CN105068146B - 一种探测黄土中采煤导水裂隙高度的方法 - Google Patents

Abstract

一种探测黄土中采煤导水裂隙高度的方法，(1)在煤炭开采后的采空区上方实施导水裂隙高度探测钻孔，然后以黄土层的底界面为目标层进行第一阶段探测钻孔以提供黄土样，在第一阶段的钻孔中进行测井，根据测井曲线确定导水裂隙区，其距离煤层底板的最大高度为D1；(2)以已经开采完成的煤层底板以下为目标层进行第二阶段钻探施工，泥浆开始显著漏失的点距离煤层底板D2；(3)采集黄土样的剖面图片，利用钻孔电视获取钻孔内每个深度的孔内影像，确定裂隙发育图片，其中的裂隙距离煤层底板的距离为D3；(4)同一个钻孔中的导水裂隙高度D为D＝max(D1，D2，D3)，同一个采煤工作面的导水裂隙高度Dm为所有钻孔的导水裂隙高度D中的最大值。

Description

一种探测黄土中采煤导水裂隙高度的方法

【技术领域】

本发明涉及矿井地质领域与采矿工程有一定的交叉，尤其涉及黄土中开采导水裂隙高度的探测方法。

【背景技术】

我国煤层上覆普遍存在含水层，当煤层开采后会产生一定的裂隙，即导水裂隙，当导水裂隙达到上覆含水层时，有可能发生矿井水害，因此在煤炭生产中需要开展导水裂隙高度探查工作。

我国西北地区煤炭产量巨大，需要开展导水裂隙高度探测工作，但这里普遍存在较厚的黄土层，黄土层上又普遍存在一个松散含水层。因此，这里更准确的说需要一种黄土中采煤导水裂隙高度的探测方法。

目前，对导水裂隙高度的探测方法有多种，主要可分为3种。第一种是冲洗液消耗法探测导水裂隙高度，这种方法主要是通过钻孔中循环的冲洗液的消耗量的显著变化来判断导水裂隙高度。第二种是钻孔电视，这种方法主要是通过在钻孔中放入摄像头，通过观察孔壁中裂隙的密度、形态等因素来判断导水裂隙高度。第三种是钻孔物探方法，这种方法又可分为电法和地震法两种，其中电法主要通过测定地层通电后电阻率的变化来判断导水裂隙高度，而地震法则通过采动或人为激发的地震波来判断导水裂隙高度。以上方法在黄土层探测时存在以上主要问题：

1)钻孔冲洗液在岩石中往往能够看出漏失量的显著变化，但在黄土中冲洗液与黄土混合后产生隔水效果，冲洗液漏失量变化不显著，进而无法判断导水裂隙高度。

2)钻孔电视在基岩中可以观测到裂隙，但由于黄土在钻孔形成的过程中其导水裂隙被土充填，难以直接观测到裂隙的存在，进而无法判断导水裂隙高度。

3)现有电法手段在有一定倾角的钻孔中实施，且黄土中泥饼的存在影响了电阻率的观测，另外现有电法手段需要在煤炭开采前进行布置钻孔，开采后的钻孔在无背景值(原始状态下的电阻率)的条件下，不能分析出电阻率的变化，进而判断出导水裂隙高度，且在煤炭开采过程中常常造成传感器或线路破坏无法监测。

4)现有微震和地震方法均是通过波的传播规律判断，两者不甚相同，但均存在着一定问题。微震是通过微震传感器接受到岩土破裂激发的地震波，来反推破裂发生的点，即导水裂隙点。但黄土破裂能够激发的能力十分有限，当破裂产生的能量较小时会造成破裂点的判断误差大。另外，该方法也是在煤炭开采前进行布置钻孔并埋放传感器，开采后的钻孔在无背景值(原始状态下的地震波在该介质中的传播速度)的条件下，无法准确分析出破裂点的位置，且在煤炭开采过程中常常造成传感器或线路破坏无法监测。

5)地震探测导水裂隙高度是通过对比采动前、后地震波在不同标高传播的速率来判断岩土介质的破裂情况，即导水裂隙高度。由于黄土天然状态下就有许多孔隙、裂隙的存在，在煤炭开采后虽然有部分区域会进一步破碎，但地震波在黄土介质中在破裂前后的传播速度变化不显著，这会使得导水裂隙判断不准确。另外，该种方法也是需要在开采前就进行钻孔，开采后的钻孔在无背景值(原始状态下的地震波在该介质中的传播速度)，无法对比地震波传播速度的变化，且在煤炭开采过程中常常造成传感器或线路破坏无法探测。

【发明内容】

本发明为了解决上述问题，本发明提供一种探测黄土中采煤导水裂隙高度的方法，避免煤炭开采对传感器的影响且避免了黄土中泥饼对导水裂隙高度判定的影响，操作简单。

一种探测黄土中采煤导水裂隙高度的方法，包括以下步骤：

(1)在煤炭开采后的采空区上方实施导水裂隙高度探测钻孔，然后以黄土层的底界面为目标层进行第一阶段探测钻孔以提供黄土样，接着，在第一阶段的钻孔中进行测井，根据测井曲线确定导水裂隙区，该导水裂隙区距离煤层底板的最大高度为D1；

(2)在步骤(1)的基础上，以已经开采完成的煤层底板以下为目标层进行第二阶段钻探施工，钻探过程中，记录泥浆开始显著漏失的点，该点距离煤层底板的距离为D2；

(3)将步骤(1)获得的黄土样剖开，采集剖面图片；利用钻孔电视获取钻孔内每个深度的孔内影像，利用黄土样的剖面图片和钻孔内的影像确定裂隙发育图片，其中的裂隙距离煤层底板的距离即为D3；

(4)同一个钻孔中的导水裂隙高度D的判定为D＝max(D1，D2，D3)；同一个采煤工作面的导水裂隙高度Dm为所有钻孔的导水裂隙高度D中的最大值。

在煤炭开采后的采空区上方实施导水裂隙高度探测钻孔的基本要求为：钻孔所在采空区范围沿走向和倾向的长度大于50m，钻孔距回采工作面的回采线大于30m，距终采线大于15m，并在回风巷和运输巷以内。

在煤炭开采后的采空区上方实施导水裂隙高度探测钻孔除基本要求外，还需要满足：钻孔距离最近的地表裂隙1m以上，一个回采工作面的钻孔数量在2个以上。

以黄土层的底界面为目标层进行探测钻孔时，钻探的倾角小于等于3°且为垂直向下的钻孔。

以黄土层的底界面为目标层进行探测钻孔的具体方法为：首先以无水取芯进行钻进，黄土的取芯率大于等于60％，获取的黄土样按照距离煤层底板的距离记录编号；然后对形成的钻孔进行扩孔。

以黄土层的底界面为目标层进行探测钻孔时，钻进采用的泥浆为聚丙烯酰胺和腐殖酸配制的浆液，其电阻率应小于等于8Ω·m。

在所述第一阶段的钻孔中进行测井时，测井方法包括微电极测井、阵列声波测井、自然伽马测井及井径测井，且该方法同时进行，测井过程保持满泥浆状态。

确定导水裂隙区的方法为：通过微电极测井和阵列声波测井曲线确定的所有异常区，然后利用井径测井和自然伽马测井结果排除掉井径和地层岩性异变的区域，剩余的异常区即为导水裂隙区，其中，微电极测井结果中的微电极曲线和微梯度曲线的分离段即为异常区。

所述第二阶段钻探施工的方法为：钻探倾角保持不变，钻孔过程继续使用原有泥浆，在第一阶段的基础上继续扩孔。

利用黄土样的剖面图片和钻孔内的影像确定裂隙发育图片的方法为：对距离煤层底板不同距离的图片和影像提取器灰度图，然后依次处理出增强低灰度图、中值滤波后图、二进制图及平滑处理后的图，得到最终图片，在最终图片中，异常区域即为裂隙，从不同深度的图片中找出距离煤层底板最远的裂隙发育图片。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：首先，本发明在煤炭开采后的采空区上方实施导水裂隙高度探测钻孔，不需要背景值，因此避免了开采对传感器的影响；其次，本发明先以黄土层的底界面为目标层进行第一阶段探测钻孔以提供黄土样，其次，以已经开采完成的煤层底板以下为目标层进行第二阶段钻探施工，接着，利用黄土样的剖面图片和钻孔内的影像确定裂隙发育图片。同一个钻孔中的导水裂隙高度D为：D＝max(D1，D2，D3)；同一个采煤工作面的导水裂隙高度Dm为所有钻孔的导水裂隙高度D中的最大值。由于可知，本发明方法不需要背景值，可以避免煤炭开采对传感器的影响；本发明导水裂隙高度的判定综合了各方面因素，避免了黄土中泥饼对导水裂隙高度判定的影响。

【附图说明】

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的微电极测井成果图；

图中：1、微电极曲线；2、微梯度曲线；3、重合段；4、分离段。

【具体实施方式】

如图1所示，一种探测黄土中采煤导水裂隙高度的方法，包括下述步骤：

步骤一：导水裂隙高度探测钻孔的布置。在煤炭开采后的采空区上方实施导水裂隙高度探测钻孔，其位置应满足既定的要求，即钻孔所在采空区范围沿走向和倾向(走向和倾向分别是指工作面两巷的方向和两巷连接的方向)的长度大于50m，钻孔距回采工作面的回采线应大于30m，距终采线大于15m，并在回风巷和运输巷以内。除既定要求外，钻孔应距离最近的地表裂隙1m以上。一个回采工作面的钻孔数量应在2个以上。

步骤二：导水裂隙高度探测钻孔的第一阶段施工。本阶段钻探的倾角应小于等于3°，为(近视)垂直向下的钻孔。钻探的目标层位为黄土层的底界面。本阶段的钻孔成孔工艺为：首先采用取芯干钻钻进，钻孔的直径应大于等于91mm且小于等于168mm，黄土的取芯率(取芯率指钻孔取出的岩石的长度之和与钻探总长度的比值)应大于等于60％，获取的黄土样按照距离煤层底板的距离记录编号，且每个土样高度应大于等于10cm小于等于30cm；然后对形成的钻孔进行扩孔，扩孔时的钻井速度应大于等于10m/h，扩孔后的直径应大于等于200mm且小于等于250mm，本次钻进采用的泥浆为聚丙烯酰胺和腐殖酸配制的浆液，其电阻率应小于等于8Ω·m。

步骤三：在第一阶段实施的钻孔中进行微电极测井、阵列声波测井、自然伽马测井及井径测井工作。采用集成的综合测井设备一次性进行微电极、井径、自然伽马及阵列声波测井，得到测井曲线和成像图，测井过程中钻孔应保持满泥浆状态。通过微电极测井和阵列声波测井曲线确定所有异常区(如图2所示，微电极测井结果中的微电极曲线1和微梯度曲线2在无裂隙时表现如重合段3，有裂隙时表现如分离段4，分离段4即为异常区。阵列声波测井结果中的各向异性值相对其他层段显著变大的即为异常区)，然后利用井径测井和自然伽马测井结果排除掉井径和地层岩性异变的区域，剩余的异常区即为导水裂隙区，其距离煤层底板的最大高度为D1。

步骤四：完成测井工作后，进行第二阶段的钻探施工。本阶段钻探倾角保持不变，钻探的目标层位为已经开采完成的煤层底板以下。本阶段钻孔成孔工艺为：在第一阶段的基础上继续扩孔至250mm以上，在钻孔过程中继续使用原有泥浆。另外，在实施钻探的过程中记录每一次钻探的泥浆消耗量，并分析出泥浆开始显著漏失的点。该点距离煤层底板的距离为D2。

步骤五：完成第二阶段的钻探施工后，进行钻孔电视及对步骤二获取的土样进行摄像工作。其中，钻孔电视是采用钻孔窥视仪从孔口逐渐放至孔底，并记录每个深度的孔内影像。而获取的黄土样则采用切土刀从圆柱形黄土样的中间剖开，并采用照相机拍摄剖面的图片。采集的图像及影像像素大于等于1200万像素。

步骤六：对步骤五获取的图片和影像进行后处理。对距离煤层底板不同距离的图片和影像采用matlab软件提取其灰度图，然后依次处理出增强低灰度图、中值滤波后图、二进制图及平滑处理后的图，得到最终的后处理图片，其中异常区域即为裂隙，从不同深度的图片中找出距离煤层底板最远的裂隙发育图片，其中在该裂隙发育图片中，裂隙距离煤层底板的距离即为D3。

步骤七：导水裂隙高度综合判定。在同一个钻孔中的导水裂隙高度的判定为D＝max(D1，D2，D3)。而同一个采煤工作面的导水裂隙高度Dm为所有钻孔的导水裂隙高度D中的最大值。

步骤八：依据导水裂隙高度安全开采煤炭。通过多个采煤工作面的导水裂隙高度的探测后，建立采煤厚度M与Dm的经验函数，即Dm＝f(M)。对未开采的工作面采用经验函数预测导水裂隙高度，在导水裂隙高度以内的含水层采用钻探超前疏放，而导水裂隙高度以外的含水层不需要探放，仅需要加强监测监控即可，然后安全回采煤炭资源。

运行原理：

本次黄土中探测采煤导水裂隙高度主要使用了微电极测井、阵列声波测井和钻孔电视及取样拍照成果的图像处理三种工作。

其中，微电极测井是一种电阻率法测井。其特点是电极距只有几厘米。它包括微电位电极系和微梯度电极系。为避免泥浆影响，用弹簧片将镶在绝缘板上的电极紧贴井壁。微梯度电极系比微电位电极系的探测深度小。在有导水裂隙的地层上，微梯度电极系受泥饼的影响较大。因泥饼的电阻率较低，测得的微电极曲线1幅度高于微梯度曲线2幅度，称为“正幅度差”。

阵列声波测井是一种声波测井。其接受到的横波在传播过程中通常分离成快横波、慢横波，且快、慢横波速度通常显示出方位各向异性，质点平行于裂缝走向振动、方向沿井轴向上传播速度比质点垂直于裂缝走向振动、方向沿井轴向上传播的横波速度要快，这称之为地层横波速度的各向异性。通过横波速度的各向异性区即为导水裂隙区。

钻孔电视及取样拍照的成果，主要利用了裂隙发育的区域的图片灰度值存在不同程度的变化来进行识别。

应用实例：

某煤矿黄土层较厚，在12201采煤工作面完成开采后，形成了导水裂隙，采用以下步骤探测了黄土中采煤导水裂隙高度并依次为依据指导了后续12202工作面的安全回采。

步骤一：在该工作面布置3个钻孔，分别为T1钻孔、T2钻孔和T3钻孔，其在采空区范围沿走向和倾向的长度大于50m，钻孔距回采工作面的回采线应大于30m，距终采线大于15m，并在回风巷和运输巷以内。并且，3个钻孔均距离最近的地表裂隙1m及以上。

步骤二：钻孔的第一阶段施工。T1钻孔倾角0°，为垂直向下的钻孔。T1钻孔施工到黄土层的底界面。成孔工艺为：首先采用无水取芯钻进，钻孔的直径91mm，黄土的取芯率71％，获取的黄土样按照距离煤层底板的距离记录编号，且每个土样高度大于等于10cm小于等于30cm；然后对形成的钻孔进行扩孔，扩孔时的钻井速度10m/h，扩孔后的直径应大于等于200mm，本次钻进采用的泥浆为聚丙烯酰胺和腐殖酸配制的浆液，其电阻率2Ω·m。

T2钻孔倾角1°，为近似垂直向下的钻孔。T2钻孔施工到黄土层的底界面。成孔工艺为：首先采用无水取芯钻进，钻孔的直径158mm，黄土的取芯率75％，获取的黄土样按照距离煤层底板的距离记录编号，且每个土样高度大于等于10cm小于等于30cm；然后对形成的钻孔进行扩孔，扩孔时的钻井速度11m/h，扩孔后的直径大于等于219mm，本次钻进采用的泥浆为聚丙烯酰胺和腐殖酸配制的浆液，其电阻率5Ω·m。

T3钻孔倾角3°，为近似垂直向下的钻孔。T3钻孔施工到黄土层的底界面。成孔工艺为：首先采用无水取芯钻进，钻孔的直径168mm，黄土的取芯率60％，获取的黄土样按照距离煤层底板的距离记录编号，且每个土样高度大于等于10cm小于等于30cm；然后对形成的钻孔进行扩孔，扩孔时的钻井速度12m/h，扩孔后的直径大于等于250mm，本次钻进采用的泥浆为聚丙烯酰胺和腐殖酸配制的浆液，其电阻率8Ω·m。

步骤三：在第一阶段实施的钻孔中进行微电极测井、阵列声波测井、自然伽马测井及井径测井工作。采用集成的综合测井设备一次性进行微电极、井径、自然伽马及阵列声波测井，得到相关的测井曲线和成像图，测井过程中钻孔应保持满泥浆状态。通过微电极测井和阵列声波测井曲线确定的所有异常区，然后利用井径测井和自然伽马测井结果排除掉井径和地层岩性异变的区域，剩余的异常区即为导水裂隙区，T1钻孔、T2钻孔和T3钻孔异常区距离煤层底板的最大高度D1依次分别是68m、69m和72m。

步骤四：完成测井工作后，进行第二阶段的钻探施工。本阶段钻探倾角保持不变，钻探的目标层位为已经开采完成的煤层底板以下。本阶段钻孔成孔工艺为：在第一阶段的基础上三孔继续扩孔至250mm以上，在钻孔过程中继续使用原有泥浆。另外，在实施钻探的过程中记录每一次钻探的泥浆消耗量，并分析出泥浆开始显著漏失的点。T1钻孔、T2钻孔和T3钻孔漏水点距离煤层底板的距离为D2依次分别是59m、62m和61m。

步骤五：完成第二阶段的钻探施工后，进行钻孔电视及步骤二获取的土样的摄像工作。其中，钻孔电视是采用钻孔窥视仪从孔口逐渐放至孔底，并记录每个深度的孔内影像。而获取的黄土样则采用切土刀从圆柱形黄土样的中间剖开，并采用照相机拍摄剖面的图片。孔内外的图像及影像像素大于等于1200万像素。

步骤六：对获取的图片和影像进行后处理。对距离煤层底板不同距离的图片和影像采用matlab软件提取其灰度图，然后依次处理出增强低灰度图、中值滤波后图、二进制图及平滑处理后的图，得到最终的后处理图片，其中异常区域即为裂隙，从不同深度的图片中找出距离煤层底板最远的裂隙发育图片，T1钻孔、T2钻孔和T3钻孔的裂隙距离煤层底板的距离D3依次分别是71m、70m和73m。

步骤七：导水裂隙高度综合判定。在同一个钻孔中的导水裂隙高度的判定为D＝max(D1，D2，D3)，即T1钻孔导水裂隙高度为71m，T2钻孔导水裂隙高度为70m，T3钻孔导水裂隙高度为73m。而同一个采煤工作面的导水裂隙高度Dm为所有钻孔的导水裂隙高度D中的最大值，即73m。

步骤八：依据导水裂隙高度安全开采煤炭。通过多个采煤工作面的导水裂隙高度的探测后，建立采煤厚度M与Dm的经验函数，有Dm＝24.3M+10.1。对未开采的工作面12205采用经验函数预测导水裂隙高度为77.8m，在导水裂隙高度以内的含水层采用钻探超前疏放，而导水裂隙高度以外的含水层不需要探放，仅需要加强监测监控即可，然后安全回采煤炭资源。

本发明至少具有以下优点：

1)简单易实施；2)本发明直接在煤炭开采后的工作面上的钻孔直接测定导水裂隙高度，不需要背景值，也避免煤炭开采对传感器的影响；3)可以规避黄土中泥饼对导水裂隙高度判定的影响；4)导水裂隙高度的判断准确率更高；5)钻孔倾角可以是更容易实施的垂向钻孔。

Claims (9)

1.一种探测黄土中采煤导水裂隙高度的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在煤炭开采后的采空区上方实施导水裂隙高度探测钻孔，然后以黄土层的底界面为目标层进行第一阶段探测钻孔以提供黄土样，其中，钻进采用的泥浆电阻率小于等于8Ω·m，接着，在第一阶段的钻孔中进行测井，根据测井曲线确定导水裂隙区，该导水裂隙区距离煤层底板的最大高度为D1；其中，确定导水裂隙区的方法为：通过微电极测井和阵列声波测井曲线确定所有异常区，然后利用井径测井和自然伽马测井结果排除掉井径和地层岩性异变的区域，剩余的异常区即为导水裂隙区，其中，微电极测井结果中的微电极曲线和微梯度曲线的分离段即为异常区；

(2)在步骤(1)的基础上，以已经开采完成的煤层底板以下为目标层进行第二阶段钻探施工，钻探过程中，记录泥浆开始显著漏失的点，该点距离煤层底板的距离为D2；

(3)将步骤(1)获得的黄土样剖开，采集剖面图片；利用钻孔电视获取钻孔内每个深度的孔内影像，利用黄土样的剖面图片和钻孔内的影像确定裂隙发育图片，其中的裂隙距离煤层底板的距离即为D3；

(4)同一个钻孔中的导水裂隙高度D的判定为D＝max(D1，D2，D3)；同一个采煤工作面的导水裂隙高度Dm为所有钻孔的导水裂隙高度D中的最大值。

2.根据权利要求1所述的一种探测黄土中采煤导水裂隙高度的方法，其特征在于：在煤炭开采后的采空区上方实施导水裂隙高度探测钻孔的基本要求为：钻孔所在采空区范围沿走向和倾向的长度大于50m，钻孔距回采工作面的回采线大于30m，距终采线大于15m，并在回风巷和运输巷以内。

3.根据权利要求2所述的一种探测黄土中采煤导水裂隙高度的方法，其特征在于：在煤炭开采后的采空区上方实施导水裂隙高度探测钻孔除基本要求外，还需要满足：钻孔距离最近的地表裂隙1m以上，一个回采工作面的钻孔数量在2个以上。

4.根据权利要求1所述的一种探测黄土中采煤导水裂隙高度的方法，其特征在于：以黄土层的底界面为目标层进行探测钻孔时，钻探的倾角小于等于3°且为垂直向下的钻孔。

5.根据权利要求1或4所述的一种探测黄土中采煤导水裂隙高度的方法，其特征在于：以黄土层的底界面为目标层进行探测钻孔的具体方法为：首先以无水取芯进行钻进，黄土的取芯率大于等于60％，获取的黄土样按照距离煤层底板的距离记录编号；然后对形成的钻孔进行扩孔。

6.根据权利要求5所述的一种探测黄土中采煤导水裂隙高度的方法，其特征在于：以黄土层的底界面为目标层进行探测钻孔时钻进采用的泥浆为聚丙烯酰胺和腐殖酸配制的浆液。

7.根据权利要求1所述的一种探测黄土中采煤导水裂隙高度的方法，其特征在于：在所述第一阶段的钻孔中进行测井时，测井方法包括微电极测井、阵列声波测井、自然伽马测井及井径测井，且该方法同时进行，测井过程保持满泥浆状态。

8.根据权利要求1所述的一种探测黄土中采煤导水裂隙高度的方法，其特征在于：所述第二阶段钻探施工的方法为：钻探倾角保持不变，钻孔过程继续使用原有泥浆，在第一阶段的基础上继续扩孔。

9.根据权利要求1所述的一种探测黄土中采煤导水裂隙高度的方法，其特征在于：利用黄土样的剖面图片和钻孔内的影像确定裂隙发育图片的方法为：对距离煤层底板不同距离的黄土剖面图片和钻孔内影像提取其灰度图，然后依次处理出增强低灰度图、中值滤波后图、二进制图及平滑处理后的图，得到最终图片，在最终图片中，异常区域即为裂隙，从不同距离的最终图片中找出距离煤层底板最远的裂隙发育图片。