田 干

(1.中煤科工集團(tuán)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(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

巖溶水害一直是影響我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的主要水害之一。隨著我國(guó)淺部煤炭資源逐漸枯竭，煤炭開(kāi)采深度不斷增大，煤礦生產(chǎn)受巖溶水害影響更加突出。根據(jù)國(guó)內(nèi)巖溶水害事故統(tǒng)計(jì)資料，80%突水事故為構(gòu)造突水，且多為陷落柱突水，其突水具有通道規(guī)模大、突水強(qiáng)度高、致災(zāi)危害大的特點(diǎn)，如1984年6月開(kāi)灤范各莊煤礦發(fā)生的世界最大陷落柱突水事故，2003年4月邢臺(tái)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(guò)1000m3/min，給人民生命和財(cái)產(chǎn)造成了重大損失。

同煤集團(tuán)塔山礦屬石炭-侏羅系雙系的大同煤田。礦井8228工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度3101m，傾向長(zhǎng)度230.5m，開(kāi)采石炭系3-5煤層，煤層平均厚度19m。根據(jù)工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)條件分析，3-5號(hào)煤層距奧灰含水層頂面80m，底板奧灰水水壓1.84MPa，為帶壓開(kāi)采，突水系數(shù)0.023MPa/m，工作面處于相對(duì)安全區(qū)，正常情況下不會(huì)發(fā)生底板突水。2016年11月底，塔山礦在二盤(pán)區(qū)8228工作面巷道掘進(jìn)至2060m時(shí)發(fā)生了底板突水事故，軌道巷掘進(jìn)頭最大水量約270m3/h，造成部分巷道被淹，嚴(yán)重影響和威脅礦井安全生產(chǎn)。工作面突水后，井下灰?guī)r含水層G1觀測(cè)孔水位下降約60m，根據(jù)工作面開(kāi)采水文地質(zhì)條件綜合分析，判斷工作面突水水源為奧灰水，通道為導(dǎo)水陷落柱[7，8]。

為了進(jìn)一步查清工作面導(dǎo)水陷落柱形態(tài)、發(fā)育范圍及其特征，為陷落柱治理提供依據(jù)，在受地形施工環(huán)境的限制等復(fù)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(shù)方法。目前常采用物探、鉆探相結(jié)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(shù)進(jìn)行探查，部分采用定向鉆探查也基本為定向斜孔技術(shù)簡(jiǎn)單探查。在井上下綜合物探的基礎(chǔ)上，基于地面定向水平鉆綜合探查技術(shù)在目前鮮有報(bào)道。

1 井上下綜合物探探查技術(shù)研究

1.1 井下綜合物探探查

為了盡快查明導(dǎo)水陷落柱發(fā)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(duì)工作面回風(fēng)巷前方段進(jìn)行了物探綜合探查工作。

1.1.1 工作面回風(fēng)巷瞬變電磁超前探測(cè)

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

圖1 回風(fēng)巷-45°方向瞬變電磁超前探查成果圖

1.1.2 回風(fēng)巷井下直流電法和瑞利波超前探測(cè)

根據(jù)工作面回風(fēng)巷井下直流超前探測(cè)成果，在迎頭前方發(fā)現(xiàn)3處低阻異常區(qū)(圖2)，1號(hào)異常位于迎頭前3～8m，2號(hào)異常位于迎頭前23～30m，3號(hào)異常50～64m。

工作面回風(fēng)巷井下瑞利波超前探測(cè)迎頭前方發(fā)現(xiàn)1處地層不連續(xù)異常區(qū)(如圖2)，異常位于迎頭前28～38m，且基本與直流電法2號(hào)異常重合。

圖2 回風(fēng)巷井下直流電法和瑞利波超前探查成果圖

根據(jù)工作面回風(fēng)巷井下物探成果資料綜合分析，在回風(fēng)巷掘進(jìn)前方30m附近處工作面內(nèi)側(cè)存在一富水和地層不連續(xù)異常區(qū)。

1.2 地面綜合物探探查

為了進(jìn)一步查明工作面導(dǎo)水通道發(fā)育特征，在工作面突水點(diǎn)地面進(jìn)行了三維地震和大地可控源綜合物探探查工作，結(jié)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(jù)地面三維地震和大地可控源物探勘探，在工作面突水區(qū)域明顯存在一直通式導(dǎo)水通道(圖3)，推斷其為疑似導(dǎo)水陷落柱。陷落柱在3-5煤層長(zhǎng)短軸約為360m×200m，煤層落差25m。發(fā)育高度3-5號(hào)煤上180m。

為了進(jìn)一步查明導(dǎo)水陷落柱發(fā)育范圍和充填特征，根據(jù)井上下物探綜合探查成果，利用地面定向水平鉆對(duì)疑似導(dǎo)水陷落柱進(jìn)行綜合精細(xì)探查工作，為陷落柱治理提供依據(jù)[10-15]。

2 基于地面定向鉆陷落柱綜合探查技術(shù)

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(shè)計(jì)”為主要原則，以探明導(dǎo)水陷落柱的發(fā)育范圍及其破碎體的膠結(jié)分布特征為主要目標(biāo)，為陷落柱注漿治理提供依據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)3-5號(hào)煤層和下組煤8號(hào)煤層帶壓安全開(kāi)采提供依據(jù)。根據(jù)工作面條件分析，3-5號(hào)煤層距奧灰含水層頂面80m，8號(hào)煤層底板下距奧灰含水層38m，8號(hào)煤層厚度約6m，8號(hào)煤層回采后底板破壞深度基本導(dǎo)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(hào)和8號(hào)煤層后續(xù)安全回采，導(dǎo)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(gè)分支孔，其中奧灰頂面下30m布置10個(gè)分支孔，分支孔間距40m；奧灰頂面下10m布置3個(gè)分支孔，分支孔間距80m；奧灰頂面上布置2個(gè)分支孔，分支孔間距80m。地面共設(shè)計(jì)2個(gè)主孔，每個(gè)主孔分別施工7～8個(gè)分支孔(圖4)。利用地面定向水平鉆多分層多分支鉆孔，進(jìn)一步探明陷落柱發(fā)育特征，并對(duì)陷落柱柱體進(jìn)行注漿截源、加固，最終實(shí)現(xiàn)工作面安全回采。

圖4 阻水塞方案設(shè)計(jì)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(guò)程中判斷地層的重要技術(shù)手段。定向鉆在鉆進(jìn)過(guò)程中，巖石破碎后通過(guò)鉆井液將巖屑帶出地面，經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩篩選過(guò)濾后，每隔一定時(shí)間間隔撈取巖屑，通過(guò)巖屑可以達(dá)到判層的目的。

在本次探查過(guò)程中，鉆孔665m進(jìn)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(jìn)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(shí)每1m撈取一次巖屑。鉆孔進(jìn)入陷落柱前為奧灰地層，地層巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等碳酸鹽巖，而進(jìn)入陷落柱后地層為泥巖、砂巖、煤、灰?guī)r等雜亂無(wú)章的混合巖屑。巖屑撈取后經(jīng)過(guò)清水沖洗、烘干后，利用電子顯微鏡將巖屑放大500倍后對(duì)巖屑巖性進(jìn)行辨識(shí)。

部分分支孔不同孔深巖屑顯微鏡放大500倍的微觀結(jié)果如圖5所示。通過(guò)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(duì)鉆進(jìn)地層巖性進(jìn)行分辨。鉆孔從奧灰地層進(jìn)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(jìn)入陷落柱后，巖屑為灰色砂巖碎屑、煤屑、泥巖和灰?guī)r碎屑，巖屑巖性和顏色雜亂；最后再利用稀鹽酸滴定溶解灰?guī)r產(chǎn)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(fā)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(shí)陷落柱范圍

根據(jù)地層不同巖性巖屑微晶分析，陷落柱的長(zhǎng)短軸為410m×180m。

2.3 鉆孔隨鉆測(cè)井分析

在各分支孔施工過(guò)程中，對(duì)揭露地層進(jìn)行了隨鉆伽馬測(cè)井探查，當(dāng)鉆孔從灰?guī)r進(jìn)入泥巖地層時(shí)伽馬值就會(huì)明顯增大，即可依據(jù)鉆孔伽馬曲線變化分析判斷陷落柱發(fā)育范圍。

XZ2-3分支鉆孔隨鉆測(cè)井變化如圖6所示。可以看出，分支孔鉆進(jìn)至孔深約1000m時(shí)伽馬值突然增大，說(shuō)明地層巖性由灰?guī)r變?yōu)槟鄮r，鉆孔進(jìn)入了陷落柱泥巖地層；鉆進(jìn)至孔深約1150m時(shí)，伽馬值突然變小，地層巖性由泥巖又變?yōu)榛規(guī)r，鉆孔出陷落柱。測(cè)井曲線反映陷落柱邊界明顯。

圖6 XZ2-3分支孔隨鉆測(cè)井伽馬變化曲線

同樣，其他分支鉆孔隨鉆測(cè)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(zhǎng)短軸約為335m×220m。

表2 各分支鉆孔隨鉆測(cè)井曲線判識(shí)陷落柱范圍

2.4 鉆孔鉆速變化分析

鉆孔鉆進(jìn)速度的快慢在一定程度上反映地層的完整性、膠結(jié)程度和空洞、孔隙、裂隙發(fā)育情況，因此，可以利用各分支孔的鉆速變化分析陷落柱內(nèi)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(jù)。

XZ2-2分支孔鉆時(shí)變化如圖7所示。可以看出，鉆孔在934～1088m時(shí)，鉆速達(dá)到0.5m/min；在孔深約1100m附近時(shí)，鉆速達(dá)到0.3m/min，說(shuō)明地層在這些區(qū)段比較破碎，膠結(jié)程度較差，為陷落柱影響區(qū)和發(fā)育充填區(qū)。同樣，通過(guò)其他鉆孔鉆時(shí)變化曲線可以分析判斷各分支孔鉆進(jìn)過(guò)程中地層破碎段(表3)。

圖7 XZ2-2分支孔鉆時(shí)變化曲線

表3 各分支孔鉆時(shí)變化曲線判識(shí)地層破碎段分布

2.5 鉆井液消耗量變化分析

在鉆探過(guò)程中，鉆井液消耗量的多少在一定程度上反映的裂隙發(fā)育程度，鉆井液消耗量越大說(shuō)明該段地層較為裂隙發(fā)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(duì)陷落柱的發(fā)育特征進(jìn)行分析。

XZ2-1分支孔鉆探過(guò)程中鉆井液消耗量變化如圖8所示。可以看出，當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)至孔深875～1099m區(qū)段時(shí)，鉆孔漏水量突然增大，甚至完全漏失，說(shuō)明在這些區(qū)段地層破碎，孔隙、裂隙發(fā)育，充填物膠結(jié)差。同樣，通過(guò)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(jié)差的區(qū)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(shí)地層破碎段統(tǒng)計(jì)

3 陷落柱發(fā)育特征綜合分析

基于定向鉆巖屑錄井和隨鉆測(cè)井精細(xì)探查結(jié)果，基本探明了陷落柱規(guī)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(qū)主要分布靠近在突水巷道2228巷方向。結(jié)合地面斜孔探查及測(cè)井結(jié)果綜合分析，3-5號(hào)煤層部分區(qū)段下移25m，8號(hào)煤層部分區(qū)段塌落55m。這說(shuō)明陷落柱形成年代相對(duì)比較年輕，下部地層溶蝕后塌落被水流帶走，塌落相對(duì)上部地層較大，且陷落柱頂部空腔還沒(méi)完全形成。

圖9 陷落柱發(fā)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(qū)治理提供了依據(jù)。

4 結(jié) 論

1)通過(guò)井上下物探探查，對(duì)導(dǎo)水陷落柱形態(tài)及發(fā)育大致范圍進(jìn)行了控制，為鉆探進(jìn)一步探查提供靶區(qū)。

2)基于地面定向水平鉆巖屑錄井、隨鉆測(cè)井等綜合探查技術(shù)，對(duì)陷落柱發(fā)育范圍進(jìn)行了精細(xì)探查，陷落柱長(zhǎng)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(shù)，對(duì)陷落柱破碎體膠結(jié)程度及其分布特征等進(jìn)行了精細(xì)探查，陷落柱破碎體主通道主要分布在靠近工作面運(yùn)輸巷突水點(diǎn)前方區(qū)域，這為陷落柱注漿治理提供依據(jù)。

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(qū)治理提供了依據(jù)，對(duì)類似導(dǎo)水通道的綜合探查具有很好的借鑒意義。