大型導水陷落柱發育特征綜合探查技術研究

田 干

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710054)

巖溶水害一直是影響我國煤礦安全生產的主要水害之一。隨著我國淺部煤炭資源逐漸枯竭，煤炭開采深度不斷增大，煤礦生產受巖溶水害影響更加突出。根據國內巖溶水害事故統計資料，80%突水事故為構造突水，且多為陷落柱突水，其突水具有通道規模大、突水強度高、致災危害大的特點，如1984年6月開灤范各莊煤礦發生的世界最大陷落柱突水事故，2003年4月邢臺東龐礦陷落柱突水事故，2010年3月神華駱駝山陷落柱突水事故等[1-6]，這些突水事故突水量都超過1000m3/min，給人民生命和財產造成了重大損失。

同煤集團塔山礦屬石炭-侏羅系雙系的大同煤田。礦井8228工作面設計走向長度3101m，傾向長度230.5m，開采石炭系3-5煤層，煤層平均厚度19m。根據工作面地質及水文地質條件分析，3-5號煤層距奧灰含水層頂面80m，底板奧灰水水壓1.84MPa，為帶壓開采，突水系數0.023MPa/m，工作面處于相對安全區，正常情況下不會發生底板突水。2016年11月底，塔山礦在二盤區8228工作面巷道掘進至2060m時發生了底板突水事故，軌道巷掘進頭最大水量約270m3/h，造成部分巷道被淹，嚴重影響和威脅礦井安全生產。工作面突水后，井下灰巖含水層G1觀測孔水位下降約60m，根據工作面開采水文地質條件綜合分析，判斷工作面突水水源為奧灰水，通道為導水陷落柱[7，8]。

為了進一步查清工作面導水陷落柱形態、發育范圍及其特征，為陷落柱治理提供依據，在受地形施工環境的限制等復雜施工條件下，陷落柱探查采用了井上下綜合物探和基于地面定向水平鉆多水平多分支探查技術方法。目前常采用物探、鉆探相結合的方法綜合探查陷落柱位置和范圍[9]，大部分都采用井下普通鉆探技術進行探查，部分采用定向鉆探查也基本為定向斜孔技術簡單探查。在井上下綜合物探的基礎上，基于地面定向水平鉆綜合探查技術在目前鮮有報道。

1 井上下綜合物探探查技術研究

1.1 井下綜合物探探查

為了盡快查明導水陷落柱發育位置及大致范圍，首先利用井下直流電法、瑞利波和瞬變電磁等方法對工作面回風巷前方段進行了物探綜合探查工作。

1.1.1 工作面回風巷瞬變電磁超前探測

根據工作面回風巷井下瞬變電磁在水平方向-45°、0°和45°三個探測方向超前探查成果分析，在迎頭左前方工作面內側均有低阻異常，-45°方向異常開口向回風巷工作面內側方向延伸，巷道前30m附近煤層底板明顯存在富水異常區(如圖1所示)。說明在工作面前面內側存在一富水異常體。

圖1 回風巷-45°方向瞬變電磁超前探查成果圖

1.1.2 回風巷井下直流電法和瑞利波超前探測

根據工作面回風巷井下直流超前探測成果，在迎頭前方發現3處低阻異常區(圖2)，1號異常位于迎頭前3～8m，2號異常位于迎頭前23～30m，3號異常50～64m。

工作面回風巷井下瑞利波超前探測迎頭前方發現1處地層不連續異常區(如圖2)，異常位于迎頭前28～38m，且基本與直流電法2號異常重合。

圖2 回風巷井下直流電法和瑞利波超前探查成果圖

根據工作面回風巷井下物探成果資料綜合分析，在回風巷掘進前方30m附近處工作面內側存在一富水和地層不連續異常區。

1.2 地面綜合物探探查

為了進一步查明工作面導水通道發育特征，在工作面突水點地面進行了三維地震和大地可控源綜合物探探查工作，結果如圖3所示。

圖3 地面三維地震和大地可控源勘探成果圖

根據地面三維地震和大地可控源物探勘探，在工作面突水區域明顯存在一直通式導水通道(圖3)，推斷其為疑似導水陷落柱。陷落柱在3-5煤層長短軸約為360m×200m，煤層落差25m。發育高度3-5號煤上180m。

為了進一步查明導水陷落柱發育范圍和充填特征，根據井上下物探綜合探查成果，利用地面定向水平鉆對疑似導水陷落柱進行綜合精細探查工作，為陷落柱治理提供依據[10-15]。

2 基于地面定向鉆陷落柱綜合探查技術

2.1 陷落柱探查方案

陷落柱探查方案以 “邊探查、邊治理、邊設計”為主要原則，以探明導水陷落柱的發育范圍及其破碎體的膠結分布特征為主要目標，為陷落柱注漿治理提供依據，最終實現3-5號煤層和下組煤8號煤層帶壓安全開采提供依據。根據工作面條件分析，3-5號煤層距奧灰含水層頂面80m，8號煤層底板下距奧灰含水層38m，8號煤層厚度約6m，8號煤層回采后底板破壞深度基本導通奧灰含水層，因此，陷落柱探查和注漿治理后，為了確保3-5號和8號煤層后續安全回采，導水陷落柱探查和注漿治理層位選擇在奧灰頂面上10m至下30m的范圍，布置三層(層間距20m)15個分支孔，其中奧灰頂面下30m布置10個分支孔，分支孔間距40m；奧灰頂面下10m布置3個分支孔，分支孔間距80m；奧灰頂面上布置2個分支孔，分支孔間距80m。地面共設計2個主孔，每個主孔分別施工7～8個分支孔(圖4)。利用地面定向水平鉆多分層多分支鉆孔，進一步探明陷落柱發育特征，并對陷落柱柱體進行注漿截源、加固，最終實現工作面安全回采。

圖4 阻水塞方案設計示意圖

2.2 鉆孔巖屑錄井微觀分析

巖屑錄井是定向鉆鉆探過程中判斷地層的重要技術手段。定向鉆在鉆進過程中，巖石破碎后通過鉆井液將巖屑帶出地面，經過振動篩篩選過濾后，每隔一定時間間隔撈取巖屑，通過巖屑可以達到判層的目的。

在本次探查過程中，鉆孔665m進入目的層奧灰層位，在鉆孔665m以上非目的層地層每4m撈取一次巖屑，進入目的層奧灰地層后每2m撈取一次巖屑，在接近物探探查陷落柱邊界時每1m撈取一次巖屑。鉆孔進入陷落柱前為奧灰地層，地層巖性為灰巖、白云質灰巖等碳酸鹽巖，而進入陷落柱后地層為泥巖、砂巖、煤、灰巖等雜亂無章的混合巖屑。巖屑撈取后經過清水沖洗、烘干后，利用電子顯微鏡將巖屑放大500倍后對巖屑巖性進行辨識。

部分分支孔不同孔深巖屑顯微鏡放大500倍的微觀結果如圖5所示。通過圖5中不同巖性巖屑純度、晶體特征分析和巖屑稀鹽酸溶蝕方法對鉆進地層巖性進行分辨。鉆孔從奧灰地層進入陷落柱前巖屑為白云巖、方解石，為均一亮白色晶體狀的巖屑；而進入陷落柱后，巖屑為灰色砂巖碎屑、煤屑、泥巖和灰巖碎屑，巖屑巖性和顏色雜亂；最后再利用稀鹽酸滴定溶解灰巖產生氣泡的方法，確定奧灰正常地層和陷落柱邊界，從而判斷出陷落柱發育范圍(表1)。

圖5 部分分支鉆孔巖屑微晶分析圖片

表1 各分支鉆孔巖屑微觀判識陷落柱范圍

根據地層不同巖性巖屑微晶分析，陷落柱的長短軸為410m×180m。

2.3 鉆孔隨鉆測井分析

在各分支孔施工過程中，對揭露地層進行了隨鉆伽馬測井探查，當鉆孔從灰巖進入泥巖地層時伽馬值就會明顯增大，即可依據鉆孔伽馬曲線變化分析判斷陷落柱發育范圍。

XZ2-3分支鉆孔隨鉆測井變化如圖6所示?？梢钥闯?，分支孔鉆進至孔深約1000m時伽馬值突然增大，說明地層巖性由灰巖變為泥巖，鉆孔進入了陷落柱泥巖地層；鉆進至孔深約1150m時，伽馬值突然變小，地層巖性由泥巖又變為灰巖，鉆孔出陷落柱。測井曲線反映陷落柱邊界明顯。

圖6 XZ2-3分支孔隨鉆測井伽馬變化曲線

同樣，其他分支鉆孔隨鉆測井變化曲線能夠明顯判斷出陷落柱邊界范圍(表2)。陷落柱長短軸約為335m×220m。

表2 各分支鉆孔隨鉆測井曲線判識陷落柱范圍

2.4 鉆孔鉆速變化分析

鉆孔鉆進速度的快慢在一定程度上反映地層的完整性、膠結程度和空洞、孔隙、裂隙發育情況，因此，可以利用各分支孔的鉆速變化分析陷落柱內部充填物破碎分布情況，并為礦井水害注漿治理選擇合適工藝提供參考依據。

XZ2-2分支孔鉆時變化如圖7所示?？梢钥闯?，鉆孔在934～1088m時，鉆速達到0.5m/min；在孔深約1100m附近時，鉆速達到0.3m/min，說明地層在這些區段比較破碎，膠結程度較差，為陷落柱影響區和發育充填區。同樣，通過其他鉆孔鉆時變化曲線可以分析判斷各分支孔鉆進過程中地層破碎段(表3)。

圖7 XZ2-2分支孔鉆時變化曲線

表3 各分支孔鉆時變化曲線判識地層破碎段分布

2.5 鉆井液消耗量變化分析

在鉆探過程中，鉆井液消耗量的多少在一定程度上反映的裂隙發育程度，鉆井液消耗量越大說明該段地層較為裂隙發育，巖層破碎。因此，利用各分支孔鉆井液的消耗量的分布特征對陷落柱的發育特征進行分析。

XZ2-1分支孔鉆探過程中鉆井液消耗量變化如圖8所示?？梢钥闯?，當鉆孔鉆進至孔深875～1099m區段時，鉆孔漏水量突然增大，甚至完全漏失，說明在這些區段地層破碎，孔隙、裂隙發育，充填物膠結差。同樣，通過其他分支孔鉆井液消耗量變化曲線分析判斷出地層巖層破碎、膠結差的區段(表4)。

圖8 XZ2-1分支孔鉆井液消耗量變化曲線

表4 各分支孔鉆井液消耗量變化曲線判識地層破碎段統計

3 陷落柱發育特征綜合分析

基于定向鉆巖屑錄井和隨鉆測井精細探查結果，基本探明了陷落柱規模為410m×200m(圖9)；利用鉆液漏失量和鉆速變化分析，陷落柱破碎區主要分布靠近在突水巷道2228巷方向。結合地面斜孔探查及測井結果綜合分析，3-5號煤層部分區段下移25m，8號煤層部分區段塌落55m。這說明陷落柱形成年代相對比較年輕，下部地層溶蝕后塌落被水流帶走，塌落相對上部地層較大，且陷落柱頂部空腔還沒完全形成。

圖9 陷落柱發育邊界綜合探查成果示意圖

綜合探查成果為陷落柱注漿治理工藝選取和分區治理提供了依據。

4 結 論

1)通過井上下物探探查，對導水陷落柱形態及發育大致范圍進行了控制，為鉆探進一步探查提供靶區。

2)基于地面定向水平鉆巖屑錄井、隨鉆測井等綜合探查技術，對陷落柱發育范圍進行了精細探查，陷落柱長短軸為410m×200m。

3)基于地面定向水平鉆鉆液消耗量變化和鉆速錄井等綜合探查技術，對陷落柱破碎體膠結程度及其分布特征等進行了精細探查，陷落柱破碎體主通道主要分布在靠近工作面運輸巷突水點前方區域，這為陷落柱注漿治理提供依據。

4)井上下綜合物探和基于地面定向水平鉆陷落柱綜合探查成果為陷落柱注漿工藝選擇和分區治理提供了依據，對類似導水通道的綜合探查具有很好的借鑒意義。