覆岩破坏高度及特征的地面钻孔观测方法探讨

刘克安　景丹阳

摘 要：文章介绍了钻孔冲洗液法与钻孔彩色电视成像法的基本原理及优缺点，并且结合具体工程实例分析两种方法相结合的施工工艺和工序技术控制措施。通过对钻孔冲洗液漏失量的观测，结合钻孔彩色电视系统成像可以有效的得出煤层覆岩破坏的裂隙分布及演化特征。

关键词：覆岩破坏；钻孔冲洗液法；钻孔彩色电视成像法；工序技术控制措施

我国煤矿“三下”采煤问题非常突出，各个矿区均存在不同程度的“三下”压煤。在水体下采煤的过程中，煤层开采后将改变采场的原始应力分部，在煤层围岩中产生应力增加区和降低区，上部岩层受采动影响产生采动裂隙，造成了顶板垮落、裂隙发育、地表沉降、突水事故、地表水系破坏等一系列问题，直接影响矿井的安全生产。因此，准确的判断覆岩破坏的高度及特征对于矿井的安全生产具有重要的意义。

20世纪以来，国内外学者对于采场上覆岩层的破坏规律进行了大量研究，提出了关于覆岩破坏的各种假说，具有代表性的有：平衡拱假说、压力拱假说、悬臂梁假说以及铰接岩块假说等；我国学者基于矿压研究的需要，相继建立了砌体梁模型、传递岩梁模型以及“三带”理论。目前，我国对于覆岩破坏高度及特征的地面实测方法有：钻孔冲洗液法、钻孔声速法、钻孔超声成像法及钻孔彩色电视成像法等。在进行覆岩破坏高度及特征的观测过程中，各种方法都有自己的技术特点及优缺点，通过各种方法的相互配合提高观测数据的有效性和准确性。基于覆岩破坏高度及特征的地面观测方法实例，探讨钻孔冲洗液法与钻孔彩色电视成像法相结合的钻孔观测方法。

1 测定覆岩破坏高度及特征的钻孔冲洗液法

钻孔冲洗液漏失量观测法（简称为钻孔冲洗液法）是通过直接测定钻进过程中钻孔冲洗液漏失量、钻孔内水位、冲洗液中断、异常现象（包括向钻孔内吸风或瓦斯涌出以及掉钻、卡钻、钻具震动等现象）、岩芯鉴定及地质描述等资料来综合判定垮落带和导水裂缝带高度及特征的一种观测方法。导水裂缝带高度是通过钻孔冲洗液消耗量和钻孔内水位观测结果加以确定；垮落带高度则通过钻进过程中出现的异常现象加以确定。

钻孔冲洗液漏失量的实际测量过程表明，钻孔冲洗液法具有简单、易操作、实用有效、观测数据能够反映实际导水裂缝带发育情况等优点，仍是获得覆岩破坏高度及特征最基本的观测方法；其缺点主要是在某些原岩裂隙较发育的地区测得的数据不够准确且对施工的时间有一定的要求。

2 测定覆岩破坏高度及特征的钻孔彩色电视成像法

对现场钻孔内的裂隙分布进行探测选用的仪器是钻孔彩色电视系统。钻孔彩色电视系统包括有探头、控制器、绞车架、电缆及计数器等装置，测量时把一自带光源的防水摄像探头放入地下钻孔中，对钻孔内的岩层岩性、孔内水位、裂隙宽度和长度、岩层破碎状况进行观测。在进行水体下采煤方案设计时，为了实测得到煤层开采后覆岩破坏的高度，在下部煤层开采前设置对比观测钻孔，观测钻孔内的原始裂隙发育情况，可以直观的观测采前煤层上覆岩层的岩性结构特征、基岩分化带特征、原生裂隙发育特征等，为确定覆岩类型以及分析计算提供参数依据。采用钻孔彩色电视探测系统结合传统的钻孔冲洗液漏失量观测，可以更准确的确定采动覆岩破坏的高度及特征。

3 工程实例

以某矿二号矿井31101首采工作面覆岩破坏观测钻孔CQ01为例，说明采用钻孔冲洗液漏失量观测法结合钻孔彩色电视成像法具体的施工工艺及技术措施。

3.1 施工工艺及过程

采用回转正循环钻进，基岩地层为单管取芯器，破碎段采用单管卡簧取芯器。

一开：采用Φ190mm牙轮钻机开孔无芯钻进，钻进至95m（见基岩20m），下入一级Φ168mm套管（0-95m），套管外水泥封闭止水；二开：采用Φ98mm取芯器复合片取芯钻头钻进，钻进至397m，进行测井，Φ146扩孔至397m，下入二级Φ127mm套管（0-397m），套管外水泥封闭止水；三开：采用Φ98mm取芯器复合片取芯钻头钻进至终孔。按照钻孔结构下入套管，Φ168mm和Φ127mm规格套管均为丝扣连接，升降机提吊、卡瓦夹持法下入孔内，所有下入孔内的成孔管都不再拔起，封闭止水均为套管外全段水泥永久性封闭止水，水泥浆反出地面为止。

3.2 工序技术控制措施

3.2.1 设备安装做到周正、稳固、水平，“三心”在一条垂线上。

3.2.2 为保证取芯率达到采前钻孔岩芯采取率不低于75%，采后钻孔0-400m，岩芯采取率不低于70%，进入裂隙带后岩芯采取率不低于55%的要求，采用单管卡簧取芯器，控制回次进尺。

3.2.3 对于采取的岩芯，要做好岩芯的摆放、编录及裂隙发育描述等工作，准确判断岩层的层位、岩性、倾角、风化程度、破碎状况等，岩芯要保存完好。

3.2.4 封闭止水工序，采用合格的P.O32.5水泥作为封闭止水材料，注浆过程中，要保证注浆液的连续性，水泥的量要充足，必须保证水泥浆返至地面。注浆结束后，等候48h后进行封闭止水质量检验，扫孔超过套管底口以下的深度不小于200mm，洗孔至水清，观察套管内水位的变化，小于40mm/8h时为止水合格，否则进行补救处理直至合格。

3.2.5 非观测段的技术要求为下钻前、起钻后各观测一次液面，钻进过程中每1h观测记录一次冲洗液消耗量，遇到冲洗液漏失量明显增大（大于2m3/h）时，应记录漏失量消耗增大的深度，并按10min/次的频率观测记录冲洗液漏失量。

3.2.6 观测段钻进必须使用清水钻进，CQ01钻孔的观测深度为397-547m，观测段长度为150m。为了防止岩粉封堵裂缝，要求每班至少要清理一次水源箱，并更换清水，每次清理水槽和水源箱或者向水源箱内加水时，必须停止钻进；每个回次的进尺长度原则上不能超过4m，在裂缝带发育地层原则上不能超过2m；要求起钻后、下钻前均测定钻孔内水位，到停钻时间较长时，应每隔5-10min观测一次水位，观测水位时要求同时记录孔深、观测水位时间和孔内水位数值。

3.2.7 进行钻孔彩色电视成像，钻孔彩色电视观测是重点观测项目，与钻孔冲洗液漏失量观测相互配合可以更准确的确定覆岩破坏的高度及特征。

4 结束语

4.1 钻孔冲洗液法的主要优点是简单、易操作、可靠实用、观测数据较能反映实际导水情况，仍是获取冒落带和导水裂缝带高度及特征的基本方法。缺点主要是在某些原岩裂隙发育的地区往往不能取得可靠数据，对把握观测时机的要求较高。

4.2 钻孔彩色电视成像法可以直观的探测钻孔内的岩层岩性、裂隙宽度、采动裂隙分部特征、裂隙连通情况，探测结果与钻孔冲洗液漏失量观测数据相结合可以更有效的得出煤层覆岩破坏的裂隙分布及演化特征。

参考文献

[1]康永华，王济忠，孔凡铭，等.覆岩破坏的钻孔观测方法[J].煤炭科学技术，2002，30（12）：26-28.

[2]张玉军.钻孔电视探测技术在煤层覆岩裂隙特征研究中的应用[J].煤矿开采，2011，16（3）：77-80.

[3]张华兴，张刚艳，许延春.覆岩破坏裂缝探测技术的新进展[J].煤炭科学技术，2005，33（9）：60-62.

作者简介：刘克安（1991-），男，陕西榆林人，中国矿业大学（北京）采矿工程专业在读硕士研究生，主要从事现代采矿新技术方面的研究。endprint