沖洗液法+鉆孔電視在采空區探測中的應用

李太啟

(安徽省皖北煤電集團有限責任公司，安徽 宿州234011)

采空區探測是獲得采空區覆巖破壞基礎數據的重要手段，也是合理開發利用采空區上方土地的必要條件，對采空區上方土地的二次利用具有十分重要的意義。目前，采空區探測技術多種多樣，究其根本主要分為鉆孔探測技術和地球物理探測技術兩大類，在我國鉆孔探測技術應用較為廣泛，在條件允許時，通常采用鉆探為主、物探為輔、相互驗證的原則［1-3］。地球物理探測技術較鉆孔探測技術雖有信息量大、工作效率高等優點，但其往往只能限于定性分析的層面，為保證精確度必須結合必要的鉆探工程，通常在地質采礦資料充足、采空區范圍較小的情況下，對采空區的探測可只對可疑關鍵部位進行鉆探分析就能達到理想效果。本研究主要分析鉆孔探測技術中鉆孔沖洗液漏失量觀測法(以下簡稱“鉆孔沖洗液法”)和鉆孔電視探測技術相互組合在采空區探測中的應用。

1 工程概況

擬建廠區位于多煤層采空區上方，礦井已停采多年，采空區冒落沉降已基本完成，但在內、外因素的作用下采空區仍有“活化”可能［4-6］。地下除采空區外還有多條羽狀小斷層存在，經分析其存在不會給項目的建設帶來較大影響，故可不考慮。

擬建廠區停采后曾進行過常規巖土勘察，勘察深度只有35 m 左右，缺少深部巖層資料。考慮到本項目建筑物載荷較大，對地基穩定性要求較高，故建設施工前必須進行工程勘察，準確把握地下巖層巖性及采空區“三帶”分布情況，進而進行地基穩定性評估。

2 沖洗液法+鉆孔電視在探測中的適用性

鉆孔沖洗液法是老采空區探測中最常用的手段，它是通過測定在施工過程中沖洗介質的漏失量、鉆進情況、速度以及鉆孔水位、吸風等資料來確定采空區覆巖破壞情況的方法，具有操作簡單、實用可靠等優點，但在原巖裂隙比較發育的區域較難獲得有效數據，另外在觀測時間點的把握上要求高。鉆孔電視探測技術是近些年來發展起來的一種較為直觀、實用的探測技術，在觀測煤層上覆巖層的完整性和原生裂隙的發育特征、受采動巖體裂縫帶內巖層的裂縫發育寬度、連通情況，巖體破碎狀況和垮落巖塊的分布等方面應用較為廣泛［7-8］。將二者相結合起來可以提高采空區及其覆巖探測的精確性和可判讀性。

本項目地質采礦資料較為完整，鄰近礦區近年有過施工經驗，故在選擇勘察方法時有一定的針對性。擬建廠區下方為多煤層開采，在進行地基穩定性分析時主要考慮建筑荷載傳遞深度是否與導水裂隙帶高度充分接觸，故導水裂隙帶高度的確定尤為重要［9-11］。經分析，運用鉆孔沖洗液法結合鉆孔電視探測技術可以為分析確定采空區的導水裂隙帶高度，特別是垮落帶的發育高度提供對比依據，從而大大提高準確度和精度。故本項目選用鉆孔沖洗液觀測法+鉆孔電視較為合適。

3 勘察孔布置

考慮到多層采空區的埋深比較大，且生產車間與綜合樓的靜態載荷和動態載荷均較大，故本次設計勘察孔的位置主要布置在主廠房區的主要建構筑物區域。簡易車棚與食堂(臨時)均為普通鋼結構，對地表變形適應能力較強，故不做勘察。根據地質采礦資料，結合擬建的主廠房區的主要建構筑物位置，共布置了7 個勘察孔，見圖1。其中一車間2 個(1、2 號勘察孔)，二車間2 個(3、4 號勘察孔)，綜合樓2 個(5、6號勘察孔)，水塔區域1 個(7 號勘察孔)。

4 勘察結果分析

4.1 勘察孔鉆進及沖洗液漏失情況分析

各個勘察孔對應區域煤層開采情況不一樣，在鉆探時通過施工情況可對搜集的相關地質采礦資料進行驗證，在鉆探施工中勘察孔最終深度為采空區底板以下3 m 左右。

圖1 勘察孔與建筑物相對位置簡圖Fig.1 The relative position of exploration holes and buildings

勘察工程于2010 年5 月17 日組織施工隊伍進場安裝，10 月23 日首臺鉆機開孔，到5 月24 日7 臺鉆機相繼開孔作業，2010 年6 月15 日工程結束，施工總工期30 d，鉆孔總工期22 d。下面對各個鉆孔施工過程中沖洗液的漏失情況以及施工資料進行分析。

1 號孔終孔深度為252.00 m，設計深度275.00 m。按照設計要求采用取芯鉆進，該孔施工到147.17 m 時沖洗液完全消耗，當鉆至213.00 m 時鉆進速度突然加快，經判斷已經進入冒落松散地帶，后經突擊鉆至220.00 m. 實際取芯率為93.93%。為確保施工安全，在征得設計單位同意的情況下，在210.62 m以下采取無芯鉆進至252 m。后由于孔內坍塌嚴重，險些造成卡鉆事故被迫停鉆。

2 號孔終孔深度為240.47 m，設計深度290.00 m。按設計要求采用無芯鉆進，該孔施工到孔深145.60 m 時沖洗液完全消耗，使用清水鉆進至240.47 m 時，由于孔內坍塌嚴重，不得已而停鉆。后經取樣分析已進入采空區，在140.00 m 左右孔口開始出現負壓現象，孔內無水位。

3 號孔按設計要求為取芯鉆孔，終孔深度為230.00 m，達到了設計深度。其中209.99 m 至230.00 m 為無芯鉆進。從孔深170.00 m 開始沖洗液完全消耗且孔口出現負壓現象，觀測不到水位。該孔細砂巖、中砂巖、粗砂巖所占比例為52.41%，從巖性特征分析，5#煤頂部粗砂巖表層一經鉆穿下部巖石即顯破碎，且伴隨大漏水現象發生，對應深度在170 m 左右。該孔按照設計為取芯孔，實際取芯率為83.98%。為確保施工安全，在爭得設計單位同意的情況下，在209.99 m 以下采取無芯鉆進至終孔深度。

4 號孔終孔深度為288.35 m，設計深度為295.00 m，當鉆至210.00 m 時鉆進速度突然加快，判斷進入松散地帶(該區間內已取樣證實)，突擊鉆進至288.35 m 時出現卡鉆跡象，被迫停鉆。該孔在120.00 m 處即開始大漏水，是當前所有鉆孔中漏水最早的一個，且坍塌段高也是最大的。

5 號孔設計深度為270.00 m，終孔深度為270.00 m。施工過程中進尺正常，未出現沖洗液大量漏失的現象。

6 號孔設計深度295.00 m，終孔深度為280.00 m。按照設計要求采用取芯鉆進，該孔施工到144.00 m 時沖洗液完全消耗，當鉆至215.00 m 時鉆進速度突然加快，經判斷已經進入松散地帶，突擊鉆至220.00 m。該孔按照設計為取芯孔，實際取芯率為82.51%。為確保施工安全，在爭得設計單位同意的情況下，在210.62 m 以下采取無芯鉆進至終孔深度。

7 號孔終孔深度為310.00 m，設計深度310.00 m，完成了設計要求。按照設計要求采用取芯鉆進，該孔施工到約157.00 m 時沖洗液基本全部漏失，159.00 m 時有輕微返水現象，但未見軟。該孔按照設計要求為取芯孔，實際取芯率為87.44%。為確保施工安全，在爭得設計單位同意的情況下，在213.35 m 以下采取無芯鉆進至設計孔深。

各孔漏水點位置與見軟情況統計見表1。

表1 各孔漏水點位置與見軟情況統計Table 1 The statistical table of leakage points position and soft case

經過對施工的各個勘察孔綜合分析初步得出如下結論:

(1)經各鉆孔資料分析可知，風化帶厚度約為49.63 ～37.29 m，主要取決中粗砂巖的發育厚度及埋深而定。施工的各個鉆孔均未發現尚未采動的完整煤層。

(2)主要漏水點均出現在對應的5#煤頂部中粗砂巖以下，該砂巖下部發育1 層3 m 左右的泥巖及砂質泥巖相對隔水，一經揭露即發生大漏水現象。該中粗砂巖層相對較完整，各取芯鉆孔驗證101 ～140 m段內發育的厚層中粗砂巖4 個取芯鉆孔均取上部單塊長度超過1 m 的完整巖芯，其下部近直立裂隙較發育，疑似為進入了導水裂隙帶，其對應段距為孔深140 ～208 m。通過以上分析并結合簡易水文觀測情況，140 m 以上沖洗液的漏失與消耗應屬原始巖石孔隙裂隙導水，以下屬受煤層采動形成的“導水裂縫帶”導水。各施工鉆孔普遍在208 m 左右相繼進入冒落帶。

(3)一車間和二車間區域采空區采動程度較充分，受各煤層的采動影響冒落帶呈現疊加現象并且與原井下殘留巷道溝通良好，特別是位于一車間的1、2號孔區域，局部沖洗液完全消耗、孔內坍塌嚴重。綜合樓與水塔區域相對于一車間與二車間采空區穩定性較好。

4.2 鉆孔電視勘察結果分析

通過鉆孔沖洗液法對采空區及其覆巖的結構分析有了初步的了解，為對地下巖層破壞情況有更為直觀、準確的了解，在7 個觀察孔內布置了彩色鉆孔電視觀測，部分鉆孔電視觀測結果見圖2。

圖2 部分鉆孔電視觀測結果Fig.2 Some observation results by borehole TV system

1 號和2 號勘察孔位于一車間區域，1 號孔從140 m 深度以下，巖層裂隙較發育，裂隙主要為高角度縱向裂隙，在210 m 左右發現有空洞存在。2 號孔在140 m 深度以上巖層較完整;自孔深145 m 深度以下，巖層裂隙較多，孔壁有淋水，孔內無水位，240 m處有明顯空洞存在。3 號和4 號勘察孔位于二車間區域，3 號孔在孔深120 ～210 m 段，巖層有明顯的裂隙發育情況，尤其在孔深170 ～210 m 段，巖層比較破碎，巖體有垮落形態。4 號孔120 m 深度以上巖層較完整，120 m 以下巖層受煤層開采的采動影響比較大，巖體裂隙比較發育，210 m 以下破碎程度尤為嚴重。5 號和6 號勘察孔位于綜合樓區域，5 號勘察孔全孔巖層較完整，沒有明顯的裂隙發育;6 號勘察孔全孔巖層整體比較完整，只是在孔深151 m ～孔底段，局部裂隙發育，主要以單條裂隙發育為主。7 號勘察孔位于水塔區域，對7 號孔觀察可知全孔巖層較為完整，僅在304.5 ～306 m 處有少量裂隙存在。

通過以上對1 ～7 號勘察孔鉆孔電視觀測資料進行分析，對擬建廠區老采空區上覆巖層的現狀以及老采空區的破壞狀況有以下認識:①擬建廠區綜合樓(5、6 號勘察孔)和水塔(7 號勘察孔)區域下覆巖層比較完整，僅有少量裂隙且不影響結構穩定性;②在一車間區域140 m 深度以下，二車間區域120 m 深度以下，縱向裂隙較發育，巖層結構整體性差，受采動影響較大;③一、二車間區域200 m 深度以下，橫向、縱向裂隙均發育，巖層破碎現象嚴重，211 m 深度以下可判斷為出現采空區，綜合分析可知此處在受內、外因素影響下易發生失穩變形。

5 勘查結果綜合分析

通過鉆孔沖洗液法所得資料和鉆孔電視觀測資料相互對比驗證可知，擬建廠區一車間、二車間下方采空區及其覆巖雖經長時間的壓實，但仍存在一定程度的裂隙、離層及松散破碎等不穩定結構，其整個巖體結構處于相對穩定狀態，在施加外部載荷后有可能發生失穩變形，從而給地表建筑物帶來安全隱患［12-13］。綜合樓與水塔區域地下采空區僅有極少部分裂隙發育，壓實性較好，采空區整體結構較為穩定。綜合地質采礦資料與觀測資料對擬建區域各部分裂隙發育深度進行初步確定，如表2 所示。

表2 觀測鉆孔裂隙發育深度統計Table 2 The statistics of fracture development depth m

6 結 論

(1)工程實踐證明，運用鉆孔沖洗液法和鉆孔電視相結合的方法對采空區空洞、裂隙發育特征和導水裂隙帶高度進行探測分析，可以相互驗證，減少或避免采空區探測中存在的“盲區”，提高采空區探測的判讀精度。

(2)采用鉆孔沖洗液法和鉆孔電視對采空區進行探測時，勘察孔位置、密度、深度的確定是前期的關鍵環節，在鉆進過程中要注意鉆進中的異常情況，如掉鉆、卡鉆、沖洗液的變化等，及時記錄鉆進過程中的巖性變化，在綜合分析后利用鉆孔電視加以確認、驗證，才能獲得最佳的檢測效果及檢測精度。

(3)鉆孔沖洗液法+鉆孔電視雖可較準確地對采空區問題進行探測分析，但其也存在一定的局限性，其工程量較大、耗時長、費用高，尤其是在對開采范圍大及地質條件復雜的采空區進行探測時顯得事倍功半，此時應結合地球物理探測方法明確模糊點及關鍵點，然后有的放矢地進行布孔勘察。

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