煤層底板導(dǎo)水通道鉆孔超前探查與多元信息識(shí)別技術(shù)

董書寧 ，李 智 ，鄭士田 ，郭小銘 ，王宇航

（1.煤炭科學(xué)研究總院, 北京 100013；2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司, 陜西 西安 710077；3.陜西省煤礦水害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710077）

0 引 言

煤炭作為我國(guó)的主體能源，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有舉足輕重的作用。經(jīng)過幾十年來的持續(xù)開發(fā)，我國(guó)中東部地區(qū)淺部煤炭資源逐步枯竭，已經(jīng)進(jìn)入了下組煤開采階段[1]，且采掘深度以8～12 m/a 的速度延伸[2]，下組煤開采過程中受到煤層底板灰?guī)r含水層的突水威脅不斷加大[3-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)華北地區(qū)20%的煤炭資源受底板巖溶水的威脅，部分老礦區(qū)受底板突水威脅的煤炭資源甚至高達(dá)50%～85%[5-6]。煤層底板廣泛發(fā)育有巖溶裂隙帶、斷層和陷落柱等導(dǎo)水通道[7-9]，隨著礦井開采深度和開采規(guī)模的不斷加大，開采過程中煤層底板處于“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境[10]，陷落柱、斷層或巖溶裂隙帶等導(dǎo)水通道在釆動(dòng)影響下，極易與下伏奧灰強(qiáng)富水充水含水層連通，發(fā)生嚴(yán)重突水淹井事故，甚至造成人員傷亡[11-12]。

導(dǎo)水通道導(dǎo)致的突水具有隱蔽性、突發(fā)性和破壞性強(qiáng)的特點(diǎn)[13]，圍繞煤層底板突水機(jī)理與導(dǎo)水通道探查治理，相關(guān)學(xué)者做了大量的研究[14-17]。董書寧等[18]綜合考慮華北型煤田煤層埋深、底板承受水壓與底板巖層結(jié)構(gòu)組合等判識(shí)指標(biāo)，確定了底板水害治理模式的選擇準(zhǔn)則。趙慶彪[19]在對(duì)邯邢礦區(qū)下組煤開采受奧灰水威脅的基礎(chǔ)上，指出隱伏構(gòu)造的隱蔽性和難以探知性是導(dǎo)致底板突水的根本原因，提出通過近水平鉆孔探查隱伏構(gòu)造，并根據(jù)漿液的漏失量判斷隱伏構(gòu)造的位置，但并沒有總結(jié)出定向鉆進(jìn)探查導(dǎo)水通道需遵循的原則。趙家巍等[20]從開釆擾動(dòng)、隱伏構(gòu)造、承壓水作用角度分析，根據(jù)典型突水礦井地質(zhì)條件及突水原因分析，建立了含隱伏導(dǎo)水通道的概化力學(xué)模型，進(jìn)而推導(dǎo)出煤層底板滲流路徑的擴(kuò)展規(guī)律。董書寧等[21]從宏觀上構(gòu)建煤層底板水害超前區(qū)域治理理論框架與技術(shù)體系，針對(duì)隱伏導(dǎo)水通道提出了判識(shí)指標(biāo)和判識(shí)方法，但未對(duì)各定性指標(biāo)鉆遇不同導(dǎo)水通道時(shí)的變化進(jìn)行詳細(xì)描述，沒有進(jìn)一步利用定量指標(biāo)的變化提出導(dǎo)水通道導(dǎo)水性大小的分級(jí)體系。鄭士田[22]在潘集二礦導(dǎo)水通道重大突水事故中利用地面定向鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)突水點(diǎn)快速探查，準(zhǔn)確查明了陷落柱形態(tài)并成功封堵導(dǎo)水通道。王進(jìn)尚等[23]以遞進(jìn)導(dǎo)升及斷裂力學(xué)原理為基礎(chǔ)，建立了斷層遞進(jìn)導(dǎo)升簡(jiǎn)化斷裂力學(xué)模型，得出底板隱伏斷層在采動(dòng)影響下，隨著工作面的不斷推進(jìn)，當(dāng)導(dǎo)升高度達(dá)到底板破壞區(qū)的最小安全距離時(shí)會(huì)發(fā)生突水。顧大釗等[24]指出，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井水源、水量、通道等水文地質(zhì)信息的準(zhǔn)確勘探和預(yù)測(cè)，有必要研究地下水賦存的準(zhǔn)確探測(cè)技術(shù)。此外，物探方法也被廣泛應(yīng)用在導(dǎo)水通道的探查[25-26]，但主要以探查大型導(dǎo)水通道為主，中小型垂向?qū)ǖ赖淖R(shí)別精度仍不夠高?？偟膩碚f，以上工作尚沒有提出系統(tǒng)詳細(xì)的導(dǎo)水通道類型識(shí)別體系，也未形成能夠表征通道導(dǎo)水性大小的分級(jí)體系。

通過分析導(dǎo)水通道的特征與地面區(qū)域探查技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提出了導(dǎo)水通道精準(zhǔn)探查的原則。分析探查工程中巖屑、鉆時(shí)、鉆井液漏失量和壓水試驗(yàn)透水率等指標(biāo)，形成系統(tǒng)的導(dǎo)水通道類型分類體系和導(dǎo)水性分級(jí)體系，為快速準(zhǔn)確識(shí)別導(dǎo)水通道提供了科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而為煤層底板水害的治理提供指導(dǎo)。

1 導(dǎo)水通道探查設(shè)計(jì)原則

煤層底板導(dǎo)水通道主要有以下特征[27-29]：①通道類型多樣，有巖溶裂隙型、斷層型、陷落柱型及復(fù)合型導(dǎo)水通道；②褶曲軸部、巖溶發(fā)育區(qū)域以及大型斷層附近有利于導(dǎo)水通道的發(fā)育；③一般位置不明，常規(guī)物探手段難以準(zhǔn)確探查；④底板導(dǎo)水通道所引發(fā)的突水具有突發(fā)性、水量大、危害性強(qiáng)的特點(diǎn)。

由于煤層底板導(dǎo)水通道的以上特點(diǎn)，對(duì)其探查方法要具有針對(duì)性和適用性，目前地面定向鉆進(jìn)是快速準(zhǔn)確探查導(dǎo)水通道最常用的手段。可以利用多分支水平孔技術(shù)面狀超前探查區(qū)域?qū)ǖ?，再根?jù)導(dǎo)水通道類型與導(dǎo)水性的不同采取對(duì)應(yīng)的注漿治理工藝將其改造為隔水層段，以滿足煤礦安全開采需求[30]，導(dǎo)水通道探查設(shè)計(jì)應(yīng)服從以下原則：

1）軌跡合理。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避開采空區(qū)及井下巷道，避免影響對(duì)導(dǎo)水通道的判斷。各鉆孔設(shè)計(jì)方位應(yīng)盡可能與裂隙的優(yōu)勢(shì)發(fā)育方向斜交。

2）目標(biāo)層合理。在物探基礎(chǔ)上，探查目標(biāo)層應(yīng)選擇在導(dǎo)水通道最發(fā)育的含水層，層厚6～10 m 為宜且經(jīng)過治理后能夠滿足突水系數(shù)的要求。

3）探查區(qū)域最大化。定向孔應(yīng)設(shè)計(jì)多級(jí)分支對(duì)區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)水通道進(jìn)行全面探查，鉆孔間距不大于漿液擴(kuò)散半徑的2 倍，既滿足探查精度又保證治理效果。

2 導(dǎo)水通道多元信息判識(shí)

結(jié)合地面定向鉆進(jìn)技術(shù)的特點(diǎn)，在探查導(dǎo)水通道過程中揭露地層起伏或構(gòu)造時(shí)，巖屑、鉆時(shí)、鉆井液漏失量等直觀指標(biāo)和壓水試驗(yàn)透水率、注漿參數(shù)等驗(yàn)證性指標(biāo)均與正常地層條件下有顯著差異。結(jié)合淮北礦區(qū)、淮南礦區(qū)、邢臺(tái)礦區(qū)、黃河北煤田等工程實(shí)踐與理論分析[8,18,31-32]，將多源信息判識(shí)指標(biāo)分為定性和定量2 大類，據(jù)此對(duì)導(dǎo)水通道進(jìn)行分類，對(duì)導(dǎo)水性進(jìn)行分級(jí)，為準(zhǔn)確識(shí)別各類導(dǎo)水通道提供科學(xué)依據(jù)。

2.1 導(dǎo)水通道定性判識(shí)指標(biāo)

2.1.1 巖屑指標(biāo)

1）巖屑變化標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1 所示，在煤層底板灰?guī)r含水層順層鉆進(jìn)過程中，若巖屑在進(jìn)尺超過5 m 范圍，灰?guī)r占比逐漸變化為其他巖性（泥巖、砂巖等），不調(diào)整軌跡繼續(xù)鉆進(jìn)后又恢復(fù)灰?guī)r巖性，說明揭露巖溶裂隙帶或地層存在微小起伏，定義該類型為“巖屑?Ⅰ”型。

圖1 巖屑指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Rock debris standard curve

2）在煤層底板灰?guī)r含水層順層鉆進(jìn)過程中，若巖屑在進(jìn)尺5 m 范圍以內(nèi)從灰?guī)r突變?yōu)槠渌麕r性，通過調(diào)整鉆孔軌跡后巖性中灰?guī)r占比又恢復(fù)為100%，且孔內(nèi)無明顯異響聲，表明揭露的是斷層構(gòu)造，定義該類型為“巖屑?Ⅱ”型。

3）在煤層底板灰?guī)r含水層順層鉆進(jìn)過程中，若巖屑從灰?guī)r占比由100%突變?yōu)槟鄮r、砂質(zhì)泥巖、煤等混雜巖性，甚至出現(xiàn)黃鐵礦、方解石等煤層伴生物質(zhì)或鉆井液失返，無法獲得巖屑，同時(shí)孔內(nèi)有明顯異響聲，表明揭露陷落柱，定義該類型為“巖屑?Ⅲ”型。

2.1.2 鉆時(shí)指標(biāo)

由于不同巖石的硬度具有差異性，用單位長(zhǎng)度巖層所用的鉆進(jìn)時(shí)間可判別巖性的變化[33]。我國(guó)華北型煤田煤系地層主要有泥巖、砂巖、灰?guī)r和煤層。一般而言，煤層底板常見的巖層中，泥巖硬度低，砂巖中等，灰?guī)r最高，因此單位長(zhǎng)度鉆進(jìn)泥巖鉆時(shí)短、砂巖次之，而灰?guī)r鉆時(shí)最長(zhǎng)。鉆時(shí)變化標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖2 所示。

圖2 鉆時(shí)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Drilling time standard curve

1）與巖屑錄井較為類似，在地層起伏條件下巖性發(fā)生漸變，因此由灰?guī)r地層到其他地層過渡時(shí)，鉆時(shí)錄井表現(xiàn)為鉆時(shí)逐漸減小，調(diào)整鉆孔軌跡后鉆時(shí)快速恢復(fù)，鉆時(shí)變化范圍不大于2 min/m，以此趨勢(shì)單次或反復(fù)出現(xiàn)，定義該類型為“鉆時(shí)?Ⅰ”型。

2）若鉆時(shí)迅速減小但鉆具并未放空（鉆具放空時(shí)鉆時(shí)為0），持續(xù)鉆進(jìn)后鉆時(shí)仍未有明顯增加，調(diào)整鉆探軌跡后鉆時(shí)緩慢恢復(fù)原速率，鉆時(shí)變化范圍大于2 min/m，定義該類型為“鉆時(shí)?Ⅱ”型。

3）若鉆時(shí)突然減小為0，說明鉆具在該處放空，該類型為“鉆時(shí)?Ⅲ”型。

鉆時(shí)與巖屑的變化可以直觀地定性判識(shí)揭露通道的類型，但對(duì)于不同通道導(dǎo)水性的分級(jí)需要定量指標(biāo)進(jìn)行判識(shí)。

2.2 導(dǎo)水通道定量判識(shí)指標(biāo)

2.2.1 鉆井液漏失量

探查過程中揭露不同發(fā)育程度導(dǎo)水通道時(shí)鉆井液消耗量具有明顯差別，如揭露陷落柱往往會(huì)發(fā)生鉆井液全部漏失現(xiàn)象[18]。因此，鉆井液漏失量可以作為通道導(dǎo)水性判識(shí)的重要指標(biāo)，揭露導(dǎo)水通道后若鉆井液漏失量≤30 m3/h，表明揭露的導(dǎo)水通道空間有限，發(fā)育范圍較小，該通道導(dǎo)水性定義為“漏失?Ⅰ”型，如圖3 中①與④區(qū)域；若鉆井液漏失量>30 m3/h，甚至鉆井液失返，表明揭露的導(dǎo)水通道較“漏失?Ⅰ”型空間大，發(fā)育范圍大，導(dǎo)水性好，該通道導(dǎo)水性定義為“漏失?Ⅱ”型，如圖3 中②與③區(qū)域。

圖3 漏失量與透水率類型分區(qū)Fig.3 Zone of leakage and permeability types

2.2.2 壓水試驗(yàn)透水率

鉆孔壓水試驗(yàn)是將清水壓入鉆孔試驗(yàn)段，根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)壓入的水量和施加壓力大小的關(guān)系，測(cè)定巖體相對(duì)透水性的試驗(yàn)。通過壓水試驗(yàn)可以測(cè)定并評(píng)價(jià)巖體透水性能，從而分析巖體完整性和發(fā)育程度，反映揭露導(dǎo)水通道的導(dǎo)水情況[34]。壓水試驗(yàn)的結(jié)果用透水率的大小反映。

在揭露導(dǎo)水通道后進(jìn)行壓水試驗(yàn)，若壓水試驗(yàn)獲得的透水率≤10 Lu，說明通道連通性差，通道導(dǎo)水性定義為“透水?Ⅰ”型，如圖3 中①與②區(qū)域；若壓水試驗(yàn)獲得的透水率>10 Lu，或壓水壓力為0，表明揭露的導(dǎo)水通道較“透水?Ⅰ”型通道連通性強(qiáng)，導(dǎo)水能力好，通道導(dǎo)水性定義為“透水?Ⅱ”型，如圖3 中③與④區(qū)域。

2.3 導(dǎo)水通道分類體系

根據(jù)導(dǎo)水通道類型和導(dǎo)水性對(duì)其進(jìn)行科學(xué)分類是指導(dǎo)煤層底板水害治理的重要前提條件。前文總結(jié)出巖屑、鉆時(shí)、鉆井液漏失量和壓水試驗(yàn)透水率4個(gè)主要判識(shí)指標(biāo)，其中巖屑和鉆時(shí)用于定性判識(shí)導(dǎo)水通道的類型，鉆井液漏失量和透水率用于定量確定導(dǎo)水通道的導(dǎo)水性。

1）導(dǎo)水通道類型分類體系。結(jié)合2.1 節(jié)中巖屑和鉆時(shí)指標(biāo)提出目標(biāo)含水層中通道類型的分類體系，見表1。2）導(dǎo)水性分級(jí)體系。鉆井液漏失量和透水率指標(biāo)可以定量的對(duì)導(dǎo)水通道導(dǎo)水性進(jìn)行分類，進(jìn)而指導(dǎo)導(dǎo)水通道的治理。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)階段主要底板水害治理區(qū)揭露導(dǎo)水通道時(shí)以上指標(biāo)的情況[12,20]，提出鉆井液漏失量30 m3/h，壓水試驗(yàn)透水率10 Lu 作為導(dǎo)水性分級(jí)的界限。據(jù)此對(duì)導(dǎo)水通道的導(dǎo)水性能建立雙因素綜合分級(jí)體系，見表2。

表1 導(dǎo)水通道類型分類體系Table 1 Classification system of water-conducting channel types

表2 導(dǎo)水通道導(dǎo)水性分級(jí)體系Table 2 Classification of hydraulic conductivity of waterconducting channel

一級(jí)導(dǎo)水性：漏失量≤30 m3/h，透水率≤10 Lu。表現(xiàn)為鉆井液漏失量小或無消耗，壓水壓力在短時(shí)間內(nèi)上升，說明通道發(fā)育空間有限，通道間連通性差，導(dǎo)水性弱，不需要專門進(jìn)行注漿加固。

二級(jí)導(dǎo)水性：漏失量≤30 m3/h，透水率>10 Lu。表現(xiàn)為鉆井液漏失量小，壓水試驗(yàn)時(shí)水壓上升緩慢，說明通道發(fā)育空間有限，但通道間連通性好，導(dǎo)水性一般，注漿加固過程中注漿材料選擇水泥、粉煤灰等常規(guī)材料即可。

三級(jí)導(dǎo)水性：漏失量>30 m3/h，透水率≤10 Lu。表現(xiàn)為鉆井液漏失量大，壓水壓力在短時(shí)間內(nèi)上升，說明通道發(fā)育空間大，但通道間連通性差，導(dǎo)水性一般，注漿加固過程中注漿材料選擇水泥、粉煤灰等常規(guī)材料即可。

四級(jí)導(dǎo)水性：漏失量>30 m3/h，透水率>10 Lu。表現(xiàn)為鉆井液漏失量大或失返，壓水試驗(yàn)水壓上升緩慢，說明通道發(fā)育空間大，且通道間連通性好，導(dǎo)水性強(qiáng)，注漿加固過程中注漿材料除水泥、粉煤灰等常規(guī)材料，還應(yīng)加入粗砂等骨料，對(duì)導(dǎo)水通道進(jìn)行快速封堵。

3 工程示例

3.1 工程背景

華北型煤田某典型煤礦位于安徽省淮北市，東部有較大的復(fù)背斜，中部為復(fù)向斜，井田構(gòu)造較為復(fù)雜。主采山西組6 號(hào)煤層，煤層回采受到底板太原組薄層灰?guī)r含水層和奧陶系灰?guī)r含水層威脅。煤層底板共發(fā)育12 層太原組薄層灰?guī)r（L1～L12），平均厚度1.32～12.17 m，巖溶發(fā)育程度差異極大，Ⅲ631 工作面曾發(fā)生過陷落柱突水，經(jīng)物探解析區(qū)內(nèi)發(fā)育多條斷層并存在底板低阻異常區(qū)，底板導(dǎo)水通道的存在嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。

3.2 導(dǎo)水通道探查概況

結(jié)合第1 節(jié)導(dǎo)水通道探查原則，利用地面定向鉆進(jìn)技術(shù)針對(duì)Ⅲ63 采區(qū)部分工作面進(jìn)行導(dǎo)水通道探查。D1、D2、D3 孔組實(shí)鉆軌跡如圖4 所示。D4 孔組實(shí)鉆軌跡如圖5 所示。

圖4 D1、D2、D3 孔組探查軌跡平面Fig.4 Detection track of D1、D2、D3 hole groups

圖5 D4 孔組探查軌跡平面Fig.5 Detection track of D4 hole groups

3.3 導(dǎo)水通道識(shí)別與分類

3.3.1 導(dǎo)水?dāng)鄬?/p>

在D1 孔組和D2 孔組的探查過程中，根據(jù)判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別出了導(dǎo)水?dāng)鄬? 條，與采掘過程中實(shí)揭的斷層SF1～SF4 位置基本一致，位置如圖4 所示。

以D1 主孔為例進(jìn)行分析。巖屑指標(biāo)方面：D1主孔于井深739 m 開始沿L3灰?guī)r含水層鉆進(jìn)，灰?guī)r含量100%，自1 020 m 巖屑由灰白色灰?guī)r突變?yōu)榛液谏規(guī)r且夾雜泥巖顆粒，1 022 m 巖屑完全變?yōu)槟鄮r，調(diào)整鉆孔軌跡，1 058 m 巖性恢復(fù)為灰白色灰?guī)r。巖性變化期間沒有發(fā)生異響。巖屑變化過程與圖1中巖屑-Ⅱ型標(biāo)準(zhǔn)曲線基本一致，據(jù)此判定1 020 m附近存在斷層。

鉆時(shí)指標(biāo)方面：如圖6 所示，D1 主孔在從739 m進(jìn)入太原組灰?guī)r后正常鉆時(shí)為6～8 min/m，鉆進(jìn)至1 020 m 鉆時(shí)突然加快到2～4 min/m，1 058 m 鉆時(shí)恢復(fù)到6～8 min/m，鉆時(shí)變化期間沒有發(fā)生鉆具突然放空的現(xiàn)象，且鉆時(shí)變化范圍大于2 min/m，繼續(xù)鉆進(jìn)，1 058～1 190 m 鉆時(shí)為6～8 min/m，期間也沒有發(fā)生鉆具突然放空的現(xiàn)象。鉆時(shí)變化趨勢(shì)與圖2中鉆時(shí)?Ⅱ型標(biāo)準(zhǔn)曲線基本一致。

圖6 D1 主孔巖屑與鉆時(shí)變化Fig.6 Variation of rock debris and drilling time of D1 hole

根據(jù)以上分析，D1 主孔巖屑和鉆時(shí)變化類型為巖屑?Ⅱ型和鉆時(shí)?Ⅱ型，結(jié)合表1 定性識(shí)別出1 020 m附近存在小型斷層。

根據(jù)2.2 節(jié)的判識(shí)指標(biāo)，D1 主孔在1 020 m 附近鉆探過程中鉆井液漏失量為2 m3/h，屬于“漏失?Ⅰ”型；壓水試驗(yàn)透水率為7.39 Lu，屬于“透水?Ⅰ”型。根據(jù)表2 確定出該處斷層導(dǎo)水性為一級(jí)，是發(fā)育空間有限，通道間連通性差的小型斷層，不需要專門進(jìn)行注漿加固。繼續(xù)鉆進(jìn)至終孔1 190 m 巖性為純灰?guī)r，未發(fā)生漏失。

3.3.2 導(dǎo)水巖溶裂隙帶

在D2 孔組和D3 孔組的探查過程中，根據(jù)判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別出了導(dǎo)水裂隙發(fā)育帶2 處（圖4）。

以D3-2 孔為例進(jìn)行分析。巖屑指標(biāo)方面：D3-2孔自孔深600 m 處沿L3灰?guī)r含水層鉆進(jìn)，灰?guī)r含量100%，從860 m 開始灰?guī)r比例逐漸下降，到1 008 m巖屑完全變?yōu)槟鄮r，在1 026 m 巖屑中灰?guī)r含量增加至20%，至1 060 m 恢復(fù)為純灰?guī)r。巖性變化期間沒有發(fā)生異響，繼續(xù)鉆進(jìn)至終孔1 200 m 仍為灰?guī)r巖性。巖屑變化過程如圖7 所示，與圖1 中巖屑?Ⅱ型標(biāo)準(zhǔn)曲線基本一致，判定1 008 m 附近揭露巖溶裂隙帶。

圖7 D3-2 孔巖屑與鉆時(shí)變化Fig.7 Variation of rock debris and drilling time of D3-2

鉆時(shí)指標(biāo)方面：如圖7 所示，D3-2 孔從600 m 進(jìn)入太原組灰?guī)r正常鉆時(shí)為6～8 min/m，鉆進(jìn)至1 008 m鉆時(shí)突然加快到3 min/m，1 008～1 060 m 鉆時(shí)2～4 min/m，調(diào)整軌跡后1 061 m 鉆時(shí)恢復(fù)為6～8 min/m，鉆時(shí)變化范圍大于2 min/m，鉆時(shí)變化期間沒有發(fā)生鉆具突然放空的現(xiàn)象。鉆時(shí)變化趨勢(shì)與鉆時(shí)?Ⅰ型判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)基本一致。鉆時(shí)變化趨勢(shì)與圖2 中鉆時(shí)?Ⅱ型判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)基本一致。繼續(xù)鉆進(jìn)至終孔1 200 m，鉆時(shí)為6～8 min/m，期間也沒有發(fā)生鉆具突然放空的現(xiàn)象。

根據(jù)以上分析，D3-2 孔巖屑和鉆時(shí)變化類型為巖屑?Ⅰ型和鉆時(shí)?Ⅱ型，結(jié)合表1 定性識(shí)別出1 008～1 026 m 范圍存在巖溶裂隙帶。結(jié)合D3 孔組其他鉆孔情況，判識(shí)D3 孔組末端存在巖溶裂隙發(fā)育帶。

根據(jù)2.2 節(jié)的判識(shí)指標(biāo)，D3-2 孔在1 008 m 附近鉆探過程中鉆井液未發(fā)生明顯漏失，為“漏失?Ⅰ”型；進(jìn)行壓水試驗(yàn)，透水率為0.355 Lu，為“透水?Ⅰ”型。根據(jù)表2 識(shí)別出該處通道導(dǎo)水性為一級(jí)，是發(fā)育空間有限，通道間連通性差的巖溶裂隙發(fā)育帶，不需要專門進(jìn)行注漿加固。繼續(xù)鉆進(jìn)至終孔1 200 m 巖性為純灰?guī)r，未發(fā)生漏失。

3.3.3 導(dǎo)水陷落柱

某工作面回采至135 m 時(shí)發(fā)生底板出水，水呈渾濁狀，穩(wěn)定水量約170 m3/h，推測(cè)工作面發(fā)育有隱伏導(dǎo)水通道。在D4 孔組探查過程中，根據(jù)判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別出1 個(gè)導(dǎo)水陷落柱，位置如圖5 所示。

D4-1 孔自孔深680 m 處沿L3灰?guī)r含水層鉆進(jìn)，灰?guī)r含量100%，正常鉆時(shí)7 min/m 左右，鉆進(jìn)至765 m鉆井液發(fā)生大量漏失，漏失量大于50 m3/h，巖屑顆粒大小不一，巖性雜亂。鉆進(jìn)至779 m 鉆井液失返，無法獲取巖屑?？變?nèi)發(fā)生“噼啪”聲異響，繼續(xù)頂漏鉆進(jìn)至788 m 鉆井液仍失返并發(fā)生塌孔卡鉆現(xiàn)象，起鉆準(zhǔn)備注漿。779～788 m 鉆時(shí)加快至2 min/m，未出現(xiàn)鉆具放空現(xiàn)象。D4-1 孔巖屑變化符合巖屑?Ⅲ型標(biāo)準(zhǔn)曲線，鉆時(shí)變化趨勢(shì)與圖2 中鉆時(shí)?Ⅱ型判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)基本一致。判定779～788 m 進(jìn)入陷落柱邊緣裂隙帶。

根據(jù)以上分析，D4-1 孔巖屑和鉆時(shí)變化類型為巖屑?Ⅲ型和鉆時(shí)?Ⅱ型，結(jié)合表1 定性識(shí)別出779～788 m 范圍存在半膠結(jié)陷落柱。D4 孔組其他鉆孔對(duì)疑似陷落柱位置繼續(xù)進(jìn)行探查，在附近位置同樣發(fā)生鉆井液全漏與鉆時(shí)突然加快的現(xiàn)象。

根據(jù)2.2 節(jié)的判識(shí)指標(biāo)，D4-1 孔在779～788 m鉆井液發(fā)生失返，為“漏失?Ⅱ”型；進(jìn)行壓水試驗(yàn)，壓力為0，為“透水?Ⅱ”型。根據(jù)表2 識(shí)別出該處通道導(dǎo)水性為四級(jí)，是發(fā)育空間大，通道導(dǎo)水性強(qiáng)的陷落柱。治理過程中注漿材料除水泥外，還應(yīng)選用骨料對(duì)其進(jìn)行封堵。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)煤層底板導(dǎo)水通道的特征，利用地面定向鉆進(jìn)區(qū)域探查技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提出導(dǎo)水通道超前鉆探設(shè)計(jì)應(yīng)服從軌跡合理、目標(biāo)層合理和探查區(qū)域最大化的原則。

2）確定了導(dǎo)水通道多元信息判識(shí)指標(biāo)為：以巖屑和鉆時(shí)為主的定性指標(biāo)與以鉆井液漏失量和壓水試驗(yàn)透水率為主的定量指標(biāo)。以此為基礎(chǔ)提出了導(dǎo)水通道類型定性分類體系，又根據(jù)鉆井液漏失量是否大于30 m3/h 和壓水試驗(yàn)透水率是否大于10 Lu建立了導(dǎo)水性分級(jí)體系。

3）通過分析華北型煤田某典型煤礦的水文地質(zhì)條件與水害特征，結(jié)合探查設(shè)計(jì)原則，實(shí)施了該煤礦部分工作面導(dǎo)水通道探查工程，利用導(dǎo)水通道判識(shí)指標(biāo)和多元信息識(shí)別技術(shù)在研究區(qū)內(nèi)準(zhǔn)確識(shí)別出4條導(dǎo)水?dāng)鄬樱? 處巖溶裂隙發(fā)育帶和1 個(gè)導(dǎo)水陷落柱，并確定了它們的導(dǎo)水性等級(jí)。