煤岩体钻孔结构观测方法及应用.pdf

第 3 5卷第 1 2期 2 0 1 0年 I 2月 煤 炭 学 报 J OU RNAL OF C HI N A C O AL S OC I E T Y Vo 1 ． 3 5 No ． 1 2 De c ． 2 01 0 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 0 1 2 1 9 4 9 0 8 煤 岩体 钻孔 结构观测 方法及应用 康红普， 司 林 坡， 苏 波 煤 炭科学研究 总院 开采设计研究分 院， 北京1 0 0 0 1 3 摘要 介绍 了煤岩体结构观察与测试方法 ， 煤矿 井下采 用的光导纤维钻孔窥视仪 、 前视 电子钻孔 窥视仪及数 字式全景钻孔摄像 系统的测试原理、 仪器结构及特点。提供 了在典型矿 井获得 的钻孔 观测结果及 图像 ， 分析 了煤岩体 中钻孔形态及结构面分布特征。介绍 了钻孔观测结果在采矿工程 中的应用， 包括煤岩体结构面分布与完整性评价 ， 水压致裂地应力测量 ， 采场顶板 冒落与岩层移动 研 究， 巷道 围岩 变形与破坏机理研 究， 巷道支护与加 固设计 ， 工程质量检 测与支护加 固效果评价等 方面。实践证明 ， 钻孔摄像与观测是一种能够直观、 有效、 快速观测钻孔形 态及其变化的手段 ， 为矿 山压力与岩层控制研究， 采矿工程设计、 施工与质量检测提供 了可靠的基础数据。最后 ， 针对钻孔 观 测存 在 的 问题 ， 提 出 了改进 建议 。 关键词 煤岩体 ； 结构面； 钻孔摄像 ； 井下观测 ； 工程应用； 改进建议 中图分类号 T D 3 2 2 ． 4 文献标志码 A Bo r e h o l e o b s e r v a t i o n m e t h o ds i n c o a l a n d r o c k ma s s a n d t he i r a p pl i c a t i o n s KANG Ho ng p u， S I Li n p o， S U Bo C o a l Mi n i n g a n d D e s ig n B r a n c h， C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e ifin g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a Abs t r a c t Th e o bs e r v a t i o n a n d t e s t me t ho d s for s t r u c t u r a l p l a ne s i n c o a l a n d r o c k ma s s we r e i n t r o d u c e d， a n d t h e t e s t p r i nc i p l e s ， t h e c o mp o n e n t s a n d c ha r a c t e r i s t i c s o f t h e bo r e h o l e o b s e r v a t i o n i n s t r u me n t s u s e d i n u n de r g r o u n d c o a l mi n e s we r e d i s c us s e d， i nc l u d i n g t he o p t i c a l fib e r o b s e rve r， t h e a x i a l b o r e h o l e c a me r a a n d t h e d i g i t a l p a n o r a mi c b o r e ho l e c a i n e r a s y s t e m． Th e o b s e r v a t i o n r e s ul t s a n d i ma g e s f r o m t y pi c a l c o a l mi n e s we r e p r o v i d e d t o a n a l y z e t h e b o r e ho l e f o r ma t i o ns a n d t h e d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f s t r uc t u r a l pl a n e s ． Th e b o r e h o l e o bs e r v a t i o n r e s u l t s we r e u t i l i z e d i n f o l l o wi ng a s pe c t s a n d mi n i n g e ng i n e e r i n g e v a l u a t i o n o f t he d i s t rib u t i o n s o f s t r u c t u r a l p l a n e s i n c o a l a n d r o c k ma s s e s a n d t h e i r i n t e g rit y； t h e h y d r a u l i c f r a c t u r i n g me a s u r e me n t s f o r i n s i t u s t r e s s e s ；s t u d y o n r o o f c a v i n g a n d s t r a t a mo v e me n t i n s t o pe s； s t ud y o n t he d e f o r ma t i o n a nd d a ma g e me c h a n i s m o f r o c k s u r r o u nd i n g r o a d wa y s ； t h e r o a d wa y s up p o r t a n d r e i n‘ f o r c e me n t d e s i g n s ； t h e e n g i n e e r i n g q u a l i t y t e s t s a n d e v a l u a t i o n o f s u p p o r t i n g a n d r e i n f o r c i n g e f f e c t s ． T h e u n d e r g r o u n d p r a c t i c e s p r o v e t h a t t he b o r e h o l e c a me r a a nd t e s t c a n p r o v i d e a d i r e c t ， e f f e c t i v e a n d f a s t a pp r o a c h t o o bs e rve bo r e h o l e f o r ma t i o ns a n d t h e i r c h a n g e s， wh i c h c a n o bt a i n r e l i a b l e b a s i c d a t a for t he s t ud y o n u nd e r g r o u nd p r e s s u r e a n d s t r a t a c o n t r o l ， t h e m i n i n g p r o j e c t d e s i g n s a n d t h e c o n s t ruc t i o n s a n d q u a l i t y t e s t s ． F i n a l l y ， t h e e x i s t i n g p r o b l e m s w e r e p u t for wa r d， a n d s o me s u g g e s t i o n s we r e g i v e n t o i mp r o v e t h e bo r e h o l e o b s mwa t i o n me t h o d s ． Ke y wo r d s c o a l a n d r o c k ma s s； s t r uc t u r a l p l a n e s ； b o r e h o l e c a me r a； un d e r g r o u n d o b s e r v a t i o n； a pp l i c a t i o n； i mp r o v e d s u g g e s t i o n s 煤岩体 中存在多种结构面 ， 控制着煤岩体的力学 性质及其变形与破坏特征 ， 而且 ， 在很多情况下 ， 结构 面对煤岩体力学性质的控 制作用远大于煤岩材料本 身。因此 ， 了解煤岩体中层理 、 节理 、 裂隙等结构面的 分布及其力学特性 ， 对研究 围岩的稳定性 ， 煤岩体工 程设计 、 施工及安全等有重要作用。 煤岩体结构观察与测试 的方法有很多 。在煤岩 体被揭露的地方 ， 其结构暴 露出来 ， 可以通过 肉眼直 收稿 日期 2 0 1 0 1 0 0 9 责任编辑 常琛 基金项 目 国家高技术研究发展计划 8 6 3 项 目 2 0 0 8 A A 0 6 2 1 0 2 ； 国家科技支撑计划项 目 2 0 0 8 B AB 3 6 B 0 7 作者简介 康红普 1 9 6 5 一 ， 男 ， 山西五台人 ， 研 究员 ， 博 士生导师。T e l 0 1 0 8 4 2 6 3 1 2 5 ， E m a i l k a n g h p 1 6 3 煤 炭 学 报 2 0 1 0 年第3 5 卷 接进行观察和描述。对于没有被工程揭露的煤岩体 ， 要想 了解煤岩体结构 ， 就应在煤岩体 中打钻孔 。目 前， 了解钻孔煤岩体结构的方法主要有 岩芯采取法、 钻孔壁印模法和钻孔壁观察法 J 。 岩芯采取法 是应用最广泛 的一种方法 。通过从 钻孔 中取出的岩芯分析岩体结构面的几何特征 ， 具有 直观 、 简单的优点。但是在松软破碎煤岩体 中， 取芯 率较低， 而且得到的岩芯比较短 ， 甚至不规则 ， 不能通 过岩芯确定结构面的位置 ， 不能全面 、 准确地描述与 分析结构面的形态与几何参数。此外 ， 在钻取岩芯的 过程中， 由于施工原因会导致岩芯断裂 ， 引起对结构 面的误判。为了解决岩体破碎 出现的取芯问题 ， 研制 了一种能有效采取岩芯的方法 先在岩体 中打一个大 孔 ， 然后在其孔底打一个小孔到取芯长度 ； 将锚杆放 人小孔 ， 并用水泥等粘合剂将其全长锚 固； 钻取带锚 杆锚固段的岩芯。这种方法甚至在裂隙十分发育 、 非 常破碎的岩体 中有效 。利用取 出的岩 芯可直接观察 结构面的密度 、 方向、 张开度和充填状况。但是 ， 这种 方法操作过程复杂， 包括打大小孔 、 安装锚杆 、 注粘合 剂、 钻取岩芯 、 实验室试验与分析等 ， 测试时间长 ， 而 且取芯 的深度有限， 不能太大。 钻孔裂缝压印法是通过裂缝的印痕获得钻孔 圆 柱壁裂缝形态 的方法。其 制取方法是采用膨胀胶 管 将金属箔、 蜡纸或塑料薄膜等贴压在钻孔壁上 ， 将其 提取出， 然后进行分析 、 解释 ， 绘制裂缝分布图。这种 方法很早在石油钻探 中就应用于水力压裂过程的鉴 定 ， 比较适合 于破碎岩体 。但是 ， 此法需要打孔 、 印 痕、 提取 、 分析解释 、 绘图等程序 ， 过程 比较复杂。在 井下大面积使用存在较大困难。 钻孔壁观察法是采用钻孑 L 窥视仪观察与测试钻 孑 L 壁上的结构面分布情况。这种方法直观 、 有效 ， 特 别适用于取芯率低 的破碎煤岩体 ， 同时可借助锚杆 、 锚索孑 L 进行观测 ， 方便 、 快速 、 成本低 ， 可用于煤矿井 下煤岩体结构的大面积 、 快速观测。 我 国煤矿 已经引进 、 研制出多种类型的钻孑 L 窥视 仪 。煤炭科学研究总院开采设计研究分 院曾引进 了 美 国的 F S 7 5 2 0型光导纤维钻孔窥视仪 ； 之后开 发出 K D V J 一 4 0 0型前视 式 电子钻孔窥 视仪 ； 此 后 ， 又与有关单位合作 ， 开发 出适合煤矿井下的数字 全景钻孔摄像系统 。煤炭科学研究总 院西安研究 院 对前视式电子钻孑 L 窥视仪进行了长期研究 J ， 研制 出不同类型的产 品。中国矿业大学等单位合作开发 出 Y rr J 2 0型岩层 探测仪， 还研制 了全景数 字钻孔摄 像巷道围岩松动圈测试系统 。这些仪器 已经广泛 应用于煤矿井下 ， 在煤岩岩性识别 、 煤岩层厚度、 煤岩 体结构探测与完整性分析 ， 巷道顶板离层 、 围岩变形 与破坏观测 ， 巷道支护设计与支护加固质量 、 效 果检 测 卜 j ， 采 煤工 作面 顶板 冒落 与岩 层移 动观 测 等方面发挥了重要作用 ， 取得 良好效果。 本文介绍煤矿井下采用的钻孔窥视仪的特点， 分 析观测结果及在采矿工程中的应用情况 ， 以及存在 的 问题 ， 提 出了改进 意 见 。 1 钻孔结构 窥视 方法 目前用于煤矿井下 围岩结构 的钻孔窥视仪器主 要有两种 光导纤维钻孔窥视仪和 电子钻孔窥视仪 。 光导纤维钻孔窥视仪 由光导纤维传送图像 ， 通过 目镜 直接观察钻孔形态 ； 另一种是 电子窥视仪 ， 也称钻孔 电视 、 钻孔摄像仪 ， 其工作原理是钻孔摄像头将光线 转变成 电子讯号 ， 然后将 图像显示于监视器上进行观 察 。 1 ． 1 光导纤维钻孔窥视仪 光导纤维窥视仪原理如图 1所示。光源的光线 通过光导纤维传到钻孔探头处照亮钻孔壁 ， 孔壁图像 再通过光导纤维传到 目镜进行观察 。 图1 光导纤维钻孔窥视仪示意 Fi g ．1 S c h e ma t i c d r a wi n g o f fibe r b o r e h o l e o bs e lwe r 图 2是美 国 F S 7 5 2 0型光导纤维钻孔窥视仪。 该仪器 由柔性光导纤维 、 观察镜、 目镜 、 照相机接头及 矿灯光源接头等部件组成 。该仪器以矿灯为光源， 光 导纤维直径为 1 9 1 T I 1T I ， 可窥视钻孔的最小直径为 2 5 i n m， 可窥视钻孔长度为 6 m。 图2 F S 7 5 2 0钻孔窥视仪 F i g ． 2 F S 7 5 x 2 0 b o r e h o l e o b s e r v e r 光导纤维钻孔窥视仪的最大优点是轻便 ， 用矿灯 作为光源 ， 使用灵活 ， 不需要解决防爆问题 ， 尤其适用 于煤矿井下。但其缺点是用 肉眼观察 ， 可观察钻孔 的 第 1 2期 康红普等 煤岩体钻孔结构观测方法及应用 1 9 5 1 深度小 ， 不能记录与处理图像 。 1 ． 2电子钻 孔窥 视 仪 国内外钻孔摄像技术 经历 了 3个 阶段 钻孔 照 相 、 钻孔摄像及数字光学成像 。钻孔摄像 的探 头是关键部件 ， 有 3种类 型 侧视 、 前视及 二者 的组 合 ， 都能得到钻孔孔壁 的完整图像 ， 并通过罗盘确定 方位 。通过监测屏幕实时观测钻孔结构 。数 字光学 成像是 目前最先进 的钻孔摄像技术 ， 其显著 的特点是 全景图像和数字技术。 1 前视 电子钻孔窥视仪 。前视钻孔窥 视仪通 过 C C D摄像头拍摄探头前方钻孔孔壁形态 ， 以视频 信号方式输出到显示器上进行实时监视 ， 输出到记录 仪上进行记录。它具有可观测钻孔的直径小 、 适用范 围广 ， 观测结果直观 、 清晰 ， 立体感强等特点 ， 而且仪 器轻便 、 操作简单。 图 3是 K D V J 一 4 0 0型矿用 电子钻孔窥视 仪。该 仪器 由 C C D摄像头 、 图像接收与存储装置 、 安装杆等 组成。仪器由摄像头在钻孔中接收图像， 通过接收仪 直接观察 、 记录图像 ， 并可与计算机连接 ， 分析和处理 图像。该仪器可观测钻孔 的最小直径为 2 8 n l m； 可观 测钻孔长度为 3 0 m。 2 数字式全景钻孔摄像系统。数字式全景钻 孔摄像系统 中， 全景 图像 是经过特定光 学变换 而成 的、 包含三维信息的平面图像 。采用数字技术可将全 景图像处理成各种形式 的二维或三维图像 。该系统 可以提供钻孔孔壁 3 6 0 。 平 面展 开图像 ， 还 可通 过 回 卷平面展开图像形成三维柱状体图像 ， 提供虚拟钻孔 岩芯图， 在空问形状和位置上更加逼真。 图 3 K D V J 一 4 0 0型矿用 电子钻孔窥视仪 F i g ． 3 KDV J 一 4 0 0 b o r e h o l e c a me r a 图 4是煤炭科学研究总院开采设计研究分 院与 有关单位合作开发的数字全景钻孔摄像系统。该仪 器主要 由主机 、 全景采集探头、 光 电深度计数器 、 连接 杆等组成。其中， 探头对裂缝 的分辨率高达 0 ． 1 mm， 内部装有 高精度 电子罗盘 ， 角度分辨率为 0 ． 1 。 。在 测试过程中就能将深度与图像结合在一起， 可提供平 面展开 图和立体柱状图。 光导纤维钻孔窥视仪 与前视 电子钻孔窥视仪只 能对钻孔结构进行定性描述 ， 而数字式全景钻孔摄像 系统提供了定量描述钻孔结构 的有效手段。根据平 面展开图和立体柱状 图可准确确定结构面 的分布与 位置 ， 结构面充填物 、 倾角及张开宽度。通过多个钻 孔的观测结果 ， 可分析结构面的连通性及在较大范围 的分布情况 。 ■ 图 4数字式全景钻孔摄像 系统 Fi g ． 4 Di g i t a l pa n o r a mi c b o r e h o l e c a me r a s y s t e m 2 钻孔窥视仪井下观测结果及分析 2 ． 1 光导纤维钻孔窥视仪观测结果及分析 在潞安常村煤矿 5 2 0运输大巷进行 了围岩结构 观测。该大巷正常情况下处 于 3号煤层底板岩石 中， 与煤层底板 的垂距约为 2 5 m。但是在掘进过程 中， 大巷遇到一向斜构造。当巷道接近 向斜构造时 ， 其与 煤层的距离越来越小 ， 直 至巷道见煤 ， 在半煤岩 中掘 进 。为了解 向斜轴部 围岩结构 ， 采用 F S 7 5 x 2 0型光 导纤维钻孔窥视仪进行观测。向斜 轴部巷道顶板为 3 ． 8 m厚的煤层 ， 之上为泥岩 ， 巷道支护方式为 U形 钢支架 ， 观测结果见表 1 。 表 1 潞安常村煤矿 5 2 0大巷钻 子 L 观测结果 Ta bl e 】 Bo r e ho l e ob s e r v a t i o n r e s u l t s of 52 0 mai n r o adwa y i n Cha ng c un Co al M i ne o f Lu’ a n c oa l di s t r i c t 石 距孔 口 岩层柱状 观 察 结 果 性 距离 ／ m 5 ．6 5 泥岩 、砂岩交界面 5 ． 2 0 约有 2 mm 的裂隙 4 ． 7 8 _ _ - - 约有 3mm的离层 泥 4 ． 6 4 约有 1 ．0mm的裂隙 岩 4 - 3 3 夹有一层煤线 4 ． 2 l 约有 2 ml T l 的裂 隙 4 l 7 约有 5mm 的离层 3 ． 9 5 约有 3 mm 的裂隙 ■■ 顶煤 内节理和裂 隙发育 ， 致 煤 使顶煤很容易冒落 。 煤层与 3 ． 8 O 翻 层 爨 泥 岩 分 界 面 ， 有 约 5 m m 的 离 层 可见 ， 巷道顶煤内存在 比较发育 的节理和裂隙等 煤 炭 学 报 2 0 1 0 年第3 5 卷 霎妻套囊薹萝茎 3 515 72 m 10 m 霎 露 一豳曩 测。大巷与回采巷道均布置在 ～ 号煤层中，煤层 圈圈 豳 阉豳邈 平均厚 ． ，属特厚煤层。巷道多数沿煤层底板 懋豳豳 蘩 豳■●幽 掘进，顶板为厚度 以上的煤体，采用锚喷、锚杆 搿豳圆 ●■曩 与锚索支护。由于煤层内层理、节理、裂隙发育，巷道 豳 圈 豳嚣阉圈圈霸 断面大，所以支护难度比较大。巷道顶煤结构观察结 豳 鞠 豳圈麓圈豳嘲黼 潮黪镯 一 一 a 环向裂隙与离层 b 纵向裂隙 一 一 一 一 e 破碎 f 煤岩交界 图5 大同塔山煤矿巷道顶板结构观测图像 F i g ．5 Bo r e ho l e c a me r a i ma g e s o f r o a dwa y r o o f i n Ta s h a n Co a l Mi n e o f Da t o n g c o a l d i s t r i c t 观测结果很直观地反映了巷道顶板的结构分布 状况。顶煤 中发育着各种层理与横 向裂隙， 纵 向、 斜 交节理与裂隙 ， 浅部的煤体 比较破碎 ， 一些位置发生 了明显 的离层。这些结构对巷道顶板的完整性与稳 定性产生显著影响。 2 潞安屯留煤 矿。潞安屯 留煤矿副井井底车 场所处岩层地质条件很差， 主要以泥岩 、 粉砂岩为主， 并夹有多层小煤及煤线。井底车场硐室群施工时 ， 硐 一 一 f e 泥岩钻孔螺旋线 图6 潞安屯留煤矿硐室围岩结构观测图像 Fi g ． 6 Bo r e h o l e c a me r a i ma g e s o f c ha mb e r i n 2 ． 3 数字 式全 景钻孔 摄像 系统观 测结 果及分 析 1 晋城凤凰山煤矿 。晋城凤凰山煤矿 1 5号煤 南翼采区在准备巷道掘进过程 中出现局部地段顶板 剥落严重 ， 变形量较大。为此 ， 对该段巷道采用数字 全景钻孔摄像系统进行观测， 部分孑 L 段的钻孔图像如 图7所示。结果表明， 巷道顶板以上 1 ． 2～1 ． 8 m 段 含有大量的方解石岩脉 ， 特别是在 1 ． 7～1 ． 8 m之问 ， 出现厚度较大的白色岩层带， 还含有大量薄片状含铁 和云母矿物质的泥岩夹层 ； 1 ． 8～ 2 ． 4 m段岩层 中赋 存较为明显的原生裂隙。其 中， 位于 1 ． 9 、 2 ． 1 m附近 的裂隙含有 白色充填物 。裂隙倾 角从 近水平 到 3 0 。 左右不等。这些裂隙和夹层将顶板石灰岩切割 ， 导致 其完整性变差。虽然 1 5号煤层顶板为致密坚硬 的石 灰岩， 但是夹层导致其整体强度大幅降低， 是引起该 第 1 2期 康红普等 煤岩体钻孔结构观测方法及应用 1 9 5 3 段巷道顶板变形严重的主要原因。 图7 晋城凤凰山煤矿巷道顶板结构观测图像 Fi g ． 7 Bo r e h o l e ca me r a i ma g e s o f r o a d wa y r o o f i n F e n g h u a n g s h a n C o a l Mi n e o f J i n c h e n g c o a l d i s t r i c t 2 潞安漳村煤矿。潞安漳村煤矿 2 3采区巷道 受采掘影响， 巷道顶板 下沉 明显 ， 整体 变形量较 大。 采用数字全景钻孔摄像系统进行 了观测 ， 部分孔段 的 钻孔 图像如图 8所示。观测结果表明 该段巷道顶板 以上 6 ． 0～ 9 ． 0 13 3 段 岩层破坏严 重。其 中， 在 7 ． 5～ 8 ． 1 m 之 间存 在 张开 度 较 大 的 纵 向贯 通 裂 隙， 在 7 ． 5～ 7 ． 7 I n还存在倾角 7 0 。 左右的裂隙 ， 导致该段岩 石非常破碎 。在 8 ． 3～8 ． 5 m之 间分 布一条倾 角为 7 0 。 左右的裂 隙， 张开度较大。顶板岩层 的整体性受 到严重破坏 ， 存在很 大的安全隐患。为保证采区巷道 的安全使用 ， 应立即采取注浆或其它支护加 固方法进 行处 理 。 N E S W N N E S W N7 ． 5 图8 潞安漳村煤矿巷道顶板结构观测图像 Fi g ． 8 Bo r e h o l e c a me r a i ma g e s o f r o a d wa y r o o f i n Z ha n g c u n Co a l Mi ne o f Lu’ a n c o a l d i s t ric t 3 钻孔观测 结果的应用 钻孔摄像技术 已经广泛应用于石 油、 地质 、 岩土 工程及采矿工程等多个领域 。本文主要介 绍钻孑 L 观 测结果在采矿工程 中的应用情况。 3 ． 1 钻孔摄像技术在煤岩体结构面分布与完整性评 价中的应用 在进行采矿工程设计时 ， 需要 了解煤层顶底板的 岩性 、 煤岩层厚度与分布 、 倾角 ， 煤岩层中结构面的分 布状况。其中 ， 煤岩体结构面的参数 主要包括 结构 面密度、 走向、 倾 向， 连续性 ， 粗糙度 ， 起伏度 ， 张开度 及充填状况等。 在围岩分类方法中 ， 不论是 国外的岩芯质量指标 R Q D分级法 ， 岩体质量 Q分级法及 R MR岩体分级法 等 ， 还是国家标准“ 工程岩体分级标准 ” ， 及煤炭行业 的围岩分类及巷道支护建议 ， 都离不开对 围岩结构与 完整性 的充分 了解 。 通过钻孔窥视仪 ， 不仅 能分析顶底板岩性 ， 准确 地确定煤岩层的厚度 ， 而且可以确定结构面 的位置 、 问距 、 倾向、 张开度 等几何参 数 ， 了解结构 面充 填情 况 。通过布置 2个或多个钻孔 ， 可以分析结构面的连 续性。钻孑 L 观测 得到 的这些 直观 、 准确 的资料 与参 数 ， 为分析煤岩体结构面分布与完整性评价提供 了可 靠 的基础 。 3 ． 2 钻孔摄像技术在水压致裂地应力测量 中的应用 水压致裂法 已经广泛应用 于煤矿井下地应力测 量。该方法成功的前提是 在测量前能选择较完 整的 测试孔段 ， 在测量过程中能够获得 比较理想 的压裂曲 线与可靠 的压裂裂纹方 向。传统 的方法是根据钻孔 岩芯判断完整孔段 ， 采用印模方法确定裂纹形态与方 向。钻孔窥视仪 ， 特别是数字式全景钻孔摄像系统为 水压致裂法提供了直观 、 可靠的测试孔段选择和压裂 裂纹观测 的手段。 图 9是钻孔窥视仪在水压致裂地应力测量 的应 用过程。首先在巷道顶板钻孔 ， 采用钻孔窥视仪观察 钻孔 中围岩节理 、 层理 、 裂隙等结构面分布 ， 选择合理 的测试孔段 ； 之后进行压裂试验 ； 最后再采用钻孔窥 视仪测定压裂裂纹 的形状与方 向， 并与印模得到的结 果进行 比较 ， 确定出水平主应力方向。 潞安 、 晋城等多个 矿区的井下测量表 明， 采用数 字式全景钻孔摄像系统后 ， 水压致裂地应力测量的成 功率显著提高 ， 同时也提高了测试结果 的准确性与可 靠性。 3 ． 3 钻孔摄像技术在采场顶板冒落与岩层移动研究 中的应 用 采用长壁法开采煤层后 ， 在采空区从下向上一般 会出现垮落带 、 断裂带 和弯 曲下沉带 ， 上覆岩层发生 移动 ， 有些岩层出现 断裂 ， 有些岩层 问出现裂缝与离 层 。观测和分析这些 冒落 、 断裂 、 裂缝及离层现象 的 3 4 5 6 7 8 6 7 8 9 0 7 7 7 7 8 O 2 3 4 5 8 8 8 8 8 8 5 6 7 8 9 O 7 7 7 7 7 8 1 9 5 4 煤 炭 学 报 2 0 1 0 年第3 5 卷 发生和发展过程对研究采场矿压显 现特征与规律具 有重要作用。钻孑 L 摄像 为之提供 了直观 、 有效 的方 法 。 f a 钻孔 I I 二 _ _ l 三 ■三三三 { 巨至 l } 二 二 J F ● l J b 选择孔段 c 压裂 d 测试裂纹方向 图9 钻孔窥视仪在水压致裂地应力测量的应用过程 F i g ． 9 P r o c e d u r e o f b o r e h o l e c a me r a u s e d i n h y d r a u l i c f r a c t u r i n g i n s i t u s t r e s s me a s ur e me nt 钻孔布置有两种方式 ① 从地面向下一直打到 煤层 ， 观测回采工作面前后整个上覆岩层的移动和破 坏状况 ； ② 在井下巷道中向回采工作面打钻孔， 观测 一 定范围内岩层的移动和破坏情况。 文献 [ 1 3 ] 采用数字式全景钻孔摄像技术在大 同 塔山煤矿首采工作面进行了顶板活动监测 ， 得 出顶板 超前工作面一定范围内产生竖向裂纹与水平运动 ， 接 近工作面时产生离层与断裂 ， 岩层运动加剧 ； 工作面 后方直接顶垮落高度达 5 5～ 6 0 m。观测结果和实际 情况比较吻合 ， 能够较完整 、 准确地反映上覆岩层裂 纹演化情况， 对特厚煤层综放开采的顶板控制极为有 利。 3 ． 4 钻子 L 摄像技术在巷道围岩变形与破坏研究中的 应 用 采用钻孔窥视仪 ， 可直观地观测巷道 围岩 中节 理、 层理 、 裂 隙等结构 面的分布 与几何参数 图 5～ 8 ， 顶板离层 、 围岩破坏范 围及其发展变化过程 ， 为 研究 围岩变形与破坏机理 ， 分析巷道的稳定性提供可 靠的资料与数据 。 巷道围岩中钻孔布置方式比较灵活 ， 可根据需要 布置在顶板 、 两帮或全断面 ， 钻孔方向可以垂直、 水平 或倾斜。由于在巷道中钻孔深度一般不大， 钻孑 L 直径 小 ， 甚至可利用锚杆 、 锚索钻孔 ， 因此 ， 可在巷道中进 行大面积钻孔结构观测。通过分析大量观测资料 ， 得 出巷道围岩结构分布与变化规律 。 文献 [ 1 8 1 9 ] 采用前视钻孔窥视仪及数字式全 景钻孔摄像系统 ， 对分布在巷道断面不 同钻孔内的围 岩破裂进行 了监测， 发现了围岩分区破裂现象 ， 并得 出分区破裂分布图， 为研究深部巷道围岩破坏特征提 供 了直观的依据。 3 ． 5 钻孔摄像技术在巷道支护与加 固设计 中的应用 在进行巷道支护设计前 ， 特别是 目前广泛采用的 数值模拟方法 ， 需要大量围岩地质力学参数 。这些基 础数据直接影响数值模拟与支护设计结果的可靠性。 采用钻孔窥视仪可获得 围岩 中有关结构面的一些参 数 ， 从而使数值模型更接近井下实际情 况， 提高支护 设计的合理性。 巷道加 固通常是在 围岩发生较大变形和破坏后 进行 ， 在这种情况下更能显示 出钻孔窥视的作用。 潞安漳村煤矿为了解 2 2 0 2工作面回风巷煤体及 顶板的结构 与破坏 范围， 确定合理 的加 固材料 和参 数 ， 对围岩进行了钻孔窥视 ， 钻孔深度为 1 2 m。通过 钻孑 L 窥视得出 回风巷煤帮下部煤体极破碎 ， 而且有 水平裂缝 ； 顶板 3 m厚 的顶煤全部遭到破 坏， 9 m以 下顶板岩层均存在显著离层。根据这些观测结果 ， 确 定采用水泥浆和低黏度化学浆联合加固方式 ， 取得了 良好加固效果 。 潞安屯留煤矿基于钻孔窥视结果 图 6 及地应 力 、 围岩强度等其它地质力学参数 ， 对硐室群围岩变 形 、 应力分布 、 破坏范围， 及不同支护加固形式的效果 进行 了数值模拟， 提 出深孔高压注浆配合强力锚杆 、 锚索的加 固方案。井下应用中， 该方案有效控制 了松 软破碎硐室群 的变形与破坏 ， 保 持了 围岩 的长期稳 定 。 3 ． 6 钻孔摄像技术在评价巷道支护加固效果中的应 用 根据巷道顶板离层 、 围岩变形 、 破坏范围及支护 体受力等监测数据可分析巷道稳定性 ， 评 价支护效 果 。钻孔窥视仪提供了观测离层 、 破坏范围及其发展 变化的直观手段。如对于锚杆支护巷道 ， 当观测到锚 固区内发生了显著离层， 而且变化很快， 说明锚杆支 护形式与参数选择不合理 ， 不能保持 围岩 的稳定 ， 应 根据数据修改支护设计 ， 提高支护效果 ， 确保巷道安 全 。 钻孔窥视仪同样为监测注浆加固质量与效果提 第 1 2 期 康红普等 煤岩体钻孔结构观测方法及应用 1 9 5 5 供了有效工具 。文献[ 2 1 ] 采用 Y T J 2 0型钻孔窥视仪 和染色剂跟踪浆液 的方法 ， 检测 了淮南朱集煤矿锚注 支护软岩巷道注浆效果 。根据窥视图像 获得 了每个 有效窥视孔的最大有效注浆深度 ， 分析了不 同深度围 岩的注浆效果 。 如前所述的潞安屯 留煤矿副井 井底 车场硐室群 加固， 为检测注浆效果 ， 保证注浆质量 ， 采用钻孔窥视 仪在硐室群进行了注浆效果检测。图 1 0是顶板和两 帮钻孔观测 图像 。从 图中清楚地看 到 ， 围岩 中的节 理、 裂隙被很好地充填与黏结 ， 一方面起到堵水作用 ， 阻止了上部岩层含水对破碎 围岩的进一步破坏 ； 另一 方面， 对围岩起到很好的重新组合作用， 将破碎岩体 黏结为整体 ， 恢复其连续性 ， 为强力锚杆 、 锚索支护施 工奠定 了基础。 一 一 a 顶板 b 巷帮 图 】 0 潞安 屯留煤 矿硐室注浆加 固钻孔 观测图像 Fi g ．1 0 Bo r e h o l e c a me r a i ma g e s o f c h a mbe r i n Tu n l i u Co a l Mi n e o f Lu’ a n c o a l d i s t ric t 3 ． 7 其它方面的应用 除上述方面的应用外 ， 钻孑 L 观测还可以应用到 以 下几方面 ① 探测开采形成的采空区 ， 以及顶板 冒落 形成的空洞。② 在瓦斯抽采工程中， 检测钻孔质量 ， 探测瓦斯大量涌出的位置。③ 在矿井水预测及防治 方面， 探测 出水孔 、 洞 ， 确定 出水位置 ， 为堵水提供准 确的参数 。④ 坚硬顶板和煤层一般需要采取注水软 化 、 水力压裂及松动爆破 的方法进行弱化 ， 使坚硬顶 板能及时垮落 ， 提高坚硬煤层 的冒放性。采用钻孔窥 视仪可观测弱化效果 ， 为合理参数的选取提供基础。 4 存在的 问题及 改进建议 钻孔摄像技术在煤矿井下的应用证明 ， 这是一种 能够直观 、 有效 、 快速观测钻孔形态及其变化的手段。 但是 ， 钻孔摄像技术还存在一些问题 ， 需要 以后不断 改进和完善 。 1 进一步提高观测精度。前视钻孔窥视仪虽 然能够观测到探头前方钻孔的立体形态 ， 但大多只能 用于定性分析 ， 不能准确测 出结构面参数 、 离层大小 等 。数字式全景摄像系统有很大提高 ， 可用于定量分 析 ， 但 目前的精度还 比较低 ， 不能观测到很细小 的裂 隙与裂纹 。无论哪种仪器， 其测试精度都有待于得到 进一步提高。 2 改进仪器 以满足