多種勘探手段排查巖溶陷落柱的突水性

孫立新，趙長(zhǎng)征

(山東省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，山東泰安，271000)

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多種勘探手段排查巖溶陷落柱的突水性

孫立新，趙長(zhǎng)征

(山東省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，山東泰安，271000)

為查明煤礦采區(qū)內(nèi)疑似巖溶陷落柱是否存在突水的威脅，選用了三維地震法、電法、地質(zhì)鉆探、孔內(nèi)測(cè)井和抽水試驗(yàn)等多種勘探及試驗(yàn)手段進(jìn)行了探查分析。使用三維地震勘探疊前偏移處理技術(shù)分析了陷落柱的構(gòu)造空間展布規(guī)模；電法勘探解釋了陷落柱影響區(qū)域內(nèi)各充水含水層的富水性及其水力聯(lián)系；孔內(nèi)簡(jiǎn)易水文觀測(cè)及抽水試驗(yàn)揭示了賦水區(qū)的充水強(qiáng)度；鉆探和地球物理測(cè)井技術(shù)揭露了陷落柱影響區(qū)內(nèi)的巖層分布規(guī)律及巖石結(jié)構(gòu)的完整性。探查結(jié)果表明，陷落柱范圍內(nèi)各含水層處富水性弱，通過(guò)陷落柱難以構(gòu)成煤層與各含水層之間的水力聯(lián)系，排除了通過(guò)巖溶陷落柱突水的可能。

煤礦；巖溶陷落柱；含水層；突水

0 引言

巖溶陷落柱是煤礦開采中常見的主要突水構(gòu)造之一，是北方開采石炭二疊系煤層的一種特殊塌陷構(gòu)造[1]因其具有隱蔽性，突發(fā)性的特點(diǎn)，當(dāng)與含水層之間有較強(qiáng)的溝通能力時(shí)，對(duì)煤層開采的危害極大。1984年6月2日開灤范各莊礦2171工作面曾因巖溶陷落柱突水造成4個(gè)礦井被淹，數(shù)億元的經(jīng)濟(jì)損失。因此對(duì)隱伏的巖溶陷落柱的突水性研究非常重要。尹尚先、武強(qiáng)建立了煤層底板陷落柱突水模型，彭繼超、李繼君等對(duì)巖溶陷落柱的分布規(guī)律、突水成因及突水特征進(jìn)行了分析研究[1-10]。李繼君、張乃宏等把物探手段應(yīng)用在了對(duì)突水巖溶陷落柱的探查上[4,11]。

龍固煤礦設(shè)計(jì)能力為6.0Mt/a，主采3(3上)煤層。其頂?shù)装逯苯映渌畬訛?砂含水層，屬富水性弱的裂隙承壓含水層，下伏的三灰和奧灰均為強(qiáng)含水層。當(dāng)有較大地質(zhì)構(gòu)造溝通兩個(gè)含水層時(shí)，有突水威脅。根據(jù)三維地震勘探資料，在八采區(qū)南部、鐵路煤柱線附近、設(shè)計(jì)邊界下山掘進(jìn)方向發(fā)育一個(gè)疑似陷落柱的地質(zhì)異常體。采用了多種勘探手段，查明了該陷落柱的分布規(guī)律和導(dǎo)水能力，排除了其導(dǎo)水的可能，為-950m水平邊界下山安全掘進(jìn)提供了安全依據(jù)。

單一勘探手段難以獲得疑似陷落柱準(zhǔn)確的水文地質(zhì)資料，只有采用多種勘探手段結(jié)合，才能達(dá)到互相印證，互為補(bǔ)充的目的。本次勘探采用了三維地震勘探、電法勘探、鉆探和地球物理測(cè)井等方法，三維地震勘探用來(lái)探查疑似陷落柱的地質(zhì)構(gòu)造情況，電法勘探用來(lái)探查疑似陷落柱影響范圍內(nèi)各含水層的富水性及其水力聯(lián)系，鉆探和地球物理測(cè)井能夠直觀地采集探查孔內(nèi)巖石性質(zhì)、地層層序，地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等數(shù)據(jù)資料。

1 現(xiàn)場(chǎng)勘探結(jié)果

1.1 三維地震勘探及解釋

本次三維地震勘探在測(cè)區(qū)中南部(黃堂向斜的中部、鐵路煤柱線附近、設(shè)計(jì)邊界下山掘進(jìn)方向)發(fā)現(xiàn)1個(gè)疑似陷落柱地質(zhì)異常區(qū)，走向北西，長(zhǎng)軸約為296m，短軸約為148m，在3煤層附近平面面積約0.042km2。根據(jù)地震資料反映認(rèn)為可能是整體小幅度陷落形式的陷落柱異常，陷落柱內(nèi)部煤層形態(tài)沒有發(fā)生明顯異常變化。但3煤層反射波主要表現(xiàn)為扭曲、錯(cuò)動(dòng)、能量稍弱，如圖1～圖3所示。從構(gòu)造形態(tài)上分析，該疑似陷落柱位于黃堂向斜的軸部，并有F66穿過(guò)該疑似陷落柱，位于構(gòu)造上應(yīng)力比較集中，裂隙較發(fā)育部位，易于形成陷落柱。

從陷落柱時(shí)間剖面上可以看出：該疑似陷落柱在地震上的特征表現(xiàn)為北部及西北部地震反射波扭曲較多，反映3煤層斷距較大，巖層較破碎，小塊較多；南部及東南部3煤層反射波相對(duì)扭曲較少，3煤層斷距較小，反映巖層破碎程度較輕。

圖1 疑似陷落柱三維數(shù)據(jù)體平面位置圖Figure 1 Suspected subsided column 3D data volume planimetric position

圖2 疑似陷落柱1線(左)、2線(中)、3線(右)剖面圖Figure 2 Suspected subsided column line 1 (left), line 2 (middle) and line 3 (right) sections

圖3 疑似陷落柱在地震時(shí)間剖面上的反映Figure 3 Reflection of suspected subsided column on seismic time section

2.2 電法勘探及解釋

采用可控源音頻大地電磁(CSAMT)圈定了疑似陷落柱影響區(qū)“3砂”、三灰和奧灰含水層上部100m的富水區(qū)域。從電法斷面和切片圖可以看出該疑似陷落柱西北部電阻率呈低阻異常特征，推斷區(qū)域裂隙發(fā)育，巖石較破碎，富水性較強(qiáng)；東南部電阻率值相對(duì)較高，推斷該區(qū)域破碎程度相對(duì)較低或膠結(jié)性較好，富水性較弱?？v向上測(cè)區(qū)北部L1625～L1725線中部區(qū)域電阻率均相對(duì)較低，推斷陷落柱柱面附近節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖石破碎，推斷陷落柱北部的中部區(qū)域各含水層縱向水力聯(lián)系較密切。如圖4、圖5所示。

2.3 探查孔施工結(jié)果

地面探查孔設(shè)計(jì)在疑似巖溶陷落柱地質(zhì)異常區(qū)域，位置如圖5中所示。自新近系底界面以上50m即577.68m到終孔(深度1358.8m)全取心，取心段長(zhǎng)度781.12m。結(jié)果如下：

圖4 視電阻率擬斷面圖Figure 4 Apparent resistivity pseudosection

圖5 疑似陷落柱在4個(gè)巖層底板順層切片圖Figure 5 Bedding slices of suspected subsided column on 4 rock bed floors

①基巖風(fēng)化帶厚度異常增大。根據(jù)礦井勘探(精查)地質(zhì)報(bào)告、建井地質(zhì)報(bào)告、補(bǔ)充勘探報(bào)告等結(jié)果顯示，基巖風(fēng)氧化帶深度為3.25～32.48m，平均厚度13.98m；但探查孔揭露基巖風(fēng)化帶厚度為62.60m，巖性以砂巖為主，裂隙發(fā)育，裂隙面呈褐紅色，說(shuō)明本孔基巖風(fēng)化帶附近巖石破碎、地下水徑流條件較好。

②巖石破碎段數(shù)量較多。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，新生界以下至3煤層以上有9處明顯巖心破碎，累計(jì)破碎長(zhǎng)度約180m，巖性以泥巖、粉砂巖為主。3煤層以下灰?guī)r及奧灰中也有多處巖石破碎，奧灰中累計(jì)巖心破碎厚度約25m，占奧灰揭露巖心厚度的1/4。

③鉆孔內(nèi)沖洗液漏失量少。2處全泵量鉆井液漏失段，即728m處和1279m處。728m處為上統(tǒng)上石盒子組粗砂巖，巖心破碎；孔深1279m處為奧灰，盡管井田內(nèi)以往揭露奧灰的鉆孔數(shù)量較少，且沒有鉆井液嚴(yán)重漏失的鉆孔。

2.4 地球物理測(cè)井

采用PSJ-2型測(cè)井儀在探查孔內(nèi)進(jìn)行了數(shù)字測(cè)井。分別在下入φ180mm套管前、“3砂”抽水試驗(yàn)前、揭露奧灰后、終孔前共進(jìn)行了4次地球物理測(cè)井，測(cè)井結(jié)果與附近勘探鉆孔對(duì)比分析，未發(fā)現(xiàn)煤層、標(biāo)志層的明顯缺失或?qū)娱g距明顯異常的現(xiàn)象，但發(fā)現(xiàn)多處破碎地層。

2.5 簡(jiǎn)易水文觀測(cè)

探查孔施工全過(guò)程均按規(guī)范和設(shè)計(jì)要求對(duì)回次水位和鉆井液消耗量進(jìn)行了觀測(cè)。結(jié)果為：孔深685.40m石盒子組中砂巖處消耗量為0.5m3/h；孔深728m石盒子組粗砂巖處消耗量12m3/h，觀測(cè)近似穩(wěn)定水位為150.20m；1279m奧灰處消耗量12m3/h，孔內(nèi)(混合)近似穩(wěn)定水位為200.5m。

2.6 抽水試驗(yàn)

(1)“3砂”抽水試驗(yàn)。抽水前孔內(nèi)下入φ180mm套管深度660m，隔離第四系新近系及基巖風(fēng)化帶。孔內(nèi)下入φ127/95mm抽水套管隔離939.20m以上地層。對(duì)3煤層頂?shù)装迳皫r及3煤層開采后的可能冒裂帶范圍即939.20～1068.35m段進(jìn)行了一次抽水試驗(yàn)。結(jié)果一抽即干，按規(guī)程觀測(cè)72h后觀測(cè)恢復(fù)水位為162.05m(但仍緩慢下降，每小時(shí)的下降幅度為0.4m)。

(2)奧灰抽水試驗(yàn)。探查孔奧灰頂界面深度1258.10m，下入φ127/95mm抽水套管隔離1259.7m以上地層。對(duì)奧灰進(jìn)行了一次單降深抽水試驗(yàn)，動(dòng)水位126.15m，水量2.98m3/h，水溫36℃，恢復(fù)水位32.26m，降深93.89m，單位涌水量0.008819l/s.m，為富水性弱的巖溶裂隙承壓含水層。

結(jié)論：通過(guò)抽水試驗(yàn)查明，3砂與奧灰的水位差別明顯，且3砂、奧灰的富水性均不強(qiáng)，也揭示了3砂與奧灰沒有明顯的水力聯(lián)系。

3 結(jié)論

(1)多種勘探方法證明了疑似陷落柱的存在，但該陷落柱膠結(jié)性較好，富水性弱。

(2)采用多種勘探手段可以對(duì)地質(zhì)構(gòu)造，含水層富水性及水力聯(lián)系進(jìn)行全面的探查分析，綜合分析結(jié)果比較準(zhǔn)確，可信度高。

(3)因地面鉆孔施工成本高，工期長(zhǎng)，難度大，只布設(shè)了一個(gè)探查孔，數(shù)量較少。

(4)盡管本次勘探排除了通過(guò)疑似巖溶陷落柱導(dǎo)水的可能，但在掘進(jìn)過(guò)程中仍要嚴(yán)格按照煤礦防治水規(guī)定搞好預(yù)防工作。

[1]尹尚先,武強(qiáng).煤層底板陷落柱突水模型及機(jī)理分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004,23(15): 2551-2556.

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[5]吳文金.巖溶陷落柱充填特征與堵導(dǎo)水分析[J].北京工業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006,5(2):106-109.

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Karstic Subsided Column Water Bursting Property Examination through Multiple Prospecting Means

Sun Lixin, Zhao Changzheng

(Geophysical Prospecting and Surveying Team, Shandong Bureau of Coal Geological Exploration, Taian, Shandong 271000)

To identify whether the suspected karstic subsided column would cause water bursting threat in coalmine winning district, multiple prospecting means including 3D seismic, electric prospecting, geological drilling, well logging and pumping test have been used to carry out examination and analysis. Through 3D seismic prospecting prestack migration processing analyzed subsided column spatial extending; electric prospecting interpreted subsided column impacting area water filling aquifer water yield property and hydraulic connection; borehole hasty hydrogeological observation and pumping test revealed water hosting area water filling intensity; drilling and geophysical well logging revealed subsided column impacting area strata distribution pattern and rock structure integrity. The prospected results have shown that aquifers in subsided column area have weak water yield property, through subsided column is hard to bring about hydraulic connections among coal seams and aquifers, thus have excluded possibility of water bursting through karstic subsided column.

coal mine；karst collapse breccia pipe；aquifer；geophysical prospecting；drilling；pumping test；water inrush

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.05.15

1674-1803(2017)05-0075-04

孫立新(1966-)，女，地質(zhì)高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事地球物理勘探施工技術(shù)的研究工作。

2017-02-19

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

責(zé)任編輯：孫常長(zhǎng)