钻孔成像技术在煤矿顶板管理中的应用与实践

白兴平

（晋能控股煤业集团忻州窑矿 山西省 大同市 037021）

近年来随着煤矿安全管理力度的加大，瓦斯、水害等煤矿重大安全生产事故得到有效扼制，但煤矿顶板事故“零敲碎打”呈现上升趋势。所以顶板管理仍是煤矿安全生产中亟需解决的重要课题，由于各类煤矿生产地质条件不同，顶板赋存条件复杂程度不一，故顶板管理难易程度不同，某矿通过钻孔成像技术观测、分析，实现了对不同类型顶板有针对性的采取科学、合理的顶板管理措施，保障了煤矿的安全生产。

1 钻孔成像技术特点

采用图像采集与处理技术，探头全景摄像，图像清晰，深度计数准确，可对各类观测孔进行视频录制及后期成像处理。适用于煤矿顶板地质构造、煤层赋存、工作面前方遇断层、陷落柱等构造、上覆岩层导水裂隙带等的探测。

2 钻孔成像技术在某矿各类顶板条件下的使用情况

2.1 钻孔成像仪在巷道返修中的应用

某矿东二14#层集中轨道巷于2010年掘进，原巷宽4 m、高3 m，因受上覆11#层盘区集中巷道遗留煤柱集中应力和同层一翼已采工作面超前支承应力影响，东二14#层集中轨道巷发生巷道片帮、底鼓现象，巷道最宽处4.9 m，最低处2.2 m，不能满足安全生产需要，为保证巷道正常使用2016年~2017年对局部巷道返修两次、2018年第三次修巷时，局部巷道顶板出现下沉现象，为确定顶板结构变化情况，采取合理的支护措施，采用钻孔成像技术进行探测。经钻孔窥视里程1 700 m处巷道松动圈已扩展至距顶板6 m，顶板裂隙、离层发育，见下表。

表1 东二14#层集中轨道巷1 700 m处顶板窥视情况

钻孔窥视仪观测钻孔4.5 m以下离层、裂隙发育，共有离层5处，横向裂隙8处，纵向裂隙4处。分析认为原巷道锚杆支护已部分失效，围岩松动圈呈现逐步扩大的趋势，需及时补强支护。

图2 顶板2.4 m处离层

图3 顶板2.7 m处离层

图4 顶板3.1 m处离层

图5 顶板4.3 m处离层

结合顶板结构窥视结果，某矿通过优化设计采用两帮打木垛、工字钢吊梁下支木柱、9.3 m长锚索补强支护控制了顶板下沉趋势，保障了巷道安全使用。

2.2 钻孔成像仪在巷道高水平侧压中的应用

2018年1月东三14#层2507巷在掘进至距巷口80 m~120 m时顶板锚索陆续断裂3根，经检验锚索材质无质量问题，使用钻孔成像仪观测断裂锚索钻孔无离层，但发现顶板钻孔多处发生水平错位，分析锚索断裂原因为受上覆11#层8516与8518采空区煤柱侧向应力挤压导致钻孔水平错位索线受剪切应力与拉应力影响断裂，2507巷22#钢带顶板钻孔可观测到有3处钻孔错位，请见表2，图6~图9。

表2 2507巷顶板钻孔窥视情况

图6 5.49m处ϕ 17.8 mm锚索断裂

图7 距孔口0.99m处钻孔水平错位

图8 距孔口2.67 m处钻孔水平错位

图9 距孔口3.7m处钻孔水平错位

钻孔成像仪查明锚索断裂处掘进巷道顶板层间水平位移大于层间垂直位移，通过优化巷道支护在水平应力较大区段采用架棚及锚杆支护，有效保障了巷道的安全使用。

2.3 钻孔成像仪在巷道遇导水裂隙中的应用

东三14-3#层2504巷下山掘进巷道，地质资料显示该巷上覆为14-2#层8503采空区，预计古塘西北方向低洼处有积水，钻探探测前方53米上覆采空区有积水，掘进过程中巷道顶板淋水较大，为结合钻探查明出水来源，使用钻孔成像仪对顶板进行观察，钻孔窥视至距孔口2.4 m时发现岩层裂隙水从孔壁裂隙喷射而出，探至8.748 m处与上覆8503采空区探通。分析认为2504巷顶板淋水增大的原因是掘进巷道前方上覆14-2#层8503古塘积水沿岩层导水裂隙下泄造成的，且水压较大，通过加强巷道探放水力度，保障了巷道掘进安全。

表3 2504巷顶板钻孔窥视情况

图10 距孔口2.4m处钻孔裂隙出水

图11 距孔口3.7m处钻孔横向裂隙

图12 距孔口4.38m处钻孔纵向裂隙

图13 距孔口8.74m处钻孔与老塘探通

3 钻孔成像技术的优点

（1）矿井地质钻孔资料一般由地面从上而下探测，从宏观上可以掌握采、掘工作面顶板整体结构，但存在点位稀疏、投资大、时效性差、精密度低等缺点，资料适合于井田开拓整体规划用；钻孔成像技术可对未知顶板进行细致观测。不仅能直观地观测到钻孔内的各种结构构造，而且能对整个钻孔成像进行定量分析；

（2）顶板离层监测一般测点间隔50 m~100 m，适合于煤矿井下区段顶板监测，特点是一次性投入，测点间隔较大，巷道开拓后需及时安装观测。离层仪在顶板离层时可知深、浅基点大致哪个范围有离层，但不能准确判定距顶板具体哪个位置有离层；如果遇顶板有淋水离层仪安装于顶板钻孔内的测绳长时间会因腐蚀断裂失效，其次对区段内已离层顶板安装离层仪进行监测一是安装困难，二是时效性差。而钻孔成像技术可对采、掘巷道围岩变形点随时打孔观察，观测便捷，现场分析、判断巷道围岩变形情况，时效性好。

4 结论

（1）针对煤矿顶板管理，综合利用地质钻孔资料、顶板离层监测和钻孔成像技术可以有效探测煤矿顶板结构、厚度、硬度等赋存情况，指导煤矿合理科学地进行支护设计；

（2）通过对同一钻孔的周期性对比观测成像，可以揭示煤层巷道围岩节理、断层和裂隙等发育、发展变化情况，预测巷道顶板离层、垮冒、巷道失稳等顶板安全隐患的发展趋势，为采取科学有效的预防处理措施提供参考，降低开采风险和生产成本；

（3）在某煤矿作业规程中要求每掘进50 m施工两个顶板钻孔，一个作为顶板窥视孔，一个作为离层仪孔，钻孔成像技术结合离层监测可以对巷道的支护设计、围岩注浆加固及巷道修复等有效性进行评估并提供真实有效的技术数据，提高煤矿井下生产的安全性。