水帘洞煤矿东区采空区、火烧区钻探验证分析

王 峰,陈娅鑫,贾志刚

(陕西煤田地质勘查研究院有限公司,陕西 西安 710021)

0 引言

煤矿采空区和火烧区的存在,对煤矿的安全生产构成了极大的威胁。据统计,80%以上的煤矿水害事故都是由采空区引起的[1-2],而采空区导通的废弃巷道和煤层上覆岩石垮塌向上产生的裂隙,又会为地下煤层提供氧气,使煤层发生自燃,形成火烧区,火烧区会造成采空区顶板承压减弱,加剧煤层顶板的冒落、裂隙的增大,两者之间相互作用、相互影响,严重影响了煤矿的安全生产,破坏了地表的自然环境。

水帘洞煤矿原属地方乡镇煤矿,2006年10月由山东新汶矿业集团投资有限公司控股经营后,实现了机械化开采,但仅限于煤矿西区。经过十多年的开采,现西区煤炭资源即将开采殆尽。而煤矿东区属于老采区,在以往的开采中,受限于当时的装备和技术,回采高度仅3 m左右,且采用小面不规则开采,遗留了大量的煤炭资源,加之长期处于停采状态,为遗煤自燃提供了可能,若查清区内采空区、火烧区的分布范围,成功实现煤矿的复采,将能延长矿井的服务年限,获得可观的经济效益。

1 地质概况

水帘洞煤矿隶属于彬长矿区,行政区划属陕西省咸阳市彬州市城关镇管辖,西部与大佛寺煤矿毗邻,北部与下沟煤矿接壤,东部为火石咀煤矿,紧邻水帘洞煤矿南部的虎神沟煤矿、东南部的阴山煤矿已经停产关闭。东距彬州市5 km,东南距西安市175 km,西北距长武县35 km、距甘肃平凉133 km。

水帘洞煤矿东西长约5.1 km,南北宽约0.6～1.5 km,面积5.516 3 km2。矿区内含煤地层为侏罗系中统延安组,主采煤层为4号煤层,赋存于延安组的第一段,厚度0.85～19.14 m,平均8.97 m,煤层结构简单,主要以含0～1层夹矸为主,发育较稳定。顶板为砂岩或泥质粉砂岩,底板为铝质泥岩、泥岩及碳质泥岩。煤类为不粘煤(BN31)。

矿区位于鄂尔多斯盆地南部渭北挠褶带北缘,总体为一走向N50°—70°E,倾向NW—NNW的单斜构造,其间发育有方向单一的宽缓褶曲[3]。矿区从北向南主要由3个背斜和2个向斜区构成,如图1所示。七里铺—西坡背斜、路家—小灵台背斜、彬县背斜,大佛寺向斜区和孟村向斜区,它们影响着矿区煤层尤其是厚煤层的分布。

图1 彬长矿区构造纲要图

水帘洞煤矿位于彬长矿区东南部,南部靠近彬县背斜轴部,煤层较薄,向北逐渐增厚。总体构造形态为一向北倾斜的单斜构造,走向近东西,仅局部有小的波状起伏;地层倾角平缓,一般5°～6°,构造形态简单,未发现大型断裂构造。自煤矿开采以来,仅在巷道掘进及工作面回采的过程中,发现了一定规模的小型断层,绝大部分落差小于5 m,延伸短,断层性质以正断层为主;在平面上,走向主要有北北西或北西西平行排列的趋势,对煤矿工作面布置及开采影响不大。

2 物探工作及成果简介

水帘洞煤矿东区物探工作方法采用地面瞬变电磁法、磁法和测氡法进行勘探,具体为利用地面瞬变电磁法探测采空区的分布范围;选择磁法和测氡法对测区内火烧区分布范围进行探测。

本次地面瞬变电磁法按照20 m×20 m的网度,从南向北共布设测线51条,实际采集坐标点5 167个,根据电阻率值在剖面上和平面上的变化情况,绘制了所有测线的反演电阻率断面图和目标层的反演电阻率平面图,共圈出5处低阻异常区,主要分布在测区东部水帘洞煤矿和虎神沟煤矿采空区范围内,如图2所示。其中T1号低阻异常可靠,推断为4号煤层顶板砂岩相对富水区;T2、T4号低阻异常受高压线影响可靠性降低,推断为4号煤层采空积水区;T3、T5号低阻异常可靠,推断为4号煤层采空积水区。

图2 物探推断成果及钻探工程布置

磁法测线布置与瞬变电磁法测线重合,网度为20 m×20 m,共布设测线51条,采集坐标点5 167个,根据磁异常值(ΔT)的变化情况,绘制了磁法所有测线的磁异常剖面曲线和磁异常平面图,共圈出了5处高磁异常区,这些异常区主要分布在已知采空区和西翼大巷附近。同时结合氡值异常区的分布范围,划定了火烧区的分布范围,其中C1、C5号高磁异常可靠,推断为4号煤层火烧区;C2、C3号高磁异常受高压线和村庄铁器影响,可靠性有所降低;C4号高磁异常可靠,推断为4号煤层火烧区或煤矸石自燃区。

3 钻探验证采空区、火烧区

3.1 钻孔布置原则

本区物探推断的4号煤层采空区和火烧区面积较大且分布零散,既要整体兼顾,又要重点突出。因此,结合矿方试采工作面的分布,在区内优选重点区块3个,验证钻孔主要布置在这3个区块内物探异常值高的地方。

3.2 验证方法

根据本区以往地质、水文地质资料,结合矿井井下以往实际采掘情况,综合考虑选用机械岩芯钻探、煤厚测量及煤芯分析、顶底板围岩分析、简易水文观测等方法。

3.2.1 机械岩芯钻探

煤矿采空区:是指煤层开采完成后,在地下形成的空洞或空腔在上覆压力和地下水等因素的作用下,开采区两侧的煤层软化、失去强度,容易导致上覆岩体塌陷、冒落,因此,在实际钻探过程中,容易引起掉钻、卡钻和埋钻等现象;采空区由于空气压力较大,钻探钻进至该层位时,由于压力骤降,极易通过井口向外排风;另外,在采空区打钻过程中,会伴随有响声,孔斜也非常容易超标。

煤矿火烧区:是指煤层在井下发生自燃的区域。煤层自燃后,产生的煤灰比较松软,会连同破碎的围岩在钻进过程中一起掉落,引起卡钻和埋钻等现象[5];由于煤层燃烧形成的空洞,当钻进遇到这种空洞时非常容易孔斜超标。

3.2.2 煤厚测量及煤芯分析

煤矿采空区:钻探钻进至煤层位置时,如煤层厚度正常,煤芯采取较好,则判断钻孔未进入采空区;如煤层厚度变薄,煤芯采取不完整,较松散破碎,则判断钻孔进入采空区边缘或半采空区地带;如无煤则判断钻孔进入采空区[6]。

煤矿火烧区:煤层自燃对煤层的完整性和连续性破坏十分严重,依据其自燃程度可分为自燃煤、自燃残留煤和烘烤煤3种类型[7]。自燃煤燃烧完整,煤芯一般呈浅灰色、浅白色的松软物,铁质含量高时,呈浅红色-铁锈色;自燃残留煤属不完全燃烧,因此煤芯上部呈粉末状,下部为残留煤,即“正常煤”;烘烤煤煤岩结构清晰,仅显示出氧化特征。

3.2.3 顶底板围岩分析

煤矿采空区:煤层开采后形成的空洞会使上覆岩体发生变形、垮塌,顶板岩石变得松散破碎。

煤矿火烧区:煤层自燃过程中产生的巨大热量,会烘烤煤层顶底板的围岩,使其结构和构造发生不同程度的变化,形成“烧变岩”。一般颜色上呈浅红色、浅砖红色-砖红色;岩体比较破碎,呈不规则形状;同时裂隙较发育。

3.2.4 简易水文观测

煤矿采空区:包括回次水位观测和消耗量观测。当煤层开采完毕后,上覆岩石由于压力骤降,会发生变形垮落,导致煤层顶板附件的岩石松散破碎,裂隙发育,造成钻井液在此处漏失严重或全部消耗,孔内水位发生变化,降至煤层底板附近。若孔内最终水位降至煤层底板以下,则判断为钻进至无积水采空区;若孔内最终水位高于煤层底板,则判断钻进至有积水采空区[8-10]。

煤矿火烧区:煤层自燃过程中,上覆烧变岩会产生大量的烧变裂隙,在钻进过程中,钻井液会发生不同程度的漏失。

4 采空区、火烧区验证结果

4.1 钻孔布置

本次共布置验证钻孔4个,其中采空区验证钻孔1个(BK2-2),火烧区验证钻孔3个(BK1-2、BK2-1和BK3-1),如图2所示。

4.2 钻孔验证

4.2.1 BK2-2钻孔

在4号煤层底板以下32.96 m终孔,终孔深度358.22 m。实际钻进过程中,在4号煤层上部取出1.75 m残留煤,煤芯破碎,不完整,紧接着孔内出现掉钻现象,掉钻深度5.30 m;由于孔内坍塌严重,300 m以上最大孔斜2.62°,300 m以下未取得测斜资料。孔内钻井液在距煤层顶板8 m左右,瞬间全部消耗殆尽;孔内水位位于4号煤层底板以上,且位于物探推断的T3号低阻异常区范围内,综合判断该钻孔进入积水采空区[11-12]。

4.2.2 BK1-2钻孔

在4号煤层底板以下110.31 m终孔,终孔深度162.00 m。实际钻进过程中,在4号煤层附近未发生卡钻、埋钻现象,煤层厚度1.73 m,煤芯采取完整,不破碎,且未见煤层自燃后留下的煤灰痕迹。钻孔最大孔斜1.69°,未超标;从钻孔岩芯采取情况来看,煤层顶底板揭露较完整,顶底板围岩未发现任何受热烘烤的痕迹;孔内钻井液正常消耗,未发生漏失现象,判断该钻孔未进入火烧区。

4.2.3 BK2-1钻孔

在4号煤层底板以下33.90 m终孔,终孔深度346.23 m。实际钻进过程中,在4号煤层顶板往下1.00 m处,钻进进尺突然变快,只取出少量煤芯且很破碎,紧接着正常取煤,余下煤厚3.40 m,煤芯较破碎,且未见煤层自燃后留下的煤灰痕迹;钻孔最大孔斜2.70°,未超标;煤层顶底板围岩也未发现任何受热烘烤的痕迹;孔内钻井液在煤层顶部漏失严重,达到了7.0 m3/h,疑为该钻孔南部紧邻采空区上部垮塌产生的裂隙导通至该钻孔煤层顶板附近,综合判断该钻孔未进入火烧区。

4.2.4 BK3-1钻孔

在4号煤层底板以下35.33 m终孔,终孔深度383.93 m。实际钻井过程中,在4号煤层附近未发生卡钻、埋钻现象,煤层厚度6.60 m,煤芯采取完整,未发现煤层自燃后留下的煤灰、煤渣痕迹。钻孔最大孔斜1.93°,未超标;煤层顶板揭露完整,为灰白色粗粒砂岩,未发生受热烘烤;孔内钻井液在煤层顶板处漏失严重,达到了7.8 m3/h,疑为南部虎神沟煤矿采空区上部裂隙导通至该钻孔煤层顶板附近,该点通过煤矿井下巷道掘进过程也得到证实,当时有部分钻液渗透至正在掘进的巷道中,后及时用泥浆材料封堵,钻井液渗透即停止,综合判断该钻孔未进入火烧区。

4.3 采空区、火烧区验证结果

4.3.1 采空区验证结果

BK2-2钻孔钻进至采空区,结合矿方以往井下实际采掘资料,判断为采空区钻孔。根据钻孔验证结果,综合煤矿区地质、水文地质等条件,判断T3为采空区。

4.3.2 火烧区验证结果

BK1-2钻孔、BK2-1钻孔和BK3-1钻孔均未钻进至火烧区,结合矿方以往井下煤层自燃资料,判断不是火烧区钻孔。根据钻孔验证结果,综合煤矿区地质、水文地质等条件,判断C2、C3和C4均不是火烧区。

4.4 物探和钻探成果对比

经对比(见表1),物探推断的T3采空区和钻探验证的采空区两者结果一致,可信度较高;物探推断的C1、C3和C4火烧区和钻探验证的火烧区两者结果不一致,可信度较低。

表1 物探和钻探成果对比

5 结论

以水帘洞煤矿为例,通过选用机械岩芯钻探、煤厚测量及煤芯分析、顶底板围岩分析及简易水文观测等方法,对物探推断的采空区和火烧区进行了探查。经验证,物探推断的T3采空区和钻探验证的采空区两者结果一致,可信度较高;物探推断的C1、C3和C4火烧区和钻探验证的火烧区两者结果不一致,可信度较低。另外,受钻探探查的局限性,本次对区内采空区和火烧区的探查验证,只能作出定性的解释,不能定量的对采空区和火烧区范围进行准确圈定,建议矿方下一步增加钻孔数量,扩大探查范围,为本区的成功复采提供强有力的指导。