礦用鉆孔測井分析儀在煤層底板涌水探測中的應用

王永文，趙益晨，蘇建國，趙海鵬

(山西汾西礦業(集團)有限責任公司,山西 介休 032000)

地球物理測井技術是鉆探成果解釋可靠性的保障，地面鉆探鉆孔如果不測井，鉆孔成果會定性為不可靠。井下鉆孔不測井，其成果往往更難解釋。西安瑞泰電氣有限公司聯合西安科技大學等高校研發出一套井下鉆孔綜合測井儀器—YCJ90/360型礦用鉆孔測井分析儀。它可以實現對視頻、自然伽瑪、鉆孔軌跡(方位角、傾角)數據、鉆孔深度數據的一次性采集，通過軟件實現鉆孔孔斜計算，定量分析揭露地層的巖性、厚度、含水性及孔壁結構特征(包括分層性、厚度、巖層軟硬程度、巖石孔隙、裂隙、出水點特征、頂板離層情況及斷層等)，有效提升鉆探成果解釋的可靠性。山西焦煤集團嵐縣正利煤業應用該礦用鉆孔測井分析儀對煤層底板涌水情況進行探測。

1 礦用鉆孔測井分析儀的工作原理

礦用鉆孔測井分析儀總體結構由探頭、控制箱、數據傳輸模塊、分析軟件、專用探頭推桿 5 部分構成。其中，探頭由視頻采集模塊、自然伽瑪模塊、孔斜測量模塊構成，在井下現場一次可以采集高分辨率視頻、自然伽瑪數據、孔斜方位角與傾斜角、鉆孔深度數據。探頭與控制箱采用有纜傳輸方式進行通信[1].

鉆孔測井分析儀采用自然伽瑪測井曲線與視頻同步數據分析，判讀巖性與分層，彌補了單一曲線分析巖性的不足(圖1),即按照同一深度上的視頻、曲線數據相互印證判斷巖層巖性； 軟件能夠繪制鉆孔巖性柱狀、鉆孔平面圖及地質剖面圖；視頻能夠分析鉆孔的內部結構，如巖層軟硬程度、巖石孔隙、裂隙發育情況、出水點、頂板離層情況及斷層等，各種圖形可以用CAD 或圖片輸出[2-6].

圖1 自然伽馬與視頻同步分析巖性示意圖

該儀器具有體積小巧、功耗低、攜帶方便、操作簡單、高效準確、成本低、采集信息量豐富、分析功能強大、成果豐富等特點，能夠適合于包括錨索鉆孔在內的井下所有類型的鉆孔探測需要，可以廣泛應用于各類礦山井下的防治水、地質勘查、地質找礦、頂板支護探測鉆孔及各類隧道施工中鉆孔的信息采集分析等領域。

2 探測與數據分析應用

2.1 探測目的與鉆孔設計參數

正利煤業14-1106工作面開采4-1#煤，上覆山西組砂巖裂隙水及4-1#煤下部底板砂巖裂隙水為工作面直接充水水源。該底板含水層裂隙不發育，補給條件差，地下水以靜儲量為主，用水量較小。然而，該工作面4-1#煤層均埋藏在奧灰水靜水位以下，屬于帶壓開采，所承受水壓約7.0 MPa，奧灰水對4-1#煤層底板突水系數為0.045 MPa/m，為工作面潛在突水水源，一旦發生煤層底板奧灰水突水，可能造成淹井事故。因此，水害防治始終是該礦的主要安全問題。

2018年1月，14-1106工作面下順槽迎頭超前鉆探突然出水，調整角度后繼續施工8個鉆孔，有的孔出水，有的孔不出水，最大出水量約50 m3/h，水壓為1.0 MPa，該巷道因此停止掘進，鉆孔出水原因，水源及通道亟待查明。為此，采用YCJ90/360型礦用鉆孔測井分析儀，進行了8個鉆孔的探測，由于測井時間距離鉆孔完工時間較長，多個鉆孔塌孔，僅對其中最有價值的3個鉆孔的測井數據進行分析。探測鉆孔的設計參數見表1.

表1 14-1106工作面探測鉆孔設計參數表

2.2 探測數據與成果分析

井下探測3個鉆孔在2個多小時內完成，經過數據下載，通過專用的測井數據分析，測孔結果如下：

1) 鉆孔視頻數據分析。從該視頻可以看出，煤層底板的砂質泥巖層位中，有多處裂隙發育，其中，2#、14#孔分別在57.6 m、61.0 m處，孔內裂隙發育，有大的空洞，并伴隨有大量涌水，儀器在14#孔的出水位置產生劇烈搖晃、涌出巖粉現象，說明該處為巖層涌水點。4#鉆孔在89.0 m處發現一個承壓水柱，噴射出水，在65 m處發現煤層裂隙涌水現象。

2) 巖性分析。通過儀器專用軟件進行視頻與自然伽馬同步分析巖性，并結合鉆孔軌跡數據分析，2#、14#孔均穿過煤層進入煤層底板的砂質泥巖層位，并且裂隙孔隙發育，出水量大。4#鉆孔從開孔至59.5 m在煤層中，其后至75.4 m進入砂質泥巖層位中，最后至終孔90.48 m再次進入煤層中，見圖2.

3) 實測鉆孔軌跡分析。以2#孔的方位為基準投影制作的實測軌跡剖面見圖3，平面圖見圖4. 其中2#、14#鉆孔進入煤層底板，從鉆孔的實測軌跡可以看出，鉆孔在鉆探過程中發生了不同程度的軌跡偏斜現象。結合巖性分析與鉆孔軌跡分析預測巷道前方的地質剖面情況，預計巷道迎頭前方20～60 m，裂隙發育，破碎位置在煤層底板砂質泥巖層位，局部煤層裂隙也發育。

綜合推測煤層底板裂隙及破碎帶平面大致的邊界范圍見圖4虛線。

圖2 鉆孔分析柱狀圖

圖3 鉆孔實測軌跡剖面圖

圖4 鉆孔實測軌跡平面示意圖

4) 鉆孔出水原因、水源及通道分析。該次探測鉆孔8個，除2#、4#、14#鉆孔測至孔底，其他孔均有不同程度塌孔，未測至出水位置。8個鉆孔均有涌水現象，2#孔水量約50 m3/h，4#孔約2 m3/h，14#孔約19.6 m3/h.2#孔分別在42～57 m有多處裂隙及空洞出水；4#孔分別在61～62 m、88～90 m有多處裂隙和孔隙出水，14#下斜孔在25 m左右裂隙發育，61～62 m裂隙、孔隙出水。結合各鉆孔的視頻資料驗證，2#、4#、14#鉆孔出水位置均有裂隙和孔隙發育，而且孔隙越大出水量越大，3個孔出水點水壓均為1.0 MPa，結合已知資料分析，出水水源為下部奧灰承壓水，出水通道為裂隙、孔隙。

3 結束語

采用YCJ90/300型礦用鉆孔測井分析儀對正利煤業14-1106工作面底板涌水情況進行探測，對最有價值的2#、4#、14#探測鉆孔，進行鉆孔視頻數據分析，巖性分析及實測鉆孔垂向軌跡圖與剖面分析，預測2#、4#、14#鉆孔出水位置均有裂隙和孔隙發育，出水水源為下部奧灰承壓水，出水通道為裂隙、孔隙。