千米定向钻机在探测大范围物探异常区中的应用分析

田渊辉

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西 吕梁 033602）

山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿15采区北部采掘破坏物探异常区南北长约1 km，东西宽约500 m，北侧为矿井北边界，界外有神达晋保煤业有限公司（原扒楼沟煤矿，开采8号、13号煤层），疑似部分采空区进入我矿北部矿界内；东侧为矿井东边界北段；南侧为实煤区；西侧为18505回采工作面，已回采150 m。为15采区规划设计提供精度较高的地质及水文地质资料，提前探测查明异常区采空破坏范围和积水情况，距离18505材料巷采界位置740 m处施工钻场，引进千米定向钻机对这片大范围物探异常区进一步探测以查明圈定准确的破坏积水边界。

1 斜沟煤矿15采区北部物探异常区水文地质条件

中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院采用太原理工大学自行研发的TYHC-1活性炭测氡仪和加拿大凤凰公司生产的V8多功能电法仪对15采区北部进行了活性性炭测氡和地面瞬变电磁探测，综合已知资料、中国煤炭地质总局地球物理勘探院对瞬变电磁和测氡成果进行了综合分析，推断出了勘探区内6号煤层采空积水区域在区内北部和东部地区，在此区域内推断出3处积水相对严重区域；8号煤层采空积水区域在区内东北部和东部地区，在此区域内推断出1处积水相对严重区域并在勘探区中部圈出1处积水区域，根据物探报告划定了采掘破坏区域水文三线；13号煤层根据已知资料没有采空区，在区内北部、中部和东部地区圈出4处富水区域。矿区奥灰水位标高850～854 m，异常区标高大于950 m不带压；异常区盖山厚度薄，煤系地层距离露头较近，碎屑岩含水岩组易接受大气降水及地表水补给，整体富水性虽弱但局部节理裂隙发育区富水性较好。

2 物探异常区探测钻孔施工情况

2.1 1号探测钻孔施工探测情况

1号探测钻孔开孔方位65°，开孔倾角9°，累计钻探进尺1 629 m。1号主孔施工孔深648 m，为了探测煤层中是否存在采空，钻孔保持在煤层中钻进，累计开设分支5次，未探测到采空及积水，开孔位于警戒线外25 m，钻孔穿过警戒线和探水线，终孔位于积水线外5 m，距南侧煤层风氧化带约45 m，较开孔处标高差+106 m。1-1号分支施工孔深822 m，钻孔均在煤层中钻进，未探测到采空及积水，钻孔穿过警戒线、探水线、积水线后沿正北方向钻进，终孔进入积水线内552 m，距离西侧18505材料巷约176 m，较开孔处标高差+63 m。

2.2 2号探测钻孔施工探测情况

2号探测钻孔开孔方位41.5°，开孔倾角7.6°，累计钻探进尺4 485 m。2号主孔施工孔深843 m，为了探测煤层中是否存在采空，钻孔保持在煤层中钻进，累计开设分支2次，未探测到采空及积水，开孔位于警戒线外25 m，钻孔穿过警戒线、探水线、积水线后沿正北方向钻进，终孔进入积水线内602 m，距离西侧18505材料巷约100 m，距离东侧1-1号分支约76 m左右，较1-1号分支终孔点北68 m，较开孔处标高差+51 m。2-1号分支施工孔深897 m，钻孔均在煤层中钻进，未探测到采空及积水，钻孔均在积水线内自405 m开分支沿北东方向呈弧形钻进，立体交叉穿过1-1号分支，终孔距离积水线505 m，距离18505材料巷约395 m，较开孔处标高差+100 m。2-2号分支施工孔深900 m，钻孔均在煤层中钻进，未探测到采空及积水，钻孔均在积水线内自306 m开分支沿北东方向呈弧形钻进，立体交叉穿过1-1号分支，终孔距离积水线402 m，距离18505材料巷约520 m，较开孔处标高差+110 m。2-3号分支施工孔深684 m，为了探测煤层中是否存在采空，累计开设分支2次，钻孔孔深651 m内保持在煤层中钻进，未探测到采空及积水，钻孔均在积水线内自213 m开分支沿北东方向呈弧形钻进，立体交叉穿过1-1号分支，孔深651～672 m处钻孔倾角为7°至8.6°，遇软泥区（长达21 m），630 m处开分支（第3次）进行验证，施工至642～684 m处钻孔倾角为2°至-1°，遇软泥区（长达42 m）。终孔距离积水线275 m，距离18505材料巷约406 m，较开孔处标高差+7 m。2-4号分支施工孔深804 m，为了探测煤层中是否存在采空，钻孔保持在煤层中钻进，累计开设分支8次，未探测到采空及积水，钻孔大致沿北东50°方向呈直线穿过警戒线、探水线、积水线钻进，终孔进入积水线内516 m，终孔临近矿井北部东侧矿界保安煤柱线，距离西侧18505材料巷623 m，距离南侧1号主孔终孔位置约266 m左右，较开孔处标高差+129 m。2-5号分支施工孔深801 m，为了探测煤层中是否存在采空，钻孔保持在煤层中钻进，累计开设分支2次，未探测到采空及积水，钻孔自2-4号分支399 m处开始转弯朝着目标正北方向呈弧形钻进，钻孔均在积水线内，729～741 m段为岩，未探测到煤层，钻孔距离西侧18505材料巷411 m，距离矿井北部东侧矿界保安煤柱线188 m，近终孔处与2-2号分支立体交叉，较开孔处标高差+98 m。

2.3 3号探测钻孔施工探测情况

3号探测钻孔开孔方位38.4°，开孔倾角7°，累计钻探进尺3 999 m。3号主孔施工孔深903 m，为了探测煤层中是否存在采空，钻孔保持在煤层中钻进，累计开设分支6次，未探测到采空及积水，钻孔大致沿北东41°方向呈直线穿过警戒线、探水线、积水线钻进，在635.5 m处与2-5号分支打穿，终孔进入积水线内645 m，终孔临近矿井北部东侧矿界保安煤柱线，距离西侧18505材料巷587 m，距离南侧2-4号分支终孔位置约186 m，较开孔处标高差+129 m。3-1号分支施工孔深843 m，为了探测煤层中是否存在采空，钻孔保持在煤层中钻进，累计开设分支1次，未探测到采空及积水，钻孔自3号主孔585 m处开分支开始转弯朝着目标正北方向呈弧形钻进，与2-5号分支立体交叉穿过，钻孔均在积水线内，钻孔终孔位置距离西侧18505材料巷460 m，距离矿井北部东侧矿界保安煤柱线127 m，分布于3号主孔和2-5号分支间，较开孔处标高差+106 m。3-2号分支施工孔深669 m，为了探测煤层中是否存在采空，钻孔保持在煤层中钻进，累计开设分支1次，未探测到采空及积水，钻孔自3号主孔444 m处开分支开始转弯朝着目标正北方向呈弧形钻进，与2-3号分支立体交叉穿过，钻孔均在积水线内，钻孔终孔位置距离西侧18505材料巷367 m，分布于2-2号分支、2-5号分支、3号主孔圈闭范围内，较开孔处标高差+83 m。3-3号分支施工孔深1 032 m，为了探测煤层中是否存在采空，钻孔保持在煤层中钻进，累计开设分支4次，钻孔自3号主孔11 1 m处开分支沿3号主孔方向钻进至306 m处开始转弯朝着目标正北方向呈先弧形后直线形钻进，立体交叉依次穿过2-3号分支、2-2号分支、2-1号分支，钻孔终孔位置距离积水线753 m，距离西侧18505材料巷287 m，超出2-1号分支探测范围北侧252 m，较开孔处标高差+86 m。孔深1 026～1 032 m处钻孔倾角从1.2°降至-6.3°，无返水，可能遇老空区。3-4号分支施工孔深336 m，为了探测煤层中是否存在采空，钻孔保持在煤层中钻进，累计开设分支1次，未探测到采空及积水，钻孔自3号主孔165 m处开分支开始转弯朝着目标正北方向呈弧形钻进，与1-1号分支立体交叉穿过，钻孔均进入积水线内90 m，钻孔终孔位置距离西侧18505材料巷184 m，较开孔处标高差+43 m，受钻机采集数据DCS系统信号中断而终孔。3-5号分支施工孔深1 005 m，为了探测煤层中是否存在采空，钻孔保持在煤层中钻进，累计开设分支5次，钻孔自3号主孔78 m处开分支开始转弯朝着目标正北方向呈先弧形后直线形钻进，穿过探水线、积水线，立体交叉依次穿过2-3号分支、2-2号分支、2-1号分支，钻孔终孔位置距离积水线767 m，距离西侧18505材料巷135 m，超出2号主孔终孔位置北侧156 m，东距3-3号分支150 m左右，较开孔处标高差+61 m。孔深999～1002 m处钻孔倾角从4.5°降至1.5°，空穿1.5 m，无返水，可能遇老空区。

综上所述，18505材料巷探测15采区北部物探异常区共施工探测钻孔3个主孔，11个分支孔，累计钻探进尺10 113 m，历时2个月，探测到异常点三处分别为：2-3号分支孔深651～672 m处钻孔倾角为7°至8.6°，遇软泥区（长达21 m），630 m处开分支（第3次）进行验证，施工至642～684 m处钻孔倾角为2°至-1°，遇软泥区（长达42 m）；3-3号分支孔深1 026～1 032 m处钻孔倾角从1.2°降至-6.3°，无返水，可能遇老空区；3-5号分支孔深999～1 002 m处钻孔倾角从4.5°降至1.5°，空穿1.5 m，无返水，可能遇老空区。

3 探测成果分析

根据18505材料巷探测钻孔施工情况，结合我矿15采区地质及水文地质资料，地面物探圈定的异常范围等资料综合分析如下：

根据3-3号分支、3-5号分支探测成果，结合18505材料巷、切割掘进期间所施工探测钻孔圈定的空巷范围，可推断圈定的空巷范围南端、3-5号分支终孔位置、3-3号分支终孔位置一线北侧存在8号煤层采空破坏区，该线可推断为8号煤层采空破坏区最小范围南侧边界线；根据2号主孔、1-1号分支、3-3号分支、2-1号分支、3-1号分支、3号主孔探测成果，钻孔均在8号煤层近中下部中钻进，终孔控制间距分别为104 m、109 m、108 m、81 m、126 m，在2号主孔、1-1号分支、2-1号分支、3-1号分支、3号主孔一线南侧范围内未探测到采空异常区，可推断该线南侧基本不存在采空破坏区；根据3号主孔、2-4号分支、1号主孔探测成果，钻孔终孔位置处未探测到采空异常区，但钻孔终孔间距较大约186～266 m，可推断3号主孔、2-4号分支、1号主孔终孔位置一线西侧存在采空破坏区的可能性较小；根据2号主孔、3-5号分支、2-1号分支、1-1号分支、3-3号分支、2-2号分支、3-1号分支、3号主孔、2-5号分支、3号主孔探测成果，钻孔均在8号煤层中近中下部钻进，均未发现采空破坏区，可推断2号主孔、2-1号分支与3-5号、1-1号、3-3号分支交叉点、3-3号分支与2-2号分支交叉点、2-2号分支与2-5号、3-1号分支交叉点、3-1号分支与2-5号分支交叉点、2-5号分支与3号主孔、2-4号分支交叉点、2-4号分支与1-1号分支交叉点、1号主孔圈闭范围内不存在8号煤层采空破坏区，查明不存在8号煤层采空破坏区面积约13万m2；根据2-3号分支、3-2号分支、2-5号分支、3-1号分支探测成果，可将该区段8号煤层中赋存的软泥区最大发育圈定出来，预测软泥区最大范围约3 500 m2；根据2-3号分支、3-2号分支、2-5号分支、3-1号分支圈定的软泥区在2号主孔、2-1号分支与3-5号、1-1号、3-3号分支交叉点、3-3号分支与2-2号分支交叉点、2-2号分支与2-5号、3-1号分支交叉点、3-1号分支与2-5号分支交叉点、2-5号分支与3号主孔、2-4号分支交叉点、2-4号分支与1-1号分支交叉点、1号主孔圈闭范围内，老空区进入该圈闭范围内的可能性较极小，可推断软泥区并非采空破坏区，根据15采区现采掘揭露地质及水文地质资料预测该区可与18511材料巷煤层缺失带腐泥层沉积相比较；根据3号主孔、2-4号分支、1号主孔保持在煤层中钻进所开分支数量与2号主孔、1-1号分支、3-5号分支、3-3号分支保持在煤层中钻进所开分支数量对比，可推断探测区域内煤层倾角在沿倾向方向上较走向方向上起伏变化幅度大；根据所施工探测钻孔成果，钻孔均在煤层中钻进，可推断探测区域内落差大于煤厚的断层基本不发育，古河流冲蚀沉积带即使发育也没有将煤层全部冲蚀，仅为后生浅层冲蚀；根据物探异常区探测钻孔施工成果分析，15采区北部物探报告所划定的8号煤层采空破坏及积水区划定范围较实际大，与实际情况相差较大。大致范围见斜沟矿18505材料巷探测15采区北部物探异常区钻孔施工效果评价示意图见图1。

图1 斜沟矿18505材料巷探测15采区北部物探异常区钻孔施工效果评价示意图

4 结论

18505材料巷探测15采区北部物探异常区历时2个月，共施工探测钻孔3个主孔，11个分支孔，累计钻探进尺10 113 m，经探测成果分析得出结论：

15采区北部6号煤层及下覆13号煤层采掘破坏区暂未验证查明；物探报告所划定的8号煤层采空破坏及积水区划定范围较实际大；推断圈定的空巷南端、3-5号分支终孔位置、3-3号分支终孔位置一线为8号煤层采空破坏区最小范围南侧边界线；推断2号主孔、1-1号分支、2-1号分支、3-1号分支、3号主孔终孔位置一线南侧基本不存在采空破坏区；推断3号主孔、2-4号分支、1号主孔终孔位置一线西侧存在采空破坏区的可能性较小；推断2号主孔、2-1号分支与3-5号、1-1号、3-3号分支交叉点、3-3号分支与2-2号分支交叉点、2-2号分支与2-5号、3-1号分支交叉点、3-1号分支与2-5号分支交叉点、2-5号分支与3号主孔、2-4号分支交叉点、2-4号分支与1-1号分支交叉点、1号主孔圈闭范围内不存在8号煤层采空破坏区，查明不存在8号煤层采空破坏区面积约13万m2；预测2-3号分支、3-2号分支、2-5号分支、3-1号分支圈闭范围内8号煤层中软泥区发育最大范围约3 500 m2，推断软泥区并非采空破坏区，可与18511材料巷煤层缺失带泥炭层沉积相对比；探测区域内煤层倾角在沿倾向方向上较走向方向上起伏变化幅度大；预测探测区域内落差大于煤厚的断层基本不发育，古河流冲蚀沉积带即使发育也没有将煤层全部冲蚀，仅为后生浅层冲蚀。

18505材料巷探测15采区北部物探异常区探测成果对比分析总结可供探测类似物探异常区提供参考，千米定向钻机在大范围物探异常区探测，钻孔布置方案应将探测钻孔沿异常区边界布设并将异常区圈闭起来，在圈定范围内再进一步布设加密钻孔分割块段，缩小探测界线，最终验证排除异常或将异常区圈定在较小的范围内和确定其边界。钻孔施工遇到软泥区应继续钻进揭穿，以确定软泥区发育范围，或采用取芯钻进采取煤岩样进行观测分析，最终分析确定该区域异常原因，为后续采掘设计施工提供准确的地质资料以供参考。钻孔施工过程中遇用水漏失现象应采用多种技术工艺排除异常区的可能情况，最终将疑似原因精准锁定，千米定向钻机将在大型煤矿的快速发展中得到广泛应用。