矿井测井技术及其应用

图1　MINIKAR防爆测井系统

2.2.2　双电缆测井系统(GMB—77防爆测井系统)
　　该系统由西德WBK公司物探研究所开发，使用电缆可测800 m孔。采用井口密封孔内注水技术，除可进行放射性测井外，还可进行井径、视电阻率、声速测井。在垂直孔内测井，和地面测井一样；而在水平孔、定向斜孔中采用水冲孔底抛锚，电缆通过锚上的转向滑轮引到孔口牵引探管进行测井(图2)，测井数据通过电传输到孔口微机，由微机显示并记录在磁带上。磁带数据在地面处理和绘制成果图件。
2.2.3　无缆测井系统
　　MINKAR、GMB—77两种测井系统都未摆脱地面测井的思想，即使用电转输信号。在矿井中测井使用电缆，技术复杂，要求高，而且十分不便。为克服这种不足，我国煤炭科学研究总院西安分院和西德GEOCOM公司在80年代中期，研制了无缆测井系统。该系统采用的无缆测井技术被专家认为是当代国际最先进的测井方案。
　　无缆测井系统的设想基于气象探空气球、探测卫星的回收。系统井下仪器分两部分，第一部分是探管，第二部分是同步机和测深装置(图3)。探管和同步机有各自的电源、单片机系统，并由单片机系统控制各自的工作流程。探管和同步机采用同样的晶振频率，以便使其工作时钟一致。工作前，探管和同步机用短电缆线相连，由同步机的键盘操作，使探管和同步机“同步”开始工作，然后拆开短电缆连线，把探管拧在钻杆上，由钻杆送入孔中。钻杆运行带动测深光电码盘，光电码盘的信号由短电缆线传输到同步机。测井开始后，探管记录钻孔测量数据，而同步机同步记录深度。测量完成后，从钻杆上取下探管，用短电缆线连接同步机和探管，把探管的数据通信到同步机中，与同步机的深度信号比较，经去伪存真处理，即获得深度与测井数据一一对应的数据文件。到地面后通信到微机，即可得到测井成果图。

图2　GMB—77防爆测井系统

图3　无缆测井系统

3　矿井防爆测井系统
　　该系统是煤炭科学研究总院西安分院80年代中期研制，并经过十多年不断完善的矿井钻孔测井系统，已成功地应用于煤矿生产、安全等领域。系统应用无缆测井技术，采用单片机控制、数据采集处理，适用于煤矿井下水平孔、定向斜孔、垂直孔测井。系统由全方位钻孔测斜仪、选择伽玛测井仪、密度测井仪、准直自然伽玛测量仪等组成。每一种仪器都包括用可充电电池供电的探管和同步机两部分，备有共用的深度测量装置。
3.1　全方位钻孔测斜仪
　　全方位钻孔测斜仪是通过测量大地重力场和磁场来确定钻孔倾角和方位角，由于采用了3个相互正交的重力加速度计和3个相互正交的磁力计作为测角和测向传感器，使得全方位钻孔测斜仪实现了全空间钻孔测量。
　　测斜仪主要由3部分组成，即信号测量、模数转换、数值计算。由探管完成3路测角信号和3路测向信号的定时定点测量及模数转换，同步机完成测点有效性判别及数值计数、结果显示。数值计算首先是建立测斜仪在不同倾斜状态下重力加速度计和磁力计的模拟信号经模数转换后的数值与测量角度的关系，得出数值计算方程，并应用无约束条件下的多元互数寻优方法，对信号测量的传感器轴系不正交、不重合等进行校正，使测斜仪达到给定的测量精度(倾角为±0.1°，方位角±1.0°)，得出校正方程。在实际测量时，根据上述数值计算和校正方程，由重力加速度计和磁力计的实测数值，即可计算出钻孔倾角和方位角。
3.2　选择伽玛测井仪
　　选择伽玛测井仪测量选择伽玛伽玛、自然伽玛、接地电阻3种参数。
　　选择伽玛伽玛测井是适应干孔灵敏度低，以煤测井需要对煤层夹矸进行精细测量而提出来的低能量(Am²⁴¹)短源距(18 cm)的测井方法。这种方法放射源主要测量伽玛射线与煤岩层的光电效应，而光电效应与物质的原子序数Z的4次幂成正比。由于煤的主要成分碳的Z=6，而岩石平均有效原子系数Z＞13，因此这种方法能特别有效地划分煤层与夹矸。自然伽玛测井主要用于划分地层和判别煤中泥质的含量，在干孔测量中有较好的效果。接地电阻只有在钻孔充水的条件下才能测量，由于这种条件煤矿井下往往难于满足，因此使用不多。
3.3　密度测井仪
　　密度测井仪测量岩石密度、自然伽玛两种参数。密度测量是采用Cs¹³⁷放射源、单源距。考虑到矿井钻孔以水平孔、定向斜孔为多，仪器自然贴壁，因此对源及接收器均采用上面单面屏蔽、贴壁面准直定向发射和接收伽玛射线技术，取得了良好的测量效果。综合密度和自然伽玛曲线能准确判别不同岩层、判别煤质。
3.4　准直自然伽玛测量仪
　　准直自然伽玛测量仪是采煤机自然伽玛导向仪的延伸与发展。仪器采用两个性能一致的自然伽玛射线测量传感器，并分别用重金属屏蔽上半部分和下半部分，以便在顺煤层钻孔中定向地接受来自煤层底板或顶板的经过煤层吸收和衰减的自然伽玛射线强度，计算钻孔距煤层顶板或底板的距离，对钻孔在煤层中的位置进行监测。
　　这种仪器的应用条件是顶、底板岩层与煤层有较明显的自然放射性差异，这在大多数煤矿是满足的。另外，这种仪器探测厚度的范围也是有限的，一般在0～40 cm。好在对顺煤层钻进监测的目的不是探测煤层厚度，而是确定钻孔在煤层中的位置，因此准直自然伽玛测量仪是顺煤层钻井监测有效和实用的一种仪器。

4　矿井防爆测井系统的应用
4.1　钻孔轨迹确定
　　矿井钻孔许多是为定区域抽放瓦斯，定层位抽放岩层压力水，构造探测及巷道之间贯通而施工的，因此钻孔轨迹的确立十分重要，不仅判别钻孔是否达到设计要求，而且对地质异常体的定位、层位的识别等都必不可少。图4是矿井防爆测井系统测斜仪测量的某受控定向钻进的钻孔大地坐标系下的空间轨迹图。

图4　钻孔空间轨迹图

图5　自然伽玛计数与煤厚关系图

4.2　顺煤层钻进监测
　　顺煤层钻进监测主要是确定钻孔轨迹和钻孔在煤层中的位置。确定钻孔轨迹通过测量钻孔倾角和方位角即可完成；确定钻孔在煤层中的位置，矿井防爆测井系统中采用的是准直自然伽玛测量仪。
　　图5是大同某矿顺煤层钻进探测地质异常体试验的准直自然伽玛计数与煤厚的关系。通过3个钻孔的实际应用表明，这是一种判别钻孔在煤层中位置的有效方法。
4.3　矿井井下深部勘探
　　矿井井下深部勘探测井与地面测井一样，主要是划分钻孔地质剖面，确定煤层深度、厚度、结构。图6是某煤矿的应用实例，自然伽玛和选择伽玛伽玛曲线对煤层结构都有较好的反映；钻孔施工过程中掉入孔中位于煤层上方的套管和因打捞套管而形成的破碎带也能清楚地反映出来。

图6　矿井井下测井实例

5　结束语
　　矿井测井技术，在各国研究人员的努力下，仪器研制、解释方法等方面取得了不少成果，为煤矿生产、安全解决了许多实际问题，但与地面测井相比，无论是测井方法、解释理论和设备优化都存在较大差距，还有许多工作需要做。

　　作者简介　郭爱煌　男　35岁　高级工程师　博士研究生　电磁场与微波技术
　　郭爱煌(西安交通大学电子与信息工程学院　710049)
　　张福平(煤炭科学研究总院西安分院　710054)