水簾洞煤礦東區(qū)采空區(qū)、火燒區(qū)鉆探驗證分析

王 峰,陳婭鑫,賈志剛

(陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司,陜西 西安 710021)

0 引言

煤礦采空區(qū)和火燒區(qū)的存在,對煤礦的安全生產(chǎn)構成了極大的威脅。據(jù)統(tǒng)計,80%以上的煤礦水害事故都是由采空區(qū)引起的[1-2],而采空區(qū)導通的廢棄巷道和煤層上覆巖石垮塌向上產(chǎn)生的裂隙,又會為地下煤層提供氧氣,使煤層發(fā)生自燃,形成火燒區(qū),火燒區(qū)會造成采空區(qū)頂板承壓減弱,加劇煤層頂板的冒落、裂隙的增大,兩者之間相互作用、相互影響,嚴重影響了煤礦的安全生產(chǎn),破壞了地表的自然環(huán)境。

水簾洞煤礦原屬地方鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦,2006年10月由山東新汶礦業(yè)集團投資有限公司控股經(jīng)營后,實現(xiàn)了機械化開采,但僅限于煤礦西區(qū)。經(jīng)過十多年的開采,現(xiàn)西區(qū)煤炭資源即將開采殆盡。而煤礦東區(qū)屬于老采區(qū),在以往的開采中,受限于當時的裝備和技術,回采高度僅3 m左右,且采用小面不規(guī)則開采,遺留了大量的煤炭資源,加之長期處于停采狀態(tài),為遺煤自燃提供了可能,若查清區(qū)內(nèi)采空區(qū)、火燒區(qū)的分布范圍,成功實現(xiàn)煤礦的復采,將能延長礦井的服務年限,獲得可觀的經(jīng)濟效益。

1 地質(zhì)概況

水簾洞煤礦隸屬于彬長礦區(qū),行政區(qū)劃屬陜西省咸陽市彬州市城關鎮(zhèn)管轄,西部與大佛寺煤礦毗鄰,北部與下溝煤礦接壤,東部為火石咀煤礦,緊鄰水簾洞煤礦南部的虎神溝煤礦、東南部的陰山煤礦已經(jīng)停產(chǎn)關閉。東距彬州市5 km,東南距西安市175 km,西北距長武縣35 km、距甘肅平?jīng)?33 km。

水簾洞煤礦東西長約5.1 km,南北寬約0.6～1.5 km,面積5.516 3 km2。礦區(qū)內(nèi)含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組,主采煤層為4號煤層,賦存于延安組的第一段,厚度0.85～19.14 m,平均8.97 m,煤層結構簡單,主要以含0～1層夾矸為主,發(fā)育較穩(wěn)定。頂板為砂巖或泥質(zhì)粉砂巖,底板為鋁質(zhì)泥巖、泥巖及碳質(zhì)泥巖。煤類為不粘煤(BN31)。

礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部渭北撓褶帶北緣,總體為一走向N50°—70°E,傾向NW—NNW的單斜構造,其間發(fā)育有方向單一的寬緩褶曲[3]。礦區(qū)從北向南主要由3個背斜和2個向斜區(qū)構成,如圖1所示。七里鋪—西坡背斜、路家—小靈臺背斜、彬縣背斜,大佛寺向斜區(qū)和孟村向斜區(qū),它們影響著礦區(qū)煤層尤其是厚煤層的分布。

圖1 彬長礦區(qū)構造綱要圖

水簾洞煤礦位于彬長礦區(qū)東南部,南部靠近彬縣背斜軸部,煤層較薄,向北逐漸增厚。總體構造形態(tài)為一向北傾斜的單斜構造,走向近東西,僅局部有小的波狀起伏;地層傾角平緩,一般5°～6°,構造形態(tài)簡單,未發(fā)現(xiàn)大型斷裂構造。自煤礦開采以來,僅在巷道掘進及工作面回采的過程中,發(fā)現(xiàn)了一定規(guī)模的小型斷層,絕大部分落差小于5 m,延伸短,斷層性質(zhì)以正斷層為主;在平面上,走向主要有北北西或北西西平行排列的趨勢,對煤礦工作面布置及開采影響不大。

2 物探工作及成果簡介

水簾洞煤礦東區(qū)物探工作方法采用地面瞬變電磁法、磁法和測氡法進行勘探,具體為利用地面瞬變電磁法探測采空區(qū)的分布范圍;選擇磁法和測氡法對測區(qū)內(nèi)火燒區(qū)分布范圍進行探測。

本次地面瞬變電磁法按照20 m×20 m的網(wǎng)度,從南向北共布設測線51條,實際采集坐標點5 167個,根據(jù)電阻率值在剖面上和平面上的變化情況,繪制了所有測線的反演電阻率斷面圖和目標層的反演電阻率平面圖,共圈出5處低阻異常區(qū),主要分布在測區(qū)東部水簾洞煤礦和虎神溝煤礦采空區(qū)范圍內(nèi),如圖2所示。其中T1號低阻異?？煽?推斷為4號煤層頂板砂巖相對富水區(qū);T2、T4號低阻異常受高壓線影響可靠性降低,推斷為4號煤層采空積水區(qū);T3、T5號低阻異?？煽?推斷為4號煤層采空積水區(qū)。

圖2 物探推斷成果及鉆探工程布置

磁法測線布置與瞬變電磁法測線重合,網(wǎng)度為20 m×20 m,共布設測線51條,采集坐標點5 167個,根據(jù)磁異常值(ΔT)的變化情況,繪制了磁法所有測線的磁異常剖面曲線和磁異常平面圖,共圈出了5處高磁異常區(qū),這些異常區(qū)主要分布在已知采空區(qū)和西翼大巷附近。同時結合氡值異常區(qū)的分布范圍,劃定了火燒區(qū)的分布范圍,其中C1、C5號高磁異?？煽?推斷為4號煤層火燒區(qū);C2、C3號高磁異常受高壓線和村莊鐵器影響,可靠性有所降低;C4號高磁異?？煽?推斷為4號煤層火燒區(qū)或煤矸石自燃區(qū)。

3 鉆探驗證采空區(qū)、火燒區(qū)

3.1 鉆孔布置原則

本區(qū)物探推斷的4號煤層采空區(qū)和火燒區(qū)面積較大且分布零散,既要整體兼顧,又要重點突出。因此,結合礦方試采工作面的分布,在區(qū)內(nèi)優(yōu)選重點區(qū)塊3個,驗證鉆孔主要布置在這3個區(qū)塊內(nèi)物探異常值高的地方。

3.2 驗證方法

根據(jù)本區(qū)以往地質(zhì)、水文地質(zhì)資料,結合礦井井下以往實際采掘情況,綜合考慮選用機械巖芯鉆探、煤厚測量及煤芯分析、頂?shù)装鍑鷰r分析、簡易水文觀測等方法。

3.2.1 機械巖芯鉆探

煤礦采空區(qū):是指煤層開采完成后,在地下形成的空洞或空腔在上覆壓力和地下水等因素的作用下,開采區(qū)兩側的煤層軟化、失去強度,容易導致上覆巖體塌陷、冒落,因此,在實際鉆探過程中,容易引起掉鉆、卡鉆和埋鉆等現(xiàn)象;采空區(qū)由于空氣壓力較大,鉆探鉆進至該層位時,由于壓力驟降,極易通過井口向外排風;另外,在采空區(qū)打鉆過程中,會伴隨有響聲,孔斜也非常容易超標。

煤礦火燒區(qū):是指煤層在井下發(fā)生自燃的區(qū)域。煤層自燃后,產(chǎn)生的煤灰比較松軟,會連同破碎的圍巖在鉆進過程中一起掉落,引起卡鉆和埋鉆等現(xiàn)象[5];由于煤層燃燒形成的空洞,當鉆進遇到這種空洞時非常容易孔斜超標。

3.2.2 煤厚測量及煤芯分析

煤礦采空區(qū):鉆探鉆進至煤層位置時,如煤層厚度正常,煤芯采取較好,則判斷鉆孔未進入采空區(qū);如煤層厚度變薄,煤芯采取不完整,較松散破碎,則判斷鉆孔進入采空區(qū)邊緣或半采空區(qū)地帶;如無煤則判斷鉆孔進入采空區(qū)[6]。

煤礦火燒區(qū):煤層自燃對煤層的完整性和連續(xù)性破壞十分嚴重,依據(jù)其自燃程度可分為自燃煤、自燃殘留煤和烘烤煤3種類型[7]。自燃煤燃燒完整,煤芯一般呈淺灰色、淺白色的松軟物,鐵質(zhì)含量高時,呈淺紅色-鐵銹色;自燃殘留煤屬不完全燃燒,因此煤芯上部呈粉末狀,下部為殘留煤,即“正常煤”;烘烤煤煤巖結構清晰,僅顯示出氧化特征。

3.2.3 頂?shù)装鍑鷰r分析

煤礦采空區(qū):煤層開采后形成的空洞會使上覆巖體發(fā)生變形、垮塌,頂板巖石變得松散破碎。

煤礦火燒區(qū):煤層自燃過程中產(chǎn)生的巨大熱量,會烘烤煤層頂?shù)装宓膰鷰r,使其結構和構造發(fā)生不同程度的變化,形成“燒變巖”。一般顏色上呈淺紅色、淺磚紅色-磚紅色;巖體比較破碎,呈不規(guī)則形狀;同時裂隙較發(fā)育。

3.2.4 簡易水文觀測

煤礦采空區(qū):包括回次水位觀測和消耗量觀測。當煤層開采完畢后,上覆巖石由于壓力驟降,會發(fā)生變形垮落,導致煤層頂板附件的巖石松散破碎,裂隙發(fā)育,造成鉆井液在此處漏失嚴重或全部消耗,孔內(nèi)水位發(fā)生變化,降至煤層底板附近。若孔內(nèi)最終水位降至煤層底板以下,則判斷為鉆進至無積水采空區(qū);若孔內(nèi)最終水位高于煤層底板,則判斷鉆進至有積水采空區(qū)[8-10]。

煤礦火燒區(qū):煤層自燃過程中,上覆燒變巖會產(chǎn)生大量的燒變裂隙,在鉆進過程中,鉆井液會發(fā)生不同程度的漏失。

4 采空區(qū)、火燒區(qū)驗證結果

4.1 鉆孔布置

本次共布置驗證鉆孔4個,其中采空區(qū)驗證鉆孔1個(BK2-2),火燒區(qū)驗證鉆孔3個(BK1-2、BK2-1和BK3-1),如圖2所示。

4.2 鉆孔驗證

4.2.1 BK2-2鉆孔

在4號煤層底板以下32.96 m終孔,終孔深度358.22 m。實際鉆進過程中,在4號煤層上部取出1.75 m殘留煤,煤芯破碎,不完整,緊接著孔內(nèi)出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象,掉鉆深度5.30 m;由于孔內(nèi)坍塌嚴重,300 m以上最大孔斜2.62°,300 m以下未取得測斜資料?？變?nèi)鉆井液在距煤層頂板8 m左右,瞬間全部消耗殆盡;孔內(nèi)水位位于4號煤層底板以上,且位于物探推斷的T3號低阻異常區(qū)范圍內(nèi),綜合判斷該鉆孔進入積水采空區(qū)[11-12]。

4.2.2 BK1-2鉆孔

在4號煤層底板以下110.31 m終孔,終孔深度162.00 m。實際鉆進過程中,在4號煤層附近未發(fā)生卡鉆、埋鉆現(xiàn)象,煤層厚度1.73 m,煤芯采取完整,不破碎,且未見煤層自燃后留下的煤灰痕跡。鉆孔最大孔斜1.69°,未超標;從鉆孔巖芯采取情況來看,煤層頂?shù)装褰衣遁^完整,頂?shù)装鍑鷰r未發(fā)現(xiàn)任何受熱烘烤的痕跡;孔內(nèi)鉆井液正常消耗,未發(fā)生漏失現(xiàn)象,判斷該鉆孔未進入火燒區(qū)。

4.2.3 BK2-1鉆孔

在4號煤層底板以下33.90 m終孔,終孔深度346.23 m。實際鉆進過程中,在4號煤層頂板往下1.00 m處,鉆進進尺突然變快,只取出少量煤芯且很破碎,緊接著正常取煤,余下煤厚3.40 m,煤芯較破碎,且未見煤層自燃后留下的煤灰痕跡;鉆孔最大孔斜2.70°,未超標;煤層頂?shù)装鍑鷰r也未發(fā)現(xiàn)任何受熱烘烤的痕跡;孔內(nèi)鉆井液在煤層頂部漏失嚴重,達到了7.0 m3/h,疑為該鉆孔南部緊鄰采空區(qū)上部垮塌產(chǎn)生的裂隙導通至該鉆孔煤層頂板附近,綜合判斷該鉆孔未進入火燒區(qū)。

4.2.4 BK3-1鉆孔

在4號煤層底板以下35.33 m終孔,終孔深度383.93 m。實際鉆井過程中,在4號煤層附近未發(fā)生卡鉆、埋鉆現(xiàn)象,煤層厚度6.60 m,煤芯采取完整,未發(fā)現(xiàn)煤層自燃后留下的煤灰、煤渣痕跡。鉆孔最大孔斜1.93°,未超標;煤層頂板揭露完整,為灰白色粗粒砂巖,未發(fā)生受熱烘烤;孔內(nèi)鉆井液在煤層頂板處漏失嚴重,達到了7.8 m3/h,疑為南部虎神溝煤礦采空區(qū)上部裂隙導通至該鉆孔煤層頂板附近,該點通過煤礦井下巷道掘進過程也得到證實,當時有部分鉆液滲透至正在掘進的巷道中,后及時用泥漿材料封堵,鉆井液滲透即停止,綜合判斷該鉆孔未進入火燒區(qū)。

4.3 采空區(qū)、火燒區(qū)驗證結果

4.3.1 采空區(qū)驗證結果

BK2-2鉆孔鉆進至采空區(qū),結合礦方以往井下實際采掘資料,判斷為采空區(qū)鉆孔。根據(jù)鉆孔驗證結果,綜合煤礦區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)等條件,判斷T3為采空區(qū)。

4.3.2 火燒區(qū)驗證結果

BK1-2鉆孔、BK2-1鉆孔和BK3-1鉆孔均未鉆進至火燒區(qū),結合礦方以往井下煤層自燃資料,判斷不是火燒區(qū)鉆孔。根據(jù)鉆孔驗證結果,綜合煤礦區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)等條件,判斷C2、C3和C4均不是火燒區(qū)。

4.4 物探和鉆探成果對比

經(jīng)對比(見表1),物探推斷的T3采空區(qū)和鉆探驗證的采空區(qū)兩者結果一致,可信度較高;物探推斷的C1、C3和C4火燒區(qū)和鉆探驗證的火燒區(qū)兩者結果不一致,可信度較低。

表1 物探和鉆探成果對比

5 結論

以水簾洞煤礦為例,通過選用機械巖芯鉆探、煤厚測量及煤芯分析、頂?shù)装鍑鷰r分析及簡易水文觀測等方法,對物探推斷的采空區(qū)和火燒區(qū)進行了探查。經(jīng)驗證,物探推斷的T3采空區(qū)和鉆探驗證的采空區(qū)兩者結果一致,可信度較高;物探推斷的C1、C3和C4火燒區(qū)和鉆探驗證的火燒區(qū)兩者結果不一致,可信度較低。另外,受鉆探探查的局限性,本次對區(qū)內(nèi)采空區(qū)和火燒區(qū)的探查驗證,只能作出定性的解釋,不能定量的對采空區(qū)和火燒區(qū)范圍進行準確圈定,建議礦方下一步增加鉆孔數(shù)量,擴大探查范圍,為本區(qū)的成功復采提供強有力的指導。