煤矿井下钻探技术在水文地质勘探中的应用及优化策略研究.pdf

2024年第1期新疆钢铁总第169期煤矿井下钻探技术在水文地质勘探中的应用及优化策略研究蒲金厚1，李玉光2，孟庆震1（1.平凉五举煤业有限公司，甘肃 平凉 744201；2.甘肃灵台邵寨煤业有限公司，甘肃 平凉 744400）摘要：本文通过阐述煤矿井下钻探技术在水文地质勘探中的应用现状，分析存在的问题，进而提出有针对性的优化建议。通过优化钻探参数设计、改进井下测井技术、结合地质统计学方法提高解释效果等手段，有望提高煤矿井下勘探效率，降低勘探成本，获得更准确的水文地质信息，为煤矿安全高效开采提供支撑。关键词：煤矿井下钻探；水文地质勘探；技术优化DOI：10.20146/ki.1672-4224.2024.01.038中图分类号：TD82文献标识码：B文章编号：1672-4224（2024）01-0116-03Research on the Application and Optimization Strategy ofCoal Mine Underground Drilling Technology in Hydrogeological ExplorationJinhou Pu1,Yuguang Li2,Qingzhen Meng1(1.Pingliang Wuju Coal Industry Co.,Ltd.,Gansu Pingliang 744201;2.Lingtai Shaozhai Coal Industry Co.,Ltd.,Gansu Pingliang 744400)Abstract:This article elaborates on the current application status of coal mine underground drilling technology in hydrogeological exploration,analyzes the existing problems,and proposes targeted optimization suggestions.By optimizing drilling parameter design,improving downhole logging technology,and combining geostatistical methods to improve interpretation effectiveness,it is expected to improve the efficiency of coal mine underground exploration,reduce exploration costs,obtain more accurate hydrogeological information,and provide support for safe and efficient mining of coal mines.Key words:underground drilling in coal mines;hydrogeological exploration;technical optimization作者简介：蒲金厚，男，39岁，本科，助理工程师，平凉五举煤业有限公司。E-mail：引言水是影响煤矿安全生产的重要地质因素。为了提高对水文地质情况的预测与评价效果，煤矿企业越来越多地采用井下钻探技术开展水文地质勘探工作。然而，传统的煤矿井下钻探技术在水文地质勘探中的应用中，仍存在参数设计不当、测井解释困难等问题。因此，有必要分析现有技术的不足，针对性地提出优化建议，以提高勘探精度。1水文地质勘探对钻探技术的要求水文地质勘探对煤矿钻探技术提出了较高的精度要求。钻孔垂直度误差需要控制在1%以内，才能准确掌握地层剖面信息、煤层顶底板位置等基本情况。这对施工过程中的测量和控制提出了更高要求。水文地质勘探还需要进行系列测井，不仅要进行标准的射线测井确定地层岩性，还需进行诸如温度测井、电法测井等更多测项，全面确定水文地质参数，为后期水患评价和预测奠定基础。此外，钻探过程中的进制续打也至关重要。要根据实际地质条件变化适时调整钻进速度、清孔等操作参数，保证获得连续的地层岩芯。这是准确反映地层情况的前提。同时，必须采取严格的防喷措施，避免破坏原始地层与水文地质状况，从而提取完整而具代表性的地层岩芯样本1。这是准确分析与评价的基础。最后，必须保证钻孔的保密性，防止水文交通，采用压实和围岩处理技术，确保钻孔质量。这是防止水害的必要手段。2煤矿井下钻探技术在水文地质勘探中的应用现状2.1钻孔设计与钻探煤矿井下水文地质勘探钻孔设计要考虑目标地116新疆钢铁总第169期2024年第1期层分布情况，选择合理立井点位。一般在主采场以主煤层为目标地层设计钻探巷道，与运输巷道垂直，形成三维立体交叉网，见表1。表1 煤矿井下水文地质勘探钻孔典型布置形式在布置点位选择后，根据水文地质勘探精度要求，采用匀速旋转式气动弹簧钻机，钻探直径为 75110 mm2。设置导向器，要求施工钻孔垂直度优于1%以内。过程中测井员进行游标式测量，确保钻孔质量。常用钻头为三牙凿式或PDC钻头。加压铤而走险，防止水、煤流失。提取环空心岩芯，长度1.53 m。2.2煤层和水文地质测井煤矿井下水文地质勘探测井主要包括电法测井、温度测井、化学测井、矿物测井、射线测井等，见表2。表2 煤矿井下水文地质勘探常用测井方法图1 自然点位测井图2 电阻率测井这些测井可以确定有水性地层位置、水质类型、地下水流动特征等信息。但因受围岩影响，解释存在一定困难,所以需要运用多种测井方法联合解释分析，结合岩芯、地质资料分析，以提高解释准确率。2.3钻探数据的解释方法煤矿井下钻探获得的水文地质数据主要包括岩芯、测井曲线、水化学分析等。解释方法主要有：(1)质量 PARAMETERS法：根据岩芯返矿现象，判别破碎带、水导层；(2)层位COMPREHENSIVE法：综合对比多个测井曲线、地质柱状图，判断地层与水体；(3)数值模拟法：建立数学模型，模拟水文地质情况，预测水患趋势，见表3。表3 数据解释典型方法比较综合运用多种解释方法，既可以直接清晰判识水文地质情况，也可以达到预测预警的效果，为煤矿水害防治提供支持。3存在的主要问题3.1钻探参数设计不当目前煤矿水文地质勘探中钻探参数设计存在一定问题。首先，立井布置过于粗放，钻孔间距大，超过300米，难以反映地层细部变化。其次，钻孔直径偏小，在75-110 mm，难以获得完整岩芯3。再者，钻探速度过快，清孔不充分，导致岩芯不连续。最后，测井种类单一，主要依赖射线测井，难以充分反映复杂水文地质情况。这些问题直接影响对水文地质条件的判断与预测，增加了后期分析的难度。因勘探目标主煤层顶板水钻孔布置位置主采场内主运输巷道钻孔间距100300 m20100 m测井方法自然电位测井（见图1）电阻率测井（见图2）温度测井pH测井煤岩矿物测井射线测井主要应用判别水文地层、评价水质判别岩性，预测水害判断水流动方向预测矿化水化学赋存识别煤系地层确定地层岩性方法PARAMETERS法COMPREHENSIVE法数值模拟法优点直接可靠全面预测效果好缺点依赖样本复杂耗时需要算法支持1172024年第1期新疆钢铁总第169期此必须对钻探参数进行针对性优化，提高勘探的质量与效果。这是保证煤矿安全生产的前提与基础。3.2测井数据解释困难煤矿井下水文地质测井数据解释存在诸多困难。首先，围岩变形影响大，破坏了原有水文地质状况，使测井曲线产生扰动，增加了解释的难度。其次，不同种类的测井曲线常存在矛盾，如自然电位曲线和电阻率曲线显示的水质信息不一致，使正确解释充满挑战。再者，相邻钻孔间距较大，难以进行有效对比，单孔解释效果差。最后，高温高压条件使岩石严重变质，原有地层特征被破坏，难以准确识别。此外，当前多依赖人工经验解释，缺乏智能算法支持，面对海量测井数据，当前没有办法进行有效解析。这些困难制约了解释效率和准确性，无法有效确定水文地质状况，并为后续防治埋下了隐患。4优化建议4.1优化钻探参数设计为提高煤矿井下水文地质勘探效果，需要从以下方面优化钻探参数，见表4。表4 钻探参数优化建议加密钻孔布置，钻孔间距控制在100米以内，增加钻孔密度，使之适应地层细部变化特征。加大钻孔直径，采用 150 mm 以上大口径，确保获得质量好、完整性高的全径岩芯。降低单进尺度，优化档比，加强清孔，保证测层区间岩芯的连续性。增设多种测井方法，量化综合解析，提高对煤系地层与水体的识别精度。开展数字化建模，采用新算法，实现测井数据的智能化解析。4.2改进井下测井技术手段为提高煤矿井下水文地质测井的解释效果，需要从多个角度改进现有技术手段。一是研发先进的高精度井下测井仪器和传感器，扩大测量范围，提高分辨精度，减少误差。二是优化波发射源，增加激发脉冲信号的强度，减轻围岩和煤岩变质的影响。三是采用新型的双分量或三分量测井技术，记录更为丰富的地层信息，有利于复杂环境下的准确解析4。四是开发快速测井技术，提升单钻孔的测井效率。五是建立实时的可视化智能解译平台，实现测井数据的自动化解析。这些测井手段的改进，将大幅提高解释准确率，节约解析时间，为水害防治提供可靠支持。4.3应用地质统计学提高解释效果可以应用地质统计学理论和方法，提高测井解释效果。第一，采用变异函数法描述各测井参数随深度变化的总体规律，建立统计解释模型。第二，通过相关性分析和回归分析，研究不同参数之间的量化关系，优化综合解释。第三，利用多维统计分析技术，实现各类测井数据的集成处理和分类。第四，建立基于概率论的bayes平滑修正模型，消除测井曲线中的异常干扰。第五，开展条件概率评价，评估不同测井参数指示水体存在的概率。这些统计学方法的引入，可以有效利用各参数的相关信息，消除个别异常，科学提高总体解释的准确性，准确判识水文地质状况。5结论通过优化钻探技术在水文地质勘探中的应用，能够提高勘探精度与效率，降低成本，为煤矿安全高效开采提供重要支撑。下一步的研究可着眼于信息化、自动化与智能化手段的引入，以实现勘探技术的持续进步。参考文献1 刘雷.矿区水文地质勘探的技术要求分析 J.山东工业技术，2018（18）：73.2 尚建发.煤矿水文地质勘探现状及新的勘探技术探讨 J.大众标准化，2023（12）：61-63.3 李生清，宋金宸，谢飞.水文地质勘探分层抽水试验孔钻井工艺研究 J.科技风，2022（18）：77-79.4 郭晓敏.水文地质勘探现状及勘探新技术的发展 J.内蒙古石油化工，2022，48（03）：98-100.参数钻孔间距钻孔直径单进尺度测井方法原参数300米75-110 mm少量优化后100米150 mm降低多种增设118