钻探物探一体化方法在矿井水害精细探测中的应用

2019-05-13李纯阳刘惠洲刘金锁吕荣其宋佳骏

中国煤炭地质 2019年4期

李纯阳，刘惠洲，刘金锁，吕荣其，蒋震，宋佳骏

(1.安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司，合肥 231202; 2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116)

0 引言

随着浅层煤炭资源的枯竭以及深部开采技术的发展，矿井水害已经成为煤矿生产和安全的重大灾害之一[1]。针对矿井水害，必须遵守“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原则，建立立体的矿井水害防治概念[2-3]。针对目前发生灾害的统计，造成矿井水害的水源多为老空水和顶底板水[4-6]，导水通道多为陷落柱和断层，故对水源和导水通道的判断变的日益迫切[7-8]。目前，针对矿井水害的探测方法主要有钻探、物探和化探等，2010年，缪协兴[9]等提出通过水文地质勘查来对区域整体的分布规律和水文循环特征进行确定；2007年，于景邨和刘盛东分别提出瞬变电磁技术和并行电法技术来判断矿井水害水源和导水构造所在位置；刘峰提出通过水文地球化学探测技术来判断矿井突水水源位置[10-13]。不同的方法存在着其不同的优势，但单一的方法不能够全面的进行矿井水害的判断，故提出钻探物探一体化的方法，将钻探与物探相结合，在钻探的资料基础上，利用钻孔及巷道空间进行综合物探协同观测多种地球物理场特征并开展多场耦合研究，以克服单一地球物理场勘探方法的局限性，降低其多解性，进而对充水水源和导水通道进行精确的判断[14]。2001年，刘盛东等提出通过PVC管将电极布置在钻孔中观测煤层上覆岩层破坏情况[15]；2017年，王勃和刘盛东[16]等提出孔内发射-孔内接收(内发-内收)模式和巷道发射-孔内接收(外发-内收)模式来实现瞬变电磁和钻孔相结合综合判断含水构造位置和围岩岩性变化情况。鉴于此，本文通过在巷道前方钻场对超前探测孔采用钻探物探一体化技术，研究巷道迎头前方岩层富水性和地质构造变化，进而达到对矿井水害的精细探测。

1 现场试验布置

1.1 地质概况

试验在风联巷F1导线点附近钻场的物探孔F1-4内开展，钻孔设计如图1所示。在钻探的同步实施了钻柱振动录井技术，其次在钻探成孔后实施了孔中地震、孔中直流电法和孔中瞬变电磁法等一系列孔中物探方法。通过试验对比，对钻孔及周边的物性变化、断层及裂隙发育、富水性等情况进行分辨和评价，并与钻探揭露情况进行对照分析，以更好的判别前方及钻孔周边的构造发育及富水性特征。

1.2 钻柱振动录井技术

如图2所示，钻柱振动录井系统作为钻杆一部分直接接于钻头后方进入钻孔，采用三分量加速度传感器接收钻机各种工作状态的振动信号及钻头破岩时的振动信号。由于同一台钻机的回转动力功率与钻头保持不变，钻头与岩性相互作用时，其动力反应谱特征与岩性紧密相关，通过全程记录钻柱的动力波谱，可实现随钻岩性及断层破碎带探测。

图1 钻孔布置示意图Figure 1 A schematic diagram of borehole layout

图2 钻柱振动录井系统图Figure 2 Drill string vibration logging configuration

1.3 地震超前探测技术

本次地震超前探测装置采用定制的孔中地震采集装置，传感器为高灵敏度压电传感器，通过将传感器固定在PVC管上达到与孔壁的耦合，以探查钻孔周边及前方的地质异常。孔内观测布置如图3所示，设计制作了孔中12道检波器，利用PVC管送入孔中不同深度。实际施工中，孔口位置锤击点不变，距离钻孔1.8m，重复锤击39次，12道检波器间距2m，逐步进入孔中，步距2m，最终深度为98m。

图3 孔口激发—孔内接收地震布置平面图Figure 3 Seismic prospecting layout plan of wellheadshot and downhole receiving

1.4 孔中直流电法技术

孔中直流电法探测采用定制的孔中电法电极装置，通过将双模电极固定在PVC管中送入孔中来达到电极与孔壁的耦合。孔内电法观测布置如图4所示，共布置50道双模电极，道间距2m，孔内测线长度98m。

图4 孔中直流电法布置剖面图Figure 4 Downhole DC electric prospecting layout section

2 钻孔物探结果分析

2.1 钻柱振动录井

对F1-4物探孔正常钻进时钻柱振动录井数据进行时域信号能量分析，如图5(a)所示。前方地质情况较为稳定，由于受F22断层发育带影响，异常主要集中在孔内后半段，钻进深度56.0～60.0、65.0～70.0、73.0～78.0、90.0～96.0m位置处能量逐渐变大。据此分析在这些位置处岩性发生一定程度的改变，推测钻进过程为从较软的岩石钻进到较坚硬岩石；在钻进深度到85.0～89.0m，振动信号幅度发生一定程度的减小，导致能量变小，钻进深度能量较前后在一定程度上逐渐减小，据此推测钻进过程为从较硬的岩石钻进到较软的煤层或断层破碎带等易碎岩石。如图5(b)所示，每个平头代表钻进0.5m深度对应所需要消耗的时间，从图中可以看出56.0～60.0、65.0～70.0、74.0～78.0、90.0～96.0m的深度，耗时相对变长，故在钻进时钻遇岩性发生一定程度的变硬；在85.0～89.0m的深度耗时相对变短，在钻进的过程中从较硬的岩石钻进到较软的煤层或断层破碎带等易碎的岩石。结合现场编录和相关资料，0～9.5m为煤层，9.5～56、60～65、70～73、78～85、89～90m为泥岩；56～60m为粉砂岩，65～70、73～78、90～96m为砂岩； 85～89m为煤线或破碎带。

2.2 地震超前探测

地震超前探测所得到的孔口前方地震波深度偏移成像结果如图6所示，深度偏移剖面反映了孔口前方弹性差异界面在空间上的位置关系，在孔口前100m范围内存在3处较为明显的反射相位，结合地质资料对上述异常段作如下推断：孔口前方13～18m段存在r1异常界面、35～52m段存在r2异常界面，分析可能为F51断层及其破碎带影响或钻遇岩性变化影响；孔口前方75～80m段存在r3异常界面，分析可能为F22、F51断层及其破碎带影响和岩性变化影响。

2.3 孔中直流电法

2.3.1 孔中直流电法测深探测

孔中直流电法探测孔壁的视电阻率图如图7所示，图中反应出3处相对低阻区和2处相对高阻区：进尺12～16、 61～71、 90～98m呈现出相对低阻特征，视电阻率值小于20Ω·m，分析为裂隙发育局部含水或受岩性变化影响，富水性较弱；进尺18～24、52～58m呈现出相对高阻特征，视电阻率值大于50Ω·m，分析为岩性变化或局部裂隙发育(未含水)，也可能为受电极耦合不良或孔壁破碎影响。

图5 随钻钻柱振动录井数据处理与分析Figure 5 Data processing and analysis of drill string vibration logging while drilling

图6 孔中地震深度偏移成像图Figure 6 Downhole seismic depth migration imaging

图7 孔中视电阻率分布图Figure 7 Downhole apparent resistivities distribution

2.3.2 孔中直流电法超前探测

孔中直流电法超前探视电阻率图如图8，F1-4物探孔孔底处前方80m范围内，视电阻率整体较高，视电阻率值大于40Ω·m，分别存在相对低阻区、相对高阻区各一处：在孔底前方18～25m呈现相对低阻特征，视电阻率值为40～50Ω·m，可能受F22断层及破碎带影响或岩性变化，富水性较弱，但局部可能含裂隙水；孔底前方60～70m呈现出相对高阻特征，视电阻率值大于130Ω·m，可能受断层及破碎带影响或岩性变化。

图8 孔中直流电法超前探测视电阻率图Figure 8 Downhole DC electric advance prospectingapparent resistivities

2.4 孔中瞬变电磁探测

孔中瞬变电磁信号各分量的瞬变电磁电压剖面如图9所示，由于一次场影响导致靠近孔口的感应电压幅值高，压制了后面的信号，不利于分析，先予以剔除。进尺28、 51、 65m处对应的各分量感应电压剖面前后呈现显著的幅值突变，进尺37、75m处对应的X、Z分量感应电压剖面前后也呈现出幅值突变，分析信号的异常变化可能受岩性变化或裂隙发育的影响，信号异常突变的位置对应岩性交界区或裂隙区的边界。