区域治理技术在矿井陷落柱探查的应用

◎ 河北冀中邯峰矿业有限公司武安郭二庄矿 陈金峰

郭二庄煤矿始建于1946年，是在民办小煤窑的基础上经过多次技术改造而逐步发展起来的国有大型煤矿。经过多年的开采，井田内2#煤资源逐渐枯竭，为了延续矿井服务年限，现开采-150m水平以上的9#煤层。目前该区域9#煤层底板至奥灰强含水层间距23.83m～37.21m，平均28.49m，为相对隔水层。-150m水平以上的9#煤层奥灰突水系数在0～0.09MPa/m之间，属于带压开采，受底板奥灰水威胁较大。

结合矿井现有已知地质资料，该区域内陷落柱构造较发育，已知发育的陷落柱有8个，均在2#煤开采过程中实际揭露的，以上陷落柱在9#煤层内的发育范围均是以2#煤层实际揭露范围按照一定的塌陷角度进行推测得出的。陷落柱是一种比较特殊地质构造，发育高度和面积大小不同，平面形状不一，且柱体中心轴复杂多变，极不规则，这就导致推测陷落柱在9#煤层内的发育范围可能存在较大偏差，对9#煤的安全开采形成潜在隐患。

因此，查明该区域内陷落柱的发育位置和范围并对其进行治理，从而避免巷道和工作面回采过程中误揭陷落柱而造成突水事故，对矿井9#煤开采的水害防治工作具有重要意义。

一、利用区域治理技术对陷落柱进行探查治理

采用地面定向钻进技术对9#煤开采区域底板进行探查和治理，将奥灰顶部25m～30m含水层段改造为相对隔水层段，在增加隔水层厚度的同时，封堵含水层导水通道，加固煤层底板薄弱地段，使突水系数值明显降低，达到安全开采的目的。区域内共设计两个主孔，分别为注1孔和注2孔，其中注1孔主要对采区北翼进行探查和治理，共设计19个分支孔，直井段348m，造斜段1212m，水平段14166m，合计钻探进尺15726m。

注1孔在钻进过程中，采用无线随钻测井系统对钻进层位进行连续测井，形成分支孔自然伽玛测井曲线成果，通过综合分析注1孔各分支孔自然伽玛测井曲线特征，结合岩粉性质，对下组煤采区北翼的陷1和陷7陷落柱发育范围进行了调整，对隐伏陷落柱发育范围进行圈定，并进行取芯验证，对陷1，陷2和陷7进行治理。

在施工过程中，注1孔1-5分支孔在孔深1190m～1273m处钻进遇陷1陷落柱。通过对1-5分支孔自然伽玛测井曲线分析，与直井奥灰段和水平奥灰段自然伽马数据对比，1-5分支孔在孔深1243m～1318.56m区间，自然伽马数据异常升高，分析判断为陷1陷落柱发育范围。

表1 1-5分支孔局部孔深与自然伽马数据对照表

结合1-5分支孔钻时录井成果，钻孔在钻进至1243m～1318.56m区间时，进度明显加快，甚至有落钻趋势，且在钻进过程中及时捞取岩屑样，以黑色泥岩为主，最高达70%且见遇盐酸不反应，进一步佐证其为陷1陷落柱发育。

图1 注1孔1-5分支局部综合柱状图

1-5分支孔在孔深1243m～1318.56m区间及附近范围漏失较频繁，分析为受钻进过程遇陷1陷落柱的影响，共漏失3次，分别为13#、14#和15#漏失点，漏失点总注浆量高达5068.62t（水泥和粉煤灰），在注浆泵量达到35L/min以下且孔口注浆压力达到5MPa后停止注浆，完成对陷1陷落柱的治理。

表2 1-5分支孔漏失点及注浆情况表

因注1孔1-5分支孔钻进水垂比已达3∶1，接近钻机钻进最大能力，施工难度加大，1-5分支孔钻进至1318.56m提前终孔。为进一步探查陷1陷落柱发育范围，并验证注浆治理效果，利用注2孔2-1-1分支孔对陷1陷落柱进行二次探查治理，2-1-1分支和1-5分支相向钻进，延长2-1-1分支继续钻进至1-5分支终孔点坐标。

同样，在施工过程中注1孔1-2-8分支孔在孔深735m处伽马值明显增高，分析判断为钻进过程遇陷7陷落柱，在扫孔过程中有塌孔埋钻风险，施工进度受阻。为加快进度，经研究决定，暂停施工1-2-8分支孔，施工1-2分支孔对陷落柱进行探查，并在施工过程中增加了1-2-F1和1-2-F2分支，进一步对陷落柱进行注浆治理。为控制陷落柱东侧发育情况，继续施工了1-2-3分支和1-2-2分支。

图2 注1孔1-2-8分支自然伽玛曲线图

二、 实施应用效果

根据1-5分支和2-1-1分支孔施工情况对陷1陷落柱范围进行了调整，调整情况如图3所示，红色范围为根据2#煤揭露情况推断的9#煤发育范围，黄色为经定向钻孔探查后的发育位置，可见调整后的陷1陷落柱的方位和形状均与推断的发育范围明显不同。

图3 陷1陷落柱调整前后对比图

根据分支孔自然伽玛曲线特征，结合钻进岩粉性质分析，陷7陷落柱实际发育范围比原推断的发育范围明显增大，中心位置向西有所偏移，如图4所示。

图4 陷7陷落柱发育位置及范围前后对比图

在综合分析陷7陷落柱的实际发育范围的基础上，考虑到区域东侧附近村庄保护煤柱和陷7陷落柱防隔水煤柱的留设，对注1孔的剩余分支孔设计进行了调整。在调整后的1-2-8（F2、F3、F4）分支孔的钻进过程均出现自然伽玛射线异常情况，如图5和图6所示，其中1-2-8-F4分支在孔深1245.80m进行了取芯验证，岩芯为砂岩，有变质特征，且滴酸无气泡反应。根据分支孔自然伽玛曲线特征，结合岩粉性质分析，在陷7陷落柱左侧发现了一隐伏陷落柱，并对其发育范围进行了圈定，陷落柱整体呈蝴蝶状，长轴长度约350m，短轴长度65m，如图5 所示。

图5 注1孔1-2-8-F3分支自然伽玛曲线图

图6 注1孔1-2-8-F4分支自然伽玛曲线图

三、结语

通过区域治理技术基本查明了该矿下组煤采区北翼陷落柱发育范围，对陷落柱的导含水性进行了探查并进行了注浆治理，降低了隐伏导水构造的突水威胁，为今后下组煤地区的防治水工作和采掘规划设计提供了可靠的地质资料，同时也为下组煤采区其他大型地质构造探查积累了宝贵经验。

区域治理实践证明，利用碳酸盐岩等岩石的自然伽玛射线差异，分析分支孔自然伽玛测井曲线异常区段，结合岩粉性质和钻进过程取芯验证，能够综合判断出陷落柱的大致发育范围，科学可行，经济社会效益显著，达到国内领先水平，具有一定的推广应用前景。不仅为同样有陷落柱发育的矿井提供了探查治理经验，也为探查其他大型地质构造提供了一定的技术依据。