钻孔窥视仪在顶板离层鉴定中的应用

王国玮

(安徽理工大学矿业工程学院，安徽 淮南 232001)

目前，我国的火力发电仍占全国发电量的70%以上，每年的煤炭消耗量大概在20亿吨。因而，在未来的很长一段时间，煤炭仍然在我国的能源消耗结构中扮演着举足轻重的角色。随着开采深度的不断增加，地质结构更加复杂，顶板冒落等事故时有发生，对安全生产和巷道支护带来了巨大的挑战，严重危害了矿工的生命安全。通过在潘集一、谢桥等矿区，试点使用钻孔窥视仪，对顶板煤层内部结构进行探明与研究，为后续的巷道支护提供强有力的基础，应用效果很好。

1 原理

钻孔摄像经历了钻孔照相，到钻孔摄像，再到数字光学成像的过程。

本次研究所用设备为徐州惠顿矿业科技开发有限公司所生产的矿用钻孔轨迹测量仪(型号YZG3.7D)，主机配接设备为KJD3.7矿用本安型手持终端，如图1所示。

图1 钻孔窥视仪实物图

钻孔窥视仪是一种便携式防爆检测仪器，用于观测小口径工程孔的内部条件。当探头送入孔眼时，仪器屏幕上可以看到孔壁的状态图像。由于透镜具有放大和红外灵敏度的功能，可以清晰地反映孔壁的岩性变化，对于煤岩界面和岩层裂隙，易于识别。

钻孔窥视仪的工作原理就是：利用 CCD 探头，把光线转变成电子信号；通过电缆，将信号输送到图像接收器上，进而观察、记录、存储钻孔内岩体结构图像。工作原理如图2、图3所示。该机主要用于探测煤矿井下锚杆孔、瓦斯抽放孔、顶板孔、放水孔、地质孔及其它钻孔的数据，然后进行分析研究、信息管理、存档等。设备为煤矿专用测试设备，符合煤矿安全使用要求[1]。

图2 设备原理图

图3 探头结构图

2 使用方法

使用前，把探头擦拭干净，然后把连接上撑杆的探头深入先前打好的钻孔中；连接好探头和接受仪，另一边打开显示仪并点开“录像”功能；然后一边转动撑杆，一边插入撑杆。这样就可以观察岩层内部的岩石破碎状态，并且通过实时拍照，真实反映岩石的内部结构状态。此外，通过连接探头的电线(盘绕在转盘上)，可以准确判断出探头深入的深度。深入的深度数值可以实时显示在显示屏中，为后面的研究提供最精确的信息。

3 现场应用

3.1 地质情况

110801工作面为8煤首采工作面，该面胶带机顺槽自北翼胶带机大巷T60点北 79.2 m(平距)以259.5施工 1980 m 至110801工作面切眼。巷道东接北翼胶带机大巷，西至110801工作面切眼，其余均为未开拓区域，对应地表主要为沟渠、农田。总共在煤轨胶回联巷取点4个。4个孔是为了取岩芯，通过剪切、抗拉、抗压实验，获取围岩的单轴抗拉、抗压强度，弹性模量，泊松比，内摩擦角，黏聚力等物理性质，为主采煤层巷道围岩地质力学评估、锚杆支护设计、开采设计等提供基础参数。在取芯完成后，在钻孔窥视前一天用水冲洗钻孔，防止钻孔堵塞，影响窥视结果[2]。这里取二号钻孔研究，如图4、表1。

图4 2#钻孔剖面图

表1 8煤轨胶回联巷钻孔施工参数设计

3.2 观测结果

钻孔窥深为 9 m。观测过程中，巷道围岩浅部围岩裂隙发育较为破碎，在距巷道1.566m处首次出现环向裂隙，裂隙纵向发育，延伸约 70 mm。在 2.674 m 处出现环向裂隙，并向岩石深处进一步发展。在4.362处出现环向及纵向裂隙，裂隙由环向裂隙向巷道外延伸。在距巷道 4.569 m 处产生纵向裂隙。在 6.752 m 处出现纵向裂隙带，孔壁破碎。在8.551 m 处出现环向裂隙，在 8.798 m 处出现钻孔错孔，孔壁破碎。因此，8煤顶板出现明显离层破坏，范围大概在 8.7 m 附近。详见图5～图9。

图5 1.556 m—环向裂隙(首次出现)

图6 2.674 m—环向裂隙，裂隙向岩石深处进一步发展

图7 4.362 m—环向及纵向裂隙带、孔壁破碎

图8 6.752 m—纵向裂隙带、孔壁破碎

图9 8.798 m—环向裂隙，孔壁破碎

4 存在问题及改进意见

通过矿井下的实践证明，钻孔窥视仪在探测岩层内部结构方面有着显著作用，但是在使用过程中仍然存在一些问题，需要后续进一步的提高与完善。具体建议如下：1)仪器本身可以进一步减轻质量。矿井下的工作环境跟地面差距很大，仪器质量进一步减轻，会大大提高工作的时效性，更便于携带。2)精度需要进一步提高。在本次观测过程中，由于孔内还有水滴，随着探头的深入，不断地有水雾和煤灰附着在镜头上，极大地影响了观测的效果，因而探头的镜片需要能够防水、不沾灰。3)撑杆是否可以放弃。在观测过程中，由于镜头偏重，而撑杆为了便于深入钻孔中也无法太重太大，只能使用轻质撑杆，但是随着深度不断加深，撑杆根数也会增加，导致“头重脚轻”，撑杆都被压弯了，深入时镜头会抖动，无法保证观测的稳定性。因而需要改善撑杆的材料，或者舍弃撑杆，选用更高科技。4)需要和其他仪器或者观测方法结合起来。单一使用钻孔窥视仪得到的图像具有一定的局限性，无法对岩层结构做出精确判别。所以需要与地质雷达、声波测试、光纤技术等联合使用，提高实验的精确度[3]。

5 结语

1)实践证明，使用矿用钻孔窥视仪探测岩层内部结构，是一种可靠、牢固的手段，它可以为后续的治理岩层破碎带和巷道支护提供有利的理论依据。

2)虽然钻孔窥视仪得到了广泛的应用，但是其机器本身仍然存在着许多问题，因此需要进一步改进技术工艺、提高科技水平，使得钻孔窥视仪能够更加适用于矿井。