄,回收線纜。退出探頭后,去掉防水膠帶,卸下探頭,清潔整理儀器。

        4.3.2 數(shù)據(jù)下載

        用專用數(shù)據(jù)線將主機箱通訊端口與電腦連接,將視頻資料剪切保存到計算機中。利用系統(tǒng)自動分析系統(tǒng),生成鉆孔定向剖面圖、鉆孔平面軌跡圖,并按照設(shè)定比例尺生成鉆孔柱狀圖進行CAD圖形輸出。

        5 成果分析

        圖1 探放水鉆孔布置圖

        圖2 1#鉆孔軌跡剖面圖

        巷道在施工超前鉆探探測時,水平面扇形布置了三個鉆孔(圖1)。該處開口段為全巖,以第1個鉆孔為例,沿設(shè)計鉆進12m后打到煤層,鉆進約25m后又遇到巖層,掘進約44m后再次進入煤層,終孔深度為60m。

        這種現(xiàn)象按照常規(guī)的鉆探設(shè)計及地質(zhì)層位分析,對前方的地質(zhì)情況難以判斷。采用井下鉆孔自然伽瑪與視頻同步探測系統(tǒng)對鉆孔探測,其中1#鉆孔主要成果如下。

        圖3 1#鉆孔測井柱狀圖

        圖4 1#鉆孔預(yù)想地質(zhì)剖面圖

        如圖3所示,紅色曲線所代表的實測鉆孔軌跡在剖面上發(fā)生了“波動”現(xiàn)象,開孔后鉆孔首先水平前進10多米后有稍向上向趨勢,約20m后向下方偏斜至終孔。

        通過特殊點視頻截圖,結(jié)合鉆孔軌跡和測井柱狀圖,可以斷定:鉆孔在19m處遇到約5cm的裂隙,裂隙有少量出水,此為鉆孔出水的根源,超過20m后,孔內(nèi)基本無水,巖性成像清晰,到43m處煤巖過渡段出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象,而后進入全煤層直至終孔。

        綜合以上成果分析及2#、3#鉆孔的測井情況判斷,超前鉆探所揭露的巷道前方應(yīng)該沒有構(gòu)造異?,F(xiàn)象,所發(fā)生的鉆探異常,是由于鉆孔軌跡“波動”導(dǎo)致的鉆孔揭露層位異常。根據(jù)探測成果繪出1#鉆孔的預(yù)想地質(zhì)剖面圖。后經(jīng)巷道向前施工驗證,前方地質(zhì)構(gòu)造情況與本次測井分析成果完全一致。

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