大型导水陷落柱发育特征综合探查技术研究

田 干

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710054)

岩溶水害一直是影响我国煤矿安全生产的主要水害之一。随着我国浅部煤炭资源逐渐枯竭，煤炭开采深度不断增大，煤矿生产受岩溶水害影响更加突出。根据国内岩溶水害事故统计资料，80%突水事故为构造突水，且多为陷落柱突水，其突水具有通道规模大、突水强度高、致灾危害大的特点，如1984年6月开滦范各庄煤矿发生的世界最大陷落柱突水事故，2003年4月邢台东庞矿陷落柱突水事故，2010年3月神华骆驼山陷落柱突水事故等[1-6]，这些突水事故突水量都超过1000m3/min，给人民生命和财产造成了重大损失。

同煤集团塔山矿属石炭-侏罗系双系的大同煤田。矿井8228工作面设计走向长度3101m，倾向长度230.5m，开采石炭系3-5煤层，煤层平均厚度19m。根据工作面地质及水文地质条件分析，3-5号煤层距奥灰含水层顶面80m，底板奥灰水水压1.84MPa，为带压开采，突水系数0.023MPa/m，工作面处于相对安全区，正常情况下不会发生底板突水。2016年11月底，塔山矿在二盘区8228工作面巷道掘进至2060m时发生了底板突水事故，轨道巷掘进头最大水量约270m3/h，造成部分巷道被淹，严重影响和威胁矿井安全生产。工作面突水后，井下灰岩含水层G1观测孔水位下降约60m，根据工作面开采水文地质条件综合分析，判断工作面突水水源为奥灰水，通道为导水陷落柱[7，8]。

为了进一步查清工作面导水陷落柱形态、发育范围及其特征，为陷落柱治理提供依据，在受地形施工环境的限制等复杂施工条件下，陷落柱探查采用了井上下综合物探和基于地面定向水平钻多水平多分支探查技术方法。目前常采用物探、钻探相结合的方法综合探查陷落柱位置和范围[9]，大部分都采用井下普通钻探技术进行探查，部分采用定向钻探查也基本为定向斜孔技术简单探查。在井上下综合物探的基础上，基于地面定向水平钻综合探查技术在目前鲜有报道。

1 井上下综合物探探查技术研究

1.1 井下综合物探探查

为了尽快查明导水陷落柱发育位置及大致范围，首先利用井下直流电法、瑞利波和瞬变电磁等方法对工作面回风巷前方段进行了物探综合探查工作。

1.1.1 工作面回风巷瞬变电磁超前探测

根据工作面回风巷井下瞬变电磁在水平方向-45°、0°和45°三个探测方向超前探查成果分析，在迎头左前方工作面内侧均有低阻异常，-45°方向异常开口向回风巷工作面内侧方向延伸，巷道前30m附近煤层底板明显存在富水异常区(如图1所示)。说明在工作面前面内侧存在一富水异常体。

图1 回风巷-45°方向瞬变电磁超前探查成果图

1.1.2 回风巷井下直流电法和瑞利波超前探测

根据工作面回风巷井下直流超前探测成果，在迎头前方发现3处低阻异常区(图2)，1号异常位于迎头前3～8m，2号异常位于迎头前23～30m，3号异常50～64m。

工作面回风巷井下瑞利波超前探测迎头前方发现1处地层不连续异常区(如图2)，异常位于迎头前28～38m，且基本与直流电法2号异常重合。

图2 回风巷井下直流电法和瑞利波超前探查成果图

根据工作面回风巷井下物探成果资料综合分析，在回风巷掘进前方30m附近处工作面内侧存在一富水和地层不连续异常区。

1.2 地面综合物探探查

为了进一步查明工作面导水通道发育特征，在工作面突水点地面进行了三维地震和大地可控源综合物探探查工作，结果如图3所示。

图3 地面三维地震和大地可控源勘探成果图

根据地面三维地震和大地可控源物探勘探，在工作面突水区域明显存在一直通式导水通道(图3)，推断其为疑似导水陷落柱。陷落柱在3-5煤层长短轴约为360m×200m，煤层落差25m。发育高度3-5号煤上180m。

为了进一步查明导水陷落柱发育范围和充填特征，根据井上下物探综合探查成果，利用地面定向水平钻对疑似导水陷落柱进行综合精细探查工作，为陷落柱治理提供依据[10-15]。

2 基于地面定向钻陷落柱综合探查技术

2.1 陷落柱探查方案

陷落柱探查方案以 “边探查、边治理、边设计”为主要原则，以探明导水陷落柱的发育范围及其破碎体的胶结分布特征为主要目标，为陷落柱注浆治理提供依据，最终实现3-5号煤层和下组煤8号煤层带压安全开采提供依据。根据工作面条件分析，3-5号煤层距奥灰含水层顶面80m，8号煤层底板下距奥灰含水层38m，8号煤层厚度约6m，8号煤层回采后底板破坏深度基本导通奥灰含水层，因此，陷落柱探查和注浆治理后，为了确保3-5号和8号煤层后续安全回采，导水陷落柱探查和注浆治理层位选择在奥灰顶面上10m至下30m的范围，布置三层(层间距20m)15个分支孔，其中奥灰顶面下30m布置10个分支孔，分支孔间距40m；奥灰顶面下10m布置3个分支孔，分支孔间距80m；奥灰顶面上布置2个分支孔，分支孔间距80m。地面共设计2个主孔，每个主孔分别施工7～8个分支孔(图4)。利用地面定向水平钻多分层多分支钻孔，进一步探明陷落柱发育特征，并对陷落柱柱体进行注浆截源、加固，最终实现工作面安全回采。

图4 阻水塞方案设计示意图

2.2 钻孔岩屑录井微观分析

岩屑录井是定向钻钻探过程中判断地层的重要技术手段。定向钻在钻进过程中，岩石破碎后通过钻井液将岩屑带出地面，经过振动筛筛选过滤后，每隔一定时间间隔捞取岩屑，通过岩屑可以达到判层的目的。

在本次探查过程中，钻孔665m进入目的层奥灰层位，在钻孔665m以上非目的层地层每4m捞取一次岩屑，进入目的层奥灰地层后每2m捞取一次岩屑，在接近物探探查陷落柱边界时每1m捞取一次岩屑。钻孔进入陷落柱前为奥灰地层，地层岩性为灰岩、白云质灰岩等碳酸盐岩，而进入陷落柱后地层为泥岩、砂岩、煤、灰岩等杂乱无章的混合岩屑。岩屑捞取后经过清水冲洗、烘干后，利用电子显微镜将岩屑放大500倍后对岩屑岩性进行辨识。

部分分支孔不同孔深岩屑显微镜放大500倍的微观结果如图5所示。通过图5中不同岩性岩屑纯度、晶体特征分析和岩屑稀盐酸溶蚀方法对钻进地层岩性进行分辨。钻孔从奥灰地层进入陷落柱前岩屑为白云岩、方解石，为均一亮白色晶体状的岩屑；而进入陷落柱后，岩屑为灰色砂岩碎屑、煤屑、泥岩和灰岩碎屑，岩屑岩性和颜色杂乱；最后再利用稀盐酸滴定溶解灰岩产生气泡的方法，确定奥灰正常地层和陷落柱边界，从而判断出陷落柱发育范围(表1)。

图5 部分分支钻孔岩屑微晶分析图片

表1 各分支钻孔岩屑微观判识陷落柱范围

根据地层不同岩性岩屑微晶分析，陷落柱的长短轴为410m×180m。

2.3 钻孔随钻测井分析

在各分支孔施工过程中，对揭露地层进行了随钻伽马测井探查，当钻孔从灰岩进入泥岩地层时伽马值就会明显增大，即可依据钻孔伽马曲线变化分析判断陷落柱发育范围。

XZ2-3分支钻孔随钻测井变化如图6所示。可以看出，分支孔钻进至孔深约1000m时伽马值突然增大，说明地层岩性由灰岩变为泥岩，钻孔进入了陷落柱泥岩地层；钻进至孔深约1150m时，伽马值突然变小，地层岩性由泥岩又变为灰岩，钻孔出陷落柱。测井曲线反映陷落柱边界明显。

图6 XZ2-3分支孔随钻测井伽马变化曲线

同样，其他分支钻孔随钻测井变化曲线能够明显判断出陷落柱边界范围(表2)。陷落柱长短轴约为335m×220m。

表2 各分支钻孔随钻测井曲线判识陷落柱范围

2.4 钻孔钻速变化分析

钻孔钻进速度的快慢在一定程度上反映地层的完整性、胶结程度和空洞、孔隙、裂隙发育情况，因此，可以利用各分支孔的钻速变化分析陷落柱内部充填物破碎分布情况，并为矿井水害注浆治理选择合适工艺提供参考依据。

XZ2-2分支孔钻时变化如图7所示。可以看出，钻孔在934～1088m时，钻速达到0.5m/min；在孔深约1100m附近时，钻速达到0.3m/min，说明地层在这些区段比较破碎，胶结程度较差，为陷落柱影响区和发育充填区。同样，通过其他钻孔钻时变化曲线可以分析判断各分支孔钻进过程中地层破碎段(表3)。

图7 XZ2-2分支孔钻时变化曲线

表3 各分支孔钻时变化曲线判识地层破碎段分布

2.5 钻井液消耗量变化分析

在钻探过程中，钻井液消耗量的多少在一定程度上反映的裂隙发育程度，钻井液消耗量越大说明该段地层较为裂隙发育，岩层破碎。因此，利用各分支孔钻井液的消耗量的分布特征对陷落柱的发育特征进行分析。

XZ2-1分支孔钻探过程中钻井液消耗量变化如图8所示。可以看出，当钻孔钻进至孔深875～1099m区段时，钻孔漏水量突然增大，甚至完全漏失，说明在这些区段地层破碎，孔隙、裂隙发育，充填物胶结差。同样，通过其他分支孔钻井液消耗量变化曲线分析判断出地层岩层破碎、胶结差的区段(表4)。

图8 XZ2-1分支孔钻井液消耗量变化曲线

表4 各分支孔钻井液消耗量变化曲线判识地层破碎段统计

3 陷落柱发育特征综合分析

基于定向钻岩屑录井和随钻测井精细探查结果，基本探明了陷落柱规模为410m×200m(图9)；利用钻液漏失量和钻速变化分析，陷落柱破碎区主要分布靠近在突水巷道2228巷方向。结合地面斜孔探查及测井结果综合分析，3-5号煤层部分区段下移25m，8号煤层部分区段塌落55m。这说明陷落柱形成年代相对比较年轻，下部地层溶蚀后塌落被水流带走，塌落相对上部地层较大，且陷落柱顶部空腔还没完全形成。

图9 陷落柱发育边界综合探查成果示意图

综合探查成果为陷落柱注浆治理工艺选取和分区治理提供了依据。

4 结 论

1)通过井上下物探探查，对导水陷落柱形态及发育大致范围进行了控制，为钻探进一步探查提供靶区。

2)基于地面定向水平钻岩屑录井、随钻测井等综合探查技术，对陷落柱发育范围进行了精细探查，陷落柱长短轴为410m×200m。

3)基于地面定向水平钻钻液消耗量变化和钻速录井等综合探查技术，对陷落柱破碎体胶结程度及其分布特征等进行了精细探查，陷落柱破碎体主通道主要分布在靠近工作面运输巷突水点前方区域，这为陷落柱注浆治理提供依据。

4)井上下综合物探和基于地面定向水平钻陷落柱综合探查成果为陷落柱注浆工艺选择和分区治理提供了依据，对类似导水通道的综合探查具有很好的借鉴意义。