煤矿井下定向钻孔中电阻率探测技术与应用

李博凡，刘 磊，范 涛，蒋齐平，王 杰

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

在煤矿井下开展物探工程，由于需要一定施工空间，地面成熟的多种方法在井下工况条件下受到极大的制约。无线电磁波透视法和反射/透射槽波法是探查工作面内部隐伏构造的有效手段[1-2]，音频电透视方法则在底板/顶板富水性探查方面有较好的运用[3-4]。借助钻孔开展多孔联合方式进行孔间目标体探查已在地铁线路先期勘探中得到了运用，对解决勘探盲区问题行之有效[5-6]。张平松等[7]利用井下钻孔直流电阻率法进行煤层开采过程中顶板“三带”破坏监测，将探查过程与采掘活动联系起来，扩展了井下直流电阻率法的使用范围，但由于钻孔深度相对较小，控制范围较为有限，无法大面积推广使用。在煤矿井下利用钻孔开展物探工程，可突破井下有限空间对多种物探方法的施工制约，取得更好的勘探成果。

井下定向钻进技术对于高瓦斯工作面煤层气预抽[8-9]、灰岩底板注浆改造起着关键性作用[10-11]，定向钻孔设计深度通常在400 m 以上，常规勘探手段无法对定向钻孔旁隐伏构造发育情况进行探查。基于此，本文提出一种利用定向钻孔开展孔中直流电阻率法径向探测和透视探测相结合的方法，进行隐伏构造探测，并在陕西韩城某矿进行探测试验，验证其方法的可行性。

1 孔中直流电阻率法探测技术

与地面直流电阻率法不同，煤矿井下电法勘探环境为全空间介质环境，对于水平定向钻孔而言，结合煤矿固有的地层特征，勘探环境基本处于层状介质。建立全空间地层模型，采取三维数值模拟形式计算电场分布以研究隐伏构造的异常响应规律，地面勘探中常用的视电阻率计算方法对于井下勘探同样适用。

点电源在导电介质中电场分布用微分方程形式描述，具体公式[12]如下：

式中：u为介质中某点电位值；σ为导电介质电导率；I为供电电流大小；δ为狄利克雷函数；A为供电电极坐标。

黄俊革等[13-14]对煤矿巷道直流电阻率法探测已做了相当详尽的三维数值模拟研究工作，从基础理论方面解释了井下探测面临的难点。尽管垂直孔中直流电阻率法透视技术已成熟运用[15-16]，但定向水平钻孔径向探查研究依然未见实例。

1.1 层状全空间地质异常体基本特征

数值模拟过程中，无论是陷落柱模型，还是采空巷道模型，在异常体设计上，均采用与实际异常形态相似的块体代替，并使该块体电阻率值与背景围岩存在一定差异。研究不同地质体的异常特征，实际上就是研究不同形状、不同电性差异模型的电场分布情况。

煤矿井下为全空间层状介质探测环境，煤层为高阻介质，顶底板泥/砂岩电阻率相对较低，为研究陷落柱等异常地质体在层状介质中的探测异常规律，将实际多层介质简化为三层模型，模型总体上体现含煤地层电阻率变化规律。钻孔探测模型如图1 所示。

图1 孔中直流电阻率法探测模型Fig.1 DC resistivity detection model in hole

孔中电极以间距4 m 分布于钻孔中，供电电极A位于钻孔孔口附近，电极A处位置为深度原点，在图1 所示的模型中，当设定顶、底板和中间层电阻率均为100 Ω·m 时，为均匀全空间模型；设定顶、底板电阻率均为100 Ω·m，煤层电阻率为1 000 Ω·m 时，为层状模型；设定顶、底板电阻率均为100 Ω·m，煤层电阻率为1 000 Ω·m，且在钻孔深度为50 m，偏离钻孔径向15 m位置存在一个直径为20 m 的低阻陷落柱，低阻陷落柱电阻率为10 Ω·m 时，为层状异常模型；中间层厚度6 m，顶、底板厚度均为400 m，钻孔位于中间层中心位置。供电电极A固定，M、N为相邻接收电极，M、N中点为O点。采用AMN三极装置沿钻孔接收电位差，且根据公式计算全空间条件下对应的视电阻率值，计算公式如下：

式中：K为全空间装置系数；ΔU为测量电位差数据。

不同模型前80 m 深度范围内电位差数据对应的视电阻率曲线如图2 所示。

图2 三种模型视电阻率曲线Fig.2 Apparent resistivity curves of three models

由图2 可知，全空间均匀模型视电阻率值不随收发极距dAO变化，为水平直线；层状介质模型dAO<20 m时，视电阻率值主要被中间层电阻率影响，dAO>20 m 时，中间层影响消失，顶底岩层电性情况逐渐在视电阻率值中体现；当层状介质中存在电阻率更低异常体时，视电阻率曲线在层状模型视电阻率曲线基础上出现小幅度凹陷。层状介质视电阻率曲线背景上叠加不同程度的凹陷或凸起是水平钻孔中视电阻率测量曲线基本特征。

1.2 顶底板岩层电阻率影响分析

实际勘探中，煤层与砂岩、泥岩电阻率均有较大分布范围，煤层电阻率变化范围为几百Ω·m 到数千Ω·m 不等，砂岩、泥岩电阻率分布范围数十Ω·m 到数百Ω·m 不等。煤层电阻率设定为1 000 Ω·m，顶、底板砂岩电阻率均为100 Ω·m，以钻孔开口处为坐标原点，钻进方向为x轴，间距4 m 为电极距在钻孔中布置21 个接收电极，孔口电极A供电，根据文献[12]所采用的数值模拟方法，绘制均匀全空间与层状介质的测量电位差曲线和视电阻率曲线，分别如图3 和图4所示。

图3 层状模型与均匀全空间模型电压对比Fig.3 Comparison of the layered model and the full-space measurement voltage

由图3 可知，无论是均匀全空间模型还是层状模型，电位差均随极距衰减。由图4 可知，均匀全空间背景时，视电阻率为一条水平直线；层状介质视电阻率曲线数值随收发极距增大逐渐减小，最终稳定至顶、底板电阻率值。钻孔中径向探测需要在变化的背景影响中识别其他地质构造引起的异常。

图4 层状模型与均匀全空间模型视电阻率对比Fig.4 Comparison of the layered model and the full space apparent resistivity

当顶底板电阻率值相同时，视电阻率曲线最终将反映顶板/底板电阻率，当顶、底板电阻率存在差异，受体积效应的影响，视电阻率曲线渐进值将被顶板、底板电阻率值共同决定。与前文所设定的模型参数类似，中间煤层电阻率为1 000 Ω·m，顶板电阻率为100 Ω·m，底板电阻率值分别为10、100、1 000、3 000 Ω·m，分别对应泥岩、砂岩、灰岩等不同介质，孔口供电，不同底板电阻率模型对应接收视电阻率曲线如图5 所示。

图5 不同底板电阻率模型视电阻率曲线Fig.5 Apparent resistivity curves of different resistivity floor models

由图5 可知，钻孔所在层位对dAO<20 m 的接收数据有较大影响，当dAO>20 m 时，视电阻率值为顶、底板电阻率的综合值，不再随dAO距离改变而变化，视电阻率曲线呈现水平状态，为异常体探测提供了一个较为简单的背景。

1.3 水平定向钻孔电阻率反演

将电位差曲线转换成视电阻率曲线能较为清晰反映异常体在测量深度上的位置，但对于地质异常体的具体形态，尤其只有单个钻孔测量数据的前提下，二维反演是数据处理的有效手段，对以钻孔为轴心，一定半径范围内的柱状空间进行不等间距剖分，如图6所示。

图6 水平钻孔反演剖分Fig.6 schematic diagram of horizontal drilling inversion subdivision

由图6 可知，单孔测量数据无法对异常体进行准确的三维空间定位。在钻孔深度方向，接收数据能较好反映异常体位置；径向平面内，同等规模、相同极径、不同极角的异常体将产生同样的异常电位值，数据处理结果只反映异常体在轴向和径向两个方向上的位置信息。

直流电阻率法二、三维反演理论和方法都较为成熟，对于不同维度数据，可以得出较好的对应维度反演结果。以三层介质下陷落柱模型的反演结果为例，中间层电阻率为1 000 Ω·m，上覆层和下伏地层电阻率均为100 Ω·m，钻孔径向10 m 处存在一个直径为15 m，高度为60 m 的低阻陷落柱模型，钻孔深度80 m，陷落柱中心位于钻孔深度45 m 处，采用全排列单极-偶极三极工作方式，孔中均匀布置的21 个电极依次供电，供电电极向大地供入电流时，其他电极均作为接收电极，记录所有相邻2 个电极之间的电位差。对数据进行二维反演，结果如图7 所示。

图7 陷落柱模型二维反演结果Fig.7 2d inversion results of collapse column model

由图7 可知，陷落柱模型反演位置与设定位置十分吻合，异常区在钻进方向和径向方向边界较为清晰，二维反演结果具备较高的分辨率。上述结果表明，可以采取孔中直流电阻率法对定向钻孔径向一定范围内存在的隐伏构造、岩性变化、工程施工前后介质电性变化情况进行探查。

2 水平定向长钻孔中直流电阻率法施工工艺

2.1 电缆铺设装置

对比地面垂直钻孔施工，水平长钻孔中高密度电缆安装难度有较大提升，需要特定辅助安装设备。辅助装置示意图如图8 所示。

图8 深长钻孔电缆推送装置Fig.8 Cable push device of deep and long drilling borehole

装置主体为直径73 mm 内平钻杆，取心钻头防止孔径变化对输送过程造成不利影响，悬挂装置保证高密度电缆单向移动，水力输送器推动悬挂装置在钻杆内向前移动并最终固定于钻孔底部，固定短节用于连接水力输送器和孔中电缆，特种水便采取侧方打压方式为线缆向前移动提供动能，保证线缆平铺于定向钻孔中。

2.2 电缆水力输送流程

定向钻孔施工完毕后，退出用于钻探施工的通缆钻杆，将内径32 mm 的内平钻杆送入钻孔中，悬挂装置、水力输送器依次送入内径为32 mm 内平钻杆，固定短节连接电缆和水力输送器，钻杆尾端水力打压，特种水便尾部采用可变直径橡胶圈作为电缆输送口。水力输送器在水压推动下逐渐向钻孔底部移动，带动孔中电缆逐渐平铺于钻杆中，当悬挂装置到达孔底，退出内平钻杆。悬挂装置的单向运动结构，使孔中电缆不随钻杆退出。钻杆完全退出后，开展孔中直流电阻率法探测和孔间透视探测。

2.3 孔中直流电阻率法探测

电缆铺设在定向钻孔水平段后，即可开展孔中直流电阻率法探测，仅有1 个钻孔可用时，进行单孔测量，获得地质异常体发育深度和径向范围，当具备2 个平行钻孔时，可开展孔间透视探查，具体布置如图9所示。

图9 钻孔中直流电阻率法探测Fig.9 Schematic diagram of DC resistivity detection in drilling hole

仅有1 个可用钻孔情况下，开展单孔测量：孔内布置的N个电极，按电极编号依次供电，每个电极供电时，该供电电极80 m 范围内的所有相邻电极（供电电极除外）进行电位差测量，形成单孔探测原始记录数据。实测数据表明，当供电接收距离dAO>80 m，电位差数值较小，信号信噪比大大降低，深部反演结果可靠性减弱。当钻孔1、钻孔2 同时具备施工条件时，钻孔1 中1 号电极供电，钻孔2 中1 号电极附近50～80 m 范围内电极作为接收电极，相邻电极测量电位差。随着供电电极位置向孔内移动，各供电电极对应的接收数据量将趋于相同。

3 工程试验

3.1 工程概况

陕西韩城某矿23208 工作面地面高程586.7～856.0 m。所在地层构造形态总体为一单斜构造，倾角2°～6°，进风巷钻场附近，巷道掘进过程中未揭露断层、陷落柱等地质构造，施工探测环境较为均一。

工作面开采的2 号煤层位于下二叠统山西组内，地层整合于下伏太原组之上，陆相沉积，山西组地层厚度38.12～100.68 m，平均60.26 m。共含6 层煤，自上到下依次编号1上、1、2上、2、3 和3下号煤，3 号煤层为本组主要可采煤层。2 号煤层顶底板均为泥质砂岩，底板下距3 号煤层顶板4～27.89 m，平均13.0 m，瓦斯抽采定向钻孔在2 号与3 号煤层中间的泥质砂岩中水平钻进。

在23208 工作面开采过程中，为防止回采时底板破碎造成下组3 号煤瓦斯向采煤工作面扩散，在进风巷内，采用底板定向孔对3 号煤进行瓦斯预抽，钻场共施工5 个底板水平定向钻孔，相邻钻孔平行段间距20 m。定向钻孔轨迹平面图如图10 所示。

图10 定向钻孔轨迹平面分布Fig.10 Plane distribution of directional drilling track

2-1 号钻孔和2-5 号钻孔是本次的施工钻孔，2-1 号钻孔深度486 m，2-5 号钻孔深度570 m。钻孔轨迹在造斜段之后基本平行，平行段间距80 m，为探测施工提供了便利条件。

3.2 探测施工过程及探测成果

在2-1 号和2-5 号钻孔中分别送入长度为410 m的孔中高密度电缆，电缆安装电极31 个，电极间距12 m，孔中电缆在定向钻孔中的分布情况如图11 所示。

图11 定向钻孔孔中电极分布Fig.11 Distribution of electrode in directional drilling hole

电极自孔底到孔口依次编号1-31，根据实测钻孔轨迹，2-1 号钻孔造斜段长度约为60 m，钻孔中电极基本处于水平段。2-5 号钻孔中22-31 号电极位于钻孔造斜段，2 根电缆上1 号电极在巷道投影位置基本相同，在2-1 号钻孔中开展单孔三极直流探测，同时进行两孔间的直流电阻率法透视探测，分别对单孔测量数据和透视数据进行二维反演，反演结果如图12、图13 所示。

在图12 和图13 中，单孔测量数据和孔中透视数据反演结果采用相同区分色级。单孔测量数据与透视数据反演成果基本一致，平面图内电阻率值为20～400 Ω·m，平均值200 Ω·m，蓝色为电阻率低值区，红色为高值区域。在成果图横向坐标200 m 处，视电阻率值低于160 Ω·m，为平面内视电阻率值最低，经过后期回采验证，在横向200 m 处（图13），实际揭露一个断距3.5 m 的小断层。

图12 2-1 号钻孔直流电阻率法测量二维反演结果Fig.12 2d resistivity inversion results of No.2-1 borehole by DC resistivity method

图13 2-1 号钻孔与2-5 号钻孔透视反演视电阻率平面图Fig.13 Apparent resistivity plan for perspective inversion of No.2-1 drill hole and No.2-5 drill hole

以上工程实例说明，在定向孔中开展直流电阻率法探查工作是可行的。深长钻孔中开展物探工作，提前在大范围内探明未知地质隐患，对于助力煤矿高效率开采具有十分积极的意义，根据定向钻孔的多少，可以视情况选择性开展孔旁探查。当只有一个钻孔时，开展单孔径向探测，在具备两个以上定向钻孔时，开展孔间透视探测能获得更加准确的效果。

4 结 论

a.提出了一种在水平定向钻孔中开展直流电阻率法探测的方法，采用水力输送方式在定向钻孔中布置高密度电缆。使用内平钻杆作为电缆的输送通道，可将测量电极布置到深度超过400 m 的钻孔底部，使得更为直接和精细的工作面隐伏构造探查变为可能，实现了瓦斯抽采钻孔的“一孔多用”。

b.数值模拟结果表明，在水平层状介质的大背景下，采用三极装置测量的直流电阻率法工作方式在水平钻孔中进行探测，随着收发距不断增加，钻孔所在层位对视电阻率的影响逐渐减弱，无其他异常情况下，视电阻率值将逐渐过渡到稳定数值。当钻孔径向一定距离存在地质异常体时，异常体造成视电阻率曲线出现较为简单的凹陷或凸起。

c.在陕西韩城某矿23208 工作面的探测实例表明，采用水力输送方式布置孔中高密度电缆是可行的，单孔径向探测结果和两孔透视探测的结果表明，采用孔内探查的方式可以对孔旁/孔间异常体进行准确探测，单孔径向探查无法解决的空间定位问题，采用孔间透视能取得更加准确的结果。