基于綜合分析法的疑似封閉不良鉆孔探查

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（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077）

礦井建設(shè)過(guò)程中經(jīng)歷了煤田普查、詳查、精查3個(gè)階段，后期更是進(jìn)行了地質(zhì)、水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探，由此井田范圍內(nèi)存在著大量的鉆孔。由于前期勘探受制于當(dāng)時(shí)施工技術(shù)、工藝及管理水平等因素，致使因年代久遠(yuǎn)缺失工程地質(zhì)資料、未按設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格封孔、孔中遺留鉆具等，造成諸多鉆孔未封孔或封閉不良，抑或無(wú)法判別是否封閉，成為疑似封閉不良鉆孔。這些封閉不良鉆孔成為人為導(dǎo)水通道，當(dāng)煤層開(kāi)采至該區(qū)域揭露或接近封閉不良鉆孔時(shí)，封閉不良鉆孔作為導(dǎo)水通道溝通煤層上下充水含水層，增加了各充水含水層間的水力聯(lián)系，煤層擾動(dòng)裂隙疊加封閉不良鉆孔，致使含水層水涌入井下，使得礦井涌水量增大或造成水害事故，且其水害隱患往往具有突發(fā)性、隱蔽性，封閉不良鉆孔穿孔層位的不同造成不同的導(dǎo)水危險(xiǎn)性[1-2]。

在巷道或回采工作面揭露或接近疑似封閉不良鉆孔過(guò)程中，如何對(duì)疑似封閉不良鉆孔進(jìn)行超前探查處理，成為井下水害防治的難點(diǎn)。當(dāng)前往往在井下對(duì)疑似封閉不良鉆孔進(jìn)行物探、鉆探，綜合評(píng)估其封閉性及危險(xiǎn)性[3-13]。為此，以老公營(yíng)子煤礦73159疑似封閉不良鉆孔為研究對(duì)象，在疑似封閉不良鉆孔附近施工探查鉆孔，開(kāi)展抽水試驗(yàn)、示蹤試驗(yàn)，根據(jù)地下水流場(chǎng)變化特征及示蹤試驗(yàn)成果綜合分析該疑似封閉不良鉆孔是否作為導(dǎo)水通道。

1 研究區(qū)基本情況

1.1 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

老公營(yíng)子煤礦位于赤峰市元寶山區(qū)，礦井位于元寶山煤田中部。侏羅系上統(tǒng)阜新組為其主要含煤地層，該阜新組地層總厚度520～600 m。阜新組上層段以灰、灰白色粉砂巖為主，夾薄層灰白色細(xì)砂巖、中砂巖和粗砂巖，含1～5煤組，以3、4、5煤組最發(fā)育；阜新組下層段以灰白色細(xì)-中粒砂巖為主，夾粗砂巖和薄層泥巖，含6、7、8 3個(gè)煤組，以6煤組最發(fā)育。3、4、5、6煤組是礦井主要可采煤組，當(dāng)前開(kāi)采5煤。礦井地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)為一單斜，地層走向近南北、傾向東，傾角8°～15°，礦區(qū)內(nèi)地層沿走向、傾向產(chǎn)狀變化不大。

老公營(yíng)子煤礦區(qū)域水文地質(zhì)單元屬英金河沖積平原，第四系地層普遍發(fā)育。5煤上覆含隔水層空間位置關(guān)系示意圖如圖1。主要有第四系含水層、白堊系含水層、侏羅系3煤以上承壓含水層、侏羅系3～5煤間承壓含水層，其中第四系及白堊系含水層富水性相對(duì)較好。第四系含水層主要由圓礫、砂礫、泥砂質(zhì)礫石、玄武巖構(gòu)成，單位涌水量約為22.92～153.75 L/（s·m）；白堊系含水層則主要由灰-灰綠色礫巖構(gòu)成，一般厚度13.00～373.10 m，單位涌水量約為0.661 5 L/（s·m），滲透系數(shù)約0.754 3 m/d。

圖1 5煤上覆含隔水層空間位置關(guān)系示意圖Fig.1 Schematic diagram of the spatial relation of aquifer or impermeable strata overlying 5#coal seam

1.2 采空區(qū)基本概況

老公營(yíng)子煤礦南側(cè)邊界存在建昌營(yíng)煤礦越界采空區(qū)，建昌營(yíng)煤礦5煤越界采空區(qū)示意圖如圖2。5煤越界采空區(qū)位于建昌營(yíng)煤礦東側(cè)，與老公營(yíng)子煤礦I15（6）3工作面鄰近。越界采空區(qū)區(qū)域采用房柱式開(kāi)采，越界區(qū)域開(kāi)采標(biāo)高約為+210～+268 m水平，積水標(biāo)高約為+255～+210 m水平，圖2中建昌營(yíng)煤礦水倉(cāng)以西開(kāi)采標(biāo)高相對(duì)較低，其越界采空區(qū)與建昌營(yíng)煤礦邊界處開(kāi)采標(biāo)高相對(duì)較高，從開(kāi)采標(biāo)高可以判別出越界區(qū)域采空區(qū)積水區(qū)較建昌營(yíng)煤礦相對(duì)獨(dú)立。疑似封閉不良鉆孔73159位于越界采空區(qū)范圍內(nèi)。

圖2 建昌營(yíng)5煤越界采空區(qū)示意圖（單位：m）Fig.2 Schematic diagram of 5#coal seam goaf crossing the boundary of Jianchangying Mine

2018年，老公營(yíng)子煤礦I15（6）3工作面掘進(jìn)至切眼區(qū)域?qū)︵徑浇绮煽諈^(qū)進(jìn)行探放水，探放水鉆孔溝通越界采空區(qū)，使得采空區(qū)水涌入工作面，多年來(lái)越界采空區(qū)探放水鉆孔涌水一直穩(wěn)定在約130 m3/h?？紤]到該區(qū)域煤系基巖裂隙含水層，其富水性弱，且越界采空區(qū)積水相對(duì)獨(dú)立，由此質(zhì)疑是否由封閉不良鉆孔73159溝通了上覆第四系含水層，進(jìn)而補(bǔ)給越界采空區(qū)，使得采空區(qū)探放水鉆孔涌水量相對(duì)穩(wěn)定。

2 疑似封閉不良鉆孔鉆探探查

2.1 布孔方式

通過(guò)對(duì)第四系含水層開(kāi)展抽水試驗(yàn)獲取地下水流場(chǎng)，旨在根據(jù)73159鉆孔附近的地下水流場(chǎng)差異性，分析73159鉆孔是否構(gòu)成導(dǎo)水通道。在73159鉆孔旁邊布置1個(gè)鉆孔，相距約1 m，即S2鉆孔，作為觀測(cè)孔監(jiān)測(cè)該處第四系含水層水位；在73159鉆孔兩側(cè)布置鉆孔，以此根據(jù)地下水流場(chǎng)判別73159鉆孔周邊是否為降落漏斗中心。

該區(qū)潛水地下徑流由西北向東南方向排泄，越界區(qū)域第四系含水層水位標(biāo)高等值線圖如圖3。4個(gè)探查鉆孔布置大體沿等水位線方向布置，垂直于地下水流向，相鄰鉆孔布置間距約23～27 m。

圖3 越界區(qū)域第四系含水層水位標(biāo)高等值線圖Fig.3 Contour map of water level elevation of Quaternary aquifer in goaf crossing the boundary

2.2 鉆探成果

鉆孔鉆進(jìn)穿透第四系底界進(jìn)入土層約2 m終孔，鉆孔依次揭露砂質(zhì)黏土層、砂礫石層、玄武巖、土層，孔深約61.3～70 m，其中砂礫石層厚度約28.1～34.2 m，玄武巖厚度約23.4～28 m，玄武巖底部為黏土層，具有良好的隔水性。玄武巖呈灰綠、淺灰色，斑狀結(jié)構(gòu)，見(jiàn)氣孔構(gòu)造，節(jié)理多，強(qiáng)度較高。S2鉆孔柱狀示意圖如圖4。

圖4 S2鉆孔柱狀示意圖Fig.4 Schematic diagram of S2 drilling columnar

2.3 地下水流場(chǎng)

選取S4鉆孔定流量穩(wěn)定流（似穩(wěn)定）抽水試驗(yàn)，S1、S2和S3號(hào)鉆孔進(jìn)行水位同步觀測(cè)。S3、S2、S1鉆孔與S4鉆孔相距分別為22.8、43.7、68.4 m。

S4鉆孔以抽水量51.4 m3/h進(jìn)行抽水，其水位穩(wěn)定后降深約1.9 m。S3、S2、S1鉆孔水位降深分別為0.52、0.37、0.17 m，觀測(cè)孔水位降深呈現(xiàn)出隨著與抽水孔S4距離的增加而變小的自然降深趨勢(shì)。抽水試驗(yàn)水位統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1。

表1 抽水試驗(yàn)水位統(tǒng)計(jì)表Table 1 Table of pumping test water level

S4鉆孔以抽水量51.4 m3/h進(jìn)行抽水，S4鉆孔中水位降深達(dá)到1.9 m。井下采空區(qū)涌水量穩(wěn)定在130 m3/h，若73159鉆孔為導(dǎo)水通道致使第四系含水層水涌入井下130 m3/h保持穩(wěn)定，則自然狀態(tài)下S2鉆孔水位降深應(yīng)明顯大于0.37 m，水位降深接近于1.9 m，或者大于1.9 m。若73159鉆孔為導(dǎo)水通道致使第四系含水層水涌入井下，在S4鉆孔抽水的疊加影響下，S2鉆孔水位降深應(yīng)明顯大于1.9 m。在抽水試驗(yàn)過(guò)程中，與73159疑似封閉不良鉆孔相鄰僅1 m的S2鉆孔，S2鉆孔觀測(cè)水位降深約0.37 m，并未呈現(xiàn)出與周邊鉆孔區(qū)別較大的水位降深，該位置未出現(xiàn)明顯的降落漏洞，表明第四系含水層水在此處無(wú)大幅度滲漏，可判斷該73159疑似封閉不良鉆孔未形成滲漏通道致使第四系含水層水補(bǔ)給下伏含水層而涌入井下，初步可排除該封閉不良鉆孔。抽水試驗(yàn)鉆孔水位降落漏斗示意圖如圖5。

圖5 抽水試驗(yàn)鉆孔水位降落漏斗示意圖Fig.5 Schematic diagram of water level drop funnel in pumping test

3 示蹤試驗(yàn)

利用S2鉆孔通過(guò)水化學(xué)示蹤試驗(yàn)方法確定第四系含水層水與越界采空區(qū)水水力聯(lián)系，判斷73159鉆孔是否為封閉不良鉆孔作為導(dǎo)水通道，使得第四系含水層水涌入越界采空區(qū)。

3.1 示蹤劑選擇

示蹤試驗(yàn)開(kāi)展前按照水質(zhì)檢測(cè)要求在井下越界采空區(qū)探放水鉆孔涌水點(diǎn)及地面S4抽水孔取水樣，對(duì)水樣進(jìn)行水質(zhì)全分析測(cè)試，探放水鉆孔涌水點(diǎn)及S4抽水孔第四系含水層水水質(zhì)全分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 井下越界采空區(qū)探放水鉆孔涌水點(diǎn)及S4抽水孔第四系含水層水水質(zhì)全分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of water quality analysis results of dewatering of goaf and Quaternary aquifer of S4 borehole

由表2可以看出，井下越界采空區(qū)探放水鉆孔涌水、第四系含水層水中Na+含量分別為301.05、63.23 mg/L，Na+含量相差較大；兩者礦化度分別為1 175.36、896.73 mg/L，亦存在一定差異。從Na+及礦化度指標(biāo)來(lái)看，井下越界采空區(qū)水中Na+及礦化度偏高，越界采空區(qū)水與第四系含水層水有明顯區(qū)別。

井下越界采空區(qū)探放水鉆孔涌水點(diǎn)與第四系含水層水樣中碘離子濃度均為最低檢測(cè)值（0.02 mg/L），水樣中碘離子含量低，當(dāng)人為投放少量的碘離子試劑，即可造成很大的檢出峰值，能夠以碘離子濃度作為特征值判斷地下水流特征，且碘離子不會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生污染，因此選碘化鉀作為示蹤劑[14-16]。

3.2 示蹤試驗(yàn)

將50 kg碘化鉀攪拌溶解在2 m3清水中，隨后將碘化鉀溶液注入鄰近73159疑似封閉不良鉆孔的S2鉆孔中，并另注入2 m3清水于S2鉆孔。投入碘化鉀示蹤劑后，在井下5（5）2工作面、5（6）3工作面探放水鉆孔涌水點(diǎn)分別按照規(guī)范要求取水樣，每天各取3組水樣。

示蹤試驗(yàn)過(guò)程中，歷時(shí)1個(gè)月在5（5）2、5（6）3工作面涌水點(diǎn)共采取160個(gè)水樣，采用主要用于痕量及超痕量多元素分析與同位素比值分析的電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP－MS）進(jìn)行碘離子濃度測(cè)試。按照ICP－MS特有的檢測(cè)方法，配置一系列濃度梯度的標(biāo)準(zhǔn)溶液利用檢測(cè)儀器制成標(biāo)準(zhǔn)曲線，水樣檢測(cè)則利用該標(biāo)準(zhǔn)曲線代入計(jì)算相應(yīng)的碘離子濃度值，由此計(jì)算出5（5）2工作面、5（6）3工作面涌水點(diǎn)碘離子濃度。5（5）2工作面和5（6）3工作面涌水點(diǎn)碘離子濃度歷時(shí)曲線圖如圖6。

圖6 5（5）2工作面、5（6）3工作面涌水點(diǎn)碘離子濃度歷時(shí)曲線圖Fig.6 Schematic diagram of iodide concentration in 5（5）2 working face and 5（6）3 working face

由圖6可以看出，5（5）2工作面、5（6）3工作面涌水點(diǎn)水樣中碘離子濃度分別為（6.19～10.16）×10-9、（6.75～9.86）×10-9，碘離子濃度極其微小，說(shuō)明自S2鉆孔投入至第四系含水層中的碘離子未滲漏至越界采空區(qū)，73159鉆孔未構(gòu)成導(dǎo)水通道將第四系含水層水與采空區(qū)相連通。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）首先在73159鉆孔周邊施工探查鉆孔，利用第四系含水層抽水試驗(yàn)過(guò)程中地下水流場(chǎng)變化特征，分析封閉不良鉆孔周邊第四系含水層是否出現(xiàn)明顯的降落漏斗；其次，在疑似封閉不良鉆孔附近鉆孔投入碘化鉀示蹤劑，開(kāi)展示蹤試驗(yàn)測(cè)試井下出水點(diǎn)水質(zhì)特征。

2）抽水試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)孔水位降深呈現(xiàn)出隨著與抽水孔S4距離的增加而變小的自然降深趨勢(shì)。緊鄰73159疑似封閉不良鉆孔的S2鉆孔未出現(xiàn)明顯的降落漏洞，可判斷該73159疑似封閉不良鉆孔未形成滲漏通道致使第四系含水層水大幅滲漏至越界采空區(qū)。

3）探放水鉆孔涌水點(diǎn)與S4鉆孔水樣水質(zhì)全分析揭示Na+及礦化度區(qū)別較大，且示蹤試驗(yàn)采取的探放水鉆孔涌水點(diǎn)水樣中碘離子含量極其微小，表明73159疑似封閉不良鉆孔未構(gòu)成導(dǎo)水通道使第四系含水層水涌入越界采空區(qū)。