基于地面钻探技术的岩溶陷落柱探查研究——以淮南顾北煤矿2#陷落柱为例

严 其，魏树林

(安徽煤田地质局第一勘探队，安徽 淮南 232001)

岩溶陷落柱作为一种结构破碎的地质体，是良好的储水与导水通道。矿区内的岩溶陷落柱存在不仅影响煤炭资源储量的分布，同时影响开采设计以及安全开采[1-3]。对陷落柱的空间分布及柱体内的地质特征勘查分析，是有利于矿井生产勘探的重要地质工作之一。做好陷落柱的防水煤柱留设，是有效防止矿井地质灾害发生的基本保证。目前，矿井地震勘探虽然能初步确定陷落柱的存在，但对于陷落柱柱体的精确定位以及陷落柱的工程地质特征的确定难以获得有效的技术信息。因此，采用传统的钻探工程技术，尤其是辅以钻孔水文地质条件等方面的分析可以获得更加精准的陷落柱工程地质条件地质信息[4-7]。

1 矿井地质及探查工程

1.1 矿井地质及探查目标

顾北矿井位于淮南煤田中部的陈桥背斜南侧，主要可采煤层为二叠系下石盒子组及山西组。下伏石炭系太原组及奥陶系为富水性较强的灰岩含水层。受背斜南北两翼逆冲断层与斜切断层作用影响，矿井上覆有巨厚的新生界松散层。区内煤矿开采实践表明，含煤岩系的太原组以及下伏奥陶系灰岩内岩溶陷落柱十分发育[8-9]。

根据矿井三维地震勘探结果，矿井内发育疑似陷落柱。为进一步确定该陷落柱的存在，掌握其空间发育特征及工程地质特性，在地面实施了钻探技术。设计钻孔工程，并通过钻孔岩心观测与简易水文观测手段，分析陷落柱在空间的分布特征与水文工程地质性质。

1.2 探查工程设计

针对该疑似陷落柱设计了4个探查钻孔，编号为六T-1、六T-2、六T-3及六T-4。其中六T-1布置在疑似陷落柱的中心，六T-2、六T-3、六T-4孔分别布置在疑似陷落柱的边界。试验施工分三个阶段：首先施工六T-1、再施工六T-2、六T-3孔，最终施工六T-4孔。设计钻孔的终孔地层层位均为奥陶系(图1)。

图1 探查钻孔平面分布Figure 1 Exploring boreholes plan

2 钻探过程及简易水文观测

2.1 钻探过程

2.2 简易水文观测

除六T-1孔550.54～630.94m段和六T-2孔的545.00～845.56m段采用泥浆钻井液外，其它钻孔的全部钻进过程以及六T-1和六T-2孔部分钻进过程均采用清水冲洗钻进。各钻孔钻井液消耗观测结果如表1所示。

表1 钻井液消耗情况Table 1 Drilling fluid consumption statement

2.3 钻孔抽水试验

3 陷落柱分布及工程地质特性综合分析

3.1 陷落柱的空间分布特性

根据钻孔4个钻孔的地质与钻探工程信息可知，该陷落柱的冒落高度差别较大。一般说来，冒落高度最大点应该是陷落柱发育的中心位置，各钻孔消耗量增大甚至达到全漏时意味着钻孔进入了陷落柱冒落带。该陷落柱内钻井液全漏的钻孔深度分别为六T-1孔，550.54m，依次为六T-4孔的658.65m、六T-3孔670.90m。表明该陷落柱体发育最大高度由T-1孔，向南迅速减弱，向北、东依次缓慢减弱。

根据钻孔所揭露的工程地质条件差异和钻探工程信息的差别，对比该探查点地震勘探圈定的疑似陷落柱的分布区域，不仅可靠地验证了该陷落柱的存在，进一步确定了该岩溶陷落柱内较差的工程地质性质，同时进一步分析了对陷落柱柱体的发育高度的差异，以及陷落柱总体位置的进一步厘定(图2)。

表2 钻孔抽水试验成果Table 2 Borehole pumping test results

图2 陷落柱圈定示意Figure 2 A schematic diagram of subsided column delineation

3.2 陷落柱的工程地质特性

由钻探工程信息、水文地质信息和地质信息可知，探查区内岩溶陷落柱的特征表现的十分显著。由于位于岩溶空间上部岩体的陷落而造成的陷落体岩体破碎，失去原始层状岩体的连续性和完整性。而因岩体破碎产生的大量裂隙从而造成钻井液耗量的增加[13-14]。也正是由于这两方面的因素加大了钻探工程施工的难度，加之地下水的作用软化了破碎岩体，从而造成钻探岩心采取率降低的现象。针对该陷落柱探查布置的4个钻孔施工情况来看，除了六T-2钻孔的上述钻探信息和钻孔岩心的工程地质正常外，其它3个钻孔均在一定的层段表现为不同程度的漏水或钻井液消耗现象，同时表现为岩心采取率低，以及卡钻现象。

综合上述水文地质信息及钻探工程信息，此陷落柱分布区的工程地质条件很差，对该区的煤层安全开采会造成较大影响。

4 结论

1)地面钻探工程不仅可以进一步探查地下岩溶陷落柱的空间分布，同时可以有效查明陷落柱的水文地质与工程地质性质。

2)由钻孔探查技术获得的水文地质及钻探工程信息综合分析，进一步确定了矿井内早期地震勘探所指出的疑似陷落柱的存在，并明确了陷落柱的分布范围和中心位置由南向北小规模的偏移。

3)该陷落柱的冒落始于奥陶系灰岩，最高冒落底层层位为二叠系骆驼脖子砂岩。冒落高度不等，柱体的南西部位冒落高度最大，

北东方向较小，总体为不对称或倾斜的冒落体。

4)位于陷落柱上部存在一定高度的导水裂隙带。陷落柱的中下部岩体破碎、结构松散，在地下水的参与作用下工程地质条件很差。

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