煤矿地面区域治理钻孔对大型断层探查的应用研究

任松涛

（1.河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000；2.河北省矿井微震重点实验室，河北 邢台 054000，3.河北省矿井物探工程研究中心，河北 邢台 054000）

1 概 况

目前煤矿对于大型断层探查方法主要是三维地震勘探和地质勘探孔，三维地震勘探是通过人为爆破，产生地震波，地震波遇岩层界面反射回来被检波器接收并传到仪器车，仪器车将检波器传来的信号记录下来，然后通过计算机对接收到的信号进行分析处理，排除干扰和无效信号，得到地震剖面或三维数据体文件，据此得到断层的边界以及断层的产状。但是由于解释人员对数据分析理解能力不同以及人的主观意识影响，做出的剖面和文件有一定的偏差，而且结果都是数据分析所得，没有具体的实物依据，因此三维地震探查法只能作为粗略探查方法，断层的具体参数还需要配合其他探查方法。

地质勘探孔探查断层一般会根据三维地震资料，在地面断层带附近有目的的布置钻孔，地质钻孔一般会取芯钻进，对于地层的判断会比较直观和准确，是一种比较有效的探查断层的方法。但地质钻孔都是直孔，往往需要布置大量的钻孔才能对断层做到详细的探查，工程量和所投入的资金比较大，而且钻孔布置短缺或者不合理还会造成资料的缺失，对断层的探查结果造成一定的影响。

近年来地面区域治理技术逐渐成熟，钻孔可以人为设置进行定向钻进，可以在一个分支上侧钻施工多个钻孔。把该项技术运用到断层探查工程上来，可以布置多个分支孔对断层进行全方位探查，根据钻探返出岩粉和随钻伽马仪数据判断地层的边界和产状，钻进过程中根据是否有漏失判断该断层是否导水，对于漏失点还可以进行地面注浆，对断层进一步治理改造。

2 应用实例

2.1 地面区域治理钻孔对断层边界的探查

2.1.1 设计方案

梧桐庄矿边界断层F5 根据建井三维地震勘探资料显示断层产状H=420 m∠65°，由于矿井生产需求，需要在断层附近布置工作面182411 工作面，因此需要进一步探查该断层的边界，计算留设防水煤柱，为工作面的设计布置提供准确的资料。

利用地面区域治理定向钻孔对该断层边界进行探查，设计施工9 个定向分支孔，分支钻孔水平钻进层位为奥灰顶面以下25～30 m 钻进，从断层下盘揭露断层，根据岩粉和随钻伽马值变化来确定是否揭露断层，钻孔设计进入断层带15～50 m，直至确认揭露断层为止。F5 断层探查孔平面涉及如图1 所示。

图1 F5 断层探查孔平面设计图Fig.1 F5 fracture exploration hole plane design

2.1.2 施工情况

设计的9 个分支孔施工过程中均揭露断层，揭露断层时返出岩粉岩性不均，但大多数为砂岩，少量夹杂泥岩。随钻伽马值API 在30～60，根据岩性和伽马值判断，所有钻孔均揭露断层，且能确定揭露断层位置。揭露断层时漏失量0.2～0.6 m3/h，说明该断层在边界处导水性较差。具体施工情况见表1。

表1 F5 断层探查孔揭露断层数据统计Table 1 Fracture data statistics exposed by F5 fracture exploration hole

由于该断层落差比较大，设计的钻孔以探查断层边界为主，钻孔确认揭露断层即可终孔。根据钻探实时资料进行上图，绘制钻孔剖面图，如图2所示。

图2 注18-2-4 孔剖面图Fig.2 Grouting 18-2-4 hole profile

2.1.3 施工总结

根据设计施工的9 个分支孔的实时数据，判断该断层导水性较差，对附近的工作面水害威胁比较小。根据每个孔揭露断层位置的实际位置计算断层在2 号煤工程施工平面图上的位置，绘制了断层下盘边界（图3），为182411 工作面的布置提供了可靠的资料。

图3 F5 断层探查孔平面成果Fig.3 F5 fracture exploration hole plane result

2.2 地面区域治理钻孔对断层落差的探查

2.2.1 设计目的

梧桐庄矿182806 工作面为八采区南部设计首采工作面，工作面位于F13 断层上盘，F13 断层落差30~180 m。182806 回风顺槽靠近断层防水煤柱掘进，由于断层控制程度较低，断层走向和倾角的变化有可能造成巷道掘进期间误揭导水构造，造成突水，因此需提前对F13 发育情况进行探查，核实防水煤柱尺寸。

2.2.2 设计方案

首先施工注13 探2 孔组，由注13 探2、注13探2-1、注13 探2-2 孔组成，其轨迹在近同一剖面内，钻探剖面穿过F13、F26 断层带，目的为探明断层位置及落差（图4）。后续施工注13 探1 孔组与上一组孔不同方位，该组孔由注13 探1、注13 探1-1、注13 探1-2 孔组成，其轨迹在近同一剖面内，钻探剖面穿过F13、F26 断层带，目的为探明断层走向、位置、落差，验证注13 探2 孔组探查结果，并结合探查资料综合分析断层。

图4 注13 探2 孔组平面布置Fig.4 Grouting 13 exploring 2 hole group plane layout

2.2.3 施工概况

注13 探1 孔组、2 孔组施工成果如图5、图6所示。根据注13 探2 孔井组钻探成果，孔组至少揭露3 条断层。在钻遇F13~F26 断层带前，分别钻遇2 条断层，落差分别为9 m 和11 m。因轨迹难以实现，注13 探2 孔组未能直接揭露F13~F26断层下盘标志层，结合昱武煤矿地质资料，可基本确定F13~F26 断层带落差约为200 m。根据注13探1 孔组钻探成果，并结合昱武煤矿地质资料分析，钻孔直接揭露了3 条正断层，断距依次为14、40、261 m。

图5 注13 探2 孔组施工成果剖面图Fig.5 Grouting 13 exploring 2 hole group construction results profile

图6 注13 探1 孔组施工成果剖面图Fig.6 Grouting 13 exploring 1 hole group construction results profile

2.2.4 施工总结

综上所述综合梧桐庄煤矿24、26、22 号勘探线资料，注13 探1 孔组、注13 探2 孔组、注19孔和昱武煤矿地质资料分析，认为八采区西侧断层带为一条北东—南西走向，南东倾向，落差为200~60 m 的正断层，及一系列相似产状的次级正断层（落差40 m 以下） 和拖曳构成的复合阶梯状断层，并且通过探查基本确定了F13 断层实际平面位置向西北方向偏移约50 m。F13 断层探查成果如图7 所示，图中深色线为探查后的断层平面位置，浅色线为原勘探资料分析的位置。

图7 F13 断层探查成果平面图Fig.7 F13 fracture exploration results plane diagram

3 结 语

地面区域治理钻孔布置灵活方便，可以根据实际需要定向钻进，钻取资料比较直观准确。在梧桐庄矿进行的两例工程实践表明，地面区域治理钻孔可以对大型断层做到精准的探查，为煤矿采掘工作提供可靠的资料。