顧北煤礦巖溶陷落柱-斷層-裂隙屬性再造技術(shù)研究

穆金霞

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邯鄲 056004)

華北型煤田礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦井突水具有破壞性大、突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，受采掘擾動(dòng)及深部導(dǎo)水構(gòu)造探查不準(zhǔn)的影響，常常造成重大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[1-3]。 如2009年1月8日12時(shí)25分，峰峰集團(tuán)九龍礦15423 N工作面在掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生了煤層底板奧灰水突出，最大突水量為120 m3/min，查明突水通道為一隱伏陷落柱[4]。2003年4月12日，東龐礦在2903工作面下巷掘進(jìn)至750 m處時(shí)發(fā)生隱伏陷落柱突水，最大峰值突水量在7 000 m3/h以上[5]。 近幾年，淮南礦區(qū)相鄰礦井多次揭露過(guò)陷落柱，三維地震二次精細(xì)解釋又發(fā)現(xiàn)多個(gè)疑似陷落柱，曾發(fā)生井巷工程臨近陷落柱造成突水淹井事故[6]。2017年5月25日22時(shí)46分，淮南礦業(yè)有限責(zé)任公司潘二煤礦12123工作面底板聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生了煤層底板奧陶系灰?guī)r突水事故，最大突水量14 520 m3/h，造成礦井被淹。通過(guò)三維地震和鉆探驗(yàn)證的手段查明突水構(gòu)造為一隱伏導(dǎo)水陷落柱[7-8]。

隨著礦井采深不斷加大，井下防治水工作的難度及危險(xiǎn)性與安全生產(chǎn)之間的矛盾愈發(fā)突出。為此我國(guó)技術(shù)工作者在總結(jié)多年防治水經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，探索出了一種利用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)探查隱伏構(gòu)造并加以超前注漿治理，對(duì)煤層底板高承壓灰?guī)r含水層進(jìn)行注漿改造的煤礦防治水技術(shù)手段[9-12]，通過(guò)注漿技術(shù)對(duì)深部煤層構(gòu)造屬性進(jìn)行再造，有效改變構(gòu)造活化性和危害性。目前常用的構(gòu)造屬性再造方法有斷層的注漿堵水、水閘墻封堵突水點(diǎn)、陷落柱定向封堵，構(gòu)造屬性按再造形式劃分為單層注漿和雙層注漿兩種再造模式。如顧北煤礦北一1煤層采區(qū)2#陷落柱與一條斷距12 m的無(wú)名斷層共同發(fā)育，通過(guò)順層分支雙層注漿模式對(duì)陷落柱、斷層及裂隙屬性進(jìn)行改造，經(jīng)驗(yàn)證效果良好。

顧北煤礦位于淮南煤田潘謝礦區(qū)西北部，隸屬淮浙煤電有限責(zé)任公司，是國(guó)家以及安徽省重點(diǎn)企業(yè)之一，生產(chǎn)能力為4.0 Mt/a，煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量4 003.9萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量2 330.2萬(wàn)t。2013年7月，顧北煤礦在三維地震二次解釋中發(fā)現(xiàn)了位于北一1煤層采區(qū)的2#疑似巖溶陷落柱，隨后開展地面專項(xiàng)探查，確定了2#疑似陷落柱為2#陷落柱，具有垂向強(qiáng)導(dǎo)水性、水平微弱滲透的特點(diǎn)。為保證1煤層安全開采，按照《煤礦防治水細(xì)則》(煤安監(jiān)調(diào)查〔2018〕14號(hào))[13]及淮南礦業(yè)集團(tuán)相關(guān)文件要求，顧北煤礦于2018年啟動(dòng)北一與中央1煤層采區(qū)開采底板灰?guī)r水害地面區(qū)域探查治理工程，對(duì)2#陷落柱影響區(qū)實(shí)施地面注漿治理，于陷落柱頂端影響區(qū)形成“保護(hù)傘”，隔斷奧陶系灰?guī)r與太原組灰?guī)r間水力聯(lián)系。該工程是針對(duì)井下探查施工安全難以保障、小型陷落柱及構(gòu)造難以探明等難題而采取的一種主動(dòng)防御防治水技術(shù)[14]。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

研究區(qū)為全隱伏煤田，地層自老至新有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、新近系、第四系。含煤地層為二疊系山西組和上石盒子組、下石盒子組，主要可采煤層為山西組1煤層，煤層底板為石炭系太原組灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r[15](圖1)。

圖1 顧北煤礦1煤層底板地層柱狀圖Fig.1 Column graph of coal bottom plate formation of No.1 coal seam in Gubei Coal Mine

1煤層為典型的高水壓薄阻水層。煤層底板主要含水層為太原組C3Ⅰ組灰?guī)r、C3Ⅱ組灰?guī)r、C3Ⅲ組灰?guī)r巖溶裂隙含水層和奧陶系巖溶承壓含水層，主要隔水層為太原組灰?guī)r層間隔水層和本溪組。太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層共含灰?guī)r13層，其中，C3Ⅰ組灰?guī)r含水層富水性弱～中等、C3Ⅱ組灰?guī)r含水層富水性弱、C3Ⅲ組灰?guī)r含水層富水性弱～中等。奧陶系灰?guī)r為巨厚承壓含水層，水頭壓力大，富水性弱～中等。綜上所述，開采過(guò)程中鉆遇隱伏構(gòu)造的情況下，太原組灰?guī)r裂隙水和奧陶系灰?guī)r承壓水對(duì)1煤層開采構(gòu)成一定影響[15]。

2 物探+垂直鉆探探查成果評(píng)價(jià)

2.1 三維地震探查

2013年7月，中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司對(duì)北一1煤層采區(qū)三維地震勘探成果進(jìn)行二次精細(xì)解釋，發(fā)現(xiàn)2#疑似陷落柱。2#疑似陷落柱有典型陷落柱的明顯特征。在剖面上同相軸出現(xiàn)明顯的錯(cuò)斷、下拉，平面上呈現(xiàn)近圓形的特征(圖2)。

圖2 2#疑似陷落柱在十字地震剖面上的反應(yīng)圖Fig.2 Reaction diagram of the 2# suspected fall column on the cross seismic section

2.2 地面專項(xiàng)探查

2014—2015年顧北煤礦實(shí)施了2#疑似陷落柱地面專項(xiàng)探查工程，采用地面垂直鉆探技術(shù)施工8個(gè)鉆孔，探查確定了2#陷落帶頂部發(fā)育在C312灰，基底位于寒灰。此外，還查明了2#陷落帶平面形態(tài)近似橢圓型，長(zhǎng)軸走向?yàn)镹E向，空間形態(tài)為“上小下大”的椎體(圖3)。

圖3 2#陷落柱平面位置示意圖Fig.3 Location plan of 2# fall column

3 區(qū)域超前順層分支探查治理效果評(píng)價(jià)

3.1 區(qū)域超前探查治理技術(shù)方案

1) 主體思想。在2#陷落柱影響區(qū)治理范圍內(nèi)實(shí)施上下探查、雙層注漿治理的模式，上層治理目的層位選擇在太原組C33下灰層位，下層治理目的層位選擇在太原組C39灰對(duì)應(yīng)深度層位，即N8孔組為C39灰及其頂板砂巖層位，N9孔組為C33下灰層位。

2) 分支孔間距選取。通過(guò)巖屑中發(fā)現(xiàn)水泥位置分析注漿擴(kuò)散半徑，設(shè)置40 m布孔間距可滿足要求。

3) 施工順序。N8孔組由陷落柱中心向外側(cè)施工，N9孔組由陷落柱外側(cè)向中心施工，鉆孔施工順序：N8-4孔→N8-3孔→N8-5孔→N8-6孔→N8-2孔→N8-7孔→N8-1孔→N8-8孔→N8主孔(N8-5-11孔)→N8-5-9孔→N8-9孔(N8-5-10孔)→N8-5孔。N9主孔→N9-7孔→N9-1孔→N9-6孔→N9-2孔→N9-5孔→N9-3孔→N9-4孔(圖4)。

圖4 鉆孔施工順序圖Fig.4 Construction sequence diagram of bore drilling

3.2 順層分支探查成果評(píng)價(jià)

1) 綜合錄井。各分支孔施工過(guò)程中，將巖屑錄井、伽馬錄井、鉆時(shí)錄井成果匯總，綜合判定鉆遇地層、構(gòu)造等。根據(jù)綜合錄井成果顯示陷落柱內(nèi)發(fā)育一條落差為12 m的無(wú)名斷層(圖5)。

圖5 綜合錄井對(duì)比圖Fig.5 Comparison diagram of comprehensive recording wells

2) 簡(jiǎn)易水文觀測(cè)。鉆井漏失量監(jiān)控結(jié)果表明：C39灰目的層施工的N8孔組，首次施工N8-4孔的漏失量最大，達(dá)4.56 m3/h，其余孔段的漏失量在0.40～4.56 m3/h之間。先期施工的N8-4孔、N8-3孔、 N8-5孔、 N8-6孔的鉆井液漏失量揭露陷落柱或附近時(shí)最大值分別為4.56 m3/h、1.79 m3/h、2.74 m3/h、2.10 m3/h，是圍巖的鉆井液漏失量的4～10倍；C33下灰目的層施工的N9孔組，首次施工N9孔的漏失量最大，達(dá)到1.75 m3/h，其余孔段的漏失量在0.50～1.75 m3/h之間。 先期施工的N9-7孔、N9-6孔、N9-4孔也有不同程度的漏失，最大漏失量分別達(dá)到了1.55 m3/h、1.46 m3/h、1.69 m3/h(表1)。綜合分析表明2號(hào)陷落柱體內(nèi)巖層破碎，裂隙發(fā)育，已活化。

表1 消耗量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Consumption statistics

3) 鉆進(jìn)。C39灰目的層首個(gè)施工N8-4孔鉆進(jìn)1煤層底板2#陷落柱影響范圍帶開始，漏失量上升至2 m3/h以上，最大漏失量4.56 m3/h。鉆進(jìn)至2#陷落柱影響范圍帶邊緣，孔深1 221.36 m時(shí)，突然發(fā)生沖洗液失返全漏現(xiàn)象，孔口壓力7 MPa。C33下灰目的層施工的N9孔組首個(gè)施工N9主孔的漏失量最大，達(dá)到1.75 m3/h，其余孔段的漏失量在0.50～1.75 m3/h之間。

N8孔組和N9孔組自第二個(gè)分支孔起均開始出現(xiàn)局部孔段涌水現(xiàn)象，自第5個(gè)分支孔開始，所有分支孔全孔段均出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，且隨著施工分支孔數(shù)量增加、注漿量增多，涌水量呈小幅增大趨勢(shì)，但均未超過(guò)3 m3/h，說(shuō)明目的層上下水力聯(lián)系較弱，注漿治理效果明顯，地層裂隙已經(jīng)得到充填。

4) 壓水試驗(yàn)。對(duì)N8孔組進(jìn)行2次分段壓水試驗(yàn)及14次終孔壓水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明N8-4孔、N8-5孔揭露陷落柱。N8-4孔第1次終孔壓水試驗(yàn)壓力為0 MPa，第2次透孔至1 212.00 m(陷落柱邊緣)發(fā)生全漏，N8-5孔終孔壓水試驗(yàn)壓力為0 MPa，其余各孔壓水試驗(yàn)實(shí)測(cè)吸水率介于0.000 7～0.008 3 L/(min·m·m)之間(圖6)，說(shuō)明2#陷落柱影響帶中心區(qū)域巖石極破碎，裂隙極發(fā)育。

圖6 N8孔組注漿前后吸水率對(duì)比圖Fig.6 Comparison of water absorption of the N8 well group before and after grouting

5) 注漿壓力變化。N8孔組治理區(qū)中心孔N8-4孔、N8-5孔注漿前壓力為0 MPa，自陷落柱中心向外側(cè)注漿前起始?jí)毫χ饾u升高至7 MPa(圖7)，由此分析可知陷落柱中心地層相對(duì)破碎、裂隙發(fā)育程度高。

圖7 N8孔組注漿前后孔口壓力對(duì)比圖Fig.7 Comparison diagram of the orifice pressure before and after grouting in the N8 well group

綜上所述，通過(guò)對(duì)綜合錄井、簡(jiǎn)易水文觀測(cè)、壓水試驗(yàn)等資料分析可知，2#陷落柱影響帶橫向?qū)詮?qiáng)，垂向?qū)匀酰l(fā)現(xiàn)2#陷落帶內(nèi)發(fā)育一條落差12 m的無(wú)名斷層。

3.3 屬性再造效果評(píng)價(jià)

1) 注漿結(jié)束評(píng)價(jià)。各分支孔注漿終壓均大于奧灰靜水壓力1.5倍，最大達(dá)到了1.75倍(N8-1孔)，注漿初壓為0～8.9 MPa，注漿終壓為7.7～11.0 MPa。各分支孔注后單位吸水率介于0.000 9～0.001 6 L/(min·m·m)之間，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的0.01 L/(min·m·m)，各分支孔均達(dá)到設(shè)計(jì)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

2) 壓水試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)注后壓水單位吸水率與注前壓水單位吸水率數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析(圖6)，可以看出注后壓水單位吸水率比注前壓水單位吸水率明顯大幅減少，變化幅度最大的是N8-4孔和N8-5孔，注前壓力為0 MPa，注后壓水單位吸水率分別為0.000 5和0.000 6 L/(min·m·m)，其余分支孔(N8-3孔、N8-6孔、N8-1孔、N8-2孔、N8-7孔、N8-9孔)注漿后吸水率也有60%～86%的縮減，說(shuō)明N8孔組注漿治理效果顯著。

3) 串漿分析。C33下灰距C39灰平均間距33 m，上目的層和下目的層鉆孔同步交叉施工，存在鉆注交叉施工的鉆孔有N9-7孔與N8-4孔、N8-6孔與N9-1孔、N8-2孔與N9-6孔、N8-7孔、N8-1孔與N9-2孔；N8-8孔、N8主孔(N8-5-11孔)、N8-5-9孔與N9-5孔等，均未發(fā)生串漿現(xiàn)象，說(shuō)明C33下灰與C39灰之間主要垂向裂隙已經(jīng)被充填或者垂向裂隙不發(fā)育，地層較為完整，上下裂隙聯(lián)通性較差，注漿治理效果得到驗(yàn)證。

4) 吸漿量分析。N8孔組先施工的位于陷落柱影響帶中心的N8-4孔、N8-5孔單位吸漿量分別達(dá)到了24.62 t/m、38.80 t/m，而該孔組最后施工的N8-9孔單位吸漿量只有7.80 t/m；同樣N9孔組先施工的N9主孔、N9-1孔、N9-2孔吸漿量分別達(dá)到了21.70 t/m、53.97 t/m、31.39 t/m，后期施工而且是位于陷落柱影響帶中心的N9-4孔單位吸漿量?jī)H有8.37 t/m，說(shuō)明后期施工的鉆孔很好地驗(yàn)證了前期施工的注漿效果，其治理區(qū)裂隙已得到較好充填。

5) 返出巖屑驗(yàn)證。除前期施工的N8-4孔、N8-7孔、N9主孔、N9-7孔外，其余分支孔均在鉆進(jìn)時(shí)返出巖屑中一直夾雜著大量水泥碎屑，而且鉆進(jìn)速度同比相對(duì)較慢。故水泥漿充填地層裂隙較好，注漿效果得到驗(yàn)證。

6) 驗(yàn)證孔。為了進(jìn)一步對(duì)前期注漿治理效果進(jìn)行驗(yàn)證并鞏固注漿效果，特別對(duì)N8-5孔和N9主孔進(jìn)行透孔復(fù)注兼作驗(yàn)證孔。 透孔后注漿前壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，單位吸水率分別是0.001 3 L/(min·m·m)和0.001 0 L/(min·m·m)，明顯比其余分支孔注前壓水單位吸水率小，說(shuō)明前期注漿治理效果明顯，地層裂隙已得到充填。

綜上所述，2#陷落柱治理區(qū)范圍內(nèi)地層裂隙填充加固較好，達(dá)到注漿治理目的，注漿質(zhì)量合格。

4 結(jié) 論

1) 顧北煤礦巖溶構(gòu)造具有隱伏性、復(fù)雜性，這也決定了其不易探查，特別是小斷層、構(gòu)造裂隙、小陷落柱的精準(zhǔn)探查。本文建立了以三維地震、垂直鉆探技術(shù)、順層分支鉆探技術(shù)為核心的隱伏構(gòu)造探查技術(shù)體系。

2) 注漿治理目的層選擇應(yīng)綜合分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件，2#陷落柱影響區(qū)治理目的層位為上層C33下灰和下層C39灰，實(shí)施上下探查、雙層注漿治理的模式，并提出了構(gòu)造屬性再造的兩種方式，即單層屬性再造和雙層屬性再造。

3) 顧北煤礦采用三維地震、垂直鉆探技術(shù)、順層分支鉆探技術(shù)，探明了疑似陷落柱和伴生斷層，根據(jù)隱伏構(gòu)造復(fù)雜程度，采用順層分支雙層注漿技術(shù)對(duì)陷落柱-斷層-裂隙進(jìn)行改造，經(jīng)檢驗(yàn)效果良好。