趙劍

【摘 要】 為實現(xiàn)煤礦井下水害的有效預防，文章提出將鉆探物探一體化技術(shù)應(yīng)用到掘進巷道超前探測中，通過鉆探、鉆柱振動錄井技術(shù)、孔中瞬變電磁法、孔中電法等技術(shù)有效結(jié)合，實現(xiàn)煤礦水害有效探測。對鉆探物探一體化技術(shù)原理進行闡述，并以90603回風巷超前探測為工程實例，對鉆探物探一體化技術(shù)應(yīng)用情況進行探討。結(jié)果表明，鉆探物探一體化技術(shù)可實現(xiàn)鉆孔軌跡、鉆進煤巖層情況確定，可對鉆孔周邊富水區(qū)以及導水構(gòu)造等有效探測，探測成果可為巷道防治水工作開展提供指導。

【關(guān)鍵詞】 水害防治;鉆探物探一體化技術(shù);地質(zhì)構(gòu)造;富水區(qū)

【中圖分類號】 TD745 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）04-0010-03

水災(zāi)一直是影響煤礦安全高效開采的重要問題。根據(jù)已有統(tǒng)計資料顯示，礦井出現(xiàn)突水事故水源主要為頂?shù)装逅⒉煽諈^(qū)積水等，其中水力聯(lián)系通道多為陷落柱、斷層等地質(zhì)構(gòu)造，因此對涌水水源以及水力聯(lián)系通道探測對提高煤炭安全生產(chǎn)保障能力具有重要意義?，F(xiàn)階段煤礦常用的水害探測技術(shù)有物探、鉆探兩類。鉆探可細分為定向長鉆孔、常規(guī)探測鉆孔以及地面探測鉆孔等類型;物探根據(jù)探測原理可細分為地震類、電磁法類、紅外探測、電磁輻射探測等類型，其中煤礦應(yīng)用最為廣泛的物探技術(shù)為礦井地震法、瞬變電磁法以及直流電法等。上述各種物探方式均有其各種特點，在地質(zhì)條件復雜情況下往往采取一種探測方法難以實現(xiàn)水害的精準探測。鉆探物探一體化技術(shù)綜合鉆探、物探特點，可實現(xiàn)一孔多用，提升水害鉆探工程探測精度以及探測范圍，對提高煤礦井下水害探測效率具有一定的促進作用。

1 工程概況

山西某礦90603綜采工作面開采9#煤層，煤層埋深530m、厚度3.68m、傾角7°，采面設(shè)計走向、傾向長度分別為1980m、246m。90603工作面回采巷道尚處于掘進階段，其中回風巷已掘進205m、運輸巷掘進36m，回風巷與鄰近的90601采空區(qū)間留設(shè)有20m護巷煤柱。具體采面位置關(guān)系見圖1所示。

2 鉆探物探一體化技術(shù)原理

鉆探物探一體化技術(shù)涉及到鉆探、鉆柱振動錄井技術(shù)、孔中瞬變電磁法及孔中電法等技術(shù)。

2.1 鉆柱振動錄井技術(shù)

鉆柱振動錄井技術(shù)是在靠近鉆頭位置的鉆桿上布置振動傳感器對鉆孔鉆探設(shè)備振動情況進行實時監(jiān)測。振動傳感器獲取到的振動信號主要來源于鉆頭，并將振動監(jiān)測數(shù)據(jù)在存儲器中存儲。振動數(shù)據(jù)采用隨鉆測震儀分析，該設(shè)備具有鉆孔軌跡測量、隨鉆三分量振動測量功能，通過分析巖層、鉆頭間的動力反應(yīng)譜實現(xiàn)前方構(gòu)造探測。

2.2 孔中瞬變電磁法

孔中瞬變電磁法是鉆孔、巷道以及瞬變電磁法相結(jié)合的探測技術(shù)，探測原理與井下瞬變電磁法一致。在巷道內(nèi)使用發(fā)射線圈實現(xiàn)瞬變電磁場源激發(fā)，在探測鉆孔內(nèi)通過電磁傳感器（接收線圈）獲取不同孔深感應(yīng)電壓信號，從而實現(xiàn)鉆孔外激發(fā)、鉆孔內(nèi)探測。具體探測示意圖見圖2。

2.3 孔中電法

孔中電法探測使用到的探測系數(shù)為YZD11槽波地震電法系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有探測靈敏度高的優(yōu)點，可在鉆孔中進行高密度電法探測、孔底進行超前探測。具體探測方法為：將雙模電極固定到特制的PVC管內(nèi)，電極通過銅絲與煤壁耦合，電極極距為2.5m，現(xiàn)場共計布置32道;現(xiàn)場探測時可通過移動PVC管實現(xiàn)孔內(nèi)全覆蓋測量，具體鉆孔內(nèi)電法電極裝置布置情況見圖3所示。

3 鉆探物探一體化技術(shù)探測成果分析

為了精準探測90603回風巷掘進前方水文地質(zhì)情況，確保巷道安全掘進，決定在巷道掘進迎頭位置進行鉆探物探一體化探測。探測可細分為鉆探中以及鉆探后兩個階段，各個階段采取不同的探測方法，具體為：

鉆探中采用鉆柱振動錄井技術(shù)確定鉆孔探測軌跡，測試鉆孔鉆進至不同巖層時的地震屬性，以便對鉆探過程進行全程管控;

鉆探施工完成后，使用孔中瞬變電磁法、孔中電法等物探技術(shù)詳細探測鉆孔圍巖巖性、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況以及富水情況。

鉆探鉆孔布置在90603回風巷掘進迎頭位置，主要對鉆孔周邊及前方巖體裂隙發(fā)育情況、巖性變化、地質(zhì)構(gòu)造及富水性等進行探測。在探測鉆孔施工過程中同步進行鉆柱振動錄井，其次在鉆孔施工完成后依次進行孔中瞬變電磁法以及孔中電法探測。在掘進迎頭布置的鉆孔垂直煤壁施工，鉆孔孔深75m、孔徑113mm、仰角9°。

3.1鉆柱振動結(jié)果

采用方差分析對鉆孔不同鉆進狀態(tài)下的振動錄井數(shù)據(jù)進行分析。鉆機在停機、加鉆桿等工況下振動傳感器獲取到的振動信號較小、振動數(shù)據(jù)方差較小;鉆機正常鉆進過程中振動信號較強、振動數(shù)據(jù)方差大。結(jié)合正常鉆進時間、方差值等剔除停機、加鉆桿等振動數(shù)據(jù)得到鉆孔鉆進過程中振動數(shù)據(jù)分析圖，具體見圖4所示。

從圖中看出，鉆孔在鉆進初期地質(zhì)條件較為穩(wěn)定，地質(zhì)條件出現(xiàn)較大變化區(qū)間主要集中在鉆孔鉆進后期，具體鉆孔在12.1～12.4m、58.0～58.3m、67.5～68.2m范圍內(nèi)存在振動數(shù)據(jù)異常區(qū)。結(jié)合鉆孔排渣及其他鉆進數(shù)據(jù)分析，判定上述振動數(shù)據(jù)異常區(qū)為煤層中的裂隙帶。

3.2 孔中瞬變電磁法探測結(jié)果

具體孔中瞬變電磁法探測結(jié)果見圖5所示。從圖中看出，在鉆探鉆孔周邊0～17m范圍內(nèi)，圍巖中視電阻率整體較高，同時視電阻率等值線變化較為平緩，未有明顯的異常區(qū);在探測鉆孔周邊17～30m范圍內(nèi)，雖然視電阻率等值線變化較為明顯，但是無顯著的低阻異常區(qū)。

3.3 孔中電法探測結(jié)果

具體鉆孔獲取到的孔中電法探測結(jié)果見圖6所示?？字须姺ㄌ綔y距離為110m，從圖中看出，探測范圍煤巖體視電阻率均在20Ω·m以上，同時不存在有視電阻突變區(qū)，表明探測范圍內(nèi)煤巖體富水性較弱，同時無明顯的導水構(gòu)造存在。

3.4 綜合應(yīng)用結(jié)果分析

在90603回風巷掘進迎頭采用鉆探物探一體化技術(shù)進行探測，在探測鉆孔鉆進過程中排水、返水始終正常，未揭露有明顯的地質(zhì)構(gòu)造;鉆柱振動錄井技術(shù)應(yīng)用顯示，鉆孔鉆進至12.1～12.4m、58.0～58.3m、67.5～68.2m范圍內(nèi)煤體裂隙較為發(fā)育;孔中瞬變電磁法及孔中電法探測結(jié)果均顯示探測鉆孔周邊無視電阻突變區(qū)以及低阻異常區(qū)，表明探測鉆孔周邊無明顯的富水區(qū)以及地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)。

90603回風巷施工的其他探測鉆孔均未探測到地質(zhì)構(gòu)造，同時鉆孔未有涌水情況發(fā)生。巷道正常掘進過程中頂板未有淋水，表明鉆探物探一體化技術(shù)探測結(jié)果精準度較高。

4 總結(jié)

采用鉆探物探一體化技術(shù)對掘進巷道前方潛在的富水區(qū)域、地質(zhì)構(gòu)造等進行探測，以便確保巷道掘進安全，降低水害影響;并對鉆探物探一體化技術(shù)原理、布置情況進行分析。

采用鉆柱振動錄井技術(shù)并結(jié)合鉆孔排渣、返水情況可實現(xiàn)鉆孔鉆進軌跡、鉆進煤巖層巖性變化以及探測揭露的地質(zhì)構(gòu)造探測;采用孔中瞬變電磁法可實現(xiàn)鉆孔周邊富水異常體位置的圈定，同時結(jié)合孔中電法可對地質(zhì)異常體類型、位置精準判定。

采用鉆探物探一體化技術(shù)后，未探測到90603回風巷周邊存在富水體以及導水構(gòu)造，巷道掘進不會出現(xiàn)淋水或者異常涌出事故。

【參考文獻】

[1]李彤.新景礦鉆探物探一體化超前探查技術(shù)應(yīng)用[J].山西煤炭，2021，41（1）：88-96.

[2]李賽玉.龍馭礦8102工作面防治水工作評價與措施研究[J].中國礦山工程，2020，49（4）：83-86.

[3]王鵬霏.基于瞬變電磁法小窯物探參數(shù)試驗分析[J].中國礦山工程，2019，48（6）：66-67，70.

[4]張帥帥.鉆探物探一體化技術(shù)在煤礦水害探測中的應(yīng)用[J].礦業(yè)裝備，2019（6）：26-27.

[5]胡榮杰.錢營孜煤礦過F22斷層超前精細探查及注漿治理工程[J].能源技術(shù)與管理，2016，41（6）：103-106.

[6]牛亮紅.物探與鉆探相結(jié)合在恒寶源煤業(yè)巷道超前探測中的應(yīng)用[J].同煤科技，2019（2）：29-31.

[7]牛亮紅.綜合物探與鉆探在增子坊礦超前探水中的應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2017（11）：136-138.

[8]李純陽，劉惠洲，劉金鎖，等.鉆探物探一體化方法在礦井水害精細探測中的應(yīng)用[J].中國煤炭地質(zhì)，2019，31（4）：80-84.