覆巖破壞高度及特征的地面鉆孔觀測方法探討

劉克安　景丹陽

摘 要：文章介紹了鉆孔沖洗液法與鉆孔彩色電視成像法的基本原理及優缺點，并且結合具體工程實例分析兩種方法相結合的施工工藝和工序技術控制措施。通過對鉆孔沖洗液漏失量的觀測，結合鉆孔彩色電視系統成像可以有效的得出煤層覆巖破壞的裂隙分布及演化特征。

關鍵詞：覆巖破壞；鉆孔沖洗液法；鉆孔彩色電視成像法；工序技術控制措施

我國煤礦“三下”采煤問題非常突出，各個礦區均存在不同程度的“三下”壓煤。在水體下采煤的過程中，煤層開采后將改變采場的原始應力分部，在煤層圍巖中產生應力增加區和降低區，上部巖層受采動影響產生采動裂隙，造成了頂板垮落、裂隙發育、地表沉降、突水事故、地表水系破壞等一系列問題，直接影響礦井的安全生產。因此，準確的判斷覆巖破壞的高度及特征對于礦井的安全生產具有重要的意義。

20世紀以來，國內外學者對于采場上覆巖層的破壞規律進行了大量研究，提出了關于覆巖破壞的各種假說，具有代表性的有：平衡拱假說、壓力拱假說、懸臂梁假說以及鉸接巖塊假說等；我國學者基于礦壓研究的需要，相繼建立了砌體梁模型、傳遞巖梁模型以及“三帶”理論。目前，我國對于覆巖破壞高度及特征的地面實測方法有：鉆孔沖洗液法、鉆孔聲速法、鉆孔超聲成像法及鉆孔彩色電視成像法等。在進行覆巖破壞高度及特征的觀測過程中，各種方法都有自己的技術特點及優缺點，通過各種方法的相互配合提高觀測數據的有效性和準確性。基于覆巖破壞高度及特征的地面觀測方法實例，探討鉆孔沖洗液法與鉆孔彩色電視成像法相結合的鉆孔觀測方法。

1 測定覆巖破壞高度及特征的鉆孔沖洗液法

鉆孔沖洗液漏失量觀測法（簡稱為鉆孔沖洗液法）是通過直接測定鉆進過程中鉆孔沖洗液漏失量、鉆孔內水位、沖洗液中斷、異常現象（包括向鉆孔內吸風或瓦斯涌出以及掉鉆、卡鉆、鉆具震動等現象）、巖芯鑒定及地質描述等資料來綜合判定垮落帶和導水裂縫帶高度及特征的一種觀測方法。導水裂縫帶高度是通過鉆孔沖洗液消耗量和鉆孔內水位觀測結果加以確定；垮落帶高度則通過鉆進過程中出現的異常現象加以確定。

鉆孔沖洗液漏失量的實際測量過程表明，鉆孔沖洗液法具有簡單、易操作、實用有效、觀測數據能夠反映實際導水裂縫帶發育情況等優點，仍是獲得覆巖破壞高度及特征最基本的觀測方法；其缺點主要是在某些原巖裂隙較發育的地區測得的數據不夠準確且對施工的時間有一定的要求。

2 測定覆巖破壞高度及特征的鉆孔彩色電視成像法

對現場鉆孔內的裂隙分布進行探測選用的儀器是鉆孔彩色電視系統。鉆孔彩色電視系統包括有探頭、控制器、絞車架、電纜及計數器等裝置，測量時把一自帶光源的防水攝像探頭放入地下鉆孔中，對鉆孔內的巖層巖性、孔內水位、裂隙寬度和長度、巖層破碎狀況進行觀測。在進行水體下采煤方案設計時，為了實測得到煤層開采后覆巖破壞的高度，在下部煤層開采前設置對比觀測鉆孔，觀測鉆孔內的原始裂隙發育情況，可以直觀的觀測采前煤層上覆巖層的巖性結構特征、基巖分化帶特征、原生裂隙發育特征等，為確定覆巖類型以及分析計算提供參數依據。采用鉆孔彩色電視探測系統結合傳統的鉆孔沖洗液漏失量觀測，可以更準確的確定采動覆巖破壞的高度及特征。

3 工程實例

以某礦二號礦井31101首采工作面覆巖破壞觀測鉆孔CQ01為例，說明采用鉆孔沖洗液漏失量觀測法結合鉆孔彩色電視成像法具體的施工工藝及技術措施。

3.1 施工工藝及過程

采用回轉正循環鉆進，基巖地層為單管取芯器，破碎段采用單管卡簧取芯器。

一開：采用Φ190mm牙輪鉆機開孔無芯鉆進，鉆進至95m（見基巖20m），下入一級Φ168mm套管（0-95m），套管外水泥封閉止水；二開：采用Φ98mm取芯器復合片取芯鉆頭鉆進，鉆進至397m，進行測井，Φ146擴孔至397m，下入二級Φ127mm套管（0-397m），套管外水泥封閉止水；三開：采用Φ98mm取芯器復合片取芯鉆頭鉆進至終孔。按照鉆孔結構下入套管，Φ168mm和Φ127mm規格套管均為絲扣連接，升降機提吊、卡瓦夾持法下入孔內，所有下入孔內的成孔管都不再拔起，封閉止水均為套管外全段水泥永久性封閉止水，水泥漿反出地面為止。

3.2 工序技術控制措施

3.2.1 設備安裝做到周正、穩固、水平，“三心”在一條垂線上。

3.2.2 為保證取芯率達到采前鉆孔巖芯采取率不低于75%，采后鉆孔0-400m，巖芯采取率不低于70%，進入裂隙帶后巖芯采取率不低于55%的要求，采用單管卡簧取芯器，控制回次進尺。

3.2.3 對于采取的巖芯，要做好巖芯的擺放、編錄及裂隙發育描述等工作，準確判斷巖層的層位、巖性、傾角、風化程度、破碎狀況等，巖芯要保存完好。

3.2.4 封閉止水工序，采用合格的P.O32.5水泥作為封閉止水材料，注漿過程中，要保證注漿液的連續性，水泥的量要充足，必須保證水泥漿返至地面。注漿結束后，等候48h后進行封閉止水質量檢驗，掃孔超過套管底口以下的深度不小于200mm，洗孔至水清，觀察套管內水位的變化，小于40mm/8h時為止水合格，否則進行補救處理直至合格。

3.2.5 非觀測段的技術要求為下鉆前、起鉆后各觀測一次液面，鉆進過程中每1h觀測記錄一次沖洗液消耗量，遇到沖洗液漏失量明顯增大（大于2m3/h）時，應記錄漏失量消耗增大的深度，并按10min/次的頻率觀測記錄沖洗液漏失量。

3.2.6 觀測段鉆進必須使用清水鉆進，CQ01鉆孔的觀測深度為397-547m，觀測段長度為150m。為了防止巖粉封堵裂縫，要求每班至少要清理一次水源箱，并更換清水，每次清理水槽和水源箱或者向水源箱內加水時，必須停止鉆進；每個回次的進尺長度原則上不能超過4m，在裂縫帶發育地層原則上不能超過2m；要求起鉆后、下鉆前均測定鉆孔內水位，到停鉆時間較長時，應每隔5-10min觀測一次水位，觀測水位時要求同時記錄孔深、觀測水位時間和孔內水位數值。

3.2.7 進行鉆孔彩色電視成像，鉆孔彩色電視觀測是重點觀測項目，與鉆孔沖洗液漏失量觀測相互配合可以更準確的確定覆巖破壞的高度及特征。

4 結束語

4.1 鉆孔沖洗液法的主要優點是簡單、易操作、可靠實用、觀測數據較能反映實際導水情況，仍是獲取冒落帶和導水裂縫帶高度及特征的基本方法。缺點主要是在某些原巖裂隙發育的地區往往不能取得可靠數據，對把握觀測時機的要求較高。

4.2 鉆孔彩色電視成像法可以直觀的探測鉆孔內的巖層巖性、裂隙寬度、采動裂隙分部特征、裂隙連通情況，探測結果與鉆孔沖洗液漏失量觀測數據相結合可以更有效的得出煤層覆巖破壞的裂隙分布及演化特征。

參考文獻

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作者簡介：劉克安（1991-），男，陜西榆林人，中國礦業大學（北京）采礦工程專業在讀碩士研究生，主要從事現代采礦新技術方面的研究。endprint