礦用鉆孔測井分析儀在煤層底板涌水探測中的應(yīng)用

王永文，趙益晨，蘇建國，趙海鵬

(山西汾西礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司,山西 介休 032000)

地球物理測井技術(shù)是鉆探成果解釋可靠性的保障，地面鉆探鉆孔如果不測井，鉆孔成果會定性為不可靠。井下鉆孔不測井，其成果往往更難解釋。西安瑞泰電氣有限公司聯(lián)合西安科技大學(xué)等高校研發(fā)出一套井下鉆孔綜合測井儀器—YCJ90/360型礦用鉆孔測井分析儀。它可以實現(xiàn)對視頻、自然伽瑪、鉆孔軌跡(方位角、傾角)數(shù)據(jù)、鉆孔深度數(shù)據(jù)的一次性采集，通過軟件實現(xiàn)鉆孔孔斜計算，定量分析揭露地層的巖性、厚度、含水性及孔壁結(jié)構(gòu)特征(包括分層性、厚度、巖層軟硬程度、巖石孔隙、裂隙、出水點特征、頂板離層情況及斷層等)，有效提升鉆探成果解釋的可靠性。山西焦煤集團嵐縣正利煤業(yè)應(yīng)用該礦用鉆孔測井分析儀對煤層底板涌水情況進行探測。

1 礦用鉆孔測井分析儀的工作原理

礦用鉆孔測井分析儀總體結(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、孔斜測量模塊構(gòu)成，在井下現(xiàn)場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)。探頭與控制箱采用有纜傳輸方式進行通信[1].

鉆孔測井分析儀采用自然伽瑪測井曲線與視頻同步數(shù)據(jù)分析，判讀巖性與分層，彌補了單一曲線分析巖性的不足(圖1),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、頂板離層情況及斷層等，各種圖形可以用CAD 或圖片輸出[2-6].

圖1 自然伽馬與視頻同步分析巖性示意圖

該儀器具有體積小巧、功耗低、攜帶方便、操作簡單、高效準確、成本低、采集信息量豐富、分析功能強大、成果豐富等特點，能夠適合于包括錨索鉆孔在內(nèi)的井下所有類型的鉆孔探測需要，可以廣泛應(yīng)用于各類礦山井下的防治水、地質(zhì)勘查、地質(zhì)找礦、頂板支護探測鉆孔及各類隧道施工中鉆孔的信息采集分析等領(lǐng)域。

2 探測與數(shù)據(jù)分析應(yīng)用

2.1 探測目的與鉆孔設(shè)計參數(shù)

正利煤業(yè)14-1106工作面開采4-1#煤，上覆山西組砂巖裂隙水及4-1#煤下部底板砂巖裂隙水為工作面直接充水水源。該底板含水層裂隙不發(fā)育，補給條件差，地下水以靜儲量為主，用水量較小。然而，該工作面4-1#煤層均埋藏在奧灰水靜水位以下，屬于帶壓開采，所承受水壓約7.0 MPa，奧灰水對4-1#煤層底板突水系數(shù)為0.045 MPa/m，為工作面潛在突水水源，一旦發(fā)生煤層底板奧灰水突水，可能造成淹井事故。因此，水害防治始終是該礦的主要安全問題。

2018年1月，14-1106工作面下順槽迎頭超前鉆探突然出水，調(diào)整角度后繼續(xù)施工8個鉆孔，有的孔出水，有的孔不出水，最大出水量約50 m3/h，水壓為1.0 MPa，該巷道因此停止掘進，鉆孔出水原因，水源及通道亟待查明。為此，采用YCJ90/360型礦用鉆孔測井分析儀，進行了8個鉆孔的探測，由于測井時間距離鉆孔完工時間較長，多個鉆孔塌孔，僅對其中最有價值的3個鉆孔的測井?dāng)?shù)據(jù)進行分析。探測鉆孔的設(shè)計參數(shù)見表1.

表1 14-1106工作面探測鉆孔設(shè)計參數(shù)表

2.2 探測數(shù)據(jù)與成果分析

井下探測3個鉆孔在2個多小時內(nèi)完成，經(jīng)過數(shù)據(jù)下載，通過專用的測井?dāng)?shù)據(jù)分析，測孔結(jié)果如下：

1) 鉆孔視頻數(shù)據(jù)分析。從該視頻可以看出，煤層底板的砂質(zhì)泥巖層位中，有多處裂隙發(fā)育，其中，2#、14#孔分別在57.6 m、61.0 m處，孔內(nèi)裂隙發(fā)育，有大的空洞，并伴隨有大量涌水，儀器在14#孔的出水位置產(chǎn)生劇烈搖晃、涌出巖粉現(xiàn)象，說明該處為巖層涌水點。4#鉆孔在89.0 m處發(fā)現(xiàn)一個承壓水柱，噴射出水，在65 m處發(fā)現(xiàn)煤層裂隙涌水現(xiàn)象。

2) 巖性分析。通過儀器專用軟件進行視頻與自然伽馬同步分析巖性，并結(jié)合鉆孔軌跡數(shù)據(jù)分析，2#、14#孔均穿過煤層進入煤層底板的砂質(zhì)泥巖層位，并且裂隙孔隙發(fā)育，出水量大。4#鉆孔從開孔至59.5 m在煤層中，其后至75.4 m進入砂質(zhì)泥巖層位中，最后至終孔90.48 m再次進入煤層中，見圖2.

3) 實測鉆孔軌跡分析。以2#孔的方位為基準投影制作的實測軌跡剖面見圖3，平面圖見圖4. 其中2#、14#鉆孔進入煤層底板，從鉆孔的實測軌跡可以看出，鉆孔在鉆探過程中發(fā)生了不同程度的軌跡偏斜現(xiàn)象。結(jié)合巖性分析與鉆孔軌跡分析預(yù)測巷道前方的地質(zhì)剖面情況，預(yù)計巷道迎頭前方20～60 m，裂隙發(fā)育，破碎位置在煤層底板砂質(zhì)泥巖層位，局部煤層裂隙也發(fā)育。

綜合推測煤層底板裂隙及破碎帶平面大致的邊界范圍見圖4虛線。

圖2 鉆孔分析柱狀圖

圖3 鉆孔實測軌跡剖面圖

圖4 鉆孔實測軌跡平面示意圖

4) 鉆孔出水原因、水源及通道分析。該次探測鉆孔8個，除2#、4#、14#鉆孔測至孔底，其他孔均有不同程度塌孔，未測至出水位置。8個鉆孔均有涌水現(xiàn)象，2#孔水量約50 m3/h，4#孔約2 m3/h，14#孔約19.6 m3/h.2#孔分別在42～57 m有多處裂隙及空洞出水；4#孔分別在61～62 m、88～90 m有多處裂隙和孔隙出水，14#下斜孔在25 m左右裂隙發(fā)育，61～62 m裂隙、孔隙出水。結(jié)合各鉆孔的視頻資料驗證，2#、4#、14#鉆孔出水位置均有裂隙和孔隙發(fā)育，而且孔隙越大出水量越大，3個孔出水點水壓均為1.0 MPa，結(jié)合已知資料分析，出水水源為下部奧灰承壓水，出水通道為裂隙、孔隙。

3 結(jié)束語

采用YCJ90/300型礦用鉆孔測井分析儀對正利煤業(yè)14-1106工作面底板涌水情況進行探測，對最有價值的2#、4#、14#探測鉆孔，進行鉆孔視頻數(shù)據(jù)分析，巖性分析及實測鉆孔垂向軌跡圖與剖面分析，預(yù)測2#、4#、14#鉆孔出水位置均有裂隙和孔隙發(fā)育，出水水源為下部奧灰承壓水，出水通道為裂隙、孔隙。