煤礦地面區域治理鉆孔對大型斷層探查的應用研究

任松濤

（1.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；2.河北省礦井微震重點實驗室，河北 邢臺 054000，3.河北省礦井物探工程研究中心，河北 邢臺 054000）

1 概 況

目前煤礦對于大型斷層探查方法主要是三維地震勘探和地質勘探孔，三維地震勘探是通過人為爆破，產生地震波，地震波遇巖層界面反射回來被檢波器接收并傳到儀器車，儀器車將檢波器傳來的信號記錄下來，然后通過計算機對接收到的信號進行分析處理，排除干擾和無效信號，得到地震剖面或三維數據體文件，據此得到斷層的邊界以及斷層的產狀。但是由于解釋人員對數據分析理解能力不同以及人的主觀意識影響，做出的剖面和文件有一定的偏差，而且結果都是數據分析所得，沒有具體的實物依據，因此三維地震探查法只能作為粗略探查方法，斷層的具體參數還需要配合其他探查方法。

地質勘探孔探查斷層一般會根據三維地震資料，在地面斷層帶附近有目的的布置鉆孔，地質鉆孔一般會取芯鉆進，對于地層的判斷會比較直觀和準確，是一種比較有效的探查斷層的方法。但地質鉆孔都是直孔，往往需要布置大量的鉆孔才能對斷層做到詳細的探查，工程量和所投入的資金比較大，而且鉆孔布置短缺或者不合理還會造成資料的缺失，對斷層的探查結果造成一定的影響。

近年來地面區域治理技術逐漸成熟，鉆孔可以人為設置進行定向鉆進，可以在一個分支上側鉆施工多個鉆孔。把該項技術運用到斷層探查工程上來，可以布置多個分支孔對斷層進行全方位探查，根據鉆探返出巖粉和隨鉆伽馬儀數據判斷地層的邊界和產狀，鉆進過程中根據是否有漏失判斷該斷層是否導水，對于漏失點還可以進行地面注漿，對斷層進一步治理改造。

2 應用實例

2.1 地面區域治理鉆孔對斷層邊界的探查

2.1.1 設計方案

梧桐莊礦邊界斷層F5 根據建井三維地震勘探資料顯示斷層產狀H=420 m∠65°，由于礦井生產需求，需要在斷層附近布置工作面182411 工作面，因此需要進一步探查該斷層的邊界，計算留設防水煤柱，為工作面的設計布置提供準確的資料。

利用地面區域治理定向鉆孔對該斷層邊界進行探查，設計施工9 個定向分支孔，分支鉆孔水平鉆進層位為奧灰頂面以下25～30 m 鉆進，從斷層下盤揭露斷層，根據巖粉和隨鉆伽馬值變化來確定是否揭露斷層，鉆孔設計進入斷層帶15～50 m，直至確認揭露斷層為止。F5 斷層探查孔平面涉及如圖1 所示。

圖1 F5 斷層探查孔平面設計圖Fig.1 F5 fracture exploration hole plane design

2.1.2 施工情況

設計的9 個分支孔施工過程中均揭露斷層，揭露斷層時返出巖粉巖性不均，但大多數為砂巖，少量夾雜泥巖。隨鉆伽馬值API 在30～60，根據巖性和伽馬值判斷，所有鉆孔均揭露斷層，且能確定揭露斷層位置。揭露斷層時漏失量0.2～0.6 m3/h，說明該斷層在邊界處導水性較差。具體施工情況見表1。

表1 F5 斷層探查孔揭露斷層數據統計Table 1 Fracture data statistics exposed by F5 fracture exploration hole

由于該斷層落差比較大，設計的鉆孔以探查斷層邊界為主，鉆孔確認揭露斷層即可終孔。根據鉆探實時資料進行上圖，繪制鉆孔剖面圖，如圖2所示。

圖2 注18-2-4 孔剖面圖Fig.2 Grouting 18-2-4 hole profile

2.1.3 施工總結

根據設計施工的9 個分支孔的實時數據，判斷該斷層導水性較差，對附近的工作面水害威脅比較小。根據每個孔揭露斷層位置的實際位置計算斷層在2 號煤工程施工平面圖上的位置，繪制了斷層下盤邊界（圖3），為182411 工作面的布置提供了可靠的資料。

圖3 F5 斷層探查孔平面成果Fig.3 F5 fracture exploration hole plane result

2.2 地面區域治理鉆孔對斷層落差的探查

2.2.1 設計目的

梧桐莊礦182806 工作面為八采區南部設計首采工作面，工作面位于F13 斷層上盤，F13 斷層落差30~180 m。182806 回風順槽靠近斷層防水煤柱掘進，由于斷層控制程度較低，斷層走向和傾角的變化有可能造成巷道掘進期間誤揭導水構造，造成突水，因此需提前對F13 發育情況進行探查，核實防水煤柱尺寸。

2.2.2 設計方案

首先施工注13 探2 孔組，由注13 探2、注13探2-1、注13 探2-2 孔組成，其軌跡在近同一剖面內，鉆探剖面穿過F13、F26 斷層帶，目的為探明斷層位置及落差（圖4）。后續施工注13 探1 孔組與上一組孔不同方位，該組孔由注13 探1、注13 探1-1、注13 探1-2 孔組成，其軌跡在近同一剖面內，鉆探剖面穿過F13、F26 斷層帶，目的為探明斷層走向、位置、落差，驗證注13 探2 孔組探查結果，并結合探查資料綜合分析斷層。

圖4 注13 探2 孔組平面布置Fig.4 Grouting 13 exploring 2 hole group plane layout

2.2.3 施工概況

注13 探1 孔組、2 孔組施工成果如圖5、圖6所示。根據注13 探2 孔井組鉆探成果，孔組至少揭露3 條斷層。在鉆遇F13~F26 斷層帶前，分別鉆遇2 條斷層，落差分別為9 m 和11 m。因軌跡難以實現，注13 探2 孔組未能直接揭露F13~F26斷層下盤標志層，結合昱武煤礦地質資料，可基本確定F13~F26 斷層帶落差約為200 m。根據注13探1 孔組鉆探成果，并結合昱武煤礦地質資料分析，鉆孔直接揭露了3 條正斷層，斷距依次為14、40、261 m。

圖5 注13 探2 孔組施工成果剖面圖Fig.5 Grouting 13 exploring 2 hole group construction results profile

圖6 注13 探1 孔組施工成果剖面圖Fig.6 Grouting 13 exploring 1 hole group construction results profile

2.2.4 施工總結

綜上所述綜合梧桐莊煤礦24、26、22 號勘探線資料，注13 探1 孔組、注13 探2 孔組、注19孔和昱武煤礦地質資料分析，認為八采區西側斷層帶為一條北東—南西走向，南東傾向，落差為200~60 m 的正斷層，及一系列相似產狀的次級正斷層（落差40 m 以下） 和拖曳構成的復合階梯狀斷層，并且通過探查基本確定了F13 斷層實際平面位置向西北方向偏移約50 m。F13 斷層探查成果如圖7 所示，圖中深色線為探查后的斷層平面位置，淺色線為原勘探資料分析的位置。

圖7 F13 斷層探查成果平面圖Fig.7 F13 fracture exploration results plane diagram

3 結 語

地面區域治理鉆孔布置靈活方便，可以根據實際需要定向鉆進，鉆取資料比較直觀準確。在梧桐莊礦進行的兩例工程實踐表明，地面區域治理鉆孔可以對大型斷層做到精準的探查，為煤礦采掘工作提供可靠的資料。