高河能源W4307工作面F w159逆斷層精細鉆探技術研究

劉 瀑

（山西高河能源有限公司，山西 長治 047100）

0 引言

隨著礦井開采深部的不斷增加、煤炭賦存條件更趨復雜，煤炭在開采會受到各類地質構造影響，從而給巷道掘進、煤炭回采等造成影響[1-3]。對煤炭開采時可能遇到的地質構造進行精細化探測對可為礦井安全生產提供指導[4]。現階段礦井常用的地質構造探測手段主要分物探、鉆探2類，其中物探以CT成像、三維地震、瞬變電磁、無線電坑透以及槽波地震等為代表。物探具有探測范圍廣、效率高等優點，但是也存在探測精度有待提高問題[5-7]。為此，文中以高河能源W4307工作面F w159逆斷層探測為工程背景，在物探技術上采用鉆探技術詳細對斷層參數進行探測，以期能在一定程度上指導采面煤炭開采。

1 工程概況

高河能源W4307工作面設計回采長度2 304 m，開采的3號煤層厚度平均6.5 m、在距離底板約1.15 m位置有厚度0.18 m的炭質泥巖加矸。W4307采面生產采用兩進一回通風方式，進風巷、膠帶巷進風，回風巷回風。在進、回風巷掘進期間揭露有F w159逆斷層，膠帶掘進期間并未揭露該斷層。

根據三維地震資料顯示，F w159逆斷層位于W4307工作面,斷層性質為逆斷層，切斷3、15號煤，斷層走向N7°W，傾向N83°E，傾角30°～58°，3、15號煤層斷層落差0～20 m，延展長度約1 630 m。根據電法資料顯示，F w159逆斷層在K2灰巖、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層位之間局部導水的可能性較大。

為探明F w159逆斷層在W4307工作面發育情況、富水性及導水性，需進行詳細鉆探。

2 鉆探設計

2.1 鉆孔施工位置

綜合物探以及采面進、回風巷揭露斷層參數，在W4307膠帶巷內布置探測鉆孔對F w159逆斷層進行精細化探測。整個探測過程共分2次進行，第1次鉆探垂直于巷道西幫（1-10號孔），旨在探明斷層位置及走向（有3個鉆孔探測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上，垂直于斷層走向布置（11號—13-1號孔），旨在探明該斷層落差。具體第1次、第2次探測鉆孔布置見圖1、圖2所示。

圖2 探測鉆孔剖面圖

具體第1次探測鉆孔主要用以探測F w159逆斷層走向，布置10個鉆孔（編號1-10號），孔深、方位角、傾角等參數均一致，進布置位置有差異。孔深均為150 m，傾角及方位角分別為-4°、314°，鉆孔間距10 m，1號鉆孔位于膠帶巷21點南側7 m位置。

第2次探測鉆孔在第1次探測資料基礎上用以精準掌握斷層落差，共計布置6個鉆孔，鉆孔方位角一致，傾角、位置有所差異，具體鉆孔布置參數見表1。

表1 第2次探測鉆孔設計參數

2.2 鉆孔施工質量及安全措施

1）施工鉆機開孔高度與設計高度間誤差控制在±50 mm內，方位角（傾角）誤差控制在±1°內。

2）當鉆孔施工過程中遇到瓦斯異常涌出，頂鉆、卡鉆等問題時，由通防部、地測部制定相應技術措施后再按措施鉆進。

3）鉆孔施工過程中應準確記錄鉆孔鉆進進尺與鉆進層位間關系，為后續確定斷層參數以及采面過斷層后煤層層位提供基礎資料。

4）該探測區域煤層底板標高為510～525 m,附近的奧灰3號水文孔水位標高為630 m,承受奧灰水壓強為1.05～1.20 MPa，為確保安全,依據《煤礦防治水細則》相關規定，在鉆孔孔口埋設長度15 m的止水套管、閥門，并注漿試壓，壓力要求達到3 MPa，時間15 min。試壓完成并達到要求后，方可鉆進。

5）根據現場實際鉆探情況，地測部可及時調整鉆孔參數,并通知施工隊組。未經地測部允許，不可擅自更改設計。

3 鉆探成果分析

3.1 探測鉆孔鉆進施工

探測鉆孔在W4307膠帶順槽里程2 027～2 102 m巷道西幫施工，共計鉆孔24個，累計施工3 104 m。部分鉆孔施工參數及揭露煤巖層情況見表2。

表2 探測鉆孔施工參數及揭露煤巖層情況

具體各鉆孔施工情況為：

1號鉆孔在鉆進96 m后見巖，其后至鉆進接收均在巖層中鉆進；2號鉆孔鉆進122 m后見巖，其后均在巖層中鉆進；3-6號鉆孔鉆進至147、126、127、133 m前均在煤層中鉆進，后在巖層中鉆進。通過分析鉆孔鉆進情況，發現1-6號鉆孔均未探測到F w159逆斷層。

7號鉆孔在120 m內均在煤層中鉆進，120～122 m在巖層中鉆進，122～150 m在煤層中鉆進，預計7號鉆孔揭露F w159逆斷層。為此在7號鉆孔旁1、5、5.6 m位置分別7-1號、7-2號、7-3號鉆孔，其中7-1號鉆孔（方位角314°、傾角0°、孔深140m）在120 m以內均在煤層中鉆進，120～140 m范圍內在巖層中鉆進；其中7-2號鉆孔（方位角300°、傾角-4°、孔深70 m）在22 m以內均在煤層中鉆進，22～70 m范圍內在巖層中鉆進；其中7-3號鉆孔（方位角300°、傾角-2°、孔深141 m）在141 m以內均在煤層中鉆進。

8號鉆孔實際鉆進深度為69 m，其中25 m以內均在煤層中鉆進，25～69 m均在巖層中鉆進。根據鉆探結果顯現8號孔揭露F w159逆斷層，為此變更鉆探設計，在8號鉆孔旁1.0、2.0、1.4、2.4 m位置分別布置8-1、8-2、8-3、8-4號鉆孔，其中8-1號鉆孔（方位角314°、傾角0°、孔深96 m）在55 m以內均在煤層中鉆進，55～96 m范圍內在巖層中鉆進；8-2號鉆孔（方位角300°、傾角3°、孔深96 m）在55 m以內均在煤層中鉆進，55～96 m范圍內在巖層中鉆進；8-3號鉆孔（方位角300°、傾角5°、孔深96 m）在35 m以內均在煤層中鉆進，35～96 m范圍內在巖層中鉆進；8-4號鉆孔（方位角300°、傾角-4°、孔深148.5 m）在51 m以內均在煤層中鉆進，51～62 m在巖層中鉆進，62～148.5 m在煤層中鉆進，鉆孔在鉆進至148.5 m有水涌出，涌水量在15 m3/h。具體8號探測鉆孔揭露斷層剖面圖見圖3。

圖3 8號探測鉆孔揭露斷層剖面圖

3.2 探測成果分析

3.2.1 斷層參數

本次鉆探中8-4號孔探測到F w159斷層面位置，通過分析，預計該斷層在探明位置處傾角51°，落差6.5 m，走向北偏西37°，該斷層局部導水。

W4307進風順槽里程2 144 m，回風順槽里程1 556 m，揭露F w159逆斷層（H=18 m，65°∠51°）。本次探測于8號孔位置（8、8-1、8-2、8-3、8-4號）探測到F w159逆斷層，該斷層發育至W4307膠帶順槽里程2 025 m向西50 m處（H=6.5 m，37°∠51°）。

本次探測僅8-4號孔出水，初始水量15 m3/h，最大水量30 m3/h，實測水壓1.2 MPa。該斷層為區域階段性導水斷層，在W4307進、回風側不導水，但在工作面內導水且出水鉆孔水壓較高。

3.2.2 隔水煤柱寬度確定

根據《煤礦防治水細則》中，關于含水或者導水斷層防隔水煤（巖）柱的留設經驗公式：

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

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

4 結語

1）進風順槽里程2 144 m、回風順槽里程1 556 m范圍內F w159逆斷層參數為走向N25°W、傾向N65°E、傾角51°、落差18 m；采用鉆探法探測發現該斷層發育至W4307膠帶順槽里程2 025 m向西50 m處斷層參數為走向N37°W、傾向N53°E、傾角51°、落差6.5 m，且斷層具有導水性。

2）在膠帶20點南45 m位置（膠帶巷里程2 008 m）施工的8-4號探測孔初始水量15 m3/h，最大水量30 m3/h，實測水壓1.2 MPa。采用理論計算得出防隔水煤（巖）柱留設寬度為52 m，為保證安全，建議留設60 m的防隔水煤柱。并建議W4307工作面回風順槽里程1 497～1 656 m，膠帶順槽里程1 927～2 086 m范圍內煤層停止回采