钻孔摄像技术在石炭系特厚煤层工作面的应用.pdf

2 0 0 9 年 第1 期 东 瞧晨 斜l技 钻孔摄像 技 术在石炭 系特厚煤层 工作 面的应 用 胡守平 同煤集团大唐塔山煤矿有限公司， 山西 大同0 3 7 0 0 1 摘要塔 山矿首采工作 面采用特厚煤层放顶煤 开采 ， 为 了分析和 掌握顶煤、 顶板岩层运 移规律 ， 保证 安全 高效生产， 利用全景数字钻孔摄 像 技术配合其它监测手段对开采过程中顶板状况进行了监测， 为特厚煤层放顶煤工作面的开采提供了有价值的基础数据， 取得了满意的效果。 关键词 工作面 放顶煤 顶板全景钻孔摄像特厚煤层 中图分类号 T D 3 2 5 ． 4 文献标识码A Th e Ap p l i c a ti o n o f P a n o r a mi c Bo r e h o l e Ca me r a t o Ex t r e me l y Th i c k S e a m W o r ki n g Fa c e-m Ca r b o n i f e r o u s S y s t e m Hu S h o u p i n g D a t a n g T a s h a n C o a l M i n e C o ．L t d ． o f T o n te i G r o u p ， S h a r g x i D a t o n g 0 3 7 0 0 1 Ab s n c t T h e t o p c o a l c a vin g mi n i n gt e c h n o l o g y w a s u s e d i n e r e me ／yt h i c k c o a l 8 姗a t t h e fir s t wo r k i n gf a c e i n T a s h a n c o al mi n e ．I n o r d e r t o a n a l y z e a n d ma s t e rt h emi g r a t i o nl a ws o f t o p c o a l a n d r eck r o o f ，a n dt o e n s u r e s a f e t y a n d e ff i c i e n t p r o d u c t i o n，p a n o r a mi c d i t a l b o r e h o l e c a lT 啪t echn o l o g yw i t h o t h e rme a Il s o f mo n i t o ri n gwe r e u s e d i n the p r o c e s s o fmi nin g．T h i s e x p e r i m e n t p r o v i d e d v a l u a b l e b a s i ci n f o r m a ti o nf o rth e s a f e t y o ft o p c o a l c a v i n gf a c e，an dthe r e s u l t swe r e s a ils t i ed ． Ke y wo r d s w o r k i n gf a c e；t o p c o a l c a vin g；r o o f ；p a n o r a mi e b o r e h o l e came r a ；e x t r e me l y“ c k c o a l S e a I T l 塔山矿是大同地区第一个大规模开采石炭二叠系 的矿井， 对特厚煤层的放煤规律掌握不够， 放煤基本参 数不全 ， 为全面 了解和 掌握 特厚煤层 的顶板 冒落和放 煤规律， 具体掌握首采工作面顶板活动情况， 做到合理 利用顶板压力对顶煤的破坏作用， 提高矿井综合生产 能力， 该矿利用全景数字钻孔摄像技术对 8 1 0 2 综放工 作面的顶板活动情 况进行 了监 测 ， 以指导综 放工 作面 瓦斯 涌出及顶板 冒落灾害的预测预报 。 1 全景数字钻孔摄像 系统工作原理及其监测实施 1 ． 1 全景数 字钻孔摄像 系统工作原理 观测设备采用 中国科学 院武汉岩土力学研究所 的 新型数字 全景 钻孔 摄 像 成 图系统 ， 由绞车 、 全景 探头 或前视探头 、 控制箱、 仪器箱、 摄录像机、 台式计算机 含视频采集卡、 1 3 9 4卡 等硬件和处理软件两部分组 成 。 该设备是利用探头内部的 C C D摄像头 ， 通过反射 装置透过探头观测窗和孔壁间隙的空气或者井液将探 头侧方被光源照亮的一小段孔壁连续进行摄录后， 将 影像信息通过电缆传输到地面后叠加深度记录存储在 录像带中。然后在室内通过专用孔壁影像处理软件进 行数字化成图， 形成完整的孔壁展开图和柱状图， 并分 析记录裂隙的产状和宽度。 *收稿 日期 2 0 0 8 1 1 1 2 作者简介 胡守平 1 9 6 4 一 ， 男， 山西大同人， 同煤大唐塔山煤矿有 限公司任职， 高级工程师， 研究方向， 采矿技术与顶板控制。 1 ． 2监测 买施 根据 8 1 o 2 综放 面相对 地面位置 、 预计 的顶板运移 情况及已有的微地震仪传感器布置情况综合考虑， 布 置了 2个地面观测钻孔。 1 ． 2 ． 1 钻孔布置 1 号孔距 工作 面切 巷 采空 区侧煤 壁 2 6 9 m， 钻孔 以 1 3 3 m m开孔 ， 钻深 1 0 2 m后下人 1 2 7 m m套 管隔离， 然后改为 0 4 m m孔径， 在孔深 4 5 1 ． 5 5 m处见 35号 煤， 终孔深度为4 9 5 m 。2号孔以 1 2 7 m m开孔， 1 3 3 m m 钻至 8 6 m后 ， 下入 1 0 7 m m套管隔离， 然后改为 8 9 m m 孔径 ， 在孔深 4 7 1 m处见 3 ～5 号煤， 终孔深度为 5 1 0 m。 1 ． 2 ． 2 观测方法 1 在钻孔打出后未受采动影响时， 对全孑 L 进行一 次全面观测， 掌握钻孔岩层原始状况。 2 当工作面推进到距 钻孔 3 0 m时开始进行煤层 和 直接顶活动的观测， 频率为工作面每推进 5 ～1 0 m进行 一 次观测 ， 观测高度为煤 层底板 向上 5 0 m， 主要记 录孔 中水位变化及其疏干过程 ， 以及煤层和顶板岩层出现 裂隙的时间、 位置及其发展状况； 同时在孑 L 口处用风表 测 量钻孔 的进风量。 3 在工作面采至钻孑 L 和推过钻孔 3 0 m的过程中， 对顶煤、 顶板岩层的离层和垮落进行连续观测 每天进 行一次 ， 观测范围为顶煤或岩层垮落处向上 5 0 m ， 采 用全景探头和前视探头观测记录顶煤和岩层的垮落高 度， 必要时采用前视探头或测绳 带有测钟 观测冒空 区的高度 ； 同时在孔 口处用风表测量钻孔的进风量。 4 在工作面推过钻孔后 3 01 0 0 m的过程中， 工作 面每推进 1 0 ～2 0 m对顶煤、 顶板岩层的 下转第3页 2 0 0 9 年 第1 期 夯 晨 斜技 3 探测出未知陷落柱。范各庄矿北翼采区2 0 8 运输乙巷 沿 l 2 号煤层掘进， 位于井 口高水位区， 其水位 比周围 高 7 0 m， 在地质雷达跟踪探测 中出现了与已知陷落柱 相似的波形 ， 因此提出前方有一大的破碎带， 初步判断 是陷落柱， 随后停止掘进， 再次进行地质雷达详探确 认， 同时进行钻探 2 m m孔 验证。先沿煤层打验 1 O 孔， 在 3 8 m处见岩石， 在 l 1 9 m处又钻入煤层 ， 1 2 5 ． 4 3 m 处终孔。由于小钻头钻进取芯很少， 难以对岩石准确 判断， 后在煤层中打验 I 1 孔， 钻进 2 4 m进入煤层顶板， 一 直钻到 6 0 m层位仍然正常。据此钻探结果并经分 析 ， 有人 认为 前 方有 两条 断层 ， 地 质雷 达探 测 的结 果 是 前方界面呈弧形分布， 而且 出现了陷落柱的波形， 因此再次确认前方有一个新的陷落柱， 编号 1 2 ， 验 1 0 孔打到的 l 1 9 m是其另一个边界 ， 其长轴长约 5 0 m 。后 来 由于 1 2号煤的煤质松软， 验 1 l 孔出水量有逐渐增 大的趋势 ， 据此巷道附近的地面钻孔资料， l 2号煤层底 板砂岩水压高达2 MP a ， 后又经过对公有的几块岩芯仔 细鉴定 ， 认为是上覆的9 号煤层底板， 所以认为是陷落 柱的结论是正确的， 随后该处用三道水闸墙封堵， 后退 绕行掘进 ， 避免了一次透水事故。 4 结束语 地质雷达超前探测地质构造技术在我国煤矿生产 过程中已经得到了广泛的应用 ， 并且取得了长足的发 展， 但是地质雷达也有其局限性， 在 以下 3个方面有待 于进一步提高。 1 探测距离与分辨率的矛盾无法克服； 2 多次波及其他杂波干扰严重， 原始记录的信 杂比低 ， 有效波的识别及其成果解译十分困难； 3 所获得的被探测对象的空间信息量太少， 其 资料成果的解释往往存在多解性。 上接第 1页 离层和垮落进行一次观测， 观测高度为 顶煤或岩层垮落处 向上 l O O m， 主要 采用全景探 头观测 顶板岩层 的影响高度 ， 必要时采用前 视探头 或测绳 带 有测钟 观测记录冒空区的高度； 同时在孔 口处用风表 测量钻孔的进风量 。 5 在工作面推过钻孔 l O O m以后 ， 随着工作面的推 进 ， 根据需要进 行钻孔 的后续观测 ， 掌握顶板岩层 的 冒 落塌实 及对 地 表 的 影响 的状 况 ， 观 测 频率 为每 5 0一 l O O m观测一次直至工作面结束。 在整个观测过程 中， 观测记录顶煤 、 顶 板岩层 的离 层、 掌握特厚煤层采空区冒落高度和范围， 分析其与工 作 面位置 的关 系 ， 得 出矿山压力显现及岩层运动规律 。 1 ． 2 ． 3 观测结果分析 数字摄像钻孔的观测显示 ， 当工作面已经推过钻 孔 1 2 7 m后在顶板上方 2 0 1 2 0 9 m间仍存在约 0 ． 7 m的 空洞 ， 直到推过钻孔至 2 0 3 m时 ， 在顶板上方 2 7 4 m处空 洞才减小为 0 ． 1 m， 过钻 孔 2 1 2 m后消 失。表 1显示 了 钻孑 L 破坏已发展到超过 3 0 0 m的情况。分析钻孔摄像 获得的信息， 认为钻孔超前工作面煤壁 2 1 ． 5 m时， 顶板 上方4～ 9 m开始产生竖向裂隙， 表明在超前压力作用 下， 顶板已经开始被破坏； 超前 1 5 m时， 顶板上方 3 0 m 内产生水平和竖向裂隙， 并发现钻孔有进风现象， 说明 裂隙发展增大 ， 与工作面采空区沟通； 超前 5 m时， 顶板 产生水平错动， 高度达到 4 5 m左右； 接近工作面位置 时， 顶板产生离层错动， 且有折断现象， 宏观观测的结 果与理论计算基本吻合； 直接顶垮落高度较大， 达到 5 5 ～ 6 0 m 从底板算起 。总的来说， 工作面采高范围大， 顶板超前工作面产生水平运动 ， 当接近工作面时， 产生 离层、 折断， 运动加剧。实测曲线如图 1 所示。 表 1 数字钻孔破坏情况 工作面采过 工作面采过 破坏情况 备注 钻孔位置， m 钻孔位置， m 2 ． O 4 0 ． 0 破坏 1 2 ． 5 5 6 ． O 破坏 1 9 ． O 6 2 ． 0 破坏 2 7 ． 5 7 7 ． O 破坏 6 1 ． 5 1 5 1 ． 5 破坏 l 2 7 ． 0 2 ∞． 0 2 1 0 ． 0 破坏 存在约 0 ． 7 m空洞 2 o 3 ． O 4 破坏 空洞减小为 0 ． 1 m 2 1 2 ． 0 3 1 7 破坏 空洞消失 2 结束语 工作面与钻孔相对位 置M 图1 1 号钻孔塌落高度 曲线图 1 利用全景数字钻孔摄像可准确分析记录钻孔内 裂隙的产状、 深度及宽度， 地面直观观测顶煤、 顶板岩 层的离层和垮落。 2 通过地面钻孔观测 ， 掌握了顶板塌落高度及变 化范围， 为特厚煤层放顶煤开采顶板活动规律研究和 安全开采提供了直观的基础数据。 3 该项 目可为进一步研究工作面上覆岩层活动规 律和地表沉陷提供基础数据和理论验证。