钻探物探一体化技术在煤矿水害探测中的应用

26 /矿业装备 MINING EQUIPMENT
钻探物探一体化技术在煤矿水害探测中的应用
1 现场测试布置
1.1 地质概述
测试位置于风联巷所在F1导线端钻场F1-4物探孔内进行，首先钻探开始的同时振动钻柱录井勘测技术也开始了；其次，钻探在成孔之后进行了孔内地震法和孔内直流电方法以及孔内电磁瞬变法等诸多物探的方法。

经过测试对比，并同揭露钻探状况加以参考分析，更准确更精细的对前方和钻孔四周结构形成及富水性进行判断。

1.2 振动钻柱录井勘探技术
振动钻柱录井装置作为部分钻杆相接于钻头之后探孔内，使加速三分量传感器对钻机工作的各种状况的振动波信号和钻头钻破煤岩的时候产生的振动波信号进行接收。

因为，对于相同钻机回转的动力运行功率和钻头保持一致，钻头和岩性互为作用，动力的反应谱和岩性的特性紧密关联，根据对钻柱全程振动波谱的记录，能够实现钻岩性与断层破裂带的勘察和探测。

1.3 超前地震探测的技术
本次超前地震探测使用专用探孔地震信号采集系统，信号传感器是灵敏度极高的传感器，它是由PVC 管上固定传感器,将PVC 管送达相应深度的孔壁进行探查其周围和前方异常地质信号。

探孔内传感器布置情况如图1。

□ 张帅帅 山西三元煤业股份有限公司
根据浅表层煤炭日益枯竭，深部煤炭采掘技术日益发展，水害已成为影响和威胁矿井正常生产和安全生产的重大问题。

根据目前数据统计，导致水害的水源大部分是老空水及顶底板水。

导水的通道大部分是陷落柱及断层。

因此，迫切需要对水道及水源进行准确判断。

如今，根据水害选用的探测办法包括物探和钻探以及化探。

本文经由巷道前钻场使用物探、钻探一体化勘探技术对超前测孔进行探测。

对巷道岩层含水性及其地质结构特性进行研究，从而实现对水害的进一步精准勘测。

图1 传感器在探孔内布置情况图
图2 探孔内布置直流电方法的剖面图
制作设计了12各探孔信号传感器进行信号检测，使用PVC 管将其送入不同的孔深。

击锤在孔口的安装位置不便，离探孔1.8 m，击锤次数在39次，12各传感器相距2 m，逐一排列进入，最终达到孔深98 m。

1.4 探孔内直流电方法的技术
探孔内探测直流电方法是在探孔中设置专用电极，在PVC
管上固定双模的电极，在探测时将其送入探孔，其布置分布如图2，布置双模的电极有50道，它们之间的间距为2 m，探测总长度为98 m。

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图3 探孔偏移地震波成像图
图4 探孔内分布的电阻率图
2 物探钻孔结果的分析
2.1 振动钻柱录井
对F1-4探孔进行钻探的过程中，振动钻柱的数据录井能量信号分析，前面地质相对比较稳定，因为受到F22发育断层的影响，出现异常情况主要在探孔后段，探孔深度在56~60 m、65~70 m、73~78 m、90~96 m 的位置能量出现逐渐加大的趋势。

由此推断这些深度的位置发生了变化的岩性，钻探过程为先遇到了软岩心，随后逐渐遇到硬岩心。

当钻探深度在85~89 m 时，信号震动的幅度有所减小，从而使能量减小，其钻探能量比前后减小，根据上述数据可以推断，由岩石较硬的地质结构钻入软煤层或者破碎带是相对容易的。

从探测数据可以看出钻探深度使用的时间，56~60 m、65~70 m、74~78 m、90~96 m 钻探深度用时变长，说明此时遇到的岩石在发生变硬。

85~89 m 深度用时变短，这说明钻探由硬岩石钻进软煤层。

结合资料和录井记录，0~9.5 m 是煤层，在9.5~56 m、60~65 m、70~73 m、78~85 m、89~90 m 是泥岩，在56~60 m 是粉末砂岩，在65~70 m，73~78 m、90~96 m 是砂岩，在85~89 m 是破碎带或者是煤线。

2.2 超前地震探测
通过超前地震探测所获得的探孔口前偏移的地震波成像如3图。

偏移的地震波剖面图能够说明探孔前弹性不同界面位置空间的关系，孔口前面100 m 之内范围，有3处反射的相位，通过与地质材料结合上述3处可以判定：孔口前13~18 m 之间存在异常的r1界面、35~52 m 之间存在异常的r2界面，通过分析认为是F51断层和破碎带的影响或者是钻孔时遇到变化岩层的影响。

孔前75~80 m 之内为异常的r3界面，通过分析认为是F22、F51断层和破碎带的影响以及变化岩性的影响。

2.3 探孔内直流电方法
2.3.1 探孔内测深直流电方法的探测
探孔内直流电方法孔壁探测电阻率如图4。

从图中可以看出有两处高阻区，有三处低阻区，探孔深度在12~16 m、61~71 m、90~98 m 显现为低阻特性，电阻率小于
20 Ω·m，经过分析，这一区域是受变化岩性影响或者
含水局部发育裂隙，具有较弱的富水性。

探孔深度在18~24 m、52~58 m 显现为高阻特性，电阻率大于50 Ω·m，经过分析，这一区域是发育裂隙不含水或者是变化岩性。

2.3.2 探孔中的直流超前电法探测
探孔中的直流超前电法探测主要是探测电阻率，经过探测得知，探孔底部前80 m 的范围之内，整体的电阻率很高，电阻率大于40 Ω·m，在探测区域内存在高阻区和低阻区：在探孔底部前18~25 m 范围内显现为低阻特性，电阻率在40~50 Ω·m，因为受到破碎带和断层F22影响及变化岩性影响，富水性很差，但是局部也有可能具有裂隙的水。

探孔底部前60~70 m 范围内显现高阻特性，电阻率大于130 Ω·m，可能受到破碎带和断层影响及变化岩性的影响。

2.4 探孔中电磁瞬变探测
探孔中电磁瞬变各分量信号，因为一次场原因对探孔附近感应信号的电压造成影响，使电压增高对后面信号产生了压制，这对于信号分析非常不利，所以事先必须将其删除。

在深度25 m、49 m、60 m 处对应电压感应各分量前后表现出明显的突变幅值，在深度36 m、73 m 处对应电压感应分量X、Z 前后表现出突变幅值，在信号分析其变化时，有可能受到发育裂隙与变化岩性影响，突变异常的信号位置在裂隙区域边界或者是岩性的交界区域。

3 结语
通过上述研究与应用取得优势如下：（1）利用物探钻探的相关技术，能够准确的将钻探前方以及周边地域可能含有水道、富水岩层、地质条件异常进行定位。

（2）利用钻探过程使用的振动钻柱技术性录井工艺，能够准确的将钻孔中变化的构造位置与变化的岩层位置进行定位，从而提高了判断钻探结果的质量。

（3）利用钻孔处击锤钻进行接收信号，将地震产生的反射波进行探测的方法，能够判断出探孔周围异常地质准确的位置。

（4）在探孔中使用电磁法能够准确的确定出探孔里的异常构造的地质，使用电磁瞬变数据、探孔内电磁法等方法获得的数据处理后，能够对探孔前方异常地质进行预判。

〔张帅帅（1990—），男，河北省沙河市人〕。