鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司唐家会煤矿 内蒙古自治区鄂尔多斯市 010300
摘要：地球物理测井技术已广泛应用于地面勘探领域，然而对于煤矿井下钻探而言，由于施工目的多样性、设计特殊性、防爆要求、功耗限制、钻场空间狭小等原因，地面测井的多数技术不适于煤矿井下应用。目前只自然伽马、钻孔视频、井斜技术对煤矿井下环境适宜度较高。井下钻孔自然伽玛与视频同步探测系统是基于专利技术研发,专门用于煤矿井下钻孔综合新型采集与分析的新型技术。它能够一次完成视频、自然伽马、测斜数据采集,并结合软件进行数据的同步分析计算,获取钻孔岩性柱状、钻孔轨迹、钻孔结构等多项成果。在井巷开拓及按照探放水规程实施超前钻探过程中出现大量的探放水钻孔涌水现象及常规手段较难解释的地质现象。采用此项新技术的应用对上述现象进行了探测,查明了出水原因及地质异常现象。
关键词：煤矿钻孔；探测；防治水
当前矿井生产普遍受到地下水害威胁,钻探作为防治水工作的必要手段,井下施工了大量的地质防探水钻孔。然而,从当前井下测距技术而言, 这些防探水钻孔一旦发现异常现象, 如钻孔涌水、层位异常等, 往往很难解释其原因。另外, 由于普遍存在的钻孔孔斜现象,实际施工这些钻孔很难达到国家煤矿防治水规程要求,层位判断更是无从谈起。如某矿井在井巷开拓及按照探放水规程实施超前钻探过程中出现井巷与钻孔涌水现象,矿井最大涌水量达200m3/h,根据要求必须查明水源,矿井施工由此被迫停止,生产计划受到严重影响。为查明出水钻孔情况,进而查明矿井涌水原因,采用了“井下钻孔自然伽玛与视频探测系统”这一新型技术对探放水钻孔进行了探测。该探测系统同时了采集钻孔视频、自然伽玛测井曲线及孔斜资料, 查明钻孔的实际轨迹、钻孔揭露层位及出水点的特征等情况,这就为进一步的防治水工作提供了依据。
一、测井技术原理
“井下钻孔自然伽玛与视频探测系统”的基本原理为:视频采集技术与一种测井技术相结合,即在可视化条件下结合物探自然伽玛测井曲线,进行同步探测,同时具备孔斜测量功能,测量钻孔的孔斜数据。结合专门分析软件, 在井上实现视频与测井曲线的同步分析。可以有效获取分层岩性、厚度、岩层软硬程度、岩石孔隙、裂隙、出水点特征、顶板离层情况、断层及钻孔方位、倾角等信息。这些都是地质、防治水、井巷工程设计与施工极具价值的基础技术资料。
二、伽马测量原理
地层的自然放射性是由岩石中所含的铀(88U238 )、钍(90Th232)及其衰变产物和钾( K) 的放射性同位素10K40等放射性核素引起的。岩石中的自然放射性主要取决于铀、钍和钾的贡献。这些放射性核素在衰变过程中能发射α粒子、β 粒子和γ射线。α粒子和β粒子的穿透能力很差，在岩石中穿透距离均不超过1 cm。γ射线穿透能力很强，在岩石中穿透距离可达30cm，因而γ射线可以被应用于测井。不同岩石中放射性元素的种类和含量是不同的，其与岩性种类及其形成过程中的地层沉积环境有关。岩石按成因分为3大类:岩浆岩、变质岩、沉积岩。一般情况下，岩浆岩放射性较强，变质岩次之，沉积岩放射性最弱。沉积岩放射性强弱主要取决于泥质含量，泥质含量多的岩石放射性就强。正是由于不同地层具有不同的自然放射性，因而可以根据伽马测井曲线划分岩层性质、进行地层对比等。若采用开窗型γ射线屏蔽材料对闪烁晶体包裹，使其只接收开窗方向来的γ射线，而其他方向的γ射线被屏蔽，这种只接收特定方向γ射线的测量方法，即方位自然伽马测量。
三、钻孔探测应用情况
如在某矿总运输大巷探水施工2#钻孔在钻至65m时遇水,涌水量大约6m3/h。此时发现涌水携带物有煤屑和似黄泥等稞粒物, 怀疑前方有在矿区西侧原富景煤矿的旧巷,为探明情况,在出水点两侧共打探放水钻孔12个,其中有10个钻孔出水,总运输大巷左侧钻孔施工结束后,孔口管上压力表,水压为0.175 MPa,以前没有正常排水,10日后,每日大约排水1400m3,水压降至0.14 MPa。共排水约15000m3。经研究决定要求增加排水能力,继续打放水钻孔11个。根据探放水孔的设计、钻探过程出水情况及部分钻孔由于施工时间长发生塌孔等情况,仪器探测共计实施了6个钻孔的测试。以8#孔为例, 说明获取的数据及分析结果如下所示。
1、异常点视频截图8#钻孔共计视频数据显示,有4处异常点(如图)。
2、岩性柱状及孔斜。通过曲线和视频综合分析, 钻孔岩性揭露情况。钻孔开孔方位投影轨迹剖面, 通过孔斜分析,钻孔总体先向上偏离设计位置,最大偏移量在1.2m,终孔孔斜度接近水平。
3、结果分析，综合以上探测数据, 分析结果如下:综合钻孔测斜、岩层产状及视频分析,钻孔在10-13m处进入顶板K2灰岩。钻孔在水平方向偏移范围在341°至15°之间, 垂直方向倾角变化在-3.9°至9.5°之间,最大垂直偏移距离为0.84m(相对水平面);钻孔垂直方向轨迹先向上倾斜,在33m处达到高点,其后向下倾斜,最终在终孔深度63m处进入K2灰岩约4.73m。可能的出水点、涌水通道有4处,分别位于:9.4m至11m之间、60.5m、61.6m和64m处,为张性裂隙特征,终孔附近三处的裂隙宽度在30mm～70mm之间。涌水量变化:由钻孔在11m之前,涌水量小于10m3/h,在视频中流水部分只占总截面积的1/3,其后增大至满孔径,说明水在11m之前的裂隙处渗漏。真正大的出水点应该在终孔处的三个裂隙。临近的9#探水孔关闭阀门后10#、11#孔涌水量陡增,也说明9～11m附近有良好的导水通道。初始钻孔发生涌水时,钻孔水中带有黄泥及黄泥岩石碎屑的现象, 可以在视频中观测到的60.4～62.3m之间的三处裂隙表面附着有黄色泥质充填物得到解释。
4、综合探测分析结果。通过对钻孔探测分析,对当前矿井涌水情况形成分析结论如下:1）涌水原因。在总运输大巷正前方10～15 m处顶板K2灰岩发育有一处含水裂隙带或破碎带,5#、6#、9#探水孔在12m左右出水是由于钻孔进入顶板揭露该破碎带或裂隙带所致,且裂隙带或破碎带的导通性良好。8#、10#、11#钻孔亦曾揭露该位。基本可以排除落差大于1m的断层出水及陷落柱出水的可能。
2）涌水量。通过对总运输大巷探放水孔涌水量观测,总运输大巷左侧钻孔施工结束后,孔口管上压力表,水压为0.175MPa,以前没有正常排水,10日后,每日大约排水1400m3,水压降至0.14MPa,目前更是降至0.01MPa以下。并且总体涌水量在显著减小,如总运输大巷与总轨道大巷联络巷中顶板淋水最初出水量大,目前已经无水。以上说明此局部区域的K2灰岩有局部
富水现象,但没有大的补给来源,涌水量有望持续减小甚或被疏干。
结束语
通过多次试验证明“井下钻孔自然伽玛与视频探测系统”可以有效获取分层岩性、厚度、岩层软硬程度、岩石孔隙、裂隙、出水点特征、顶板离层情况、断层及钻孔方位、倾角等信息,对地质、防治水、井巷工程设计与施工都是极具价值的基础技术资料。在地质防治水工作中该系统取得了良好的使用效果,成功解决了多项地质、探放水方面的问题。可以说该技术对于井下探放水钻孔中揭露的地质现象,具有“拨云见日”的效果。
参考文献：
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［3］刘大恒,浅谈煤矿井下无缆测井系统的改进及应用探讨[J], 工业技术,2016，(14).
论文作者:张自胜
论文发表刊物:《基层建设》2017年第33期
论文发表时间:2018/2/26
标签：钻孔论文; 井下论文; 裂隙论文; 放射性论文; 水量论文; 岩石论文; 地质论文; 《基层建设》2017年第33期论文;