地面“两带”观测钻孔设计及施工技术研究

地面“两带”观测钻孔设计及施工技术研究

张军

淮南矿业集团煤业公司张集煤矿防治水管理科 安徽淮南 232001

摘要：覆岩破坏高度观测是水体下采煤的一项重要内容。所谓覆岩破坏高度即指煤层开采后所形成的垮落带和导水裂缝带高度，它的发育情况直接决定着水体下采煤的安全性和可靠性。搞清覆岩破坏的发育高度及其分布形态是实现水体下安全采煤的重要手段，而且只有直接进行现场测试才能获得准确、可靠的覆岩破坏高度数值，才能够为实现水体下安全采煤提供可靠的依据。

关键词：“两带”；观测钻孔；设计；施工技术

为了掌握张集煤矿13-1煤层大采高综采开采覆岩破坏规律并为其提高回采上限提供可靠技术依据。拟在该矿1611（3）大采高综采工作面上方地表及井下巷道施工钻孔进行覆岩破坏高度观测及各有关测试工作，其目的是探明煤层开采后上覆岩层内“垮落带”和“导水裂缝带”的发育高度（重点是“垮落带”高度），以便正确指导安全煤岩柱与开采上限的合理确定和保证矿井的安全合理开采。

1观测钻孔布置

1.1 观测钻孔设计

观测钻孔分三种类型，即地面“两带”观测孔、地面“两带”监测孔和井下“两带”监测孔。

其中地面“两带”观测孔与井下“两带”监测孔位于井上下对应位置处，这样其测试结果便于对照验证。地面“两带”监测孔重点是对煤层顶板以上“两带”及岩层移动特征及规律进行连续观测，便于整体了解岩层在采动期间的四维（随时间）变化过程，为薄基岩煤层开采安全提供技术参数。

1.2 设计数量及深度

1）地面“两带”观测孔：二个，为“两带”直接观测孔，分别位于1611（3）工作面风机巷内侧。孔深500m左右。

2）地面“两带”监测孔：一个，用于上覆岩层变形与破坏实时监测钻孔。孔深500m左右。

1.3 观测钻孔要求

为达到测试目的，拟布置2个采后“两带”观测钻孔、1个“两带”监测孔，其中：1611（3）－1号布置在1611（3）工作面上风巷，1611（3）－2号布置在下顺槽，内错距离应为10m±。两个钻孔沿煤层倾向展布；1611（3）-3号为“两带”监测钻孔，拟布置在1611（3）－1号孔附近，在工作面开采前予以施工。

各钻孔的具体位置于钻孔施工前根据地面情况确定，终孔层位设计为13-1煤层底板3m处，总工程量约1500m。

2地面“两带”观测孔施工

2.1 研究工作内容及所需仪器设备

本着“一孔多用”的原则，采后观测钻孔的观测工作内容主要有钻孔冲洗液漏失量观测、钻孔水位观测、钻进异常现象观测、彩色钻孔电视观测、声速测井以及常规电测井等。

2.2 钻孔冲洗液漏失量及钻孔水位观测

钻孔冲洗液漏失量观测方法（简称为钻孔冲洗液法）是通过直接测定钻进过程中的钻孔冲洗液漏失量、钻孔水位、钻进速度、卡钻、掉钻、钻孔吸风、岩芯观察及地质描述等资料来综合判定“垮落带”和“导水裂缝带”高度及其破坏特征的一种方法，也是最传统、最可靠的一种方法。

2.3彩色钻孔电视观测

彩色电视系统是把一自带光源的防水摄像探头放入地下钻孔中，在地面的彩色监视器上可直接观测地下钻孔的地质构造，根据图像的形态、颜色及光亮等信息，可用于识别岩性、裂隙、空洞、软弱夹层等情况，并可用录像磁带保存测井资料。通过彩色钻孔电视观测，可以直观的观测到地层的完整情况及裂隙的发育情况，可以直接观察覆岩尤其是基岩风化带的隔水、透水等情况。对于受采动影响后的岩体通过彩色钻孔电视系统的观测能更进一步了解采动裂缝的发育特征，提高导水裂缝带尤其是垮落带的探测精度。

2.4常规电测井

常规电测井是一般地质钻孔施工时都要进行的常规内容，如无特殊困难应作要求。

2.5取样试验

要求对四含层位取样进行土工实验，对基岩（包括风化带）层位取样进行水理及物理力学等方面的实验。

3 观测孔结构及施工技术要求

(1) 设计钻孔开孔直径130mm（或由施工单位自定），终孔直径91mm。

(2) 钻进至煤系地层基岩界面以下5~10m时，选择在隔水岩层内下套管封闭止水，并严格检查止水效果，确保止水可靠无误。

(3) 止水检查合格后换用清水钻进时，安排专门的观测人员（2～4名）进行钻孔冲洗液漏失量观测工作。

(4) 开始清水钻进时，要求起钻后、下钻前均测定钻孔内水位。当停钻时间较长时，应每隔5～10分钟观测一次水位。观测水位时要求同时记录孔深、测水位的时间和孔内水位（埋深）数值，水位数值要求准确到小数点后两位（以米为单位）。

(5) 钻进过程中还未进入采动影响带而遇到原生裂隙带或含水带等地层异常引起钻孔冲洗液漏失量明显变化，则应采取堵漏措施，直到能满足正常观测要求时才能继续钻进。

(6) 钻孔取芯要求：要求自松散层三隔下部开始向下全部取芯，岩芯采取率不低于70％，并要求作好岩芯摆放、编录及裂隙发育、岩石风化等的描述工作，要准确判断岩层的层位、岩性、倾角、风化带深度及描述岩芯的风化、破碎状况等。

(7) 终孔深度：要求钻进至开采煤层即10煤层底板位置，并要求准确判定见煤（或底板）深度，确定煤层顶板位置。

(8) 封孔：全部观测工作完成之后进行封孔。封孔方法可在下木桩及投放黄泥捣实的基础上，采用水泥砂浆封至地表。封孔止水用的套管要求尽量全部取出。封孔后要取样检查。一定要严格封孔质量，以确保矿井安全生产。

4井上钻孔“四维”监测煤层开采上覆岩层移动

主要是通过井上、下钻孔布置测试传感器，对采动过程中煤层顶板破坏区、变形移动区的基本特征进行动态观测，获得采动前后近3个月的岩层变形与破坏规律。“四维”即是岩层的空间位置随时间的变化关系。

4.1 地面“两带”监测孔施工情况

4.1.1 钻孔施工

在工作面回采前进行钻孔施工。开孔后正常钻进到13-1煤底板，预计孔深500m，终孔孔径108mm。要求保持钻孔垂直，便于后期测试探头置入；钻孔施工使用泥浆护壁，后期使用水泥浆封孔；要求对底含及基岩段进行取芯，且对钻孔进行常规测井；钻孔施工时注意上部松散层情况，全孔不下入套管，需保证成孔质量。

4.1.2 测试系统预埋

在钻孔中预埋一套电法和光纤传感器综合测试系统，包括：（1）钢丝绳光缆（OPGW）一根（φ8-10mm），（2）铠装通讯光缆一根（φ10mm），（3）GFRP传感光缆一根（φ6mm），（4）MM多模光缆一根（φ4mm），（5）电法线缆一根（φ10mm）。具体设计另附。

4.1.3 钻孔封闭

对钻孔进行全孔水泥封闭，并在地面设置水泥台固定测定电缆，进行数据采集。其中水泥封孔时考虑减少钻具对光缆的扰动影响。封孔的具体措施另附。

4.1.4 数据采集与处理

根据工作面回采进度，进行岩层电性及位移量的背景测试、采动测试及后期测试，并进行数据处理与动态分析，建立相应的数据分析库。

观测周期三个月左右。计算时需考虑地表位移（下沉）量，设计观测参考点。

5 注意事项

施工过程中要注意钻孔的安全，对井下煤层开采产生的导水影响，如遇雨季致使地表水的灌入等。然后还有注意监测钻孔后期在地表深陷条件下的数据采集问题。

参考文献：

[1]柴宿东;陈敏虹;;祁东煤矿6~#地面水文长期观测孔施工技术实践[J];地下水;2014年02期

[2]李建斌，石钦周，张新民;联合施工法施工水文地质观测孔[J];探矿工程(岩土钻掘工程);1995年06期

3