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| CXK14.8矿用钻孔测斜成像测井仪在某矿顶板锚索孔探测中的应用 |
摘要：随着煤炭科技的进步，对煤矿安全生产的认识不断提高，矿井建设开发和安全生产相关的标准、规范、规程持续完善，对顶板灾害治理等方面提出了新的要求。以山西某矿工作面顶板锚索孔探测为例,利用CXK14.8矿用钻孔测斜成像测井仪对钻孔进行测井、分析,该仪器能够在煤矿井下一次快速完成视频、自然伽马、轨迹数据采集,地面处理软件可以高效处理数据,自动导出钻孔轨迹平面图、钻孔轨迹剖面图、伽马曲线图等成果，为巷道安全掘进提供了技术保障。
关键词：钻孔测斜成像测井仪；自然伽马测井；钻孔视频；顶板岩性分析
1、引言
煤炭是我国的基础能源和重要工业原料，为国民经济和社会发展提供了可靠的能源保障。其作为保障我国能源安全的“压舱石”和“稳定器”，未来将继续担负着保障国民经济平稳健康发展的重大使命。但煤炭在开采中也面临瓦斯事故、煤尘事故、水灾、火灾、顶板等灾害事故，尤其以顶板灾害更为严重。近年来顶板事故频发，据统计顶板事故所占的比例占其他事故的60%以上，伤亡人数占40%左右。随着开采深度不断增加，巷道断面不断增加，预防采掘工作面的顶板事故更加重要。《矿安晋〔2022〕94号、国家矿山安全监察局山西局、关于强化煤矿采掘工作面顶板管理的通知》文件中“三、必须定期对掘进工作面顶板岩性进行分析。巷道掘进期间，煤巷每隔50米、岩巷每隔100米必须用锚杆钻机探测一次顶板岩性，煤巷每隔300米、岩巷每隔500米必须对顶板进行一次取芯探测或窥视探测，确保及时掌握顶板岩性变化，根据探测分析结果及时补强支护。顶板岩性变化较大或遇构造时应缩短探测距离”，文中提出钻孔测井技术对顶板灾害防治的效用及意义。为此福州华虹智能科技股份有限公司研发新一代全方位钻孔信息测量仪器-CXK14.8矿用钻孔测斜成像测井仪,为巷道顶板管理和支护设计提供依据，保障矿井安全生产。
2、仪器简介
CXK14.8矿用钻孔测斜成像测井仪为福州华虹智能科技股份有限公司研发的新一代全方位钻孔信息测量仪器，采用具有微机电系统、全方位运动姿态测量、高精度动态响应的传感器、高清摄像、自然伽马传感器，全方位测量钻孔轨迹倾角、方位角、孔中成像、自然伽马的仪器，实现了真正意义上的全方位测量，使上仰、下俯、水平、垂直各种钻孔测量简便易行，显示各个时刻测点井斜角、方位角、自然伽马值、视频画面和路程的数值，从而得到探管轨迹及孔内地质信息，从而解决了各种钻孔测量这一技术难题。其主要特点如下：
一、仪器硬件部分由主机、探管、深度计数器、绕线盘及通信软电缆等组成：①探管直径26mm，适用于包括锚索孔在内的常用钻孔测量；探头由高分辨率摄像头、自然伽马、孔斜测量及控制单元构成，外设简易扶正器，在测量大口径钻孔时，可保证探头始终位于钻孔中央位置。②摄像头采用进口星光级全高清200万摄像系统，鱼眼视角，实现360度全景成像，可清晰的观察到孔内基本情况，清晰分辨孔内岩石特征、裂隙带、出水点、破碎带等。③主机“傻瓜”式1键操作：采集过程仅需要编辑设置孔号，采用打点模式进行，一次探测完成摄像、测斜、自然伽马、轨迹数据的同步记录并实时处理。④专用碳纤维推杆，重量较轻，强度高、韧性好，采用卡扣快速连接方式首尾相连，用于探头的远距离不间断推进。
二、数据分析软件可将测斜数据直接导入CAD绘图，生成实钻与设计轨迹在各测点的左右和上下偏差和三维图；满足钻孔平面图、剖面图、偏差图、三维图、多种数据混合列表的输出；可以自建岩性伽马数据库，可快速分类岩性，自由标注岩性分析，包括分层岩性、厚度、岩层软硬程度、岩石空隙、钻孔出水点等等信息；高分视频可以查看孔壁结构特征(包括分层性、岩层软硬程度、岩石孔隙、裂隙、出水点特征、顶板离层情况及断层等)。
3、设备原理
3.1伽马测量
一、自然伽马测井
把仪器放到井下，测量地层放射性强度的方法叫自然伽马测井(GR)。这种方法已有很长的历史，GR与SP相配合能很好地划分岩性和确定渗透性地层，GR的另一优点是可在套管井中测量。
１、岩石的放射性
岩石的放射性，主要是由于含有铀(U)、钍(Th)、钾(K)等放射性元素，所以岩石的放射性强度决定放射性元素的含量。一般条件下，岩石的放射性物质含量很少，按放射性的强弱沉积岩可分为以下几类：
自然伽马放射性高：放射性软泥、红色粘土、海绿石砂岩、独居石等岩石。
自然伽马放射性中：浅海相和陆上沉积的泥质岩石，如泥质砂岩，泥质石灰岩，泥灰岩等。
自然伽马放射性低：砂岩、石灰岩、石膏、岩盐、煤和沥青等
２、自然伽马测井测量原理
自然伽马射线由岩层穿过泥浆、仪器外壳进入探测器，探测器将射线转化为电脉冲信号，经放大器把电脉冲放大后由电缆送到孔外仪器。
早期的自然伽马曲线采用计数率(脉冲/分钟)单位，曲线用Jr表示，现今的自然伽马测井都采用标准刻度单位API，曲线用GR表示。定义高放射性地层与低放射性地层读数之差为200API单位，作为标准刻度单位。
3、自然伽马测井曲线
把自然伽马测井仪下到井中，测量地层放射性强度随深度变化的曲线，称为自然伽马曲线(GR)。以计数率(1/min)或标准化单位(uR/h或API)刻度。
自然伽马测井曲线的特点：
1、当上下围岩的放射线含量相同时，曲线形状对称于地层中点。
2、高放射性地层，对着地层中心曲线有一极大值，并且它随地层厚度(h)的增加而增大，当h≥3d时(d为井直径)，极大值GRmax为常数，目与地层厚度无关，只与岩石的自然放射线强度成正比。
3、当h≥3d时，由曲线的半幅度点确定为地层真实厚度。当h<3d时，因受放射性围岩的影响，自然伽马幅度值随层厚h减小而减小，地层越薄，曲线幅度值就越小。
利用自然伽马测井曲线划分岩性，主要是根据岩层中泥质含量不同进行的。
在碳酸盐岩剖面中，自然伽马测井曲线值是粘土(泥岩、页岩)最高，纯的石灰岩、自云岩的自然伽马值最低，而泥灰岩、泥质石灰岩、泥质白云岩的自然伽马测井曲线值介于两者之间，且随泥质含量增加而幅值增大。
二、相对法计算泥沙比
泥质是指颗粒直径小于0.01mm的碎屑物质,泥质含量也叫泥质体积，是指泥质体积占岩石总体积的百分比(泥沙比)。当岩石含有泥质时，各种测井曲线均不同程度地受泥质的影响，影响的程度由泥质含量 大小评定。
自然伽马测井曲线幅值的变化取决于地层泥质含量的多少。由于泥质颗粒细小，具有较大的比面，使它对放射性物质有较大的吸附能力，并且沉积时间长，有充分时间与溶液中的放射性物质一起沉积，所以泥质(黏土)具有较高的放射性。
自然伽马测井是沿井身测量岩层的天然伽马射线强度的方法。岩石一般都含有不同数量的放射性元素，并且不断地放出射线。例如，在火成岩中，愈近酸性，放射性强度愈大；在沉积岩中含泥质愈多，其放射性愈强。由于煤层的煤化程度，沉积相不同等种种原因，各矿的实际测量伽马值会存在一定的偏差。基本遵循的原则规律为岩石中含泥量越高其伽马值越高、砂泥比越小，反之伽马值越小、砂泥比越大。
3.2 孔斜测量
探管中的测斜传感器采用九轴运动追踪感测组件，可测量倾角、方位角。探管与主机通过通讯线缆连接，通过传感器模块智能测量钻孔的倾角、方位角，并把结果导入主机显示。
探管与主机采用智能化自动处理原理。将探管送入钻孔中进行测量，探管自主采集钻孔倾角、方位角等轨迹参数，每推进一根推杆在接推杆时静止的时候主机打点一次。测量完毕后，探管内的数据可以传输线传输至主机内。主机自动处理后可以显示各测量点的测斜数值，显示整个钻孔的三维轨迹图。并可以进行数据管理，配合自主研发的专业软件，可在电脑上对数据进一步处理。
3.3 视频
4核高性能处理器，辅以专业图像DSP处理系统，实现图像数据实时采集、处理、录像等功能。专业的深度编码器，视频中对应的高精度的钻孔深数。
4、应用实例
4.1 概况
应用地点山西某矿9110掘进工作面，需对9110工作面回风顺槽进行钻孔测井，找寻顶板破碎裂隙及观察岩性变化，及时对9110工作面顶板岩性分析，为巷道安全掘进提供技术保障。
4.2 顶板情况
工作面老顶以灰~深灰色粉砂岩、细砂岩、泥岩为主。薄至中厚层状，较硬，缓倾斜层理，沉积不均，中部及上部局部发育碳质泥岩及薄层煤线。
直接顶以灰~深灰色粉砂岩、泥岩为主。薄~中厚层状，块状，含砂不均，胶结成岩较好，中部局部发育砂质泥岩，较硬，缓倾斜层理，参差状断口，沉积不均。
4.3 钻孔设计
本次钻探在9110工作面回风顺槽X1017测点北45-50m设计2孔，旨在探明顶板岩性变化及观测顶板裂隙，具体设计如下：
4.4 钻孔施工成果汇总
本次施工于2024.5进行，采用锚杆钻机钻探，随后采用CXK14.8矿用钻孔测斜成像测井仪探测，后期数据经由专业处理软件解析。具体成果及解释如下：
5、结论与建议
针对本次探测与后期巷道掘进三个月期间对钻孔的实时观测，顶板结构完整，孔内裂隙无变化，未见出水点。建议保留观测孔，定期重复观测顶板是否发生断裂。
煤矿顶板灾害对社会影响极大，应此要严格按照顶板管理规定进行。且井下地质条件复杂，顶板事故频发，更要注重顶板灾害防治工作，制定科学合理的防治措施，引用新的方法与技术。CXK14.8矿用钻孔测斜成像测井仪对孔内地层和各种构造进行图形展示、观察孔内出水点位置、观察含水断层情况、煤层倾角判别、分析煤层走向等等功能，对地质、防探水、井巷工程设计与施工都是有重要指导作用的探测手段。
参考文献
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