基于综合分析法的疑似封闭不良钻孔探查

姬亚东

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077）

矿井建设过程中经历了煤田普查、详查、精查3个阶段，后期更是进行了地质、水文地质补充勘探，由此井田范围内存在着大量的钻孔。由于前期勘探受制于当时施工技术、工艺及管理水平等因素，致使因年代久远缺失工程地质资料、未按设计要求严格封孔、孔中遗留钻具等，造成诸多钻孔未封孔或封闭不良，抑或无法判别是否封闭，成为疑似封闭不良钻孔。这些封闭不良钻孔成为人为导水通道，当煤层开采至该区域揭露或接近封闭不良钻孔时，封闭不良钻孔作为导水通道沟通煤层上下充水含水层，增加了各充水含水层间的水力联系，煤层扰动裂隙叠加封闭不良钻孔，致使含水层水涌入井下，使得矿井涌水量增大或造成水害事故，且其水害隐患往往具有突发性、隐蔽性，封闭不良钻孔穿孔层位的不同造成不同的导水危险性[1-2]。

在巷道或回采工作面揭露或接近疑似封闭不良钻孔过程中，如何对疑似封闭不良钻孔进行超前探查处理，成为井下水害防治的难点。当前往往在井下对疑似封闭不良钻孔进行物探、钻探，综合评估其封闭性及危险性[3-13]。为此，以老公营子煤矿73159疑似封闭不良钻孔为研究对象，在疑似封闭不良钻孔附近施工探查钻孔，开展抽水试验、示踪试验，根据地下水流场变化特征及示踪试验成果综合分析该疑似封闭不良钻孔是否作为导水通道。

1 研究区基本情况

1.1 地质及水文地质条件

老公营子煤矿位于赤峰市元宝山区，矿井位于元宝山煤田中部。侏罗系上统阜新组为其主要含煤地层，该阜新组地层总厚度520～600 m。阜新组上层段以灰、灰白色粉砂岩为主，夹薄层灰白色细砂岩、中砂岩和粗砂岩，含1～5煤组，以3、4、5煤组最发育；阜新组下层段以灰白色细-中粒砂岩为主，夹粗砂岩和薄层泥岩，含6、7、8 3个煤组，以6煤组最发育。3、4、5、6煤组是矿井主要可采煤组，当前开采5煤。矿井地质构造形态为一单斜，地层走向近南北、倾向东，倾角8°～15°，矿区内地层沿走向、倾向产状变化不大。

老公营子煤矿区域水文地质单元属英金河冲积平原，第四系地层普遍发育。5煤上覆含隔水层空间位置关系示意图如图1。主要有第四系含水层、白垩系含水层、侏罗系3煤以上承压含水层、侏罗系3～5煤间承压含水层，其中第四系及白垩系含水层富水性相对较好。第四系含水层主要由圆砾、砂砾、泥砂质砾石、玄武岩构成，单位涌水量约为22.92～153.75 L/（s·m）；白垩系含水层则主要由灰-灰绿色砾岩构成，一般厚度13.00～373.10 m，单位涌水量约为0.661 5 L/（s·m），渗透系数约0.754 3 m/d。

图1 5煤上覆含隔水层空间位置关系示意图Fig.1 Schematic diagram of the spatial relation of aquifer or impermeable strata overlying 5#coal seam

1.2 采空区基本概况

老公营子煤矿南侧边界存在建昌营煤矿越界采空区，建昌营煤矿5煤越界采空区示意图如图2。5煤越界采空区位于建昌营煤矿东侧，与老公营子煤矿I15（6）3工作面邻近。越界采空区区域采用房柱式开采，越界区域开采标高约为+210～+268 m水平，积水标高约为+255～+210 m水平，图2中建昌营煤矿水仓以西开采标高相对较低，其越界采空区与建昌营煤矿边界处开采标高相对较高，从开采标高可以判别出越界区域采空区积水区较建昌营煤矿相对独立。疑似封闭不良钻孔73159位于越界采空区范围内。

图2 建昌营5煤越界采空区示意图（单位：m）Fig.2 Schematic diagram of 5#coal seam goaf crossing the boundary of Jianchangying Mine

2018年，老公营子煤矿I15（6）3工作面掘进至切眼区域对邻近越界采空区进行探放水，探放水钻孔沟通越界采空区，使得采空区水涌入工作面，多年来越界采空区探放水钻孔涌水一直稳定在约130 m3/h。考虑到该区域煤系基岩裂隙含水层，其富水性弱，且越界采空区积水相对独立，由此质疑是否由封闭不良钻孔73159沟通了上覆第四系含水层，进而补给越界采空区，使得采空区探放水钻孔涌水量相对稳定。

2 疑似封闭不良钻孔钻探探查

2.1 布孔方式

通过对第四系含水层开展抽水试验获取地下水流场，旨在根据73159钻孔附近的地下水流场差异性，分析73159钻孔是否构成导水通道。在73159钻孔旁边布置1个钻孔，相距约1 m，即S2钻孔，作为观测孔监测该处第四系含水层水位；在73159钻孔两侧布置钻孔，以此根据地下水流场判别73159钻孔周边是否为降落漏斗中心。

该区潜水地下径流由西北向东南方向排泄，越界区域第四系含水层水位标高等值线图如图3。4个探查钻孔布置大体沿等水位线方向布置，垂直于地下水流向，相邻钻孔布置间距约23～27 m。

图3 越界区域第四系含水层水位标高等值线图Fig.3 Contour map of water level elevation of Quaternary aquifer in goaf crossing the boundary

2.2 钻探成果

钻孔钻进穿透第四系底界进入土层约2 m终孔，钻孔依次揭露砂质黏土层、砂砾石层、玄武岩、土层，孔深约61.3～70 m，其中砂砾石层厚度约28.1～34.2 m，玄武岩厚度约23.4～28 m，玄武岩底部为黏土层，具有良好的隔水性。玄武岩呈灰绿、浅灰色，斑状结构，见气孔构造，节理多，强度较高。S2钻孔柱状示意图如图4。

图4 S2钻孔柱状示意图Fig.4 Schematic diagram of S2 drilling columnar

2.3 地下水流场

选取S4钻孔定流量稳定流（似稳定）抽水试验，S1、S2和S3号钻孔进行水位同步观测。S3、S2、S1钻孔与S4钻孔相距分别为22.8、43.7、68.4 m。

S4钻孔以抽水量51.4 m3/h进行抽水，其水位稳定后降深约1.9 m。S3、S2、S1钻孔水位降深分别为0.52、0.37、0.17 m，观测孔水位降深呈现出随着与抽水孔S4距离的增加而变小的自然降深趋势。抽水试验水位统计表见表1。

表1 抽水试验水位统计表Table 1 Table of pumping test water level

S4钻孔以抽水量51.4 m3/h进行抽水，S4钻孔中水位降深达到1.9 m。井下采空区涌水量稳定在130 m3/h，若73159钻孔为导水通道致使第四系含水层水涌入井下130 m3/h保持稳定，则自然状态下S2钻孔水位降深应明显大于0.37 m，水位降深接近于1.9 m，或者大于1.9 m。若73159钻孔为导水通道致使第四系含水层水涌入井下，在S4钻孔抽水的叠加影响下，S2钻孔水位降深应明显大于1.9 m。在抽水试验过程中，与73159疑似封闭不良钻孔相邻仅1 m的S2钻孔，S2钻孔观测水位降深约0.37 m，并未呈现出与周边钻孔区别较大的水位降深，该位置未出现明显的降落漏洞，表明第四系含水层水在此处无大幅度渗漏，可判断该73159疑似封闭不良钻孔未形成渗漏通道致使第四系含水层水补给下伏含水层而涌入井下，初步可排除该封闭不良钻孔。抽水试验钻孔水位降落漏斗示意图如图5。

图5 抽水试验钻孔水位降落漏斗示意图Fig.5 Schematic diagram of water level drop funnel in pumping test

3 示踪试验

利用S2钻孔通过水化学示踪试验方法确定第四系含水层水与越界采空区水水力联系，判断73159钻孔是否为封闭不良钻孔作为导水通道，使得第四系含水层水涌入越界采空区。

3.1 示踪剂选择

示踪试验开展前按照水质检测要求在井下越界采空区探放水钻孔涌水点及地面S4抽水孔取水样，对水样进行水质全分析测试，探放水钻孔涌水点及S4抽水孔第四系含水层水水质全分析结果见表2。

表2 井下越界采空区探放水钻孔涌水点及S4抽水孔第四系含水层水水质全分析结果统计表Table 2 Statistical table of water quality analysis results of dewatering of goaf and Quaternary aquifer of S4 borehole

由表2可以看出，井下越界采空区探放水钻孔涌水、第四系含水层水中Na+含量分别为301.05、63.23 mg/L，Na+含量相差较大；两者矿化度分别为1 175.36、896.73 mg/L，亦存在一定差异。从Na+及矿化度指标来看，井下越界采空区水中Na+及矿化度偏高，越界采空区水与第四系含水层水有明显区别。

井下越界采空区探放水钻孔涌水点与第四系含水层水样中碘离子浓度均为最低检测值（0.02 mg/L），水样中碘离子含量低，当人为投放少量的碘离子试剂，即可造成很大的检出峰值，能够以碘离子浓度作为特征值判断地下水流特征，且碘离子不会对地下水产生污染，因此选碘化钾作为示踪剂[14-16]。

3.2 示踪试验

将50 kg碘化钾搅拌溶解在2 m3清水中，随后将碘化钾溶液注入邻近73159疑似封闭不良钻孔的S2钻孔中，并另注入2 m3清水于S2钻孔。投入碘化钾示踪剂后，在井下5（5）2工作面、5（6）3工作面探放水钻孔涌水点分别按照规范要求取水样，每天各取3组水样。

示踪试验过程中，历时1个月在5（5）2、5（6）3工作面涌水点共采取160个水样，采用主要用于痕量及超痕量多元素分析与同位素比值分析的电感耦合等离子体质谱仪（ICP－MS）进行碘离子浓度测试。按照ICP－MS特有的检测方法，配置一系列浓度梯度的标准溶液利用检测仪器制成标准曲线，水样检测则利用该标准曲线代入计算相应的碘离子浓度值，由此计算出5（5）2工作面、5（6）3工作面涌水点碘离子浓度。5（5）2工作面和5（6）3工作面涌水点碘离子浓度历时曲线图如图6。

图6 5（5）2工作面、5（6）3工作面涌水点碘离子浓度历时曲线图Fig.6 Schematic diagram of iodide concentration in 5（5）2 working face and 5（6）3 working face

由图6可以看出，5（5）2工作面、5（6）3工作面涌水点水样中碘离子浓度分别为（6.19～10.16）×10-9、（6.75～9.86）×10-9，碘离子浓度极其微小，说明自S2钻孔投入至第四系含水层中的碘离子未渗漏至越界采空区，73159钻孔未构成导水通道将第四系含水层水与采空区相连通。

4 结 语

1）首先在73159钻孔周边施工探查钻孔，利用第四系含水层抽水试验过程中地下水流场变化特征，分析封闭不良钻孔周边第四系含水层是否出现明显的降落漏斗；其次，在疑似封闭不良钻孔附近钻孔投入碘化钾示踪剂，开展示踪试验测试井下出水点水质特征。

2）抽水试验过程中观测孔水位降深呈现出随着与抽水孔S4距离的增加而变小的自然降深趋势。紧邻73159疑似封闭不良钻孔的S2钻孔未出现明显的降落漏洞，可判断该73159疑似封闭不良钻孔未形成渗漏通道致使第四系含水层水大幅渗漏至越界采空区。

3）探放水钻孔涌水点与S4钻孔水样水质全分析揭示Na+及矿化度区别较大，且示踪试验采取的探放水钻孔涌水点水样中碘离子含量极其微小，表明73159疑似封闭不良钻孔未构成导水通道使第四系含水层水涌入越界采空区。