鉆孔測(cè)井分析技術(shù)在隱伏構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用

許 敏，單紅民，馬慶勛

(1.陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司，陜西 銅川 727000；2.陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司柴家溝煤礦，陜西銅川 727200；3.西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

陜煤銅川礦業(yè)有限公司柴家溝煤礦位于銅川市太安鎮(zhèn)境內(nèi)，井田為一寬緩向斜，軸向東北，煤層傾角一般為3°～10°，未見(jiàn)火成巖及斷層，構(gòu)造條件簡(jiǎn)單，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜度為Ⅰ類，目前主采煤層為4-2煤。然而，在該礦開采42223工作面時(shí)，受到工作面內(nèi)部沿工作面走向延伸的小角度正斷層影響，頂?shù)装邋e(cuò)動(dòng)、煤層厚度異常變化致使回采面出現(xiàn)一半以上的巖石、半巖石斷面，嚴(yán)重影響了回采推進(jìn)進(jìn)度、煤質(zhì)及安全。

42224工作面與42223工作面緊鄰，同樣處于“秋溝向斜”軸部構(gòu)造區(qū)，在巷道掘進(jìn)時(shí)揭露了4條小斷層，工作面槽波物探亦解釋出2條隱伏斷層，鑒于這些斷層空間關(guān)聯(lián)關(guān)系、在工作面內(nèi)部的落差變化、延伸長(zhǎng)度處于不確定狀態(tài)，亦有可能嚴(yán)重影響工作面的推進(jìn)、安全與回采煤質(zhì)，須采取必要的技術(shù)手段予以查明，為工作面回采方案合理調(diào)整、合理安排生產(chǎn)計(jì)劃提供技術(shù)依據(jù)。

受限于現(xiàn)有的技術(shù)條件，如何高效查明上述問(wèn)題，是礦井地質(zhì)工作者面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為此，集團(tuán)公司科技中心設(shè)立了專項(xiàng)課題進(jìn)行研究，采用井下鉆探與最新的礦用鉆孔測(cè)井與數(shù)據(jù)分析技術(shù)，成功解決了柴家溝煤礦回采工作面隱伏構(gòu)造探測(cè)問(wèn)題。

1 槽波物探情況

2017年12月，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司對(duì)柴家溝礦42224工作面進(jìn)行了槽波地震勘探，根據(jù)成果報(bào)告新發(fā)現(xiàn)CF1、CF2等2條斷層，如圖1所示。

圖1 42224工作面槽波地震勘探異常區(qū)(局部)

根據(jù)槽波勘探報(bào)告，CF1斷層為走向NE，落差小于1/2煤厚，位于42224運(yùn)輸巷順槽780～970 m之間，距離42224回風(fēng)順槽50 m，該斷層在工作面內(nèi)延伸長(zhǎng)度約180 m。在CACT成像反映明顯，為較可靠斷層。CF2斷層為走向E，落差小于1/2煤厚，位于42224運(yùn)輸巷順槽680～780 m之間，該斷層在工作面內(nèi)延伸約120 m。在CACT成像反映明顯，為較可靠斷層。

驗(yàn)證查明物探異常區(qū)的這2條斷層及煤層賦存情況，以利于該工作面回采設(shè)計(jì)方案的及時(shí)調(diào)整，減少地質(zhì)條件未能準(zhǔn)確查明對(duì)生產(chǎn)造成的影響，是本次探測(cè)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

2 探測(cè)方法與技術(shù)原理

針對(duì)上述柴家溝煤礦42224工作面進(jìn)行了槽波地震勘探發(fā)現(xiàn)的槽波地震勘探異常區(qū)，采用了井下鉆探與井下鉆孔綜合測(cè)井分析技術(shù)進(jìn)行了探測(cè)分析。礦用鉆孔測(cè)井分析儀是一種專門為井下鉆探研制的鉆孔綜合測(cè)井技術(shù)，它能夠在煤礦井下一次快速完成視頻、自然伽馬、軌跡(方位角、傾角)數(shù)據(jù)采集工作，地面處理軟件可以進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)導(dǎo)出鉆孔軌跡平面圖、鉆孔軌跡剖面圖、視頻巖心圖等成果，很好地解決了鉆探成果的分析難題。

2.1 探測(cè)鉆孔設(shè)計(jì)施工方案

根據(jù)42224工作面槽波地震探測(cè)的異常區(qū)分布，對(duì)應(yīng)異常區(qū)的范圍，劃分異常區(qū)為3個(gè)，分別編號(hào)為1#、2#、3#異常區(qū)，對(duì)應(yīng)鉆場(chǎng)編號(hào)為1#、2#、3#鉆場(chǎng)，在每個(gè)鉆場(chǎng)分步實(shí)施。鉆探工程布置情況如圖2所示。

圖2 CF1、CF2斷層井下鉆探工程布置設(shè)計(jì)圖

在各鉆場(chǎng)施工圖2所示的鉆孔：各鉆場(chǎng)鉆孔垂直巷道扇形布置，沿煤層向運(yùn)輸巷方向鉆探，3#鉆孔布置4個(gè)鉆孔，1#、2#鉆場(chǎng)分別施工3個(gè)鉆孔，驗(yàn)證槽波地震勘探異常區(qū)存在與否、控制異常區(qū)邊界。鉆探過(guò)程若遇巖石繼續(xù)鉆進(jìn)，穿過(guò)巖層進(jìn)入煤層，遇見(jiàn)煤層頂?shù)装搴罂梢岳^續(xù)鉆進(jìn)，直至進(jìn)入穩(wěn)定煤層后停止，多數(shù)鉆孔橫穿工作面至工作面運(yùn)輸巷。

在每個(gè)鉆孔施工完畢后，立即使用“礦用鉆孔測(cè)井分析儀”進(jìn)行探測(cè)分析，通過(guò)鉆孔軌跡、鉆探層位分析，提交初步分析成果，制定下一步實(shí)施方案。

2.2 鉆孔綜合測(cè)井與數(shù)據(jù)分析技術(shù)原理

YCJ90/360型“礦井鉆孔測(cè)井分析儀”是一項(xiàng)能夠進(jìn)行井下鉆孔綜合測(cè)井與數(shù)據(jù)分析的技術(shù)，圖3為礦用鉆孔測(cè)井分析儀工作原理。它由西安瑞泰電氣有限公司與西安科技大學(xué)聯(lián)合研制，總體結(jié)構(gòu)由探頭、控制箱、數(shù)據(jù)傳輸模塊、分析軟件、專用探頭推桿5部分構(gòu)成。其中，探頭由視頻采集模塊、自然伽瑪模塊、孔斜測(cè)量模塊構(gòu)成，在井下現(xiàn)場(chǎng)一次可以采集高分辨率視頻、自然伽瑪數(shù)據(jù)、孔斜方位角與傾斜角、鉆孔深度數(shù)據(jù)[1-2]。該技術(shù)經(jīng)中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)技術(shù)鑒定達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，并獲得陜西省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，2017年6月被中華人民共和國(guó)科學(xué)技術(shù)部、國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局聯(lián)合認(rèn)定為安全生產(chǎn)先進(jìn)性適用性技術(shù)。

圖3 礦用鉆孔測(cè)井分析儀工作原理

該技術(shù)采用自然伽瑪測(cè)井曲線與視頻同步數(shù)據(jù)分析，來(lái)判讀巖性與分層，彌補(bǔ)了單一曲線分析巖性的不足，即按照同一深度上的視頻、曲線數(shù)據(jù)相互印證判斷巖層巖性；軟件能夠繪制鉆孔巖性柱狀、鉆孔平面圖及地質(zhì)剖面圖；視頻能夠分析鉆孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如巖層軟硬程度、巖石孔隙、裂隙發(fā)育情況、出水點(diǎn)、頂板離層情況及斷層等，各種圖形可以CAD或圖片輸出[3-6]。

3 探測(cè)數(shù)據(jù)成果分析

由于工作面寬度較窄，上下巷地質(zhì)素描與測(cè)量的高程控制能夠較為準(zhǔn)確地反映煤層產(chǎn)狀的變化，故可以在鉆孔軌跡分析時(shí)將煤層底板等高線的變化作為預(yù)測(cè)地質(zhì)體變化、對(duì)比產(chǎn)狀異常的初步依據(jù)?，F(xiàn)以2#異常區(qū)探測(cè)成果分析為例，對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用情況予以說(shuō)明。

3.1 鉆探施工與測(cè)井情況

由于該異常區(qū)條件復(fù)雜，實(shí)際施工鉆孔11個(gè)，其平面布置情況平面圖如圖4所示，圖中紅色粗線為鉆孔實(shí)測(cè)的軌跡，黑色的虛線為按照鉆探開孔方向與深度標(biāo)注的鉆孔實(shí)際施工的推測(cè)軌跡，黑色實(shí)線為設(shè)計(jì)鉆孔軌跡。

圖4 2#異常區(qū)鉆探工程布置與平面軌跡探測(cè)情況

平面上鉆孔總體上實(shí)測(cè)的軌跡與設(shè)計(jì)軌跡存有一定的偏差，大多數(shù)鉆孔在見(jiàn)到巖石后立即停止鉆探，只有2-6孔，見(jiàn)到巖石后為驗(yàn)證整個(gè)區(qū)域的異常分布情況，施工了130 m；2-8鉆孔沿著煤層鉆進(jìn)，在110 m深度進(jìn)入頂板，終孔深度132 m；2-1、2-補(bǔ)鉆孔軌跡均進(jìn)入了頂板，其余的鉆孔除2-5進(jìn)入頂板外，均揭露了一個(gè)底板隆起區(qū)，但未打穿該底板隆起區(qū)。

3.2 成果分析

圖5為2#異常區(qū)的探測(cè)鉆孔綜合地質(zhì)剖面圖，圖6為2#異常區(qū)綜合地剖面線位置平面示意圖。

圖5 2#異常區(qū)綜合地質(zhì)剖面圖

由圖5可以看出，位于工作面中部的槽波異常區(qū)有2-1#鉆孔，2-2補(bǔ)2#、2-8#等3個(gè)鉆孔沿煤層穿過(guò)該區(qū)；2-2#、2-3#、2-4#、2-6#、2-7#、2-2補(bǔ)1#孔打到巖石。通過(guò)鉆孔軌跡、巖性分析，認(rèn)為是煤層底板在此發(fā)生了隆起。

圖6 2#異常區(qū)綜合地剖面線位置平面示意圖

由此可見(jiàn)，該異常區(qū)作為槽波地震推測(cè)斷層CF1主要發(fā)育區(qū)域，證明該區(qū)域煤層延續(xù)性未受到破壞，只是由于距離2#鉆場(chǎng)20～45 m范圍內(nèi)，底板隆起區(qū)域的阻隔影響，在2#鉆場(chǎng)鉆孔穿越底板隆起區(qū)困難，導(dǎo)致多個(gè)鉆孔遇到巖石，2#～8#等3個(gè)鉆孔從煤層的上半部穿過(guò)，這樣即便CF1斷層存在，其落差也會(huì)很小，煤層頂板被斷層錯(cuò)開的可能性很小。

根據(jù)鉆探測(cè)井分析，推測(cè)在靠近回風(fēng)巷2#鉆場(chǎng)附近發(fā)育一個(gè)東西走向的底板隆起區(qū)域，其垂直走向(南北向)寬度應(yīng)該小于40 m，最大高度有可能超過(guò)煤層厚度的1/2，該隆起區(qū)域槽波地震資料并無(wú)顯示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次采用井下鉆探與綜合測(cè)井分析的技術(shù)手段，對(duì)柴家溝煤礦42224工作面內(nèi)槽波異常區(qū)的查明與驗(yàn)證，基本查明了3個(gè)槽波地震勘探異常區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造情況。后經(jīng)工作面回采證明本次探查驗(yàn)證工作所取得的成果與實(shí)際揭露情況基本符合，煤巖層在工作面內(nèi)賦存狀態(tài)連續(xù)，槽波地震勘探成果中的CF1與CF2斷層不存在，只是在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)了2處頂板下沉的區(qū)段，對(duì)回采工作造成了一定的影響。通過(guò)本次YCJ90/360型“礦用鉆孔測(cè)井分析儀”技術(shù)的應(yīng)用，證明該技術(shù)對(duì)探測(cè)工作面隱伏構(gòu)造及其他礦井地質(zhì)工作具有其獨(dú)特的適用性與先進(jìn)性。