顧北煤礦巖溶陷落柱-斷層-裂隙屬性再造技術研究

穆金霞

(中國煤炭地質總局第一水文地質隊，河北 邯鄲 056004)

華北型煤田礦井水文地質條件復雜，礦井突水具有破壞性大、突發性強等特點，受采掘擾動及深部導水構造探查不準的影響，常常造成重大財產損失和人員傷亡[1-3]。 如2009年1月8日12時25分，峰峰集團九龍礦15423 N工作面在掘進過程中發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工作面下巷掘進至750 m處時發生隱伏陷落柱突水，最大峰值突水量在7 000 m3/h以上[5]。 近幾年，淮南礦區相鄰礦井多次揭露過陷落柱，三維地震二次精細解釋又發現多個疑似陷落柱，曾發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46分，淮南礦業有限責任公司潘二煤礦12123工作面底板聯絡巷掘進過程中發生了煤層底板奧陶系灰巖突水事故，最大突水量14 520 m3/h，造成礦井被淹。通過三維地震和鉆探驗證的手段查明突水構造為一隱伏導水陷落柱[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性與安全生產之間的矛盾愈發突出。為此我國技術工作者在總結多年防治水經驗教訓的基礎上，探索出了一種利用水平定向鉆進技術探查隱伏構造并加以超前注漿治理，對煤層底板高承壓灰巖含水層進行注漿改造的煤礦防治水技術手段[9-12]，通過注漿技術對深部煤層構造屬性進行再造，有效改變構造活化性和危害性。目前常用的構造屬性再造方法有斷層的注漿堵水、水閘墻封堵突水點、陷落柱定向封堵，構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2#陷落柱與一條斷距12 m的無名斷層共同發育，通過順層分支雙層注漿模式對陷落柱、斷層及裂隙屬性進行改造，經驗證效果良好。

顧北煤礦位于淮南煤田潘謝礦區西北部，隸屬淮浙煤電有限責任公司，是國家以及安徽省重點企業之一，生產能力為4.0 Mt/a，煤炭地質儲量4 003.9萬t，可采儲量2 330.2萬t。2013年7月，顧北煤礦在三維地震二次解釋中發現了位于北一1煤層采區的2#疑似巖溶陷落柱，隨后開展地面專項探查，確定了2#疑似陷落柱為2#陷落柱，具有垂向強導水性、水平微弱滲透的特點。為保證1煤層安全開采，按照《煤礦防治水細則》(煤安監調查〔2018〕14號)[13]及淮南礦業集團相關文件要求，顧北煤礦于2018年啟動北一與中央1煤層采區開采底板灰巖水害地面區域探查治理工程，對2#陷落柱影響區實施地面注漿治理，于陷落柱頂端影響區形成“保護傘”，隔斷奧陶系灰巖與太原組灰巖間水力聯系。該工程是針對井下探查施工安全難以保障、小型陷落柱及構造難以探明等難題而采取的一種主動防御防治水技術[14]。

1 研究區水文地質條件

研究區為全隱伏煤田，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巖和奧陶系灰巖[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組灰巖、C3Ⅱ組灰巖、C3Ⅲ組灰巖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巖層間隔水層和本溪組。太原組灰巖巖溶裂隙含水層共含灰巖13層，其中，C3Ⅰ組灰巖含水層富水性弱～中等、C3Ⅱ組灰巖含水層富水性弱、C3Ⅲ組灰巖含水層富水性弱～中等。奧陶系灰巖為巨厚承壓含水層，水頭壓力大，富水性弱～中等。綜上所述，開采過程中鉆遇隱伏構造的情況下，太原組灰巖裂隙水和奧陶系灰巖承壓水對1煤層開采構成一定影響[15]。

2 物探+垂直鉆探探查成果評價

2.1 三維地震探查

2013年7月，中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司對北一1煤層采區三維地震勘探成果進行二次精細解釋，發現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明顯的錯斷、下拉，平面上呈現近圓形的特征(圖2)。

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

2.2 地面專項探查

2014—2015年顧北煤礦實施了2#疑似陷落柱地面專項探查工程，采用地面垂直鉆探技術施工8個鉆孔，探查確定了2#陷落帶頂部發育在C312灰，基底位于寒灰。此外，還查明了2#陷落帶平面形態近似橢圓型，長軸走向為NE向，空間形態為“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 區域超前順層分支探查治理效果評價

3.1 區域超前探查治理技術方案

1) 主體思想。在2#陷落柱影響區治理范圍內實施上下探查、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灰對應深度層位，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。通過巖屑中發現水泥位置分析注漿擴散半徑，設置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施工，N9孔組由陷落柱外側向中心施工，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價

1) 綜合錄井。各分支孔施工過程中，將巖屑錄井、伽馬錄井、鉆時錄井成果匯總，綜合判定鉆遇地層、構造等。根據綜合錄井成果顯示陷落柱內發育一條落差為12 m的無名斷層(圖5)。

圖5 綜合錄井對比圖Fig.5 Comparison diagram of comprehensive recording wells

2) 簡易水文觀測。鉆井漏失量監控結果表明：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，最大漏失量分別達到了1.55 m3/h、1.46 m3/h、1.69 m3/h(表1)。綜合分析表明2號陷落柱體內巖層破碎，裂隙發育，已活化。

表1 消耗量統計表Table 1 Consumption statistics

3) 鉆進。C39灰目的層首個施工N8-4孔鉆進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。鉆進至2#陷落柱影響范圍帶邊緣，孔深1 221.36 m時，突然發生沖洗液失返全漏現象，孔口壓力7 MPa。C33下灰目的層施工的N9孔組首個施工N9主孔的漏失量最大，達到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孔組自第二個分支孔起均開始出現局部孔段涌水現象，自第5個分支孔開始，所有分支孔全孔段均出現涌水現象，且隨著施工分支孔數量增加、注漿量增多，涌水量呈小幅增大趨勢，但均未超過3 m3/h，說明目的層上下水力聯系較弱，注漿治理效果明顯，地層裂隙已經得到充填。

4) 壓水試驗。對N8孔組進行2次分段壓水試驗及14次終孔壓水試驗，試驗結果表明N8-4孔、N8-5孔揭露陷落柱。N8-4孔第1次終孔壓水試驗壓力為0 MPa，第2次透孔至1 212.00 m(陷落柱邊緣)發生全漏，N8-5孔終孔壓水試驗壓力為0 MPa，其余各孔壓水試驗實測吸水率介于0.000 7～0.008 3 L/(min·m·m)之間(圖6)，說明2#陷落柱影響帶中心區域巖石極破碎，裂隙極發育。

圖6 N8孔組注漿前后吸水率對比圖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注漿前起始壓力逐漸升高至7 MPa(圖7)，由此分析可知陷落柱中心地層相對破碎、裂隙發育程度高。

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

綜上所述，通過對綜合錄井、簡易水文觀測、壓水試驗等資料分析可知，2#陷落柱影響帶橫向導水性強，垂向導水性弱，發現2#陷落帶內發育一條落差12 m的無名斷層。

3.3 屬性再造效果評價

1) 注漿結束評價。各分支孔注漿終壓均大于奧灰靜水壓力1.5倍，最大達到了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，遠小于設計要求的0.01 L/(min·m·m)，各分支孔均達到設計注漿結束標準。

2) 壓水試驗驗證。對注后壓水單位吸水率與注前壓水單位吸水率數據進行對比分析(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，均未發生串漿現象，說明C33下灰與C39灰之間主要垂向裂隙已經被充填或者垂向裂隙不發育，地層較為完整，上下裂隙聯通性較差，注漿治理效果得到驗證。

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孔單位吸漿量僅有8.37 t/m，說明后期施工的鉆孔很好地驗證了前期施工的注漿效果，其治理區裂隙已得到較好充填。

5) 返出巖屑驗證。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時返出巖屑中一直夾雜著大量水泥碎屑，而且鉆進速度同比相對較慢。故水泥漿充填地層裂隙較好，注漿效果得到驗證。

6) 驗證孔。為了進一步對前期注漿治理效果進行驗證并鞏固注漿效果，特別對N8-5孔和N9主孔進行透孔復注兼作驗證孔。 透孔后注漿前壓水試驗數據顯示，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#陷落柱治理區范圍內地層裂隙填充加固較好，達到注漿治理目的，注漿質量合格。

4 結 論

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

2) 注漿治理目的層選擇應綜合分析研究區水文地質條件，2#陷落柱影響區治理目的層位為上層C33下灰和下層C39灰，實施上下探查、雙層注漿治理的模式，并提出了構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、順層分支鉆探技術，探明了疑似陷落柱和伴生斷層，根據隱伏構造復雜程度，采用順層分支雙層注漿技術對陷落柱-斷層-裂隙進行改造，經檢驗效果良好。