井下電視在采空區(qū)專項勘察中的應用

溫孝林 昝崇信 牛蘇杰 高 磊 周陽權(quán)

(1.西北綜合勘察設計研究院，陜西西安 710003;2.東華理工大學，江西 南昌 330000)

0 引言

井下電視成像技術是國外20世紀90年代開發(fā)并成功應用于油水井故障檢測的一項新技術［2］。目前在國外主要應用于水文地質(zhì)勘察，邊坡中確定潛在滑動面等方面［3，4］，而國內(nèi)的應用主要集中在水文地質(zhì)勘察和石油勘探等方面的鉆孔事故處理中。在工程地質(zhì)勘察中，鉆探是一種比較成熟的勘察手段，但其受地質(zhì)條件復雜性的影響，勘測資料的精度還不高［5］。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市土地資源也日益緊缺，工程勘察所面臨的場地也越來越復雜，傳統(tǒng)的鉆探手段不能直觀的了解鉆孔內(nèi)復雜的地質(zhì)情況。井下電視具有觀測密度大、成果直觀、方法簡便、數(shù)據(jù)量大的特點，有效信息大量增加，信息反演更易接近于目標，所提供的圖像是地質(zhì)體的直觀顯示［6］，其可以在一定條件下直觀的了解鉆孔內(nèi)地層、結(jié)構(gòu)及巖體的整體情況。

1 原理及設備參數(shù)

1.1 原理

井下電視成像系統(tǒng)是現(xiàn)在應用較廣的測井技術。該技術工作是利用了光學成像原理，將井下孔壁的地層情況反映到地面顯示終端，在施工過程中即可獲得圖像成果。利用電纜把攝像頭下入井內(nèi)，攝像頭在后置光源的照射下采集信號，然后將信號進行光電轉(zhuǎn)換，通過電纜與地面的顯示設備相連接，把井內(nèi)的情況在顯示器上顯示出來。測井時，在防水承壓艙里裝進攝像頭和帶有自動調(diào)節(jié)光圈的廣角鏡頭，然后放入需監(jiān)測的孔內(nèi)，通過電纜把拍攝到的孔壁四周及下部的全景圖像傳送到地面監(jiān)視器顯示，監(jiān)測人員就可實時觀看孔壁四周的圖像，同時由錄像機記錄下整個檢測過程的圖像［7］。通過對錄像資料的分析可對鉆孔內(nèi)的異常情況及地質(zhì)構(gòu)造的深度、特征做清晰的了解。

1.2 設備參數(shù)

工程運用天津潤博生產(chǎn)的SJ-2B型全向式井下彩色電視系統(tǒng)，其主要參數(shù)見表1。

表1 設備參數(shù)表

2 工程背景

2.1 工程概況

擬建場地位于榆林市榆陽區(qū)富康東路與金沙路交叉口的西南角，場地東西向長約63 m～88 m，南北向?qū)捈s49 m。經(jīng)走訪調(diào)查，擬建場地附近煤層分別為3號煤層和3號上煤層，厚度較薄，分別為1.0 m和0.6 m，場地附近存在的三處煤礦，均對3號煤層(對應場地相對標高1 030 m)進行了大面積的開采，距場地較近的人民煤礦對3號上煤層(對應場地相對標高1 062 m)進行了局部開采。附近的三處煤礦均已廢棄十年以上，無資料可查。

2.2 區(qū)域地層

2.3 鉆探

在充分調(diào)查結(jié)合工程物探基礎上，在采空區(qū)可能分布范圍內(nèi)布置鉆孔6個。鉆探過程中，在3上煤層附近ZK1號和ZK2號鉆孔未見掉鉆，也未取到巖芯，ZK3號和ZK5號鉆孔可見完整煤層，ZK4號和ZK6號鉆孔則出現(xiàn)30 cm左右的掉鉆現(xiàn)象;在3號煤層附近除ZK2號鉆孔為完整煤層外，其余各孔均有掉鉆或鉆探進尺明顯加快的現(xiàn)象。鉆探并未揭露采空區(qū)冒落帶和導水裂隙帶界線。根據(jù)前期的工程調(diào)查和物探成果，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)鉆探情況，擬建場地采空區(qū)的導水帶裂隙帶的界線尚未清楚;3號上煤層是否存在采空區(qū)，ZK4號和ZK6號鉆孔的掉鉆現(xiàn)象是否為下部采空區(qū)頂板塌陷后沿水平層理拉張性裂隙;鉆探結(jié)果一定程度可以說明場地采空問題。但是其亦有一定誤差，其采空區(qū)空間分布特征與采空區(qū)充填情況尚不夠準確。在此背景下，選用井下電視這一直觀可靠的手段解決尚未明確的問題。

3 成果分析

利用井下電視取得的結(jié)果結(jié)合鉆探情況對成果進行分析。

3.1 巖體破碎帶

根據(jù)井下電視結(jié)果可以看出在強風化及中等風化基巖中，巖體巖層面附近出現(xiàn)環(huán)狀裂隙，其沿豎直向厚度相對較厚，一般在20 cm～30 cm，局部伴有塌孔現(xiàn)象。在微風化基巖中巖體破碎帶沿豎直向一般為1 cm～3 cm，孔壁完整性也相對較好，如圖1，圖2所示。

圖1 ZK1號鉆孔巖體破碎帶，屬中風化砂巖夾泥巖

圖2 ZK2號鉆孔巖體破碎帶，屬微風化泥巖夾砂巖

3.2 冒落帶界線

冒落帶高度首先與煤層開采厚度、開采面積及煤層頂板巖性有直接關系，其次與采煤方法、保安煤柱位置、大小及地質(zhì)構(gòu)造有關。煤層開采厚度大、開采范圍大、頂板抗壓巖性抗拉、抗剪強度小，冒落帶就厚。反之，就相對較薄［8］。采空區(qū)上部的基巖往往由于自身重力作用，造成其內(nèi)部應力局部集中，移動變形增大，當所受應力超過自身強度后，就會沿裂隙或?qū)永砻娉霈F(xiàn)垮落和松脫現(xiàn)象。由ZK5號井下電視成果不難看出(見圖3，圖4)，由于下部煤層采空區(qū)，上部基巖頂板出現(xiàn)冒落，冒落巖塊與巖體出現(xiàn)張性拉裂隙，并有錯動跡象，其厚度約為1.3 m(相應標高為1 030.3 m)。

圖3 ZK5號3煤層采空區(qū)冒落帶層面（一）

圖4 ZK5號3煤層采空區(qū)冒落帶層面（二）

3.3 導水裂隙帶界線

導水裂隙帶位于采空區(qū)冒落帶上部，由于采空作用，其內(nèi)部應力集中，形成裂隙，尚未垮落。砂泥巖中一般裂隙均為水平層狀裂隙，當受力破壞時，可形成豎向和斜向裂隙。

ZK1號和ZK2號鉆孔在煤層附近未取到巖芯，由圖5和圖6可以看出，3上煤層可見垂直向拉張裂隙，并未采空，該裂隙為3號煤層導水裂隙帶頂面界線，由圖7和圖8可見導水裂隙帶中巖體的斜角和層狀裂隙。計算可知3號煤層采空區(qū)導水裂隙帶厚度為30.8(相應標高為1 062.1 m)。

3.4 采空區(qū)空間特征

采空區(qū)勘察工作中獲得采空區(qū)空間特征的主要方法為鉆探，通過鉆探進尺的快慢、掉鉆與否、通過鉆進各地層所得的巖芯以及泥漿的返漿情況來綜合判斷采空區(qū)的形態(tài)及充填情況。與其相比井下電視則直觀準確，誤差小。從圖9可以看出3上煤層，煤質(zhì)較好，呈塊狀結(jié)構(gòu)，其厚度為52 cm，圖10為ZK4號鉆孔3上采空區(qū)充填物，含煤屑，其厚度為60 cm，圖11中ZK4號鉆孔3號煤層充填物，含煤屑較多，厚度為90 cm，圖12中ZK5號鉆孔3號煤層采空區(qū)，下部煤層已被采空未見任何填充物。

圖5 ZK1號3號煤層采空區(qū)導水裂隙帶頂界

圖6 ZK2號3號煤層采空區(qū)導水裂隙帶頂界

圖7 ZK4號3號煤層采空區(qū)導水裂隙帶裂隙

圖8 ZK5號3號煤層采空區(qū)導水裂隙帶裂隙

圖9 ZK3號鉆孔3上煤層

圖10 ZK4號鉆孔3上采空區(qū)充填物

圖11 ZK4號鉆孔3號煤層充填物

圖12 ZK5號鉆孔3號煤層采空區(qū)

4 結(jié)論

1)依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》對擬建場地3號上煤層采空區(qū)冒落帶計算高度為2.2 m～6.6 m。

對擬建場地3號煤層采空區(qū)的導水裂隙帶計算高度為13.6 m ～24.8 m。

其中，M為煤層厚度。

顯然在該區(qū)薄煤層確定冒落帶厚度時，依據(jù)經(jīng)驗公式計算的結(jié)果有偏大或偏小的情況，故在實際應對時應對計算結(jié)果做適當修正。

2)在該場地中先行運用了物探手段進行大面積的普探，在未達到預期的效果后運用鉆探手段進行定點驗證，在沒有準確的了解采空區(qū)的分布特征時，進一步采用了井下電視方法對采空區(qū)的空間特征進行勘察，為下一步采空區(qū)穩(wěn)定性計算提供了有力支持。在復雜的地質(zhì)條件下，傳統(tǒng)的勘察手段或多或少會顯現(xiàn)出一定不足，這就要求技術人員開拓思維，嘗試新的方法手段，來彌補傳統(tǒng)手段所帶來的不足。

5 存在不足

1)由于采空區(qū)廢棄年代久遠，采空區(qū)上下含水層由導水裂隙帶貫通，在井下電視施工過程中，采空區(qū)內(nèi)水流由下部向上補給，導致下部采空區(qū)內(nèi)沉淀物沿鉆孔向上涌動，使得鉆孔內(nèi)漿液較為渾濁，導致ZK1號、ZK2號、ZK3號和ZK6號地下水位以下未錄制較清晰的圖像。2)井下電視由于其本身設計特點不能確定ZK1號和ZK2號鉆孔內(nèi)豎向裂隙的走向，亦不能確定ZK1號和ZK2號鉆孔內(nèi)的豎向裂隙為同一條或分屬兩條，以及其在場地內(nèi)的延伸方向。3)擬建場地3號上煤層較薄，沒有發(fā)現(xiàn)其明顯的冒落帶及導水裂隙帶頂面界線，只能通過經(jīng)驗公式計算。

［1］朱 璐.井下彩色電視探測技術及其應用［J］.巖土工程界，2010，11(1):65-67.

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［8］陳 震，周合群，張 杰.井下電視探測技術在焦作采空區(qū)探測中的應用［J］.河南科技，2009(12):53-54.