覆巖破壞高度及特征的地面鉆孔觀測(cè)方法探討

劉克安　景丹陽(yáng)

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(yōu)缺點(diǎn)，并且結(jié)合具體工程實(shí)例分析兩種方法相結(jié)合的施工工藝和工序技術(shù)控制措施。通過(guò)對(duì)鉆孔沖洗液漏失量的觀測(cè)，結(jié)合鉆孔彩色電視系統(tǒng)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(guān)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(shù)控制措施

我國(guó)煤礦“三下”采煤?jiǎn)栴}非常突出，各個(gè)礦區(qū)均存在不同程度的“三下”壓煤。在水體下采煤的過(guò)程中，煤層開(kāi)采后將改變采場(chǎng)的原始應(yīng)力分部，在煤層圍巖中產(chǎn)生應(yīng)力增加區(qū)和降低區(qū)，上部巖層受采動(dòng)影響產(chǎn)生采動(dòng)裂隙，造成了頂板垮落、裂隙發(fā)育、地表沉降、突水事故、地表水系破壞等一系列問(wèn)題，直接影響礦井的安全生產(chǎn)。因此，準(zhǔn)確的判斷覆巖破壞的高度及特征對(duì)于礦井的安全生產(chǎn)具有重要的意義。

20世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于采場(chǎng)上覆巖層的破壞規(guī)律進(jìn)行了大量研究，提出了關(guān)于覆巖破壞的各種假說(shuō)，具有代表性的有：平衡拱假說(shuō)、壓力拱假說(shuō)、懸臂梁假說(shuō)以及鉸接巖塊假說(shuō)等；我國(guó)學(xué)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(guó)對(duì)于覆巖破壞高度及特征的地面實(shí)測(cè)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(jìn)行覆巖破壞高度及特征的觀測(cè)過(guò)程中，各種方法都有自己的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)各種方法的相互配合提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性?；诟矌r破壞高度及特征的地面觀測(cè)方法實(shí)例，探討鉆孔沖洗液法與鉆孔彩色電視成像法相結(jié)合的鉆孔觀測(cè)方法。

1 測(cè)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(cè)法（簡(jiǎn)稱為鉆孔沖洗液法）是通過(guò)直接測(cè)定鉆進(jìn)過(guò)程中鉆孔沖洗液漏失量、鉆孔內(nèi)水位、沖洗液中斷、異常現(xiàn)象（包括向鉆孔內(nèi)吸風(fēng)或瓦斯涌出以及掉鉆、卡鉆、鉆具震動(dòng)等現(xiàn)象）、巖芯鑒定及地質(zhì)描述等資料來(lái)綜合判定垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度及特征的一種觀測(cè)方法。導(dǎo)水裂縫帶高度是通過(guò)鉆孔沖洗液消耗量和鉆孔內(nèi)水位觀測(cè)結(jié)果加以確定；垮落帶高度則通過(guò)鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象加以確定。

鉆孔沖洗液漏失量的實(shí)際測(cè)量過(guò)程表明，鉆孔沖洗液法具有簡(jiǎn)單、易操作、實(shí)用有效、觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠反映實(shí)際導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育情況等優(yōu)點(diǎn)，仍是獲得覆巖破壞高度及特征最基本的觀測(cè)方法；其缺點(diǎn)主要是在某些原巖裂隙較發(fā)育的地區(qū)測(cè)得的數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確且對(duì)施工的時(shí)間有一定的要求。

2 測(cè)定覆巖破壞高度及特征的鉆孔彩色電視成像法

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔內(nèi)的裂隙分布進(jìn)行探測(cè)選用的儀器是鉆孔彩色電視系統(tǒng)。鉆孔彩色電視系統(tǒng)包括有探頭、控制器、絞車架、電纜及計(jì)數(shù)器等裝置，測(cè)量時(shí)把一自帶光源的防水?dāng)z像探頭放入地下鉆孔中，對(duì)鉆孔內(nèi)的巖層巖性、孔內(nèi)水位、裂隙寬度和長(zhǎng)度、巖層破碎狀況進(jìn)行觀測(cè)。在進(jìn)行水體下采煤方案設(shè)計(jì)時(shí)，為了實(shí)測(cè)得到煤層開(kāi)采后覆巖破壞的高度，在下部煤層開(kāi)采前設(shè)置對(duì)比觀測(cè)鉆孔，觀測(cè)鉆孔內(nèi)的原始裂隙發(fā)育情況，可以直觀的觀測(cè)采前煤層上覆巖層的巖性結(jié)構(gòu)特征、基巖分化帶特征、原生裂隙發(fā)育特征等，為確定覆巖類型以及分析計(jì)算提供參數(shù)依據(jù)。采用鉆孔彩色電視探測(cè)系統(tǒng)結(jié)合傳統(tǒng)的鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)，可以更準(zhǔn)確的確定采動(dòng)覆巖破壞的高度及特征。

3 工程實(shí)例

以某礦二號(hào)礦井31101首采工作面覆巖破壞觀測(cè)鉆孔CQ01為例，說(shuō)明采用鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)法結(jié)合鉆孔彩色電視成像法具體的施工工藝及技術(shù)措施。

3.1 施工工藝及過(guò)程

采用回轉(zhuǎn)正循環(huán)鉆進(jìn)，基巖地層為單管取芯器，破碎段采用單管卡簧取芯器。

一開(kāi)：采用Φ190mm牙輪鉆機(jī)開(kāi)孔無(wú)芯鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至95m（見(jiàn)基巖20m），下入一級(jí)Φ168mm套管（0-95m），套管外水泥封閉止水；二開(kāi)：采用Φ98mm取芯器復(fù)合片取芯鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至397m，進(jìn)行測(cè)井，Φ146擴(kuò)孔至397m，下入二級(jí)Φ127mm套管（0-397m），套管外水泥封閉止水；三開(kāi)：采用Φ98mm取芯器復(fù)合片取芯鉆頭鉆進(jìn)至終孔。按照鉆孔結(jié)構(gòu)下入套管，Φ168mm和Φ127mm規(guī)格套管均為絲扣連接，升降機(jī)提吊、卡瓦夾持法下入孔內(nèi)，所有下入孔內(nèi)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(shù)控制措施

3.2.1 設(shè)備安裝做到周正、穩(wěn)固、水平，“三心”在一條垂線上。

3.2.2 為保證取芯率達(dá)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(jìn)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(jìn)尺。

3.2.3 對(duì)于采取的巖芯，要做好巖芯的擺放、編錄及裂隙發(fā)育描述等工作，準(zhǔn)確判斷巖層的層位、巖性、傾角、風(fēng)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(guò)程中，要保證注漿液的連續(xù)性，水泥的量要充足，必須保證水泥漿返至地面。注漿結(jié)束后，等候48h后進(jìn)行封閉止水質(zhì)量檢驗(yàn)，掃孔超過(guò)套管底口以下的深度不小于200mm，洗孔至水清，觀察套管內(nèi)水位的變化，小于40mm/8h時(shí)為止水合格，否則進(jìn)行補(bǔ)救處理直至合格。

3.2.5 非觀測(cè)段的技術(shù)要求為下鉆前、起鉆后各觀測(cè)一次液面，鉆進(jìn)過(guò)程中每1h觀測(cè)記錄一次沖洗液消耗量，遇到?jīng)_洗液漏失量明顯增大（大于2m3/h）時(shí)，應(yīng)記錄漏失量消耗增大的深度，并按10min/次的頻率觀測(cè)記錄沖洗液漏失量。

3.2.6 觀測(cè)段鉆進(jìn)必須使用清水鉆進(jìn)，CQ01鉆孔的觀測(cè)深度為397-547m，觀測(cè)段長(zhǎng)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(nèi)加水時(shí)，必須停止鉆進(jìn)；每個(gè)回次的進(jìn)尺長(zhǎng)度原則上不能超過(guò)4m，在裂縫帶發(fā)育地層原則上不能超過(guò)2m；要求起鉆后、下鉆前均測(cè)定鉆孔內(nèi)水位，到停鉆時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)每隔5-10min觀測(cè)一次水位，觀測(cè)水位時(shí)要求同時(shí)記錄孔深、觀測(cè)水位時(shí)間和孔內(nèi)水位數(shù)值。

3.2.7 進(jìn)行鉆孔彩色電視成像，鉆孔彩色電視觀測(cè)是重點(diǎn)觀測(cè)項(xiàng)目，與鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)相互配合可以更準(zhǔn)確的確定覆巖破壞的高度及特征。

4 結(jié)束語(yǔ)

4.1 鉆孔沖洗液法的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易操作、可靠實(shí)用、觀測(cè)數(shù)據(jù)較能反映實(shí)際導(dǎo)水情況，仍是獲取冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度及特征的基本方法。缺點(diǎn)主要是在某些原巖裂隙發(fā)育的地區(qū)往往不能取得可靠數(shù)據(jù)，對(duì)把握觀測(cè)時(shí)機(jī)的要求較高。

4.2 鉆孔彩色電視成像法可以直觀的探測(cè)鉆孔內(nèi)的巖層巖性、裂隙寬度、采動(dòng)裂隙分部特征、裂隙連通情況，探測(cè)結(jié)果與鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)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。

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作者簡(jiǎn)介：劉克安（1991-），男，陜西榆林人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）采礦工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事現(xiàn)代采礦新技術(shù)方面的研究。endprint