區(qū)域治理技術(shù)在礦井陷落柱探查的應(yīng)用

◎ 河北冀中邯峰礦業(yè)有限公司武安郭二莊礦 陳金峰

郭二莊煤礦始建于1946年，是在民辦小煤窯的基礎(chǔ)上經(jīng)過多次技術(shù)改造而逐步發(fā)展起來(lái)的國(guó)有大型煤礦。經(jīng)過多年的開采，井田內(nèi)2#煤資源逐漸枯竭，為了延續(xù)礦井服務(wù)年限，現(xiàn)開采-150m水平以上的9#煤層。目前該區(qū)域9#煤層底板至奧灰強(qiáng)含水層間距23.83m～37.21m，平均28.49m，為相對(duì)隔水層。-150m水平以上的9#煤層奧灰突水系數(shù)在0～0.09MPa/m之間，屬于帶壓開采，受底板奧灰水威脅較大。

結(jié)合礦井現(xiàn)有已知地質(zhì)資料，該區(qū)域內(nèi)陷落柱構(gòu)造較發(fā)育，已知發(fā)育的陷落柱有8個(gè)，均在2#煤開采過程中實(shí)際揭露的，以上陷落柱在9#煤層內(nèi)的發(fā)育范圍均是以2#煤層實(shí)際揭露范圍按照一定的塌陷角度進(jìn)行推測(cè)得出的。陷落柱是一種比較特殊地質(zhì)構(gòu)造，發(fā)育高度和面積大小不同，平面形狀不一，且柱體中心軸復(fù)雜多變，極不規(guī)則，這就導(dǎo)致推測(cè)陷落柱在9#煤層內(nèi)的發(fā)育范圍可能存在較大偏差，對(duì)9#煤的安全開采形成潛在隱患。

因此，查明該區(qū)域內(nèi)陷落柱的發(fā)育位置和范圍并對(duì)其進(jìn)行治理，從而避免巷道和工作面回采過程中誤揭陷落柱而造成突水事故，對(duì)礦井9#煤開采的水害防治工作具有重要意義。

一、利用區(qū)域治理技術(shù)對(duì)陷落柱進(jìn)行探查治理

采用地面定向鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)9#煤開采區(qū)域底板進(jìn)行探查和治理，將奧灰頂部25m～30m含水層段改造為相對(duì)隔水層段，在增加隔水層厚度的同時(shí)，封堵含水層導(dǎo)水通道，加固煤層底板薄弱地段，使突水系數(shù)值明顯降低，達(dá)到安全開采的目的。區(qū)域內(nèi)共設(shè)計(jì)兩個(gè)主孔，分別為注1孔和注2孔，其中注1孔主要對(duì)采區(qū)北翼進(jìn)行探查和治理，共設(shè)計(jì)19個(gè)分支孔，直井段348m，造斜段1212m，水平段14166m，合計(jì)鉆探進(jìn)尺15726m。

注1孔在鉆進(jìn)過程中，采用無(wú)線隨鉆測(cè)井系統(tǒng)對(duì)鉆進(jìn)層位進(jìn)行連續(xù)測(cè)井，形成分支孔自然伽瑪測(cè)井曲線成果，通過綜合分析注1孔各分支孔自然伽瑪測(cè)井曲線特征，結(jié)合巖粉性質(zhì)，對(duì)下組煤采區(qū)北翼的陷1和陷7陷落柱發(fā)育范圍進(jìn)行了調(diào)整，對(duì)隱伏陷落柱發(fā)育范圍進(jìn)行圈定，并進(jìn)行取芯驗(yàn)證，對(duì)陷1，陷2和陷7進(jìn)行治理。

在施工過程中，注1孔1-5分支孔在孔深1190m～1273m處鉆進(jìn)遇陷1陷落柱。通過對(duì)1-5分支孔自然伽瑪測(cè)井曲線分析，與直井奧灰段和水平奧灰段自然伽馬數(shù)據(jù)對(duì)比，1-5分支孔在孔深1243m～1318.56m區(qū)間，自然伽馬數(shù)據(jù)異常升高，分析判斷為陷1陷落柱發(fā)育范圍。

表1 1-5分支孔局部孔深與自然伽馬數(shù)據(jù)對(duì)照表

結(jié)合1-5分支孔鉆時(shí)錄井成果，鉆孔在鉆進(jìn)至1243m～1318.56m區(qū)間時(shí)，進(jìn)度明顯加快，甚至有落鉆趨勢(shì)，且在鉆進(jìn)過程中及時(shí)撈取巖屑樣，以黑色泥巖為主，最高達(dá)70%且見遇鹽酸不反應(yīng)，進(jìn)一步佐證其為陷1陷落柱發(fā)育。

圖1 注1孔1-5分支局部綜合柱狀圖

1-5分支孔在孔深1243m～1318.56m區(qū)間及附近范圍漏失較頻繁，分析為受鉆進(jìn)過程遇陷1陷落柱的影響，共漏失3次，分別為13#、14#和15#漏失點(diǎn)，漏失點(diǎn)總注漿量高達(dá)5068.62t（水泥和粉煤灰），在注漿泵量達(dá)到35L/min以下且孔口注漿壓力達(dá)到5MPa后停止注漿，完成對(duì)陷1陷落柱的治理。

表2 1-5分支孔漏失點(diǎn)及注漿情況表

因注1孔1-5分支孔鉆進(jìn)水垂比已達(dá)3∶1，接近鉆機(jī)鉆進(jìn)最大能力，施工難度加大，1-5分支孔鉆進(jìn)至1318.56m提前終孔。為進(jìn)一步探查陷1陷落柱發(fā)育范圍，并驗(yàn)證注漿治理效果，利用注2孔2-1-1分支孔對(duì)陷1陷落柱進(jìn)行二次探查治理，2-1-1分支和1-5分支相向鉆進(jìn)，延長(zhǎng)2-1-1分支繼續(xù)鉆進(jìn)至1-5分支終孔點(diǎn)坐標(biāo)。

同樣，在施工過程中注1孔1-2-8分支孔在孔深735m處伽馬值明顯增高，分析判斷為鉆進(jìn)過程遇陷7陷落柱，在掃孔過程中有塌孔埋鉆風(fēng)險(xiǎn)，施工進(jìn)度受阻。為加快進(jìn)度，經(jīng)研究決定，暫停施工1-2-8分支孔，施工1-2分支孔對(duì)陷落柱進(jìn)行探查，并在施工過程中增加了1-2-F1和1-2-F2分支，進(jìn)一步對(duì)陷落柱進(jìn)行注漿治理。為控制陷落柱東側(cè)發(fā)育情況，繼續(xù)施工了1-2-3分支和1-2-2分支。

圖2 注1孔1-2-8分支自然伽瑪曲線圖

二、 實(shí)施應(yīng)用效果

根據(jù)1-5分支和2-1-1分支孔施工情況對(duì)陷1陷落柱范圍進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整情況如圖3所示，紅色范圍為根據(jù)2#煤揭露情況推斷的9#煤發(fā)育范圍，黃色為經(jīng)定向鉆孔探查后的發(fā)育位置，可見調(diào)整后的陷1陷落柱的方位和形狀均與推斷的發(fā)育范圍明顯不同。

圖3 陷1陷落柱調(diào)整前后對(duì)比圖

根據(jù)分支孔自然伽瑪曲線特征，結(jié)合鉆進(jìn)巖粉性質(zhì)分析，陷7陷落柱實(shí)際發(fā)育范圍比原推斷的發(fā)育范圍明顯增大，中心位置向西有所偏移，如圖4所示。

圖4 陷7陷落柱發(fā)育位置及范圍前后對(duì)比圖

在綜合分析陷7陷落柱的實(shí)際發(fā)育范圍的基礎(chǔ)上，考慮到區(qū)域東側(cè)附近村莊保護(hù)煤柱和陷7陷落柱防隔水煤柱的留設(shè)，對(duì)注1孔的剩余分支孔設(shè)計(jì)進(jìn)行了調(diào)整。在調(diào)整后的1-2-8（F2、F3、F4）分支孔的鉆進(jìn)過程均出現(xiàn)自然伽瑪射線異常情況，如圖5和圖6所示，其中1-2-8-F4分支在孔深1245.80m進(jìn)行了取芯驗(yàn)證，巖芯為砂巖，有變質(zhì)特征，且滴酸無(wú)氣泡反應(yīng)。根據(jù)分支孔自然伽瑪曲線特征，結(jié)合巖粉性質(zhì)分析，在陷7陷落柱左側(cè)發(fā)現(xiàn)了一隱伏陷落柱，并對(duì)其發(fā)育范圍進(jìn)行了圈定，陷落柱整體呈蝴蝶狀，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度約350m，短軸長(zhǎng)度65m，如圖5 所示。

圖5 注1孔1-2-8-F3分支自然伽瑪曲線圖

圖6 注1孔1-2-8-F4分支自然伽瑪曲線圖

三、結(jié)語(yǔ)

通過區(qū)域治理技術(shù)基本查明了該礦下組煤采區(qū)北翼陷落柱發(fā)育范圍，對(duì)陷落柱的導(dǎo)含水性進(jìn)行了探查并進(jìn)行了注漿治理，降低了隱伏導(dǎo)水構(gòu)造的突水威脅，為今后下組煤地區(qū)的防治水工作和采掘規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了可靠的地質(zhì)資料，同時(shí)也為下組煤采區(qū)其他大型地質(zhì)構(gòu)造探查積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

區(qū)域治理實(shí)踐證明，利用碳酸鹽巖等巖石的自然伽瑪射線差異，分析分支孔自然伽瑪測(cè)井曲線異常區(qū)段，結(jié)合巖粉性質(zhì)和鉆進(jìn)過程取芯驗(yàn)證，能夠綜合判斷出陷落柱的大致發(fā)育范圍，科學(xué)可行，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，具有一定的推廣應(yīng)用前景。不僅為同樣有陷落柱發(fā)育的礦井提供了探查治理經(jīng)驗(yàn)，也為探查其他大型地質(zhì)構(gòu)造提供了一定的技術(shù)依據(jù)。