大同煤田東周窯井田勘探工程設計方案探討

吳瑞珉

（山西省第三地質工程勘察院，山西榆次030620）

1 勘探工程項目概況

1.1 目的任務

大同煤礦集團規劃在東周窯井田建設年產1000×104t礦井，將東周窯礦井建設列為新井建設重點項目，為取得礦井建設可行性研究及設計所需地質資料，需對東周窯井田進行地質補充勘探工程。根據地質設計要求，編制了東周窯井田地質補充勘探工程設計方案。

1.2 位置交通

1.2.1 位置

東周窯井田位于山西省左云縣東部，東西長約16km，南北寬約14km，面積119.1288km2。

1.2.2 交通

鄰近井田西北邊界有109國道通過，北部和東部有大同—高山、大同—黑流水鐵路支線通過，公路、鐵路均可通往全國各地,交通方便。

1.3 自然地理

1.3.1 地形

井田地處山西黃土高原晉西北低山丘陵區，為黃土丘陵地貌，地形起伏不大，沖溝發育。地勢南高北低，一般海拔標高1350～1500m，最高海拔標高1607.9m，最低海拔標高1219.2m，最大相對高差388.7m。

1.3.2 氣象

本區屬干旱大陸性氣候，冬季嚴寒、夏季炎熱，氣候干燥，風沙較多。

1.4 礦井與小窯

井田范圍內的老窯、小窯和生產礦井據不完全統計共有44個，基本均開采侏羅系煤層，僅個別開采石炭系煤層。

1.5 以往地質工作程度

1982年該井田曾進行過精查工作，并提交《山西省大同煤田云岡礦區東周窯勘探區精查地質報告》。

1986年曾對大同煤田北部石炭、二疊紀煤炭進行詳查工作，并提交《山西大同煤田北部石炭二疊紀詳查勘探地質報告》。

2 井田地質

2.1 地層

井田位于大同煤田西部，地表出露的地層由老到新有侏羅系下統永定莊組，中統大同組、云岡組，白堊系下統左云組地層，第三系上新統，第四系更新統、全新統。鉆孔揭露的地層有二疊系、石炭系及奧陶系。

2.2 含煤地層

井田含煤地層包括上煤系大同組及下煤系太原組、山西組。因此本次勘探以下煤系太原組為主。

2.3 構造

井田地層總體為一緩傾斜的單斜構造。地層走向185°～190°；傾向275°～280°；傾角2°～10°，一般為3°左右，局部產狀變化較大。

3 開采技術條件

3.1 井田水文地質條件

3.1.1 含水層與隔水層

井田內各含水層分布與區域含水層相同，根據巖性和含水層特征可分為奧陶系下統冶里組碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層，石炭、二疊、侏羅系碎屑巖裂隙含水層和第四系孔隙含水層。

3.1.2 井田地質構造對礦床充水的影響

根據已有地質資料，區內斷裂構造較發育，由于斷裂構造的存在，會造成各含水層間的水力聯系，構成導水通道。故斷層可成為礦床充水的通道。

3.1.3 地表水、地下水動態特征

井田內沒有地表水體，出露的地下水點亦甚少，從礦井排水量來看，礦井排水量受大氣降水影響明顯。

3.2 工程地質條件

井田內巖性以粗、中、細砂巖為主，間夾泥巖和砂質泥巖。

3.3 環境地質條件

據以往環境評價報告指出，井田勘探區新構造運動中等。地震烈度為Ⅶ度區，環境質量較差。

4 勘探方法及工作部署

4.1 勘探方法

4.1.1 勘探類型的確定

勘探類型的確定是依據井田內地質構造復雜程度和主要可采煤層穩定程度劃分。按照東周窯井田地質特征，選擇勘探類型以一類一型為基礎。

4.1.2 勘探手段的選擇

本井田勘探手段的選擇是以深部鉆探工程揭露為主，包括地質、測量、鉆探、物探測井和二維地震、水文地質、工程地質、環境地質現狀調查及各類樣品的采集測試工作等手段的綜合勘探方法。

4.2 勘探工作的部署

4.2.1 鉆探工程

（1）本次鉆探工作重點解決煤巖層對比、地層、煤層、煤質、水文地質、工程地質、環境地質、有益礦產及其它開采技術條件等方面的問題。

（2）共布置鉆孔62個，總鉆探進尺34589m，其中0～500m鉆孔進尺4352m；0～800m鉆孔進尺28315m。

4.2.2 二維地震

二維地震勘探在石炭紀煤層分布區用以探測侏羅紀、石炭紀煤層露頭線、區內構造及煤巖層埋深界面；侏羅紀煤層采空區部分用以探測上部構造、地層界面。

二維地震勘探線布置采用勘探線間距為500m。共布設23條，勘探線總長度為94710m。

4.2.3 水文、工程、環境地質勘查

（1）水文地質、工程地質修測與環境地質調查。在勘探期間，水文地質、工程地質修測及環境地質調查與地質修測同時進行，修測調查面積119.1288km2，比例尺1/1萬。

（2）水文鉆探。以《煤、泥炭地質勘查規范》（DZ/T0215－2002）為依據，水文地質勘查按二類一型劃分，布設水文鉆孔優先考慮首采區和盡可能靠近構造發育地段，同時本著一孔多用的原則，布設抽水試驗鉆孔，求得礦井涌水量計算參數。

（3）抽水試驗。共布設抽水試驗鉆孔3個，其中首采區2個，其它區1個。

（4）施工鉆孔全部進行簡易水文地質觀測。

（5）工程地質鉆孔。布設3條工程地質剖面，選擇8個鉆孔進行工程地質觀測與編錄，確定不同巖組的RQD值。

4.3 勘探工作進度的安排

4.3.1 項目實施進度安排

按照要求，各項勘探工作12個月內全部竣工，并提交補充勘探地質報告。

4.3.2 鉆孔施工順序

施工順序按照由已知到未知，由稀到密的勘探原則。

5 勘探工作質量要求

5.1 測量工作

5.1.1 執行規范

國家頒發的有關規范。

5.1.2 控制測量

（1）平面控制測量。平面控制測量采用先進的全球定位系統（GPS）進行布設。

（2）高程控制測量。高程控制測量采用GPS和三角高程進行引測。

（3）1∶10000地物修測。大面積的地物修測只測定其外圍坐標上圖，零星地物實地測定其位置標繪到圖上。測繪采用光電測距極坐標法進行。

（4）1∶10000剖面測量。剖面測量采用光電測距法進行測定，剖面端點及方位由地質人員實地指定。

5.1.3 工程測量

各種工程測量采用光電測距極坐標法測定。

5.2 鉆探工作

5.2.1 設計工作量

鉆探工程是勘探工作的最主要勘探手段，依據規范結合本區地質條件及所確定的基本工程網度布設鉆孔。

5.2.2 鉆探工程質量要求

按照設計要求，各類鉆孔施工質量要求達到甲級孔率100%，其中特級孔要求占鉆孔總數的30%。

5.3 物探測井工作

5.3.1 測井地質任務與要求

物探測井是重要的勘探手段，合理地應用數字測井技術有助于提高勘探質量，提高鉆探效率、降低勘探成本。

5.3.2 采用的儀器設備

本次工作采用TYSC－3Q型數字測井儀。

5.3.3 鉆孔測井工程質量要求

嚴格執行《煤田勘探鉆孔工程質量標準》中測井成果質量標準和鉆孔測井綜合評級標準，所有施工鉆孔全部進行測井工作。

5.4 二維地震勘探工作

5.4.1 項目實施依據

嚴格按照國家行業標準及有關要求和東周窯井田地質補充勘探工程有關技術要求執行。

5.4.2 地震地質條件

（1）表層地震地質條件。礦區為掩蓋式礦區，第四系黃土、第三系紅色粘土廣泛分布，為復雜的梁、峁狀黃土丘陵地形。該區表層地震地質條件較差。

（2）淺層地震地質條件。礦區內溝谷和山梁亞砂土及亞粘土下伏為第三系粘土巖和基巖，河谷中有季節性水流，其河道附近含泥和水，縱波速度較高約為1700m/s，在粘土巖或河谷水中激發，均能獲得較理想的記錄，本區淺層地震地質條件較好。

（3）深部地震地質條件。本區主可采煤層頂、底板基本以砂巖和粉砂巖為主，其波阻抗差異十分明顯，是一個良好的波阻抗界面，能夠在剖面中對煤層反射復合波進行對比分析，故本區侏羅系煤層邊界線以外深層地震地質條件良好。采空區分布區、地震波遇到采空區被大大吸收以下地層地震地質條件差。

5.5 水文、工程、環境地質

5.5.1 水文地質修測

通過水文地質測繪對勘探區內含水層，構造破碎帶的富水性，分布和埋藏條件、邊界條件、地下水的補給、徑流和排泄條件等進行研究，為分析礦床充水因素提供基礎資料。

5.5.2 工程地質修測

對煤層頂底板的巖性、厚度要進行詳細闡述，開展工程地質剖面觀測，劃分工程地質巖組，詳細觀測劃分勘探區斷層的分布特征及其構造巖的工程地質性質。

5.5.3 環境地質調查

收集查明井田歷史地震資料、侏羅系煤層采空區引發的塌陷、地裂縫、形成地表變形、查明地面塌陷范圍、深度、地裂縫形成的位置、延伸方向、裂縫寬度和相對位移落差、塌陷和地裂縫對地面各類設施造成的破壞程度、井田內礦井排水量、排放方式和礦井水去向、查清各礦井水有害成份及其含量等。

5.5.4 鉆孔簡易水文地質觀測

記錄鉆進過程中發現的漏水、坍塌、掉塊等現象出現的深度和漏水時水位埋深。

5.5.5 地下水動態觀測

選擇抽水試驗鉆孔和少量具有代表性地質鉆孔和代表性地表水點建立地下水動態長觀，觀測地下水水位、水溫、水量的變化。

6 設計主要工作量

根據本區補充勘探工作部署，本次設計方案主要工作量見表1。

7 鉆探技術措施及設備選擇配備

表1 主要工作量一覽表

7.1 技術措施

7.1.1 確定原則

（1）根據地質設計要求，確定以金剛石繩索取芯鉆進為主要鉆進工藝，鉆進巖層；以合金鉆進為輔助鉆進工藝，鉆進黃土及覆蓋層；以煤層取煤器鉆進煤層及其頂、底板；以氣動潛孔錘鉆進不取芯巖層。

（2）用泥漿、套管進行護壁；用先進、高效的氣動偏心潛孔錘跟管鉆進穿過采空區,以套管、水泥漿液進行采空區封閉。

（3）用優質低固相、無固相化學泥漿和空氣泡沫作為沖洗液，根據地層和工藝情況，合理優選類型和配方，使其性能指標滿足要求，并保持性能穩定。

7.1.2 鉆進方法、鉆孔結構及鉆頭的選擇

（1）鉆進方法：

①全孔取芯鉆進。開孔覆蓋層采用硬質合金鉆進，進入巖層換用金剛石繩索取芯鉆進，到達煤層頂板接近煤層時，換用取煤器取芯鉆進。

②部分孔段不取芯鉆進。開孔覆蓋層采用硬質合金鉆進，進入上部巖層換用氣動潛孔錘進行無巖芯鉆進；進入采空區頂板時采用雙動力頭鉆機進行氣動偏心潛孔錘跟管鉆進，穿過采空區底板；下部巖層用金剛石繩索取芯鉆進，到達煤層頂板接近煤層時，換用取煤器取芯鉆進。

③水文工程孔全孔取芯鉆進。開孔覆蓋層采用硬質合金鉆進，進入巖層用金剛石復合片取芯鉆進，進入采空區頂板時采用雙動力頭鉆機進行氣動偏心潛孔錘跟管鉆進，穿過采空區底板后換用金剛石復合片取芯鉆進，到達煤層頂板接近煤層時，換用取煤器取芯鉆進。

（2）鉆孔結構：

①全孔取芯鉆進。開孔口徑?150mm，穿過覆蓋層后，下入?146mm套管，然后用?91mm金剛石繩索取芯鉆進終孔。如遇采空區，可在穿過后達到穩定地層，下入?127mm套管，用?91mm金剛石繩索取芯鉆進終孔。

②部分孔段不取芯鉆進。開孔口徑?150mm，穿過覆蓋層后，下入?146mm套管，然后用?130mm氣動潛孔錘進行無巖芯鉆進。如遇采空區，則采用?130mm氣動偏心潛孔錘進行跟管鉆進，穿過采空區后，用?127mm套管封閉。到達取芯孔段，換用?91mm金剛石繩索取芯鉆進終孔。

③水文工程孔全孔取芯鉆進。水文工程孔開孔口徑?170mm，穿過覆蓋層后，下入?168mm套管，采空區用?130mm口徑鉆進、?127mm套管封閉，然后用?110mm金剛石復合片鉆進終孔。

（3）鉆頭的選擇。開孔選用?150mm×?130mm、?170mm×?150mm大八角鋸齒形肋骨合金鉆頭，下入套管后選用?91mm廣普多底唇面（鋸齒狀、階梯狀）金剛石復合片繩索取芯鉆頭或?110mm金剛石復合片普通取芯鉆頭，煤層及其頂底板用?91mm單動雙管取煤器階梯式側底噴鉆頭。氣動潛孔錘錘頭為?130mm柱齒形同心、偏心式。

7.1.3 鉆進工藝參數

（1）開孔鉆進黃土覆蓋層，鉆速快，鉆粉多，易糊鉆；自然造漿率高，泥漿粘度大，鉆頭所受阻力大。鉆進時應保持輕壓、中速、大泵量，鉆進規程應控制在壓力 200～400kg，轉速 160～230r/min,沖洗液量 180～250L/min。

（2）金剛石繩索取芯鉆進，鉆頭為復合片式，鉆桿內外管間隙、鉆頭與卡簧座間隙較小，鉆進時容易造成堵塞，且鉆速快、巖粉多，易埋鉆。鉆進時應保持中壓、中速、較大泵量，鉆進規程應控制在壓力800～1000kg，轉速350～500r/min,沖洗液量230～280L/min。

（3）取煤器鉆進，鉆頭底唇面大，環狀間隙小，鉆頭水眼小；進入煤層后，水流對煤芯有較強的沖刷作用，易造成煤芯丟失。鉆進時應保持較大壓力、中速、小泵量，快速通過，鉆進規程應控制在壓力1000～1200kg，轉速300～350r/min,沖洗液量120～150L/min。

（4）潛孔錘鉆進，鉆速快、巖粉多、易埋鉆，在不穩定地層易造成掉塊、卡鉆。鉆進時應保持一定的軸心壓力、低速、大風量，鉆進規程應控制在壓力300～500kg，轉速30～50r/min，風量18～20m3/min。

7.1.4 沖洗液與護壁堵漏

（1）沖洗液的選用。根據本礦區煤田鉆進的特點，沖洗液選用優質低固相、無固相泥漿，原材料選用優質膨潤土，繩索取芯鉆進原材料要選用LBM低粘增效粉，并根據地層情況合理加入相應的泥漿處理劑進行調整。

（2）沖洗液的配制：

①優質低固相腐植酸鉀泥漿配方：

一般配方：水+膨潤土+NaCO2+CMC+PHP+KHM；

特殊配方：水+膨潤土+NaCO2+SM+KHM+XC。

②充氣泡沫沖洗液的基本配方：水+膨潤土+CMC+K12。

（3）鉆孔護壁與堵漏：

①鉆孔采用泥漿、空氣泡沫、充氣泡沫及化學處理劑結合套管進行護壁，采空區用套管、水泥漿液封閉。

②鉆進中如遇小的漏失，可根據實際情況調整沖洗液配方或填加化學處理劑進行防漏；如漏失較大，則用堵漏材料或水泥漿液進行堵漏。

7.2 設備配置

根據工作需要配置主要設備見表2。

表2 儀器、設備配置表

8 預期成果

8.1 各級資源/儲量預算結果

通過補充勘探后提交331級資源/儲量49388×104t、332級資源/儲量 64487×104t、333級資源/儲量61996×104t，其中331級資源/儲量占先期開采區資源/儲量的79.1%。

8.2 提交成果資料

提交經國家儲量評審中心認定的《大同煤礦集團有限責任公司東周窯井田（補充）勘探地質報告》一套（文字、附圖、附表、附件）。