“钻孔雷达+钻孔电视”精细化探测技术的应用*

2021-06-06王培刘柯王选琳张翠兰

采矿技术 2021年3期

王培，刘柯，王选琳，张翠兰

(1.重庆市能源投资集团科技有限责任公司设计分公司，重庆 400061；2.重庆市能源投资集团科技有限责任公司瓦斯研究院，重庆 400061)

0 引言

近年来，地球物理探测方法和技术发展飞速，出现了很多针对不同条件探测有效的技术与装备[1]。其中，钻孔雷达探测就是一种有效的探测技术。目前钻孔雷达在国外主要是应用于金属矿脉及位置探测，而在国内的金属矿探测应用不多，其在国内的应用主要是地下空间探测、大型工程裂隙/裂缝探测等，其探测效果均较为理想[2−4]。但是，目前矿用钻孔地质雷达在煤矿井下的探测应用多为试验阶段，均不成熟，所以煤矿井下掘进过程中一般还是依靠打较多的超前探孔进行水与瓦斯（包括有毒有害气体）的探测[5]。

另外，矿用钻孔电视仪近年来在煤矿的应用逐步增多，但是主要是用于巷道的冒落带高度探测、钻孔覆岩破碎情况观测，其探测效果可明显分辨出破碎区域大致范围，而有关采用钻孔电视仪探测煤矿井下地质构造的报道却少之又少[6−13]。

1 精细化探测技术

“钻孔雷达+钻孔电视”精细化探测技术是一种结合矿用钻孔雷达探测和钻孔电视仪观测技术的综合探测技术，其综合探测结果准确度更高。

钻孔雷达探测设备主要包括探测主机、发射/接收天线、推杆、深度记录仪、数据传输导线和配套的数据处理软件等，其探测方法和原理如图1所示。根据图1，将发射/接收天线连接好后放于待探测钻孔中并以缓慢速度向钻孔深部推进，在推进过程中向钻孔径向周围围岩发射电磁波信号，自动扫描钻孔径向一定范围内的构造情况并将接收的信号传输到探测主机，通过主机的数据处理软件可分析前方异常地质体的基本情况。目前，该探测技术可探测钻孔径向30m范围内的地质异常体情况。钻孔电视仪主要由观测主机、推杆、数据传输导线、摄像头、深度记录仪等组成。钻孔电视仪观测是将仪器按顺序连接好后，通过推杆将摄像头缓慢匀速向钻孔深部推进，钻孔孔壁经摄像头上的LED灯照亮，然后摄像头摄取反射的孔壁图像并经数据传输导线传送至观测主机，可视频方式观看[15]。钻孔电视仪主机对所采集的钻孔孔壁及深度信息可处理形成2种孔壁图像，一种是类似三维岩芯图像，其可以旋转任意角度观察岩芯，另一种是钻孔壁二维展开平铺图像。根据钻孔电视仪所测得的资料可获得裂隙/裂缝的埋深、倾向、倾角、宽度、裂隙面的粗糙度、充填物等信息。

“钻孔雷达＋钻孔电视”精细化探测就是同时利用上述2种探测方法，先后探测，数据综合对比分析，再得出较为准确的预判结论。从理论上讲，每种探测方法均是对另一种探测方法的补充，形成互补关系，探测结论更为准确。

图1 钻孔雷达探测方法[14]

2 探测设备

本文采用的矿用钻孔雷达是ZTR7.2矿用地质雷达，其实物如图2所示，其发射/接收天线的频率为100 MHz，数据处理软件适用国际通用的各类数据格式。采用的钻孔电视仪实物如图3所示，其正常可推进观测深度达80m以上。

图2 钻孔雷达实物

3 精细化探测技术应用与分析

本次探测技术应用选在打通一矿S402瓦斯巷起坡190m后掘平巷绕道10m处的碛头进行，共同探测1个超前探孔。探测钻孔为水平孔，孔径为75mm，终孔深度为42m，位于碛头中线距底板20 cm处。

图3 钻孔电视仪实物

3.1 矿用钻孔雷达探测结果与分析

S402瓦斯巷起坡190m后掘平巷绕道10m处碛头钻孔雷达探测结果如图4所示。

钻孔探测深度为37.5m，探测结果显示钻孔围岩部分段存在明显构造。图4中标识区域信号出现明显异常，分别为：

（1）探测深度在9.0m～13.5m之间、距钻孔壁0.5m～7.5m区域范围内；

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（2）探测深度在10.5m～37.5m之间、距钻孔壁4.0m～11.5m区域范围内。

其中（1）处区域信号变化尤为异常，根据探测经验判断为断层或大型孔裂隙；（2）处区域信号异常减弱，根据探测经验判断为介电常数变化，推断为该区域岩性发生变化（强度降低，或为泥岩）。

图4 钻孔雷达探测结果

3.2 钻孔电视仪探测结果与分析

S402瓦斯巷起坡190m后掘平巷绕道10m处碛头钻孔电视仪探测结果如图5所示。由于推进过程中镜头前方堆积钻屑以及钻孔中有水，钻孔探测深度14.3667m。由图5可以看出：

（1）钻孔深度2.1m和2.4m处，孔壁存在小孔/裂隙；

（2）钻孔深度2.6m～3.3m段，孔壁裂隙延伸；

（3）钻孔深度5.8m处，孔壁存在明显孔隙，尺度0.1m；

（4）钻孔深度9.3m～9.5m段，孔壁存在明显裂隙；

（5）钻孔深度10.3m～10.6m段，孔壁存在明显裂隙/缝，可与钻孔雷达探测结果分析异常区域对应；

（6）钻孔深度11.4m处，孔壁存在小孔隙；

（7）钻孔深度12.6m处，孔壁存在小孔/裂隙；

（8）钻孔深度12.9m～13.5m段，孔壁存在明显裂隙延伸。

图5 钻孔电视仪观测结果

3.3 综合分析

根据钻孔雷达探测和钻孔成像仪探测结果综合对比判断可知：在钻孔探测深度9.3m～13.5m、距钻孔壁0.5m～7.5m范围区域，2种方法的探测结果均显示该区域存在地质异常体（孔/裂隙构造），建议在掘进时做好相应的防治措施。在探测后期，根据打通一矿井下S402瓦斯巷起坡190m后掘平巷绕道10m处碛头掘进施工记录情况，在掘进至前方13.5m位置的时候确实存在一个较大的裂隙，与前期的探测结果吻合。并且前期施工超前探孔时，在钻至13m左右出现了轻微的瓦斯超限，该深度数据与本次的探测结论相符合。鉴于前期根据探测结果预先准备了防治措施，该碛头掘进时未出现异常情况。综合认为，本次“钻孔雷达+钻孔电视”精细化探测技术的探测结果较为准确，尤其是钻孔电视探测结果中，可将观测到的裂隙尺寸长度精确到10 cm以内。