高河能源W4307工作面F w159逆斷層精細(xì)鉆探技術(shù)研究

劉 瀑

（山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

0 引言

隨著礦井開(kāi)采深部的不斷增加、煤炭賦存條件更趨復(fù)雜，煤炭在開(kāi)采會(huì)受到各類(lèi)地質(zhì)構(gòu)造影響，從而給巷道掘進(jìn)、煤炭回采等造成影響[1-3]。對(duì)煤炭開(kāi)采時(shí)可能遇到的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行精細(xì)化探測(cè)對(duì)可為礦井安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)[4]。現(xiàn)階段礦井常用的地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)手段主要分物探、鉆探2類(lèi)，其中物探以CT成像、三維地震、瞬變電磁、無(wú)線電坑透以及槽波地震等為代表。物探具有探測(cè)范圍廣、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在探測(cè)精度有待提高問(wèn)題[5-7]。為此，文中以高河能源W4307工作面F w159逆斷層探測(cè)為工程背景，在物探技術(shù)上采用鉆探技術(shù)詳細(xì)對(duì)斷層參數(shù)進(jìn)行探測(cè)，以期能在一定程度上指導(dǎo)采面煤炭開(kāi)采。

1 工程概況

高河能源W4307工作面設(shè)計(jì)回采長(zhǎng)度2 304 m，開(kāi)采的3號(hào)煤層厚度平均6.5 m、在距離底板約1.15 m位置有厚度0.18 m的炭質(zhì)泥巖加矸。W4307采面生產(chǎn)采用兩進(jìn)一回通風(fēng)方式，進(jìn)風(fēng)巷、膠帶巷進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)巷回風(fēng)。在進(jìn)、回風(fēng)巷掘進(jìn)期間揭露有F w159逆斷層，膠帶掘進(jìn)期間并未揭露該斷層。

根據(jù)三維地震資料顯示，F(xiàn) w159逆斷層位于W4307工作面,斷層性質(zhì)為逆斷層，切斷3、15號(hào)煤，斷層走向N7°W，傾向N83°E，傾角30°～58°，3、15號(hào)煤層斷層落差0～20 m，延展長(zhǎng)度約1 630 m。根據(jù)電法資料顯示，F(xiàn) w159逆斷層在K2灰?guī)r、奧灰頂界面、奧灰頂界面下50、100 m層位中均為局部富水，在其他主要含水層中均不富水，推斷其在K2-奧灰頂界下100 m層位之間局部導(dǎo)水的可能性較大。

為探明F w159逆斷層在W4307工作面發(fā)育情況、富水性及導(dǎo)水性，需進(jìn)行詳細(xì)鉆探。

2 鉆探設(shè)計(jì)

2.1 鉆孔施工位置

綜合物探以及采面進(jìn)、回風(fēng)巷揭露斷層參數(shù)，在W4307膠帶巷內(nèi)布置探測(cè)鉆孔對(duì)F w159逆斷層進(jìn)行精細(xì)化探測(cè)。整個(gè)探測(cè)過(guò)程共分2次進(jìn)行，第1次鉆探垂直于巷道西幫（1-10號(hào)孔），旨在探明斷層位置及走向（有3個(gè)鉆孔探測(cè)到斷層位置即可確定斷層走向）；第2次鉆探在第1次鉆探探明斷層位置及走向的基礎(chǔ)上，垂直于斷層走向布置（11號(hào)—13-1號(hào)孔），旨在探明該斷層落差。具體第1次、第2次探測(cè)鉆孔布置見(jiàn)圖1、圖2所示。

圖2 探測(cè)鉆孔剖面圖

具體第1次探測(cè)鉆孔主要用以探測(cè)F w159逆斷層走向，布置10個(gè)鉆孔（編號(hào)1-10號(hào)），孔深、方位角、傾角等參數(shù)均一致，進(jìn)布置位置有差異?？咨罹鶠?50 m，傾角及方位角分別為-4°、314°，鉆孔間距10 m，1號(hào)鉆孔位于膠帶巷21點(diǎn)南側(cè)7 m位置。

第2次探測(cè)鉆孔在第1次探測(cè)資料基礎(chǔ)上用以精準(zhǔn)掌握斷層落差，共計(jì)布置6個(gè)鉆孔，鉆孔方位角一致，傾角、位置有所差異，具體鉆孔布置參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 第2次探測(cè)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 鉆孔施工質(zhì)量及安全措施

1）施工鉆機(jī)開(kāi)孔高度與設(shè)計(jì)高度間誤差控制在±50 mm內(nèi)，方位角（傾角）誤差控制在±1°內(nèi)。

2）當(dāng)鉆孔施工過(guò)程中遇到瓦斯異常涌出，頂鉆、卡鉆等問(wèn)題時(shí)，由通防部、地測(cè)部制定相應(yīng)技術(shù)措施后再按措施鉆進(jìn)。

3）鉆孔施工過(guò)程中應(yīng)準(zhǔn)確記錄鉆孔鉆進(jìn)進(jìn)尺與鉆進(jìn)層位間關(guān)系，為后續(xù)確定斷層參數(shù)以及采面過(guò)斷層后煤層層位提供基礎(chǔ)資料。

4）該探測(cè)區(qū)域煤層底板標(biāo)高為510～525 m,附近的奧灰3號(hào)水文孔水位標(biāo)高為630 m,承受奧灰水壓強(qiáng)為1.05～1.20 MPa，為確保安全,依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》相關(guān)規(guī)定，在鉆孔孔口埋設(shè)長(zhǎng)度15 m的止水套管、閥門(mén)，并注漿試壓，壓力要求達(dá)到3 MPa，時(shí)間15 min。試壓完成并達(dá)到要求后，方可鉆進(jìn)。

5）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鉆探情況，地測(cè)部可及時(shí)調(diào)整鉆孔參數(shù),并通知施工隊(duì)組。未經(jīng)地測(cè)部允許，不可擅自更改設(shè)計(jì)。

3 鉆探成果分析

3.1 探測(cè)鉆孔鉆進(jìn)施工

探測(cè)鉆孔在W4307膠帶順槽里程2 027～2 102 m巷道西幫施工，共計(jì)鉆孔24個(gè)，累計(jì)施工3 104 m。部分鉆孔施工參數(shù)及揭露煤巖層情況見(jiàn)表2。

表2 探測(cè)鉆孔施工參數(shù)及揭露煤巖層情況

具體各鉆孔施工情況為：

1號(hào)鉆孔在鉆進(jìn)96 m后見(jiàn)巖，其后至鉆進(jìn)接收均在巖層中鉆進(jìn)；2號(hào)鉆孔鉆進(jìn)122 m后見(jiàn)巖，其后均在巖層中鉆進(jìn)；3-6號(hào)鉆孔鉆進(jìn)至147、126、127、133 m前均在煤層中鉆進(jìn)，后在巖層中鉆進(jìn)。通過(guò)分析鉆孔鉆進(jìn)情況，發(fā)現(xiàn)1-6號(hào)鉆孔均未探測(cè)到F w159逆斷層。

7號(hào)鉆孔在120 m內(nèi)均在煤層中鉆進(jìn)，120～122 m在巖層中鉆進(jìn)，122～150 m在煤層中鉆進(jìn)，預(yù)計(jì)7號(hào)鉆孔揭露F w159逆斷層。為此在7號(hào)鉆孔旁1、5、5.6 m位置分別7-1號(hào)、7-2號(hào)、7-3號(hào)鉆孔，其中7-1號(hào)鉆孔（方位角314°、傾角0°、孔深140m）在120 m以?xún)?nèi)均在煤層中鉆進(jìn)，120～140 m范圍內(nèi)在巖層中鉆進(jìn)；其中7-2號(hào)鉆孔（方位角300°、傾角-4°、孔深70 m）在22 m以?xún)?nèi)均在煤層中鉆進(jìn)，22～70 m范圍內(nèi)在巖層中鉆進(jìn)；其中7-3號(hào)鉆孔（方位角300°、傾角-2°、孔深141 m）在141 m以?xún)?nèi)均在煤層中鉆進(jìn)。

8號(hào)鉆孔實(shí)際鉆進(jìn)深度為69 m，其中25 m以?xún)?nèi)均在煤層中鉆進(jìn)，25～69 m均在巖層中鉆進(jìn)。根據(jù)鉆探結(jié)果顯現(xiàn)8號(hào)孔揭露F w159逆斷層，為此變更鉆探設(shè)計(jì)，在8號(hào)鉆孔旁1.0、2.0、1.4、2.4 m位置分別布置8-1、8-2、8-3、8-4號(hào)鉆孔，其中8-1號(hào)鉆孔（方位角314°、傾角0°、孔深96 m）在55 m以?xún)?nèi)均在煤層中鉆進(jìn)，55～96 m范圍內(nèi)在巖層中鉆進(jìn)；8-2號(hào)鉆孔（方位角300°、傾角3°、孔深96 m）在55 m以?xún)?nèi)均在煤層中鉆進(jìn)，55～96 m范圍內(nèi)在巖層中鉆進(jìn)；8-3號(hào)鉆孔（方位角300°、傾角5°、孔深96 m）在35 m以?xún)?nèi)均在煤層中鉆進(jìn)，35～96 m范圍內(nèi)在巖層中鉆進(jìn)；8-4號(hào)鉆孔（方位角300°、傾角-4°、孔深148.5 m）在51 m以?xún)?nèi)均在煤層中鉆進(jìn)，51～62 m在巖層中鉆進(jìn)，62～148.5 m在煤層中鉆進(jìn)，鉆孔在鉆進(jìn)至148.5 m有水涌出，涌水量在15 m3/h。具體8號(hào)探測(cè)鉆孔揭露斷層剖面圖見(jiàn)圖3。

圖3 8號(hào)探測(cè)鉆孔揭露斷層剖面圖

3.2 探測(cè)成果分析

3.2.1 斷層參數(shù)

本次鉆探中8-4號(hào)孔探測(cè)到F w159斷層面位置，通過(guò)分析，預(yù)計(jì)該斷層在探明位置處傾角51°，落差6.5 m，走向北偏西37°，該斷層局部導(dǎo)水。

W4307進(jìn)風(fēng)順槽里程2 144 m，回風(fēng)順槽里程1 556 m，揭露F w159逆斷層（H=18 m，65°∠51°）。本次探測(cè)于8號(hào)孔位置（8、8-1、8-2、8-3、8-4號(hào)）探測(cè)到F w159逆斷層，該斷層發(fā)育至W4307膠帶順槽里程2 025 m向西50 m處（H=6.5 m，37°∠51°）。

本次探測(cè)僅8-4號(hào)孔出水，初始水量15 m3/h，最大水量30 m3/h，實(shí)測(cè)水壓1.2 MPa。該斷層為區(qū)域階段性導(dǎo)水?dāng)鄬?，在W4307進(jìn)、回風(fēng)側(cè)不導(dǎo)水，但在工作面內(nèi)導(dǎo)水且出水鉆孔水壓較高。

3.2.2 隔水煤柱寬度確定

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》中，關(guān)于含水或者導(dǎo)水?dāng)鄬臃栏羲海◣r）柱的留設(shè)經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：L為煤柱留設(shè)的寬度，m；K為安全系數(shù)，取5；M為采高，取6.88 m；Kp為煤的抗拉強(qiáng)度，取0.394 MPa；P為水頭壓力，取1.2 MPa。

計(jì)算得出煤柱留設(shè)寬度L為52 m，為保證安全，建議留設(shè)60 m的防隔水煤柱。即W4307工作面回風(fēng)順槽里程1 497～1 656 m，膠帶順槽里程1 927～2 086 m范圍內(nèi)受斷層影響，存在突水危險(xiǎn)，為確保采面回采安全，建議該區(qū)域內(nèi)煤層停止回采。

4 結(jié)語(yǔ)

1）進(jìn)風(fēng)順槽里程2 144 m、回風(fēng)順槽里程1 556 m范圍內(nèi)F w159逆斷層參數(shù)為走向N25°W、傾向N65°E、傾角51°、落差18 m；采用鉆探法探測(cè)發(fā)現(xiàn)該斷層發(fā)育至W4307膠帶順槽里程2 025 m向西50 m處斷層參數(shù)為走向N37°W、傾向N53°E、傾角51°、落差6.5 m，且斷層具有導(dǎo)水性。

2）在膠帶20點(diǎn)南45 m位置（膠帶巷里程2 008 m）施工的8-4號(hào)探測(cè)孔初始水量15 m3/h，最大水量30 m3/h，實(shí)測(cè)水壓1.2 MPa。采用理論計(jì)算得出防隔水煤（巖）柱留設(shè)寬度為52 m，為保證安全，建議留設(shè)60 m的防隔水煤柱。并建議W4307工作面回風(fēng)順槽里程1 497～1 656 m，膠帶順槽里程1 927～2 086 m范圍內(nèi)煤層停止回采