鉆孔成像技術在煤礦頂板管理中的應用與實踐

白興平

（晉能控股煤業集團忻州窯礦 山西省 大同市 037021）

近年來隨著煤礦安全管理力度的加大，瓦斯、水害等煤礦重大安全生產事故得到有效扼制，但煤礦頂板事故“零敲碎打”呈現上升趨勢。所以頂板管理仍是煤礦安全生產中亟需解決的重要課題，由于各類煤礦生產地質條件不同，頂板賦存條件復雜程度不一，故頂板管理難易程度不同，某礦通過鉆孔成像技術觀測、分析，實現了對不同類型頂板有針對性的采取科學、合理的頂板管理措施，保障了煤礦的安全生產。

1 鉆孔成像技術特點

采用圖像采集與處理技術，探頭全景攝像，圖像清晰，深度計數準確，可對各類觀測孔進行視頻錄制及后期成像處理。適用于煤礦頂板地質構造、煤層賦存、工作面前方遇斷層、陷落柱等構造、上覆巖層導水裂隙帶等的探測。

2 鉆孔成像技術在某礦各類頂板條件下的使用情況

2.1 鉆孔成像儀在巷道返修中的應用

某礦東二14#層集中軌道巷于2010年掘進，原巷寬4 m、高3 m，因受上覆11#層盤區集中巷道遺留煤柱集中應力和同層一翼已采工作面超前支承應力影響，東二14#層集中軌道巷發生巷道片幫、底鼓現象，巷道最寬處4.9 m，最低處2.2 m，不能滿足安全生產需要，為保證巷道正常使用2016年~2017年對局部巷道返修兩次、2018年第三次修巷時，局部巷道頂板出現下沉現象，為確定頂板結構變化情況，采取合理的支護措施，采用鉆孔成像技術進行探測。經鉆孔窺視里程1 700 m處巷道松動圈已擴展至距頂板6 m，頂板裂隙、離層發育，見下表。

表1 東二14#層集中軌道巷1 700 m處頂板窺視情況

鉆孔窺視儀觀測鉆孔4.5 m以下離層、裂隙發育，共有離層5處，橫向裂隙8處，縱向裂隙4處。分析認為原巷道錨桿支護已部分失效，圍巖松動圈呈現逐步擴大的趨勢，需及時補強支護。

圖2 頂板2.4 m處離層

圖3 頂板2.7 m處離層

圖4 頂板3.1 m處離層

圖5 頂板4.3 m處離層

結合頂板結構窺視結果，某礦通過優化設計采用兩幫打木垛、工字鋼吊梁下支木柱、9.3 m長錨索補強支護控制了頂板下沉趨勢，保障了巷道安全使用。

2.2 鉆孔成像儀在巷道高水平側壓中的應用

2018年1月東三14#層2507巷在掘進至距巷口80 m~120 m時頂板錨索陸續斷裂3根，經檢驗錨索材質無質量問題，使用鉆孔成像儀觀測斷裂錨索鉆孔無離層，但發現頂板鉆孔多處發生水平錯位，分析錨索斷裂原因為受上覆11#層8516與8518采空區煤柱側向應力擠壓導致鉆孔水平錯位索線受剪切應力與拉應力影響斷裂，2507巷22#鋼帶頂板鉆孔可觀測到有3處鉆孔錯位，請見表2，圖6~圖9。

表2 2507巷頂板鉆孔窺視情況

圖6 5.49m處? 17.8 mm錨索斷裂

圖7 距孔口0.99m處鉆孔水平錯位

圖8 距孔口2.67 m處鉆孔水平錯位

圖9 距孔口3.7m處鉆孔水平錯位

鉆孔成像儀查明錨索斷裂處掘進巷道頂板層間水平位移大于層間垂直位移，通過優化巷道支護在水平應力較大區段采用架棚及錨桿支護，有效保障了巷道的安全使用。

2.3 鉆孔成像儀在巷道遇導水裂隙中的應用

東三14-3#層2504巷下山掘進巷道，地質資料顯示該巷上覆為14-2#層8503采空區，預計古塘西北方向低洼處有積水，鉆探探測前方53米上覆采空區有積水，掘進過程中巷道頂板淋水較大，為結合鉆探查明出水來源，使用鉆孔成像儀對頂板進行觀察，鉆孔窺視至距孔口2.4 m時發現巖層裂隙水從孔壁裂隙噴射而出，探至8.748 m處與上覆8503采空區探通。分析認為2504巷頂板淋水增大的原因是掘進巷道前方上覆14-2#層8503古塘積水沿巖層導水裂隙下泄造成的，且水壓較大，通過加強巷道探放水力度，保障了巷道掘進安全。

表3 2504巷頂板鉆孔窺視情況

圖10 距孔口2.4m處鉆孔裂隙出水

圖11 距孔口3.7m處鉆孔橫向裂隙

圖12 距孔口4.38m處鉆孔縱向裂隙

圖13 距孔口8.74m處鉆孔與老塘探通

3 鉆孔成像技術的優點

（1）礦井地質鉆孔資料一般由地面從上而下探測，從宏觀上可以掌握采、掘工作面頂板整體結構，但存在點位稀疏、投資大、時效性差、精密度低等缺點，資料適合于井田開拓整體規劃用；鉆孔成像技術可對未知頂板進行細致觀測。不僅能直觀地觀測到鉆孔內的各種結構構造，而且能對整個鉆孔成像進行定量分析；

（2）頂板離層監測一般測點間隔50 m~100 m，適合于煤礦井下區段頂板監測，特點是一次性投入，測點間隔較大，巷道開拓后需及時安裝觀測。離層儀在頂板離層時可知深、淺基點大致哪個范圍有離層，但不能準確判定距頂板具體哪個位置有離層；如果遇頂板有淋水離層儀安裝于頂板鉆孔內的測繩長時間會因腐蝕斷裂失效，其次對區段內已離層頂板安裝離層儀進行監測一是安裝困難，二是時效性差。而鉆孔成像技術可對采、掘巷道圍巖變形點隨時打孔觀察，觀測便捷，現場分析、判斷巷道圍巖變形情況，時效性好。

4 結論

（1）針對煤礦頂板管理，綜合利用地質鉆孔資料、頂板離層監測和鉆孔成像技術可以有效探測煤礦頂板結構、厚度、硬度等賦存情況，指導煤礦合理科學地進行支護設計；

（2）通過對同一鉆孔的周期性對比觀測成像，可以揭示煤層巷道圍巖節理、斷層和裂隙等發育、發展變化情況，預測巷道頂板離層、垮冒、巷道失穩等頂板安全隱患的發展趨勢，為采取科學有效的預防處理措施提供參考，降低開采風險和生產成本；

（3）在某煤礦作業規程中要求每掘進50 m施工兩個頂板鉆孔，一個作為頂板窺視孔，一個作為離層儀孔，鉆孔成像技術結合離層監測可以對巷道的支護設計、圍巖注漿加固及巷道修復等有效性進行評估并提供真實有效的技術數據，提高煤礦井下生產的安全性。