区域大型物探断层多重探测技术研究与应用_阚雪冬.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0250引言焦作矿区为全国有名的大水矿区，位于太行山南麓，北部山区出露1 800 km2的奥陶系灰岩接受大气降水补给，富水性极强。矿区位于太行山复背斜隆起的南侧，处于东西向构造和新华夏系构造的复合部位，主要以断裂构造为主，发育有东西、北东和北西向3组构造。赵固二矿位于焦作矿区东部，开采-500-1 500 m水平标高二1煤层，冲积层平均厚度在300 m以上。矿井西北侧以F17-1断层为边界，断层走向延展长度3 500 m，落差0295 m。经过矿井多次三维地震探测发现，该断层在设计四盘区与五盘区大巷西侧倾角、走向、落差较勘探资料发生较大变化，且后期进行的2次精细三维地震勘探资料结论亦无法互相印证断层位置。矿井四盘区与五盘区为未来10 a的主力接替盘区，为保证矿井安全生产，急需准确探明该断层位置与落差等要素，留设足够防隔水煤柱，为盘区规划提供可靠依据。1区域地层构造特征1.1地层特征探测区域地面标高+79.7+80.8 m；井下二1煤层标高-780-960 m。二1煤厚度5.96.2 m，平均6.0 m，煤层倾角010，煤层稳定，结构简单。西部开拓大巷位于赵固二矿井田西翼，属第四系、新近系全掩盖区。据勘探钻孔与生产揭露，本区赋存地层主要有奥陶系中统马家沟组、石炭系中统本溪组和上统太原组、二叠系下统山西组和下石盒子组、第四系、新近系，其中石炭系上统太原组和二区域大型物探断层多重探测技术研究与应用阚雪冬（焦作煤业（集团）有限责任公司，河南 焦作454002）摘要：赵固二矿F17-1为矿井边界大型物探断层，由于矿井埋深大、冲积层厚、地面施工环境复杂，经多次三维地震勘探仍无法确定断层部分区域的赋存情况，为矿井接替大巷布置造成较大影响。仅靠单一物探或单一钻探无法对该大型断层赋存情况进行准确探测。利用地面深孔定向钻孔在水平方向上沿标志层探明大巷前方断层上盘位置，并进行注浆加固，随后沿断层走向在两盘成组布设地面垂直钻孔，对断层走向、落差进一步探查，并将钻探成果和数字测井、精细三维地震勘探数据对比，确定了断层的位置、落差等相关属性，达到对断层准确控制的目的。关键词：区域断层；三维地震勘探；深孔定向；垂直钻孔中图分类号：TD745文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 133 05Research and Application of Multiple Detection Technology forRegional Large-scale Geophysical FaultKAN Xuedong（Jiaozuo Coal Industry Group,Jiaozuo 454002,China）Abstract:Number F17-1fault of Zhaogu No.2 coal mine is a large scale fault at the mine boundary.Dueto the deep buried depth,the thick alluvium and the complex ground construction environment of themine,some areas of the fault cannot be determined after several three-dimensional seismic exploration,which has a great impact on the mine.This large fault cannot be accurately detected only by singlegeophysical exploration or single drilling exploration.The ground deep hole directional drilling is usedto explore the position of the fault,which is in front of the main roadway along the key bed in thehorizontal direction,and grouting reinforcement is carried out.Then,the vertical drillings are arrangedin groups along the fault to further explore the trend and drop.The drilling results are compared withthe three-dimensional seismic exploration data to determine the fault position and drop,which achievethe purpose of accurately control of faults.Key words:regional fault;three-dimensional seismic exploration;deep hole directional drilling;vertical drilling133叠系下统山西组为主要含煤地层。1.2构造特征西部大巷北临F17-1断层，该断层落差H=0295 m，为井田西北部边界断层，对巷道掘进、钻孔施工均影响较大。根据前期精细三维地震资料显示，受F17-1断层影响次生小断层较多，局部地质构造复杂，对矿井安全生产影响较大。西部探测区域断层赋存情况如表1所示。表1赵固二矿西部探测区域断层情况表1.3水文特征西部大巷布置在F17-1断层上盘煤层底板岩巷中，巷道距离奥陶系灰岩95 m。由于断层落差大，造成断层上盘的二1煤层与下盘奥陶系灰岩强富水性含水层对接，奥陶系灰岩水压大于10 MPa，若留设断层防隔水煤岩柱不足，则突水危险性大，极易造成断层突水事故。2地面深孔定向钻孔探查断层2.1钻孔布置方案采用地面施工深孔定向钻孔分支，对大巷前方偏北方向探查断层位置，首先确保探明巷道前方附近断层赋存情况，防止断层向大巷侧偏移导致大巷进入断层防隔水煤岩柱。钻孔施工采用垂直开孔，落底在煤层底板L8灰岩上预计层位后开始造斜，在L8灰岩中顺层钻进直至揭露F17-1断层，钻进过程中遇漏失即注，对岩层破碎地段及断层进行注浆加固。2.2钻孔施工情况钻具组合由152.4 mm钻头、120 mm螺杆、311 mm 310 mm定 向 接 手、120无 磁 钻 铤、311 mm210 mm变径接手、114 mm钻杆组成。钻井液配制主要加入阳离子沥青粉、无荧光固体防塌润滑剂、铵盐、烧碱、LV-CMC、高效增黏降失水剂等，循环介质类型为低固相钻井液，密度保持在1.061.12 g/cm3，漏斗黏度3042 s，pH=810。为确保水平段在L8灰岩中钻进，采用MWD无线随钻测斜仪保证钻孔轨迹按照设计轨迹钻进，加挂伽玛值测量仪，通过伽玛数据的变化，准确识别地层岩性，且水平段每2 m取1次岩粉并用稀盐酸进行试验判断其岩性。钻孔自2018年6月20日10月6日（历时109 d）施工：进行定向钻进工作及注浆工作。井深1 0701 844 m，顺层段长度774 m。完成注浆2次，累计注入水泥5 884.84 t，黏土3 161 m3。钻孔轨迹如图1所示。图1注1-2-3分支孔三维立体测井图2.3断层探查及注浆加固情况钻进至井深1 722 m见F17-1断层，至终孔1 844 m期间岩性变化复杂，1 7221 789 m岩性为灰岩含少量糊状岩屑，颜色为灰黑色含黄色、白色岩屑，伴随钻进卡钻现象；1 7891816 m为灰色泥岩含黄铁矿；1 8161 824 m为糊状不可清洗的铝质泥岩；1 8241 826 m为灰色泥岩；1 8261 844 m为灰岩，并发生漏失。注浆浆液为黏土水泥浆，采用下行式、前进式注浆方式，注浆前做压水试验，向孔内注清水约30 min，根据吸水量确定浆液配比，浆液应采取先稀后稠，并遵照“能注尽注”的原则。若钻孔施工至设计深度时，仍没有达到注浆的前提条件，仍要进行一次压水试验和注浆，若注浆压力直接满足孔口终止压力，则停止注浆。注浆结束标准：注浆终止压力为6 MPa，结束泵量为4060 L/min，维持时间15 min以上。分支孔钻进过程中出现仅1次钻井液漏失（失返）的情况，为井深1 844 m处，漏失量大于50 m3/h，漏失层位为断层下盘奥陶系灰岩，该处注入水泥5 823.84 t，黏土2 842 m3。3地面分组布设垂直钻孔探查断层3.1钻孔布置方案垂直钻孔勘探采用地面钻探方式进行，施工中使用SMJ5510TZJ15/800Y车载钻机和TXJ-1600型钻机分段配合施工，冲积层段主要由车载钻机负责施工，取芯段由TXJ-1600型钻机施工，基岩段以取芯岩性为主，并结合数字测井数据综合确定标志层，从而确定所揭露断层的位置，并根据相邻钻孔信息进一步确定断层倾角。构造名称F17-1DF2DF5DF6DF7EF1EF2走向NEEW49EWNWNEENEE倾向SESNESSESSENNW倾角/（）5280606565595375性质正断层正断层正断层正断层正断层正断层正断层落差/m0295050501505016030第42卷第03期区域大型物探断层多重探测技术研究与应用阚雪冬Vol.42 No.03Z：钻孔垂向深度/mY：钻孔横移长度/mNX：钻孔纵向深度/m-1 200-1 100-800-600-400-200020080060040020000200400600800134根据矿井实际生产所需，结合前期勘探钻孔、井下巷道标高与地面深孔定向钻孔资料显示的断层展布形态，为探查F17-1断层局部关键段准确位置，沿F17-1断层走向布置3条倾向剖面（线），在3条剖面（线）上布置钻孔，用于探查断层位置、走向、倾角等产状要素。3条剖面（线）分别是A线（A-A）、B线（B-B）和C线（C-C）。A线位于西风井北邻，C线位于-800 m水仓附近F17-1断层走向转折处，B线位于FB1钻孔附近，如图2所示。3.2垂直钻孔施工情况第42卷第03期Vol.42 No.03区域大型物探断层多重探测技术研究与应用阚雪冬F17-1断层垂直补充勘探工程共计施工5个钻孔，施工时间段于2020年9月25日开工，2021年4月23日结束，历时211 d，所有钻孔进入稳定基岩后均进行全取芯钻进，岩石采取率大于70，破碎带大于30，煤层长度采取率不低于90，质量采取率不低于75，岩芯均按要求进行岩性编录，编号入箱保存，钻孔结束后均进行拍照存档。3.2.1断层探测情况（1）A剖面线钻孔遇F17-1断层位置剖面线上布置20172钻孔，位于赵固二矿西风井井筒北部约190 m左右，20172孔于孔深840.78 m位置见断层，断层带范围840.78845.78 m，段长5.00 m。此剖面线上之前施工过的F17-1断层探注工程20171孔在孔深780.80 m位置揭露F17-1断层，断层泥段780.80786.80 m，长6.00 m，且上部岩芯极破碎。根据20171孔及20172孔揭露断层位置计算，在剖面上的投影点确定的断层倾角约71。标志层间距综合以往施工的FJ1和FB2钻孔揭露二1煤及L2灰岩位置及地层产状，断层在A剖面处，上下盘二1煤断点竖直间距为195 m，L2灰岩断点竖直间距195.5 m，故推定该断层落差约195 m。结论F17-1断层在A剖面处：倾角71，落差195 m。以此为基础，并假定断层面在此处为理想平面时，推得赵固二矿西风井井筒断层侧边缘线距断层的上盘断煤交线水平距离为171.55 m。（2）B剖面线钻孔遇F17-1断层位置剖面线上布置20174钻孔，位于在赵固二矿西风井井筒向西部约490