定向钻主孔及分支孔示意②钻孔地质雷达探测技术

煤矿井下低频地质雷达探测深度30~50ｍ、分辨率可以达到亚米级，但是矿井地质雷达发射天线与接收天线的外形尺寸相对较大，只能在巷道空间施工，且施工时容易受到巷道周围铁磁性物质的影响。

钻孔地质雷达通过特殊设计工艺实现了雷达发射天线与接收天线的小型化和MA要求，通过在钻孔中向地层发射高频雷达波，雷达波在传播过程中遇到不同介电常数的煤岩层界面和异常地质体后发生反射；利用钻孔雷达的接收天线接收来自地层的反射回波，对回波信息的传播脉冲幅度、波形和时延等加以分析处理，可以达到对煤岩界面的有效探测和识别的目标。钻孔雷达对煤岩界面探测具有测量速度快、分辨率高等优点，但是探测深度较浅，而“长掘长探”中定向长钻孔解决了超前探测的深度难题、钻孔雷达径向探测又弥补了“一孔之见”问题，从而实现了长距离、高精度的地质构造探测。

下图为SSP煤矿利用钻孔雷达探测煤层顶底板的应用实例，该矿煤层厚度0.70~19.17ｍ，平均6.33ｍ；钻孔雷达测试位置巷道煤厚5.8ｍ，钻孔开孔位置距离煤层顶板1ｍ、底板4.8ｍ，钻孔深度380ｍ；钻孔雷达的发射和接收频率为100MHz。由下图可以看出，该钻孔平均煤厚6ｍ左右，煤层顶板相对平整，煤层底板有一定的起伏。

钻孔雷达探测成果

③钻孔瞬变电磁探测技术

钻孔瞬变电磁探测技术是将常规在巷道发射、巷道接收的瞬变电磁工作模式，改变为在钻孔中建立一次电磁场、钻孔接收二次感应场，从而实现基于定向钻孔纵向1000m长距离、径向30m半径范围内富水异常区的超前探测。

钻孔瞬变电磁仪器通过特殊设计将常规瞬变电磁的线圈改变为能够植入钻孔的杆状天线，在一定程度上造成发射天线辐射功率受限、钻孔中穿过接收线圈的磁通量降低，这就要求接收天线要有很高的灵敏度；同时，在钻孔受限杆状空间内，发射、接收天线无法灵活旋转，因此需要对钻孔周围低阻体的二次感应场进行三分量接收，以便于在室内数据处理时能够实现矢量旋转、合成与异常方位确定。与常规的巷道瞬变电磁相比，尽管钻孔瞬变电磁30m左右的探测半径相对偏小，但是能够满足巷道掘进超前探测对帮距的控制要求，且探测深度可以抵达近1000m的钻进深度，这一点是常规巷道瞬变电磁所无法比拟的。

下图为TJH煤矿302运输巷快速掘进钻孔瞬变电磁探测的实例。该巷道采用掘锚一体机沿煤层底板掘进，煤层底板以下30，50m分别发育有太原组薄层灰岩和奥陶纪灰岩， 底板承压水最大压力为0.74MPa。为了超前探查底板承压水的富水区域和导升情况，保障巷道安全快速掘进，利用掘进巷道开口附近的钻场施工了1个沿太原组灰岩、距离煤层底板下30m左右的近水平定向孔，完孔深度468ｍ，并采用钻孔瞬变电磁开展联合探测。定向钻孔钻进过程中，在薄层灰岩中发现2个出水点，钻孔瞬变电磁探测在同一深度控制了出水点的范围和方位，结合定向钻孔出水状况及前期资料综合分析，认为出水点为垂向裂隙带和岩溶缝洞，为钻探注浆治理提供了依据。远距离定向钻孔和钻孔瞬变电磁的长距离综合探测，为302巷道的快速掘进创造了条件。

钻孔瞬变电磁探测断面

可见，“长掘长探”技术不但发挥了钻探“眼见为实”的优势，还通过物探手段弥补了钻探“一孔之见”的劣势；同时，利用定向钻机的远距离输送，实现了孔中物探在钻孔方向的“远距离” 探测、沿钻孔径向30ｍ范围内的精细探测，以及对地质异常深度的精确控制，为巷道安全、快速掘进提供了地质依据。

（3）“长掘长探”的应用实例

山西某基建煤矿主采2号和3号煤层，其中2号煤平均厚度2.8ｍ、3号煤平均厚度1.3ｍ；首采区开展了地面三维地震勘探，基建期间新揭露了多条小断层、陷落柱和次级褶曲，表明地质条件前期查明程度低，极大地影响了矿井的采掘设计。如2201试采工作面由于断层、陷落柱密集、煤质很差、成本太高而提前终止，2202准备工作面基于同样原因被迫提前放弃，造成了采掘严重失调。为此，该矿2203工作面巷道掘进前采用“长掘长探” 技术，已超前查明煤层起伏、构造发育以及陷落柱等地质异常体。下图中，2203工作面回风巷超前定向长钻孔设计在3号煤与2号煤之间，主孔钻进深度468ｍ，并施工了8个分支孔控制2号煤与3号煤层界面变化，同时采用随钻伽马测井探测沿钻孔方向的煤岩界面变化、采用钻孔瞬变电磁探测钻孔周围低阻体。

2203工作面回风巷2号煤层“长掘长探”综合成果

结果表明：（a）图的预想地质剖面是一个宽缓的向斜、构造简单，（b），（c）图定向钻孔与孔中物探的综合探测地质剖面上，发现掘进巷道前方存在３条断层、４个陷落柱，且向斜轴发生了较大的偏摆，这一成果已被后期巷道掘进实际揭露所验证。目前，2203工作面回风巷掘进500ｍ，揭露了5个断层、4个陷落柱，与“长掘长探”结果比较吻合，“长掘长探” 显著提高了地质超前探测的精度和可靠性。

3“长掘长探”的技术讨论（1）“长掘长探”的合规性

《煤矿地质工作规定》（2014）、《煤矿安全规程》（2016）、《煤矿防治水细则》（2018）、《防治煤矿冲击地压细则》（2018）、《防治煤与瓦斯突出细则》（2019）等对于地质超前探测工作的方法、技术和工程布置都提出了明确的要求，“长掘长探”技术符合以上规程、规定与细则的要求。下面以《煤矿防治水细则》为例加以阐述。

《煤矿防治水细则》在“井下探放水”一章和“底板水防治”一节中要求：采掘工作面超前探放水应当同时采用钻探、物探2种方法；钻探可采用定向钻机，开展长距离、大规模探放水；探放水钻孔除兼作堵水钻孔外，终孔孔径一般不得大于94mm；探水钻孔沿掘进方向的正前方及含水体方向呈扇形布置，钻孔不得少于3个，其中含水体方向的钻孔不得少于2个。

从下图可知，“短掘短探”对于底板承压水是以穿层钻孔方式进行探测，底板中有效孔段短、盲区范围大、可靠性差，难以有效防范底板岩溶水害事故；而“长掘长探” 无论是纵向探测深度还是径向探测半径，均能满足上述要求，且有效孔段长、径向盲区小、探测精度高等独到优势。因此，“长掘长探”技术符合《煤矿防治水细则》的规定。