新景矿钻探物探一体化超前探查技术应用

李 彤

(山西新景矿煤业有限责任公司,山西 阳泉 045000)

目前,在巷道中可采用的地球物理探测方法较多,主要分为三大类。一是矿井地震类，包括:矿井地震勘探、槽波地震勘探、瑞雷面波技术、震波层析技术、声波及微震技术。二是矿井电磁法类，包括:矿井直流电法、矿井瞬变电磁法、地质雷达。其他类，包括:红外探测技术、放射性探测技术、电磁辐射法等。虽然矿井地震、直流电法、瞬变电磁法等矿井物探技术对井下构造及异常探测有一定效果,但每一种物探方法有着各自的特点,也存在各自的应用前提和条件,尤其在复杂探测条件下,仅靠一种探测方法存在局限性。通过钻探物探一体化技术研究,能提高钻探工程的判视能力和精准度，达到一孔多见,对于矿井探放水以及地质勘探质量的提高具有重要作用,是煤矿安全生产的保障[1]。

1 现场测试布置

1.1 地质概况及探测方法

新景煤矿15303工作面尚未形成,巷道正在掘进,现15303进风巷西侧为80117工作面采空区,如图1所示。

图1 新景煤矿15303进风巷平面图Fig.1 Plan of 15303 intake airway in Xinjing Mine

为了精准地探明15303进风巷掘进前方的地质水文异常情况,保障15303进风巷正常安全地掘进,决定在15303进风巷探放水钻场、迎头位置附近、巷道后方进行钻探物探一体化综合超前探测。

根据钻探施工的不同阶段,选用针对性的探测方法。

1)钻探前。采用地震、电法、瞬变等方法进行巷道综合超前探测,结合钻探揭露资料获取迎头前方构造发育及富水性情况。

2)钻探过程中。在钻杆上安装随钻地震记录编录仪,形成孔内、孔外观测系统,随钻确定钻孔空间轨迹,随机测试钻进过程中的钻孔围岩不同地震属性,同时对钻探过程全程管控。

3)钻探成孔后。采用钻孔电视对钻孔进行摄录,确定成孔质量,获取孔壁岩性变化、裂隙发育及出水情况,形成数字化钻孔岩心;采用孔中电法、孔中瞬变电磁等技术进行综合探测研究,精细探查钻孔岩性变化、周边及前方的围岩构造发育及富水性异常[2]。

通过上述过程的探测研究,实现超前预测15303进风巷钻探范围内前方及周边异常体情况。进行巷道和钻孔物探联合对比分析,获取巷道左侧及迎头前方更为精确可靠的地质异常情况[3]。

1.2 孔中电法探测

本次孔中电法电极装置采用YZD11矿用本安型槽波地震电法系统,信号传感器灵敏度高,可以进行孔内高密度电阻率法探测和钻孔孔底超前探测。电极采用铜丝与煤壁进行耦合,电极极距2.5 m,共32道,可以在孔内进行移动覆盖测量。探孔内传感器布置情况如图2所示。

图2 孔中电法电极装置Fig.2 Electrode device in boreholes

1.3 巷孔瞬变电磁探测

巷孔瞬变电磁探测是利用巷道和钻孔联合实施瞬变电磁探测的一种技术,其基本原理与地面瞬变电磁法基本相同,均是由法拉第电磁感应定律和麦克斯韦方程组推导而来,两者的差异在于巷孔瞬变电磁具有特殊的全空间响应特征[4]。巷孔瞬变电磁是从地井瞬变发展衍生而来的,在巷道内进行场源激发,在钻孔内利用电磁传感器进行感应电压信号的观测,即外发-内收模式,如图3所示。

图3 巷孔瞬变电磁探测示意图Fig.3 Transient electromagnetic detection in boreholes

1.4 随钻地震探测

钻柱振动录井技术是通过在钻柱上安置振动传感器对钻具振动进行连续的监测。传感器在钻头后方靠近钻头的位置安装。所测振动信号直接来源于钻头,振动信号保存在存储器中。随钻测震仪具有钻探过程中随钻三分量震动测量和轨迹测量功能,通过钻头与岩层的动力反应谱分析,能够实现对探测前方的岩性与构造的勘探[5]。

1.5 孔中电视探测

本次探测采用YZG12型矿用钻孔可视轨迹仪。孔内摄像机用来摄取孔壁图像,获得的视频信号通过视频传输电缆传输到采集器,将视频信号转换为数字信号,采集器再传输给上位控制器进行图像处理、存储和实时显示。该技术可以充分利用钻孔获得地下信息,形成数字化钻孔芯样,永久保存,用来获取钻孔地层结构划分和对孔壁裂隙及岩溶发育情况的判别[6]。

2 巷道综合物探结果分析

2.1 巷道直流电法探测成果

迎头位置为15303进风巷N3125点前75 m,采用并行电法超前探测布置方式,在巷道迎头及后方布置电法测线,电极间距4 m,自迎头往后共布置48个电极,其中第一个电极位于迎头掌子面底部,测线长度188 m。直流电法测线布置平面图如图4所示。

图4 直流电法测线布置平面图Fig.4 Layout plan of measuring lines by DC method

直流电法超前探测结果如图5所示。采用频率极化偏移法,探测深度为110 m,在该探测区域内,整体视电阻率较高,无明显的等值线突变区域,表明掘进迎头前方探测区域内整体富水性弱,无较大的构造异常区。

图5 直流电法超前探测成果图Fig.5 Advanced detection results by DC method

2.2 巷道瞬变电磁探测成果

探放水钻场位置为15303进风巷N3125点前64 m,在探放水钻场内进行常规瞬变电磁超前探测,共布置19个测点,每个测点沿着顶板、水平方向、底板从上往下进行9个方向的探测,分别为顶板60°、顶板45°、顶板30°、顶板15°、水平方向、底板15°、底板30°、底板45°和底板60°,共计采集测点数据19×9=171组数据。

图6为探放水钻场内瞬变电磁法超前探测成果图,图中横坐标为相对巷道中心距离,纵坐标为垂直巷道掘进方向距离,坐标系以探放水钻场中点位置为坐标原点,指向巷道前方为X轴正方向,指向80117采空区方向为Y轴正方向。根据瞬变电磁探测结果,结合相关的地质和水文资料,可确定横向、水平深度及垂向深度电性变化情况。图7为水平探测方向横向剖面成果贴图。

图6 瞬变电磁法探测成果剖面图Fig.6 Sectional profile of detection by transient electromagnetic detection

图7 水平探测方向成果贴图Fig.7 Horizontal detection results

根据地质资料,该探测区域煤层倾角约10°,80117采空区位于探放水钻场顶板10°方向左右,水平距离约30 m。从图6可以看出,主要相对低阻异常区位于顶板15°方向、水平方向和底板15°探测方向。其中顶板15°方向异常区YC1相对坐标为X=-18～62 m,Y=18～84 m;水平探测方向异常区YC1相对坐标为X=-14～48 m,Y=18～78 m;底板15°探测方向异常区YC1相对坐标为X=-6～58 m,Y=10～56 m。

针对采空区探测,采空区内岩石跨落、岩体破碎,如果采空区内不积水,则其导电性较差,局部电阻率值增高;如果采空区含水,由于其导电性好,相当于存在局部低电阻率值地质体。根据现场探测条件和地质资料综合分析,YC1为80117采空区积水影响所致,该区域富水。

2.3 巷道地震超前探测成果

迎头位置为15303进风巷N3125点前75 m,在巷道两帮及迎头掌子面上布置炮点和检波点,现场共放炮16炮,炮间距约5 m,统一采用瞬发雷管,100 g乳胶炸药进行激发。共布置16个三分量传感器采集数据(即48道采集数据),其中迎头掌子面上布置2个三分量传感器,巷道左帮布置12个三分量传感器,巷道右帮布置2个三分量传感器,形成超前高密度地震数据采集系统,对掘进迎头前方及巷道左帮进行探测,现场布置如图8所示。

图8 高密度地震探测系统布置图Fig.8 Layout of high-density seismic detection system

图9为巷道左帮检波器进行处理分析所得到的巷道前方地震纵波深度偏移成像结果,深度偏移剖面反映了巷道前方弹性差异界面在空间的位置关系。

通过左帮检波器深度偏移可以得出前方130 m的异常反射界面情况,根据探测成果当日迎头位置前方无明显波阻抗反射界面,表明探测前方煤体完整,无不良构造区。

图9 左帮检波器深度偏移剖面图Fig.9 Depth migration profile of detector on the left

3 孔中综合物探结果分析

物探钻孔位于N3125点前27 m位置处,如图10所示,主要针对物探钻孔及周边的电性变化(岩性变化)、裂隙发育等情况进行分辨和评价。首先在钻探的过程中同步实施了随钻测震试验,其次在钻探成孔后实施了孔中电视、孔中直流电法和孔中瞬变电磁法的探测试验。其中,物探钻孔参数为:钻孔终孔孔径113 mm;无套管;孔深75 m;方位角273.1°;倾角+9.6°。

图10 物探钻孔平面示意图Fig.10 Plan of drilling holes of geophysical exploration

3.1 随钻地震探测

通过分析15303进风巷N3125点前27 m位置探测数据,采取方差分析来判定钻机的不同工作状态获取钻进信息。钻机在停机、推进钻杆、接钻杆等工作状态下震动信号较弱,其方差较小;而钻机正常钻进时震动信号较强,方差较大。结合正常钻进的最小钻进时间、方差判定值和倒尺的最小间隔时间,剔除由于敲击钻杆、推进钻杆、接钻杆等的数据信息,提取每次倒尺的钻杆钻进信息,而每次倒尺钻进数据对应的深度为1 m,进行相应的时深转换,最终得出钻进信息能量分析图,如图11所示。

在钻进信息能量分析图中,前面地质条件相对稳定,出现异常情况的主要是探孔后半段,在探孔深度12.2～12.5 m,58.2～58.4 m,67.8～68.4 m处能量显示为异常区域(黑色线框区域)。结合现场地质情况,全程在煤层中钻进,震动能量整体较为一致,上述高能量中低能量异常区,可以判断为煤层中的裂隙带或岩性变弱区域。

3.2 孔中直流电法探测

在物探孔中共布置20道电极采集电法数据,电极间距2.5 m,每个电极处采用铜丝与煤壁进行耦合,1#电极距离孔口48.5 m,20#电极与孔口距离为1 m；在孔口至迎头位置区域的巷道左帮继续布置电极,共布置20道,电极间距2.4 m,测线长度47 m,测线布置示意图如图12所示。

图11 钻进信息能量分析图Fig.11 Drilling information energy analysis

图12 孔中直流电法布置平面图Fig.12 Layout plan of DC method in boreholes

图13所示为物探孔孔内(孔口+48.5 m)前方47.5 m范围内超前探测视电阻率图,整体视电阻率值大于22 Ω·m,且无大的视电阻率突变区,表明探测范围内富水性较弱,无明显的构造区域。

3.3 巷孔直流电法探测(巷道激发-孔内接收)

利用布置在巷道与物探钻孔中的电法测线进行联合反演,可获得物探钻孔与巷道之前的视电阻率分布图。图14所示为物探孔孔内前方76.3 m位置处超前探测视电阻率图,探测距离为125 m,整体视电阻率值大于20 Ω·m,且无大的视电阻率突变区,表明探测范围内富水性较弱,无明显的构造区域。

图13 物探孔孔中电法超前探测结果图Fig.13 Results by advanced electrical detection in geophysical boreholes

图14 孔巷电法反演探测结果图Fig.14 Inversion detection results of borehole-roadway electrical method

3.4 孔中电视

利用钻孔可视仪对该物探孔进行摄录,观察钻孔岩性及结构完整性,按每次0.5 m推移并打点记录,对摄录结果反映出的钻孔围岩的完整性划分为完整、较完整、较破碎、破碎4个等级。钻孔可视仪推进至11 m位置时镜头被煤灰挡住,已分辨不清楚。

图15为孔中电视图像及岩体完整性划分。孔中摄录段均为全煤,孔口至6 m段煤层较完整,到7～11 m段煤层较破碎。

3.5 巷孔瞬变电磁探测(巷道激发-孔内接收)

提取巷孔变电磁各径向分量的多测道感应电压,获得各径向分量的视电阻率剖面图,如图16所示,横坐标为进尺(m),纵坐标表示各分量对应的探测深度(m)。

从各径向分量的视电阻率剖面成果图看出,钻孔周边浅部0～17 m范围内整体视电阻率较高,等值线变化趋势平缓,未反映出显著异常变化特征,在各径向分量深部17～30 m范围等值线变化异常位置基本一致,未发现明显异常区。

图15 孔中电视图像及岩体完整性划分Fig.15 TV image in boreholes and division of rock integrity

图16 巷孔瞬变电磁各径向分量视电阻率剖面Fig.16 Apparent resistivity profile of radial components by transient electromagnetic method in boreholes

4 巷道与钻孔物探联合对比分析

当日迎头位置位于15303进风巷N3125点前75 m,巷道左侧为80117工作面采空区,针对巷道迎头前方及巷道左侧开展巷道震电磁综合超前探测工作,并在迎头后方N3125点前27 m处施工钻孔,在钻探工作基础上,加入电法和瞬变电磁等方法,进行巷道与钻孔联合探测,从而获取巷道左侧及迎头前方更为精确可靠的地质异常情况。

巷道综合超前探测主要包括迎头前方的电法、地震超前探测以及巷道左侧的瞬变电磁、地震反射共偏移探测。电法超前探测有效距离110 m,地震超前探测有效距离130 m。从探测成果可以看出,在探测区域内整体视电阻率值较高,无明显的波阻抗反射界面,表明在迎头前方探测范围内煤体完整,整体富水性弱,无不良构造区。另外，采用瞬变电磁和地震反射共偏移对巷道左侧采空区进行了探测,在瞬变电磁探测水平方向和顶板15°方向存在低阻异常区YC1,分析为受80117工作面采空区积水影响所致,该区域富水,在地震反射共偏移探测成果图中(相对坐标X=42～59 m,Y=27～36 m)存在一组强反射界面,分析为受80117采空区巷道影响所致。

随后在巷道迎头后方施工了近水平的物探超前钻孔,孔深75 m,在钻孔施工范围内煤体完整,无其他不良地质构造,该钻孔不仅为后续的孔中综合物探提供了作业场所,也对之前进行的巷道综合超前探测进行了验证。

在钻进过程中进行了随钻地震探测,根据钻进前方破岩的能量异常区,判断钻进煤层中的软弱带、破碎带或夹矸的响应频率。本次钻探全程均为煤层,钻杆钻进震动能量整体较为稳定,对应12.2～12.5 m,58.2～58.4 m,67.8～68.4 m处能量异常区域为煤层中的裂隙带或岩性变弱区域。

通过孔中和孔巷瞬变电磁探测对孔内不同方向的视电阻率结果进行分析,瞬变电磁探管进孔48 m,孔巷瞬变电磁沿进孔方向的钻孔径向信号未反映出显著异常变化特征,但在孔中瞬变电磁分量6方向存在一处相对低阻异常区,等值线变化异常,位于钻孔进尺28.5～31.0 m,探测方向19～26 m深度位置处,分析为可能受80117老空巷道影响所致。

通过在孔中和巷道侧帮布置电法测线,分别获得物探钻孔前方47.5 m范围和孔巷之间区域的电性分布图,探测区域整体视电阻率值较高,且无大的视电阻率突变区,表明探测范围内富水性较弱。

综合巷道与钻孔物探成果并结合地质资料,巷道瞬变电磁法、巷道地震反射共偏移及孔中瞬变电磁探测在80117采空区位置有较明显的响应,与实际资料基本吻合。

5 结论

本次项目实施地点在新景矿15303进风巷,开展了基于地震波法、直流电法、瞬变电磁法的巷道和孔中探测,并进行了随钻测震和孔内电视等相关的工作。

1)通过开展现场探测试验,包括巷道震电磁综合超前探测、随钻测震、孔中电视、孔中电磁法,得出15303进风巷N3125点前75m迎头前方探测范围内整体富水性弱,无不良构造区；另外针对巷道左侧的采空区,巷道瞬变电磁法得出在顶板15°方向、水平方向和底板15°方向存在低阻异常区YC1,分析为受80117采空区积水影响所致,该区域富水;地震反射共偏移法得出在相对坐标X=42～59 m,Y=27～36 m处存在一组强反射界面,分析为受80117采空区巷道影响所致;孔中瞬变电磁法在分量6方向得出一处相对低阻异常区,等值线变化异常,位于钻孔进尺28.5～31.0 m,探测方向19～26 m深度位置处,分析为受80117老空巷道影响所致,根据地质资料探测得出的异常区位置与实际资料基本吻合。

2)通过对比现场探测可知,巷道探测具有宏观大尺度优势,但分辨效果较差，尤其是巷道深部,无法获取细节性特征;孔中探测具有小尺度微观特点,能够扩大探测深度,有效补充钻孔径向的探测能力,其实际效果与孔中激发的震源或场源的强弱、测量装置、观测系统、耦合方式及围岩条件相关。针对不同的异常区及其物性特点,选用合适的探测方法或进行多种方法的联合探测,可取得较好的探测效果。因此开展巷道、钻孔的联合探测可以相互验证,能够做到统筹优势、互为补充,保障巷道安全掘进。

3)本项目采用巷道和钻孔联合探测技术,有效获取多空间的多场数据,通过数据处理分析对照形成综合解释方法,能够在充分利用巷道、钻孔条件的基础上获得更为理想的探测结果和分辨效果,为矿井防治水工作提供保障,有效降低水害事故的发生,提升钻孔的利用效率和可视性,降低钻孔施工风险和成本,能够产生显著的经济和社会效益,具有较好的推广应用价值。同时,在以后的应用研究中,应考虑减小孔中探测装置的孔径、提升功率、防水及抗压等方面性能,以满足复杂水文地质条件下多类型钻孔的适用性;应当进一步增强设备的测深及分辨能力,优化方法及设备组合,使施工轻便化、高效化;应当开展其他矿区不同水文地质类型条件下的样本试验,以及进行多地球物理场的综合研究、融合分析,提升技术的实用性。