煤礦地面區(qū)域治理鉆孔對(duì)大型斷層探查的應(yīng)用研究

任松濤

（1.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；2.河北省礦井微震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054000，3.河北省礦井物探工程研究中心，河北 邢臺(tái) 054000）

1 概 況

目前煤礦對(duì)于大型斷層探查方法主要是三維地震勘探和地質(zhì)勘探孔，三維地震勘探是通過人為爆破，產(chǎn)生地震波，地震波遇巖層界面反射回來被檢波器接收并傳到儀器車，儀器車將檢波器傳來的信號(hào)記錄下來，然后通過計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，排除干擾和無效信號(hào)，得到地震剖面或三維數(shù)據(jù)體文件，據(jù)此得到斷層的邊界以及斷層的產(chǎn)狀。但是由于解釋人員對(duì)數(shù)據(jù)分析理解能力不同以及人的主觀意識(shí)影響，做出的剖面和文件有一定的偏差，而且結(jié)果都是數(shù)據(jù)分析所得，沒有具體的實(shí)物依據(jù)，因此三維地震探查法只能作為粗略探查方法，斷層的具體參數(shù)還需要配合其他探查方法。

地質(zhì)勘探孔探查斷層一般會(huì)根據(jù)三維地震資料，在地面斷層帶附近有目的的布置鉆孔，地質(zhì)鉆孔一般會(huì)取芯鉆進(jìn)，對(duì)于地層的判斷會(huì)比較直觀和準(zhǔn)確，是一種比較有效的探查斷層的方法。但地質(zhì)鉆孔都是直孔，往往需要布置大量的鉆孔才能對(duì)斷層做到詳細(xì)的探查，工程量和所投入的資金比較大，而且鉆孔布置短缺或者不合理還會(huì)造成資料的缺失，對(duì)斷層的探查結(jié)果造成一定的影響。

近年來地面區(qū)域治理技術(shù)逐漸成熟，鉆孔可以人為設(shè)置進(jìn)行定向鉆進(jìn)，可以在一個(gè)分支上側(cè)鉆施工多個(gè)鉆孔。把該項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用到斷層探查工程上來，可以布置多個(gè)分支孔對(duì)斷層進(jìn)行全方位探查，根據(jù)鉆探返出巖粉和隨鉆伽馬儀數(shù)據(jù)判斷地層的邊界和產(chǎn)狀，鉆進(jìn)過程中根據(jù)是否有漏失判斷該斷層是否導(dǎo)水，對(duì)于漏失點(diǎn)還可以進(jìn)行地面注漿，對(duì)斷層進(jìn)一步治理改造。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 地面區(qū)域治理鉆孔對(duì)斷層邊界的探查

2.1.1 設(shè)計(jì)方案

梧桐莊礦邊界斷層F5 根據(jù)建井三維地震勘探資料顯示斷層產(chǎn)狀H=420 m∠65°，由于礦井生產(chǎn)需求，需要在斷層附近布置工作面182411 工作面，因此需要進(jìn)一步探查該斷層的邊界，計(jì)算留設(shè)防水煤柱，為工作面的設(shè)計(jì)布置提供準(zhǔn)確的資料。

利用地面區(qū)域治理定向鉆孔對(duì)該斷層邊界進(jìn)行探查，設(shè)計(jì)施工9 個(gè)定向分支孔，分支鉆孔水平鉆進(jìn)層位為奧灰頂面以下25～30 m 鉆進(jìn)，從斷層下盤揭露斷層，根據(jù)巖粉和隨鉆伽馬值變化來確定是否揭露斷層，鉆孔設(shè)計(jì)進(jìn)入斷層帶15～50 m，直至確認(rèn)揭露斷層為止。F5 斷層探查孔平面涉及如圖1 所示。

圖1 F5 斷層探查孔平面設(shè)計(jì)圖Fig.1 F5 fracture exploration hole plane design

2.1.2 施工情況

設(shè)計(jì)的9 個(gè)分支孔施工過程中均揭露斷層，揭露斷層時(shí)返出巖粉巖性不均，但大多數(shù)為砂巖，少量夾雜泥巖。隨鉆伽馬值A(chǔ)PI 在30～60，根據(jù)巖性和伽馬值判斷，所有鉆孔均揭露斷層，且能確定揭露斷層位置。揭露斷層時(shí)漏失量0.2～0.6 m3/h，說明該斷層在邊界處導(dǎo)水性較差。具體施工情況見表1。

表1 F5 斷層探查孔揭露斷層數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Fracture data statistics exposed by F5 fracture exploration hole

由于該斷層落差比較大，設(shè)計(jì)的鉆孔以探查斷層邊界為主，鉆孔確認(rèn)揭露斷層即可終孔。根據(jù)鉆探實(shí)時(shí)資料進(jìn)行上圖，繪制鉆孔剖面圖，如圖2所示。

圖2 注18-2-4 孔剖面圖Fig.2 Grouting 18-2-4 hole profile

2.1.3 施工總結(jié)

根據(jù)設(shè)計(jì)施工的9 個(gè)分支孔的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，判斷該斷層導(dǎo)水性較差，對(duì)附近的工作面水害威脅比較小。根據(jù)每個(gè)孔揭露斷層位置的實(shí)際位置計(jì)算斷層在2 號(hào)煤工程施工平面圖上的位置，繪制了斷層下盤邊界（圖3），為182411 工作面的布置提供了可靠的資料。

圖3 F5 斷層探查孔平面成果Fig.3 F5 fracture exploration hole plane result

2.2 地面區(qū)域治理鉆孔對(duì)斷層落差的探查

2.2.1 設(shè)計(jì)目的

梧桐莊礦182806 工作面為八采區(qū)南部設(shè)計(jì)首采工作面，工作面位于F13 斷層上盤，F(xiàn)13 斷層落差30~180 m。182806 回風(fēng)順槽靠近斷層防水煤柱掘進(jìn)，由于斷層控制程度較低，斷層走向和傾角的變化有可能造成巷道掘進(jìn)期間誤揭導(dǎo)水構(gòu)造，造成突水，因此需提前對(duì)F13 發(fā)育情況進(jìn)行探查，核實(shí)防水煤柱尺寸。

2.2.2 設(shè)計(jì)方案

首先施工注13 探2 孔組，由注13 探2、注13探2-1、注13 探2-2 孔組成，其軌跡在近同一剖面內(nèi)，鉆探剖面穿過F13、F26 斷層帶，目的為探明斷層位置及落差（圖4）。后續(xù)施工注13 探1 孔組與上一組孔不同方位，該組孔由注13 探1、注13 探1-1、注13 探1-2 孔組成，其軌跡在近同一剖面內(nèi)，鉆探剖面穿過F13、F26 斷層帶，目的為探明斷層走向、位置、落差，驗(yàn)證注13 探2 孔組探查結(jié)果，并結(jié)合探查資料綜合分析斷層。

圖4 注13 探2 孔組平面布置Fig.4 Grouting 13 exploring 2 hole group plane layout

2.2.3 施工概況

注13 探1 孔組、2 孔組施工成果如圖5、圖6所示。根據(jù)注13 探2 孔井組鉆探成果，孔組至少揭露3 條斷層。在鉆遇F13~F26 斷層帶前，分別鉆遇2 條斷層，落差分別為9 m 和11 m。因軌跡難以實(shí)現(xiàn)，注13 探2 孔組未能直接揭露F13~F26斷層下盤標(biāo)志層，結(jié)合昱武煤礦地質(zhì)資料，可基本確定F13~F26 斷層帶落差約為200 m。根據(jù)注13探1 孔組鉆探成果，并結(jié)合昱武煤礦地質(zhì)資料分析，鉆孔直接揭露了3 條正斷層，斷距依次為14、40、261 m。

圖5 注13 探2 孔組施工成果剖面圖Fig.5 Grouting 13 exploring 2 hole group construction results profile

圖6 注13 探1 孔組施工成果剖面圖Fig.6 Grouting 13 exploring 1 hole group construction results profile

2.2.4 施工總結(jié)

綜上所述綜合梧桐莊煤礦24、26、22 號(hào)勘探線資料，注13 探1 孔組、注13 探2 孔組、注19孔和昱武煤礦地質(zhì)資料分析，認(rèn)為八采區(qū)西側(cè)斷層帶為一條北東—南西走向，南東傾向，落差為200~60 m 的正斷層，及一系列相似產(chǎn)狀的次級(jí)正斷層（落差40 m 以下） 和拖曳構(gòu)成的復(fù)合階梯狀斷層，并且通過探查基本確定了F13 斷層實(shí)際平面位置向西北方向偏移約50 m。F13 斷層探查成果如圖7 所示，圖中深色線為探查后的斷層平面位置，淺色線為原勘探資料分析的位置。

圖7 F13 斷層探查成果平面圖Fig.7 F13 fracture exploration results plane diagram

3 結(jié) 語

地面區(qū)域治理鉆孔布置靈活方便，可以根據(jù)實(shí)際需要定向鉆進(jìn)，鉆取資料比較直觀準(zhǔn)確。在梧桐莊礦進(jìn)行的兩例工程實(shí)踐表明，地面區(qū)域治理鉆孔可以對(duì)大型斷層做到精準(zhǔn)的探查，為煤礦采掘工作提供可靠的資料。