基于綜合分析法的疑似封閉不良鉆孔探查

姬亞東

（1.中煤科工集團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重點實驗室，陜西 西安 710077）

礦井建設過程中經歷了煤田普查、詳查、精查3個階段，后期更是進行了地質、水文地質補充勘探，由此井田范圍內存在著大量的鉆孔。由于前期勘探受制于當時施工技術、工藝及管理水平等因素，致使因年代久遠缺失工程地質資料、未按設計要求嚴格封孔、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水通道，當煤層開采至該區域揭露或接近封閉不良鉆孔時，封閉不良鉆孔作為導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系，煤層擾動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性、隱蔽性，封閉不良鉆孔穿孔層位的不同造成不同的導水危險性[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程中，如何對疑似封閉不良鉆孔進行超前探查處理，成為井下水害防治的難點。當前往往在井下對疑似封閉不良鉆孔進行物探、鉆探，綜合評估其封閉性及危險性[3-13]。為此，以老公營子煤礦73159疑似封閉不良鉆孔為研究對象，在疑似封閉不良鉆孔附近施工探查鉆孔，開展抽水試驗、示蹤試驗，根據地下水流場變化特征及示蹤試驗成果綜合分析該疑似封閉不良鉆孔是否作為導水通道。

1 研究區基本情況

1.1 地質及水文地質條件

老公營子煤礦位于赤峰市元寶山區，礦井位于元寶山煤田中部。侏羅系上統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，夾薄層灰白色細砂巖、中砂巖和粗砂巖，含1～5煤組，以3、4、5煤組最發育；阜新組下層段以灰白色細-中粒砂巖為主，夾粗砂巖和薄層泥巖，含6、7、8 3個煤組，以6煤組最發育。3、4、5、6煤組是礦井主要可采煤組，當前開采5煤。礦井地質構造形態為一單斜，地層走向近南北、傾向東，傾角8°～15°，礦區內地層沿走向、傾向產狀變化不大。

老公營子煤礦區域水文地質單元屬英金河沖積平原，第四系地層普遍發育。5煤上覆含隔水層空間位置關系示意圖如圖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較好。第四系含水層主要由圓礫、砂礫、泥砂質礫石、玄武巖構成，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），滲透系數約0.754 3 m/d。

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

1.2 采空區基本概況

老公營子煤礦南側邊界存在建昌營煤礦越界采空區，建昌營煤礦5煤越界采空區示意圖如圖2。5煤越界采空區位于建昌營煤礦東側，與老公營子煤礦I15（6）3工作面鄰近。越界采空區區域采用房柱式開采，越界區域開采標高約為+210～+268 m水平，積水標高約為+255～+210 m水平，圖2中建昌營煤礦水倉以西開采標高相對較低，其越界采空區與建昌營煤礦邊界處開采標高相對較高，從開采標高可以判別出越界區域采空區積水區較建昌營煤礦相對獨立。疑似封閉不良鉆孔73159位于越界采空區范圍內。

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

2018年，老公營子煤礦I15（6）3工作面掘進至切眼區域對鄰近越界采空區進行探放水，探放水鉆孔溝通越界采空區，使得采空區水涌入工作面，多年來越界采空區探放水鉆孔涌水一直穩定在約130 m3/h。考慮到該區域煤系基巖裂隙含水層，其富水性弱，且越界采空區積水相對獨立，由此質疑是否由封閉不良鉆孔73159溝通了上覆第四系含水層，進而補給越界采空區，使得采空區探放水鉆孔涌水量相對穩定。

2 疑似封閉不良鉆孔鉆探探查

2.1 布孔方式

通過對第四系含水層開展抽水試驗獲取地下水流場，旨在根據73159鉆孔附近的地下水流場差異性，分析73159鉆孔是否構成導水通道。在73159鉆孔旁邊布置1個鉆孔，相距約1 m，即S2鉆孔，作為觀測孔監測該處第四系含水層水位；在73159鉆孔兩側布置鉆孔，以此根據地下水流場判別73159鉆孔周邊是否為降落漏斗中心。

該區潛水地下徑流由西北向東南方向排泄，越界區域第四系含水層水位標高等值線圖如圖3。4個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 越界區域第四系含水層水位標高等值線圖Fig.3 Contour map of water level elevation of Quaternary aquifer in goaf crossing the boundary

2.2 鉆探成果

鉆孔鉆進穿透第四系底界進入土層約2 m終孔，鉆孔依次揭露砂質黏土層、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，斑狀結構，見氣孔構造，節理多，強度較高。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

選取S4鉆孔定流量穩定流（似穩定）抽水試驗，S1、S2和S3號鉆孔進行水位同步觀測。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進行抽水，其水位穩定后降深約1.9 m。S3、S2、S1鉆孔水位降深分別為0.52、0.37、0.17 m，觀測孔水位降深呈現出隨著與抽水孔S4距離的增加而變小的自然降深趨勢。抽水試驗水位統計表見表1。

表1 抽水試驗水位統計表Table 1 Table of pumping test water level

S4鉆孔以抽水量51.4 m3/h進行抽水，S4鉆孔中水位降深達到1.9 m。井下采空區涌水量穩定在130 m3/h，若73159鉆孔為導水通道致使第四系含水層水涌入井下130 m3/h保持穩定，則自然狀態下S2鉆孔水位降深應明顯大于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鉆孔水位降深應明顯大于1.9 m。在抽水試驗過程中，與73159疑似封閉不良鉆孔相鄰僅1 m的S2鉆孔，S2鉆孔觀測水位降深約0.37 m，并未呈現出與周邊鉆孔區別較大的水位降深，該位置未出現明顯的降落漏洞，表明第四系含水層水在此處無大幅度滲漏，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。抽水試驗鉆孔水位降落漏斗示意圖如圖5。

圖5 抽水試驗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

利用S2鉆孔通過水化學示蹤試驗方法確定第四系含水層水與越界采空區水水力聯系，判斷73159鉆孔是否為封閉不良鉆孔作為導水通道，使得第四系含水層水涌入越界采空區。

3.1 示蹤劑選擇

示蹤試驗開展前按照水質檢測要求在井下越界采空區探放水鉆孔涌水點及地面S4抽水孔取水樣，對水樣進行水質全分析測試，探放水鉆孔涌水點及S4抽水孔第四系含水層水水質全分析結果見表2。

表2 井下越界采空區探放水鉆孔涌水點及S4抽水孔第四系含水層水水質全分析結果統計表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+及礦化度指標來看，井下越界采空區水中Na+及礦化度偏高，越界采空區水與第四系含水層水有明顯區別。

井下越界采空區探放水鉆孔涌水點與第四系含水層水樣中碘離子濃度均為最低檢測值（0.02 mg/L），水樣中碘離子含量低，當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，且碘離子不會對地下水產生污染，因此選碘化鉀作為示蹤劑[14-16]。

3.2 示蹤試驗

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分別按照規范要求取水樣，每天各取3組水樣。

示蹤試驗過程中，歷時1個月在5（5）2、5（6）3工作面涌水點共采取160個水樣，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譜儀（ICP－MS）進行碘離子濃度測試。按照ICP－MS特有的檢測方法，配置一系列濃度梯度的標準溶液利用檢測儀器制成標準曲線，水樣檢測則利用該標準曲線代入計算相應的碘離子濃度值，由此計算出5（5）2工作面、5（6）3工作面涌水點碘離子濃度。5（5）2工作面和5（6）3工作面涌水點碘離子濃度歷時曲線圖如圖6。

圖6 5（5）2工作面、5（6）3工作面涌水點碘離子濃度歷時曲線圖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，73159鉆孔未構成導水通道將第四系含水層水與采空區相連通。

4 結 語

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過程中地下水流場變化特征，分析封閉不良鉆孔周邊第四系含水層是否出現明顯的降落漏斗；其次，在疑似封閉不良鉆孔附近鉆孔投入碘化鉀示蹤劑，開展示蹤試驗測試井下出水點水質特征。

2）抽水試驗過程中觀測孔水位降深呈現出隨著與抽水孔S4距離的增加而變小的自然降深趨勢。緊鄰73159疑似封閉不良鉆孔的S2鉆孔未出現明顯的降落漏洞，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。

3）探放水鉆孔涌水點與S4鉆孔水樣水質全分析揭示Na+及礦化度區別較大，且示蹤試驗采取的探放水鉆孔涌水點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成導水通道使第四系含水層水涌入越界采空區。