基于未确知测度理论的定向铅钻遇采空区判识方法研究

2020-09-16易四海田振焘

华北科技学院学报 2020年3期

易四海，田振焘，王焕

(1.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 065201；2.陕西长武亭南煤业有限责任公司，陕西咸阳 713602)

0 引言

煤矿水害事故是矿井安全生产的重要隐患，而老空水害事故占煤矿水害事故的绝大多数，据不完全统计，我国老空区突水占全国煤矿水灾总数的70%以上[1,2]。老空水害事故频发的根本原因之一在于采空区探查技术支撑不力，技术发展远不能适应矿井防治水工作的需求。

目前，我国老空区探测技术所采用的探测方法主要分为钻探、物探两大类手段。其中钻探技术是探测采空区最主要也是最可靠的方法之一[3,4]。老空区钻探的方法主要有地面钻孔探查和井下钻孔探查及其辅助识别方法(钻孔电视法、弹性波跨孔穿透法等)。地面钻孔探查方法是在地面向疑是采空区布置一定数量的观测钻孔，通过测定钻进过程中钻孔冲洗液的漏失量、水位变化、注水情况以及钻进过程中各种异常现象(吸风、卡钻、埋钻、钻速变化等)，来确定采空区范围及破坏特征。井下钻孔探查方法是在井下巷道或峒室向疑是采空区打孔，采用钻孔双端封堵侧漏装置，通过观测注水漏失量来判识采空情况。钻孔电视法是在地下钻孔中采用摄像探头观测岩壁的形态、颜色及光亮等信息，来识别岩性、裂隙、空洞、软弱夹层等情况。弹性波跨孔穿透法是利用人工激发地层震动，在钻孔内通过专门地震仪和检波器来测量振动波的传递时间和形状特性，通过测定不同岩层的特性，来判识岩体破碎或采动状况。

近年来，随着科技的进步，地面钻井技术也得到了飞速的发展，随钻测量、螺杆钻具等技术的突破，引领了地面钻探技术的革命，使得地面定向钻井成为当今世界勘探开发领域最先进的钻井技术之一[5-8]。目前，部分煤矿矿井已开始引进定向钻井技术进行煤矿地质的勘查工作，取得了一系列成功的经验，但由于煤田地质条件复杂、孔壁稳定性差、轨迹控制难度大、老空识别缺乏依据，地面水平钻井技术在煤矿地质勘查工作中还普遍存在理论与技术脱节，技术发展远不能适应矿井探查工作的需求。为此，本论文立足于定向钻钻探新技术，根据定向钻观测内容及钻遇采空区的表现特征，确定钻遇采空区的判识依据，基于未确知测度理论，结合实际案例，研究钻遇采空区综合判识方法，以此完善定向钻探查老空区(包括老巷)探查技术体系，指导采用定向钻探查时判识采空区及破坏状况。

1 定向钻钻孔观测的内容和方法

定向钻探技术是在原来钻探设备基础上增加涡轮钻具或螺杆钻具，通过立井造斜最终形成近水平或水平井，定向钻探技术不仅能够提供精确的地质资料，而且能有效节省钻探工作量，加快地质勘探速度，因此获得了广泛的推广和应用。

定向钻每次钻进除记录钻进时间和钻进深度外，还进行下列观测工作[4]：

(1) 钻孔冲洗液漏失量的观测

冲洗液漏失量是指钻进时单位时间的漏失量或单位进尺的冲洗液漏失量，以L/min或L/s.m表示。钻孔冲洗液漏失量是确定岩层破坏特征的主要标志。

图1为冲洗液漏失量观测系统示意图。开钻后，当冲洗液形成循环时，测定一次水源箱的水位，并记录开钻时间、钻孔深度，每钻进0.5 m，再测定和记录一次。当漏失量变大时，可缩短为0.3 m 测定和记录一次。完成一个回次以后，再测定和记录一次。并用钢尺测出该回次的实际进尺量。

1—钻孔 2—循环槽 3—沉淀池4—浮标式水位测尺 5—水源箱

根据前后两次观测得到的水源池冲洗液体积变化值及相应的时间、进尺，就得出单位时间或单位进尺的冲洗液漏失量。如此依次观测，直到冲洗循环中断，即冲洗液不能从孔内返回到水源池为止。

(2) 钻孔注水试验

在钻进过程中，如果发现冲洗液消耗量明显变化(或接近预测的导水裂缝带顶部时)，要做注水试验，注水段高3～4 m，计算相应漏失参数Q(L/min)、q(L/s·m)。注水时水位尽量抬高到孔口，每次注水测稳定漏失时间不少于1小时，每次注水前用清水洗孔，捞清岩粉，洗孔后测量孔内稳定水位及实际孔深，注水试验尽可能采用固定水位观测漏失量，当钻孔漏失量大，水泵供水能力有限时(要求水泵供水能力尽可能大，但不宜超过500 L/min)，仅测量单位时间漏失量。

(3) 钻进异常现象的观测

当钻进到采空区时，在每次提钻后，应注意有无向钻孔内吸风或瓦斯涌出现象。发现这种情况时，应记录钻孔深度。钻孔吸风或瓦斯涌出现象的出现，表明在此处岩层有连通性裂缝。

此外，观测人员与钻探人员还要密切注意钻进速度的变化，并及时记录掉钻、卡钻、钻具震动及岩石破碎等现象，同时要记录相应的钻孔深度。

(4) 随钻伽马值观测

冒落采空区因煤层开采充满顶板垮落的岩石碎块，顶板岩石与煤层的伽马值存在较大差别。在采用定向钻井沿煤层钻进过程中，若钻遇采空区，随钻伽马值会发生较大变化，也可作为钻遇采空区的判识依据。

2 钻遇采空区的表现特征及判识依据

实践表明，采用钻孔观测方法时，可以根据以下几个方面的资料加以综台分析确定顺煤层钻遇采空区：

(1) 冲洗液漏失量显著增加，或者冲洗液全部漏失，经堵漏后继续钻进时仍然如此。关于钻遇采空区的冲洗液漏失量绝对值，目前尚难以定出统一的标准。在岩石原始渗透性很差的情况下，当漏失量大于1 L/min或0.1 L/s.m时即可以认为钻遇采空区。在一般情况下，采取对比方法，即与对比孔和观测孔正常段的漏失量比较确定之。

(2) 定向钻探分支钻施工完成后进行压水实验，发生孔内水量大量漏失、失压现象。

(3) 钻进过程中出现无压钻进、掉钻、卡钻、钻速快慢不一、钻具晃动、钻孔吸风等现象。

(4) 定向钻井在沿煤层钻进过程中，随钻伽马值会在一定范围内波动，如随钻伽马值发生较大变化，并伴有顶板岩屑，可根据其他判断依据综合判断是见顶还是顶板垮落后的老空垮落带。

3 钻遇采空区综合判识方法

3.1 未确知测度理论概述[9,10]

评价对象空间R={R1,R2,…,Rn}，对每个评价对象Ri(i=1,2,…，n)有m个单项评价指标空间，评价指标空间记为X={X1,X2,…,Xm}，则m维向量Ri={xi1,xi2,…,xim}，其中xij表示评价对象Ri关于评价指标Xj的测量值。

对每个xij有p个评价等级，则评价空间U={C1,C2,…,Cp}，设Ck为第k级评价指标，如果k级比k+1级评价等级高，记为Ck>Ck+1。若{C1,C2,…,Cp}满足：

精确掌握贫困地区基础设施、政策制度、劳力结构、经济发展能力等实情，精准填平补齐扶贫供给资源，改变扶贫资源规模偏小、资源总量偏少、资源质量偏低、资源结构不合理的病态。通过改革精准扶贫制度、完善扶贫机构、培养贫困人才、提高脱贫能力，构建多维度多层次精准扶贫保障体系，提高贫困地区供给侧效率和质量，保障精准识别、精准帮扶、精准管理扶贫对象，确保精准脱贫，助力精准扶贫。

C1>C2>C3>…>Cp

或C1

则称{C1,C2,…,Cp}为评价空间U的一个有序分割类。

3.1.1 单指标测度

如果μijk=μ(xij∈Ck)表示测量值xij属于第k个评价等级，应满足以下条件：

① 非负有界性：

0≤μ(xij∈Ck)≤1

(1)

② 归一性：

μ(xij∈U)=1

(2)

③ 可加性：

(k=1,2,…,p)

(3)

故称μijk为未确知测度，简称‘测度’，矩阵(μijk)m×p称为单指标测度评价矩阵。

(4)

3.1.2 评价指标的权重计算

(5)

确定评价指标权重的方法有主观赋权法(如经验定权法、层次分析法等)和客观赋权法(如灰色关联分析法、熵值法等)，其中主观赋权法是由专家根据各评价因素的实际情况，主观判定其权重，随意性较大；客观赋权法是根据各评价指标实际数据的统计分析来决定权重的大小，具有一定的客观性。本文采用客观赋权法中的熵值法来确定各项评价指标的权重，计算公式为

(6)

(7)

式中，wj称为Xj的权重，{w1,w2,…,wn}称为影响指标的权重向量。根据单指标测度评价矩阵，可求出式(6)和式(7)。采用熵值客观赋权法能够避免因个人主观对评价指标权重的干扰，使评价结果更为准确。

3.1.3 多指标综合测度评价向量

设μik=μ(Ri∈Ck)为评价样本Ri属于第k个评价类Ck的程度，有

(8)

3.1.4 置信度识别准则

引入置信度识别准则对评价对象作最终的评价结果，一般置信度λ≥0.5。如果C1>C2>C2>…>Cp，且

(9)

则对评价样本Ri评判为第k0级评价类Ck，即评价样本的评价等级为Ck。

3.2 钻遇采空区综合判识判识标准体系的建立

3.2.1 判识单因素测度建立

根据钻遇采空区的判识因素，选取冲洗液漏失量X1、注水漏失量X2、钻速变化X3、随钻伽马值变化量X4以及岩屑类型X5主要判识因素为评价指标。评价指标基本上综合了钻遇采空区可能产生变化的各类因素。对钻遇采空区的判识等级定义为4级，评价空间U={C1,C2,C3,C4}，即Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级，分别表示非采空区(C1)、一般疑是采空区(C2)、高度疑是采空区(C3)、确实采空区(C4)。

评价指标的分级标准是提高判识准确率的关键。为了使判识等级{C1,C2,C3,C4}与实际钻遇采空区判识等级相一致，本文参考现场地质钻探勘查经验，初步确定各项评价指标的赋值与分级，见表1和表2。

表1 钻遇采空区判识的定性指标的分级标准

表2 钻遇采空区判识的定量指标的分级标准

根据判识指标的定义和分级标准，构建单指标测度函数。对于未确知测度函数的指标测度函数构建，是评价体系的关键，其构造方法较常用有直线型分布、指数分布以及抛物线型分布等。本文拟采用直线型法来构造指标未确知测度函数。以极大型单指标测度函数为例，在评价等级中，采用4级分类，构建评价空间U={C1,C2,C3,C4}，极大型评价指标见公式，构建单指标测度函数如图2所示。

图2 单指标的测度函数

(10)

本文中，将冲洗液漏失量、钻孔水位下降量、注水漏失量、随钻伽马值变化量采用极大型指标单指标测度函数构造，如图3所示；钻速变化、岩屑类型采用定性指标单指标测度函数构造，如图4 所示。

图3 极大型指标单指标测度函数

图4 定性指标单指标测度函数

极大型单指标测度函数为：

(11)

3.2.2 未确知测度模型可行性分析

(1) 构建单指标测度评价矩阵

为验证未确知测度方法的可靠性，本文以冀中能源东庞矿实测钻探勘查数据作为样本数据进行分析，将地质钻探勘查的未确知测度模型进行评价。

东庞矿计划在扩延区浅部施工一回风井，经调查，其浅部曾有小煤窑开采。为防止老空积水危及井下施工及生产安全，矿井采用地面水平定向钻孔与井下探查孔相结合的方式，实现对老空水害的闭合排查。定向钻探查孔工程立井段施工井深77 m；造斜段进尺254 m，施工井深至331 m；在井深331 m处开始顺煤层分支钻进，钻进深度分别为181.5 m、373.05 m、380.5 m。定向钻钻进过程中冲洗液漏失量、注水漏失量、钻速变化、随钻伽马值变化量以及岩屑类型情况见表3。