李輝峰

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

瓦斯抽采是煤礦治理瓦斯災(zāi)害的重要技術(shù)措施，尤其是針對高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井的低滲透煤層，需要施工大量的鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采[1-2]。鉆孔的巖性識別及深度標(biāo)定對瓦斯抽采非常重要。目前鉆孔鉆進(jìn)監(jiān)控缺少有效技術(shù)手段，采用耳聽目識判斷鉆進(jìn)情況缺乏準(zhǔn)確性、連續(xù)性和記錄性。隨鉆振動(沖擊參數(shù))監(jiān)測早期應(yīng)用于石油鉆探領(lǐng)域[3-4]，將振動傳感器安裝固定在鉆柱上對振動參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。本文將隨鉆測振方法應(yīng)用于井下抽采鉆孔施工監(jiān)測，實現(xiàn)對鉆機的工作狀態(tài)監(jiān)測和巖性識別。

1 隨鉆測振原理與儀器

1.1 隨鉆測振原理

1) 鉆桿振動。鉆孔施工過程中，鉆桿振動包括縱向振動、橫向振動和扭轉(zhuǎn)振動[5]。鉆桿縱向振動是鉆頭縱向受壓引起的，包括鉆頭重力、鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)破煤/巖反向作用力等。鉆桿橫向振動與鉆桿的彎曲共振(“弦”振)有關(guān)，共振是引起鉆具弓狀彎曲的主要原因，能夠造成鉆桿的偏磨，縮短鉆柱使用壽命甚至誘發(fā)鉆柱斷裂引發(fā)事故。鉆桿扭轉(zhuǎn)振動是煤/巖破碎過程中鉆桿與鉆孔內(nèi)破碎巖石相互作用導(dǎo)致鉆桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)，尤其遇到是堅硬煤巖，鉆桿與鉆孔表面間的摩擦更加劇烈，特別容易引起鉆柱粘滑。

2) 振動信號分析。鉆機鉆進(jìn)過程中振動信號是連續(xù)、長延時、非可控的振源，屬于連續(xù)非穩(wěn)態(tài)信號，其優(yōu)點是成本低、可連續(xù)采集。鉆進(jìn)過程振動監(jiān)測的難點在于煤/巖性信息和鉆機自身產(chǎn)生的噪聲，以及確定不同巖性優(yōu)勢頻譜。隨鉆測振的重點是提取反映地層變化的反射波信號，通過反射波信號分析，將鉆孔前方地質(zhì)條件細(xì)分，表征出裂隙發(fā)育帶、瓦斯富集區(qū)、沖刷帶等小的地質(zhì)構(gòu)造。

3) 振動信號采集。信號采集系統(tǒng)包括測量裝置、接收主機以及電子計算機處理系統(tǒng)。振動參數(shù)測量裝置包括電源、振動傳感器和WIFI無線發(fā)射器3個模塊，并且集成在一個采集盒。采集盒中的WIFI無線發(fā)射器與主機無線接收器能夠?qū)崿F(xiàn)雙向聯(lián)系，指令發(fā)出后，采集裝置開始采集振動數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)保存在主機中，并開始實時頻譜分析。

1.2 隨鉆測振儀器

隨鉆測振儀器(如圖1所示)主要用于鉆探過程的隨鉆三分量震動測量和軌跡測量，通過鉆頭與巖層的動力反應(yīng)譜分析，可以進(jìn)行鉆遇巖性判斷與鉆探工程驗收等功能。適用于瓦斯抽排孔、水文孔、地質(zhì)探查孔等鉆孔施工過程的巖性與構(gòu)造識別、鉆孔軌跡測量和鉆探過程驗收管理。

圖1 隨鉆測振儀器

2 試驗地點概況

現(xiàn)場試驗地點為王莊煤礦9102工作面，埋深360～552 m，煤層平均厚度6.6 m，共布置運巷、風(fēng)巷、高抽巷三條巷道。運巷長3 423 m，風(fēng)巷長3 364 m，高抽巷長3 282 m。切眼長259 m。工作面整體為下山回采，距9102風(fēng)巷開口處1 410 m存在斷層F317，H=8.5 m、∠40°，距9102運巷開口處2 015 m存在斷層F317，H=8.5 m、∠40°。3號煤層具有爆炸性，屬不易自燃煤層，頂?shù)装鍘r性較好?，F(xiàn)場測試鉆孔為風(fēng)巷高位抽采鉆孔。

3 抽采鉆孔測振試驗數(shù)據(jù)及分析

在9102工作面風(fēng)巷高位抽采鉆孔鉆進(jìn)開展現(xiàn)場探測。本次隨鉆測振實驗為鉆孔隨鉆測振。將測振傳感器固定在鉆桿上送入鉆孔，采用三分量加速度傳感器接收鉆機及鉆頭鉆進(jìn)的振動信號，如圖2所示。試驗中記錄鉆機在停機、空轉(zhuǎn)、正常鉆進(jìn)、倒尺、推送鉆桿、敲擊鉆桿、進(jìn)尺、抽送鉆桿等不同工作狀態(tài)下的時間信息，以便對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析與時深轉(zhuǎn)換。

試驗高位抽采鉆孔隨鉆孔內(nèi)三分量時域振動信號，如圖3，依據(jù)36組監(jiān)測數(shù)據(jù)提取的各時段正常鉆進(jìn)信號如圖4，正常鉆進(jìn)時域信號，如圖5，結(jié)合每次倒尺鉆進(jìn)0.75 m，孔深共27 m。

圖5 正常鉆進(jìn)時域信號

對圖5正常鉆進(jìn)時域信號做能量分析，如圖6，選取敏感的巖性方向Y方向(軸向)。從圖6可以看出，鉆進(jìn)深度12.0～14.0 m，能量都在逐漸變大，然后趨于逐漸平穩(wěn)狀態(tài)，據(jù)此分析在此巖性發(fā)生了很大程度上的改變，在鉆進(jìn)煤層過程中遇到小斷層構(gòu)造煤，巖性發(fā)生了變化，由相對較軟的煤層過渡到堅硬的巖石，振動信號幅度變化較大，導(dǎo)致能量和方差較大；鉆進(jìn)深度19.0～23.0 m，能量較前后在一定程度上逐漸增大，據(jù)此分析由于鉆進(jìn)過程中巖性發(fā)生較大變化(軟煤到硬巖)，振動信號幅度發(fā)生一定程度的增大，導(dǎo)致能量也發(fā)生一定程度的增大，鉆進(jìn)深度23.0～27.0 m，能量較前后在一定程度上逐漸減小，在鉆進(jìn)的過程中從較硬的砂巖中穿過，鉆進(jìn)到較軟的泥巖，振動信號幅度發(fā)生一定程度的減小，導(dǎo)致能量也發(fā)生一定程度的減小。

圖6 鉆進(jìn)信息能量

對鉆進(jìn)信息進(jìn)行時域特征分析得到鉆進(jìn)耗時圖，如圖7。從圖中可以看出，19.0～23.0 m和23.0～27.0 m的深度，耗時相對變長，推測在這兩處巖性都發(fā)生一定程度的變化。圖8為鉆進(jìn)過程中鉆速變化圖，鉆機在鉆進(jìn)時一直保持均勻速度持續(xù)鉆進(jìn)，在12.0～14.0 m位置，煤層中突然遇到小斷層，巖性突然發(fā)生變化，導(dǎo)致鉆速提高。

圖7 耗時

圖8 鉆速

圖9為孔內(nèi)測震三分量頻譜圖，橫軸為鉆進(jìn)深度，縱軸從上到下依次為X、Y、Z三個分量，因為做了文件歸一化，Y分量作為軸向，能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于切割方向X和Z。此時挑選Z分量作為分析分量，從圖中可以看出，Z分量頻譜圖在深度為12.0～14.0 m高低頻成分都有，其中低頻成分為環(huán)境背景和鉆機固有振動頻率； 175～250 Hz和500～600 Hz成分能量很強為鉆進(jìn)巖性的響應(yīng)頻率，在12.0～14.0 m除了兩個主頻響應(yīng)，還存在更高的一些頻率段，例如700～750 Hz和850～900 Hz，鉆進(jìn)時在遇到一些較硬的巖石，會出現(xiàn)許多高頻的信號，由此分析深度為12.0～14.0 m巖性發(fā)生變化。同理也可以看出，在19.0～23.0 m，23.0～27.0 m巖性分別變化的情況。最終可得出結(jié)論：0～12 m為煤層，12.0～14.0 m為煤層內(nèi)的小斷層構(gòu)造，12.0～19 m為煤層，在19.0～23.0 m為煤層向粉砂巖過渡的分層，23.0～27.0 m為粉砂巖向泥巖過渡，分層巖性發(fā)生了明顯的改變。Z分量為鉆頭切割巖石的方向，對鉆進(jìn)巖性變化比較敏感，巖性變化在信號譜上明顯差異，從實際距離來看，孔內(nèi)隨鉆對于控制巖性變化區(qū)域更為準(zhǔn)確，分辨率更高。

4 結(jié) 語

隨鉆測振是通過鉆進(jìn)過程中對鉆桿振動數(shù)據(jù)的監(jiān)測與信號采集，實現(xiàn)對鉆孔巖性和鉆進(jìn)狀態(tài)識別。通過現(xiàn)場試驗，利用方差分析、能量分析、耗時分析、鉆速分析和頻譜分析對鉆孔隨鉆測振數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，試驗結(jié)果與礦井鉆孔巖性柱狀圖吻合，表明隨鉆測振方法能夠有效應(yīng)用于井下抽采鉆孔鉆進(jìn)監(jiān)測，可為超前地質(zhì)預(yù)報及鉆孔管理提供技術(shù)保障。