高河能源W4307工作面F w159逆断层精细钻探技术研究

刘 瀑

（山西高河能源有限公司，山西 长治 047100）

0 引言

随着矿井开采深部的不断增加、煤炭赋存条件更趋复杂，煤炭在开采会受到各类地质构造影响，从而给巷道掘进、煤炭回采等造成影响[1-3]。对煤炭开采时可能遇到的地质构造进行精细化探测对可为矿井安全生产提供指导[4]。现阶段矿井常用的地质构造探测手段主要分物探、钻探2类，其中物探以CT成像、三维地震、瞬变电磁、无线电坑透以及槽波地震等为代表。物探具有探测范围广、效率高等优点，但是也存在探测精度有待提高问题[5-7]。为此，文中以高河能源W4307工作面F w159逆断层探测为工程背景，在物探技术上采用钻探技术详细对断层参数进行探测，以期能在一定程度上指导采面煤炭开采。

1 工程概况

高河能源W4307工作面设计回采长度2 304 m，开采的3号煤层厚度平均6.5 m、在距离底板约1.15 m位置有厚度0.18 m的炭质泥岩加矸。W4307采面生产采用两进一回通风方式，进风巷、胶带巷进风，回风巷回风。在进、回风巷掘进期间揭露有F w159逆断层，胶带掘进期间并未揭露该断层。

根据三维地震资料显示，F w159逆断层位于W4307工作面,断层性质为逆断层，切断3、15号煤，断层走向N7°W，倾向N83°E，倾角30°～58°，3、15号煤层断层落差0～20 m，延展长度约1 630 m。根据电法资料显示，F w159逆断层在K2灰岩、奥灰顶界面、奥灰顶界面下50、100 m层位中均为局部富水，在其他主要含水层中均不富水，推断其在K2-奥灰顶界下100 m层位之间局部导水的可能性较大。

为探明F w159逆断层在W4307工作面发育情况、富水性及导水性，需进行详细钻探。

2 钻探设计

2.1 钻孔施工位置

综合物探以及采面进、回风巷揭露断层参数，在W4307胶带巷内布置探测钻孔对F w159逆断层进行精细化探测。整个探测过程共分2次进行，第1次钻探垂直于巷道西帮（1-10号孔），旨在探明断层位置及走向（有3个钻孔探测到断层位置即可确定断层走向）；第2次钻探在第1次钻探探明断层位置及走向的基础上，垂直于断层走向布置（11号—13-1号孔），旨在探明该断层落差。具体第1次、第2次探测钻孔布置见图1、图2所示。

图2 探测钻孔剖面图

具体第1次探测钻孔主要用以探测F w159逆断层走向，布置10个钻孔（编号1-10号），孔深、方位角、倾角等参数均一致，进布置位置有差异。孔深均为150 m，倾角及方位角分别为-4°、314°，钻孔间距10 m，1号钻孔位于胶带巷21点南侧7 m位置。

第2次探测钻孔在第1次探测资料基础上用以精准掌握断层落差，共计布置6个钻孔，钻孔方位角一致，倾角、位置有所差异，具体钻孔布置参数见表1。

表1 第2次探测钻孔设计参数

2.2 钻孔施工质量及安全措施

1）施工钻机开孔高度与设计高度间误差控制在±50 mm内，方位角（倾角）误差控制在±1°内。

2）当钻孔施工过程中遇到瓦斯异常涌出，顶钻、卡钻等问题时，由通防部、地测部制定相应技术措施后再按措施钻进。

3）钻孔施工过程中应准确记录钻孔钻进进尺与钻进层位间关系，为后续确定断层参数以及采面过断层后煤层层位提供基础资料。

4）该探测区域煤层底板标高为510～525 m,附近的奥灰3号水文孔水位标高为630 m,承受奥灰水压强为1.05～1.20 MPa，为确保安全,依据《煤矿防治水细则》相关规定，在钻孔孔口埋设长度15 m的止水套管、阀门，并注浆试压，压力要求达到3 MPa，时间15 min。试压完成并达到要求后，方可钻进。

5）根据现场实际钻探情况，地测部可及时调整钻孔参数,并通知施工队组。未经地测部允许，不可擅自更改设计。

3 钻探成果分析

3.1 探测钻孔钻进施工

探测钻孔在W4307胶带顺槽里程2 027～2 102 m巷道西帮施工，共计钻孔24个，累计施工3 104 m。部分钻孔施工参数及揭露煤岩层情况见表2。

表2 探测钻孔施工参数及揭露煤岩层情况

具体各钻孔施工情况为：

1号钻孔在钻进96 m后见岩，其后至钻进接收均在岩层中钻进；2号钻孔钻进122 m后见岩，其后均在岩层中钻进；3-6号钻孔钻进至147、126、127、133 m前均在煤层中钻进，后在岩层中钻进。通过分析钻孔钻进情况，发现1-6号钻孔均未探测到F w159逆断层。

7号钻孔在120 m内均在煤层中钻进，120～122 m在岩层中钻进，122～150 m在煤层中钻进，预计7号钻孔揭露F w159逆断层。为此在7号钻孔旁1、5、5.6 m位置分别7-1号、7-2号、7-3号钻孔，其中7-1号钻孔（方位角314°、倾角0°、孔深140m）在120 m以内均在煤层中钻进，120～140 m范围内在岩层中钻进；其中7-2号钻孔（方位角300°、倾角-4°、孔深70 m）在22 m以内均在煤层中钻进，22～70 m范围内在岩层中钻进；其中7-3号钻孔（方位角300°、倾角-2°、孔深141 m）在141 m以内均在煤层中钻进。

8号钻孔实际钻进深度为69 m，其中25 m以内均在煤层中钻进，25～69 m均在岩层中钻进。根据钻探结果显现8号孔揭露F w159逆断层，为此变更钻探设计，在8号钻孔旁1.0、2.0、1.4、2.4 m位置分别布置8-1、8-2、8-3、8-4号钻孔，其中8-1号钻孔（方位角314°、倾角0°、孔深96 m）在55 m以内均在煤层中钻进，55～96 m范围内在岩层中钻进；8-2号钻孔（方位角300°、倾角3°、孔深96 m）在55 m以内均在煤层中钻进，55～96 m范围内在岩层中钻进；8-3号钻孔（方位角300°、倾角5°、孔深96 m）在35 m以内均在煤层中钻进，35～96 m范围内在岩层中钻进；8-4号钻孔（方位角300°、倾角-4°、孔深148.5 m）在51 m以内均在煤层中钻进，51～62 m在岩层中钻进，62～148.5 m在煤层中钻进，钻孔在钻进至148.5 m有水涌出，涌水量在15 m3/h。具体8号探测钻孔揭露断层剖面图见图3。

图3 8号探测钻孔揭露断层剖面图

3.2 探测成果分析

3.2.1 断层参数

本次钻探中8-4号孔探测到F w159断层面位置，通过分析，预计该断层在探明位置处倾角51°，落差6.5 m，走向北偏西37°，该断层局部导水。

W4307进风顺槽里程2 144 m，回风顺槽里程1 556 m，揭露F w159逆断层（H=18 m，65°∠51°）。本次探测于8号孔位置（8、8-1、8-2、8-3、8-4号）探测到F w159逆断层，该断层发育至W4307胶带顺槽里程2 025 m向西50 m处（H=6.5 m，37°∠51°）。

本次探测仅8-4号孔出水，初始水量15 m3/h，最大水量30 m3/h，实测水压1.2 MPa。该断层为区域阶段性导水断层，在W4307进、回风侧不导水，但在工作面内导水且出水钻孔水压较高。

3.2.2 隔水煤柱宽度确定

根据《煤矿防治水细则》中，关于含水或者导水断层防隔水煤（岩）柱的留设经验公式：

式中：L为煤柱留设的宽度，m；K为安全系数，取5；M为采高，取6.88 m；Kp为煤的抗拉强度，取0.394 MPa；P为水头压力，取1.2 MPa。

计算得出煤柱留设宽度L为52 m，为保证安全，建议留设60 m的防隔水煤柱。即W4307工作面回风顺槽里程1 497～1 656 m，胶带顺槽里程1 927～2 086 m范围内受断层影响，存在突水危险，为确保采面回采安全，建议该区域内煤层停止回采。

4 结语

1）进风顺槽里程2 144 m、回风顺槽里程1 556 m范围内F w159逆断层参数为走向N25°W、倾向N65°E、倾角51°、落差18 m；采用钻探法探测发现该断层发育至W4307胶带顺槽里程2 025 m向西50 m处断层参数为走向N37°W、倾向N53°E、倾角51°、落差6.5 m，且断层具有导水性。

2）在胶带20点南45 m位置（胶带巷里程2 008 m）施工的8-4号探测孔初始水量15 m3/h，最大水量30 m3/h，实测水压1.2 MPa。采用理论计算得出防隔水煤（岩）柱留设宽度为52 m，为保证安全，建议留设60 m的防隔水煤柱。并建议W4307工作面回风顺槽里程1 497～1 656 m，胶带顺槽里程1 927～2 086 m范围内煤层停止回采