地勘綜合技術(shù)在古城煤礦鉆孔勘查中的應(yīng)用研究

王國方 楊彪

摘要：以古城煤礦某風(fēng)井井筒檢查鉆孔作為研究對象，綜合采用了鉆探、抽水試驗、物理測井、井液電阻率（鹽化擴散）廈土樣、巖樣、水樣、煤樣、瓦斯樣采取、封孔等地勘綜合技術(shù)方法，并對試驗數(shù)據(jù)進行處理分析，確定井筒地層地質(zhì)剖面、巖土物理力學(xué)性質(zhì)及水文地質(zhì)條件，形成地質(zhì)勘探結(jié)論與建議，對煤礦井筒地質(zhì)勘查技術(shù)應(yīng)用起到一定的參考借鑒作用。

關(guān)鍵詞：煤礦；地勘綜合技術(shù)；鉆孔井筒檢查；應(yīng)用

中圖分類號：P694

1 項目概況

古城煤礦井田位于勘查區(qū)內(nèi)中東部，在充分系統(tǒng)地收集了以往地質(zhì)資料、水文地質(zhì)勘查以及礦井生產(chǎn)實際揭露的水文地質(zhì)等資料，以及在野外實地踏勘的基礎(chǔ)上，對某風(fēng)井檢1、檢2號孔實施井筒檢查。施工任務(wù)是獲取井筒通過地層的地質(zhì)剖面；查明各含水層厚度、埋藏條件、水位、水質(zhì)等水文地質(zhì)條件；查明可采煤層的厚度及埋藏深度；通過采取巖土樣、水樣、煤樣，測定巖土的物理力學(xué)性質(zhì)、煤質(zhì)和瓦斯資料、地下水的水質(zhì)資料；通過水文地質(zhì)試驗，獲取含水層水文地質(zhì)參數(shù)，預(yù)測井筒涌水量。

2 地勘綜合技術(shù)概述

對某風(fēng)井檢1、檢2井筒檢查鉆孔實施了鉆探、抽水試驗、物理測井、井液電阻率（鹽化擴散）、及土樣、巖樣、水樣、煤樣、瓦斯樣采取、封孔等野外工作。整個鉆孔鉆進過程為全取芯，對鉆孔所通過的地層剖面，除對采取上來的巖芯進行肉眼鑒定描述外，并采用數(shù)字測井儀進行了物理測井。根據(jù)設(shè)計要求，在風(fēng)化基巖段、基巖段鉆探工作結(jié)束后，分別進行了抽水試驗和井液電阻率（鹽化擴散）測試，劃分了各含水層位置、厚度，計算了含水層水文地質(zhì)參數(shù)，預(yù)測井筒涌水量。本次勘查結(jié)果均以檢1井筒為例進行說明。

3 勘查綜合方法詳述

3.1鉆孔工程測量

3.1.1使用儀器

南方測繪儀器公司生產(chǎn)的靈銳S86T型RIX CPS接收機1+1臺／套（雙頻），南方測繪儀器公司生產(chǎn)的S730型CPS RTK控制采集手薄（配置南方公司開發(fā)的工程之星3.0 RIX測繪軟件）一部。靈銳S86T型RTK CPS接收機標(biāo)稱精度為：平面精度為±1cm+1ppm，高程精度為±2cm+1ppm，作用距離優(yōu)于8km，初始化時間為典型15s。

3.1.2測量成果

檢1號孔布置在進風(fēng)井井筒的南西方向，距進風(fēng)井井筒中心（SW）17.27m處，具體坐標(biāo)：x=4014229.962，Y=38399610.474，H=+949.045，測量成果見下表。

3.1.3測量精度評價

本次工程測量精度符合《地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測量規(guī)范》中有關(guān)鉆孔測量的精度要求，所用儀器按期進行了周檢，質(zhì)量合格。測量方法合理，質(zhì)量合格。

3.2水文地質(zhì)鉆探

3.2.1鉆探設(shè)備與鉆孔結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)項目工程需要，考慮施工鉆孔的深度、口徑和地面、井下等因素，結(jié)合檢1號孔、檢2號孔實際情況，選用的鉆探設(shè)備型號是XY-6繩索取芯鉆機。鉆孔結(jié)構(gòu)如下圖所示。

3.2.2止水

本次抽水層次6次，分別是Q+風(fēng)化帶抽水試驗2次、P2S抽水試驗2次、P1x+P1s抽水試驗1次、P1x+P1s注水試驗1次。其中Q+風(fēng)化帶抽水試驗不止水，其他抽水試驗均需要止水。

檢1號孔P2S抽水試驗前利用水泵加壓，將攪好的水泥漿壓入至套管與孔壁間隙，直至水泥漿從孔口返出，水泥封閉進行止水。利用擴散法測井檢查，止水質(zhì)量合格。檢1號孔P1x+P1s注水試驗前鉆進至482.06m處，下140套管至482.06m處，將攪好的水泥漿，利用水泵加壓方式，使水泥壓至套管與孔壁環(huán)狀間隙，水泥凝固后利用水泥進行止水。采用管內(nèi)外水位壓差法檢查，止水質(zhì)量合格；后利用擴散法測井檢查，止水質(zhì)量合格。

3.2.3洗井

各孔在正式抽水試驗前均采用清水沖孔、潛水泵抽水洗井等聯(lián)合洗井方法，以確保含水層疏通，導(dǎo)水正常，靜水位與恢復(fù)水位達到基本要求，洗井質(zhì)量良好。

3.2.4取芯

按照設(shè)計要求，各鉆孔均為全孔取芯。各孔巖芯采取率要求：在土層與穩(wěn)定巖層中，不宜小于75%；破碎帶、軟弱夾層、砂層中，不宜小于60%，煤層及其頂?shù)装宀扇÷什坏陀?0%。鉆孔取芯后，及時鑒定、描述巖芯的巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、節(jié)理裂隙性質(zhì)、巖石風(fēng)化程度、發(fā)育情況、巖芯破碎情況、巖溶發(fā)育及其充填情況等。

3.2.5孔斜

依據(jù)孔斜規(guī)范要求，檢查孔鉆進過程中，每鉆進30-50m，其傾角和方位角應(yīng)測定一次，全孔偏斜率應(yīng)控制在1.0%以內(nèi)。終孔位置與井筒壁之間的距離不小于5m。檢1號孔檢測結(jié)果為乙級。

3.2.6鉆孔封閉

檢1、檢2號孔在竣工后以水泥：清水=1：0.7進行了全孔封閉，封孔質(zhì)量檢查合格后，經(jīng)過48h凝固后，并進行了采樣檢查，送達實驗室測試抗壓強度，抗壓強度為18.2MPa，抗壓強度不低于10MPa，達到了設(shè)計要求。封孔后孔口埋設(shè)石標(biāo)，并提交封孔報告。

3.3側(cè)井

3.3.1測井儀器類型及測量參數(shù)

本次測井儀器設(shè)備主要選用的是TYSC-3Q密度三側(cè)向探管、電法探管、PSWL-1井溫探管、PSJ-2數(shù)字采集記錄儀及PSX-1井斜儀。

3.3.2水文測井內(nèi)容

數(shù)字測井儀的主要測井內(nèi)容為伽瑪伽瑪法、自然伽瑪法、三側(cè)向電阻率法、自然電位法、擴散測井、井徑測井、井斜等。在含水層確定的基礎(chǔ)上，主要采用了鹽化擴散法來輔助測量。本次檢1號孔共實施3次水文測井。經(jīng)綜合分析，檢1號孔第四系含水層均分布三層穩(wěn)定含水層（流沙層），層位穩(wěn)定；上石盒子組上部地層上部均分布砂巖裂隙含水層，層位穩(wěn)定，略有差異，由砂巖裂隙分布均一性形成。下石盒子組及山西組含水性弱，富水性弱，砂巖裂隙發(fā)育弱。

3.4采樣與測試

本次勘查，施工的檢1號孔采集巖石物理力學(xué)試驗樣、土工試驗樣、動土試驗樣、煤芯樣、瓦斯樣、全分析水樣。所有樣品的采集及包裝均按有關(guān)規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)進行，采樣符合要求，滿足化驗需要。提供測試數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，滿足了分析研究要求。

4 井筒水文地質(zhì)勘查

4.1簡易水文觀測

本次簡易水文觀測主要是針對鉆進過程中沖洗液（清水鉆進）消耗量及鉆孔內(nèi)混合水位的觀測，以便對含水層進行粗略的判斷。鉆孔鉆進至風(fēng)化帶及主要含水層位時，孔內(nèi)沖洗液消耗量有所增加。根據(jù)鉆探采取巖芯資料，鉆孔開孔鉆進至第四系松散層及卵石層時，鉆孔沖洗液消耗量有所增加；其余層位地層穩(wěn)定，沖洗液消耗量變化不明顯。

4.2各抽水層段主要含水層

根據(jù)檢1號孔揭露情況，將區(qū)內(nèi)含水層劃分為第四系松散層孔隙含水層及基巖風(fēng)化裂隙含水層、二疊系上統(tǒng)上石盒子組砂巖裂隙含水層、二疊系下統(tǒng)下石盒子組與山西組砂巖裂隙含水層。

4.2.1第四系松散層孔隙含水層及基巖風(fēng)化帶裂隙含水層

上部含水層段為第四系中更新統(tǒng)孔隙含水層，含水層受大氣降水影響明顯，厚24-36m，由粉砂、細砂、砂土組成，揭露9層含水層，主要含水層有三層，均為流沙層，利用鉆探與測井手段綜合判斷，共計3層，位于19.7-35.85m/16.15m、57.70-65.15m/7.45m、72.85-78.50m/5.65m。據(jù)本次施工的檢1號孔抽水試驗資料，該含水層屬弱富水性。

4.2.2二疊系上統(tǒng)上石盒子組砂巖裂隙含水層

該含水層主要由粗一細粒砂巖組成，揭露10層含水層，含水層厚54.63m，含水空間以裂隙為主。據(jù)本次施工的檢1號孔注水試驗成果資料，該含水層屬弱富水性。

4.2.3二疊系下統(tǒng)下石盒子組及山西組砂巖裂隙含水層

該含水層主要由中一細粒砂巖組成，揭露9層含水層，厚度36.56m，含水空間以裂隙為主。據(jù)本次施工的檢1號孔注水試驗成果資料，該含水層屬弱富水性。

4.3主要隔水層

依據(jù)巖性特征，主要有松散層黏土及粉質(zhì)黏土隔水層、二疊系砂質(zhì)泥巖與泥巖隔水層。松散層黏土及粉質(zhì)黏土隔水層主要由塑性的黏土、粉質(zhì)黏土組成；二疊系砂質(zhì)泥巖及泥巖隔水層主要由塑性的泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂質(zhì)泥巖構(gòu)成，單層厚2米至數(shù)十米，呈層狀分布于各砂巖含水層之間，自然狀態(tài)下可阻隔各含水層之間的垂向水力聯(lián)系。

4.4含水層之間的水力聯(lián)系

本區(qū)煤層直接充水含水層為下石盒子組、山西組、太原組砂巖、石灰?guī)r，補給條件差，且與上覆風(fēng)化帶、第四系含水層、下覆奧陶系巖溶裂隙含水層間均有一定厚度的隔水層相隔。地下水主要以層間徑流為主，但井田內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，可能成為各含水層間的垂向補給通道，對各含水層產(chǎn)生充水影響。

4.5井筒涌水量預(yù)測

4.5.1預(yù)算方法

本次利用第四系（Q）+基巖風(fēng)化帶含水層、上石盒子組（P2s）、下石盒子組（P1x）+山西組（P1s）含水層抽（注）水試驗成果資料，采用“大井法”和Q-S曲線法對井筒進行涌水量預(yù)算。

4.5.2水文地質(zhì)參數(shù)選擇及計算結(jié)果

根據(jù)抽水試驗所獲得的參數(shù)，對各井筒不同層段的涌水量分別進行了預(yù)算。按設(shè)計，回風(fēng)立井筒第四系松散層段毛半徑取5.00m。進風(fēng)立井第四系及基巖風(fēng)化帶含水層涌水量大井法計算結(jié)果為17.5m3／h，Q-S曲線法為24.3m3／h。進風(fēng)立井上石盒子組（P2S）含水層涌水量大井法計算結(jié)果為11.3m3／h，Q-S曲線法為10.4m3／h，進風(fēng)立井井筒檢查孔下石盒子組（P1x）+山西組（P1s）含水層涌水量大井法計算結(jié)果為0.3m3／h，Q-S曲線法為0.3m3／h。

5 結(jié)論和建議

5.1結(jié)論

對檢1號檢查孔獲得的成果總結(jié)如下：通過鉆探工作和地球物理測井工作，確定了井筒通過的地層、煤層賦存情況及構(gòu)造情況。進風(fēng)立井井筒附近發(fā)育地層：第四系中更新統(tǒng)、二疊系上統(tǒng)上石盒子組、二疊系下統(tǒng)下石盒子組、二疊系下統(tǒng)山西組、石炭系上統(tǒng)太原組；揭露可采煤層為3號煤層，煤層底板深度593.76m，煤厚6.70m。據(jù)檢1號孔抽水試驗資料顯示，含水層均屬弱富水性。

5.2建議

（1）本次施工井檢孔未揭露地質(zhì)構(gòu)造，鑒于地質(zhì)鉆孔揭露地層的隨機性，同時考慮基巖風(fēng)化裂隙和斷層破碎帶可能為導(dǎo)水通道，對立井進行垂向補給。建議在井筒施工時，密切注意側(cè)向含水層涌水情況，防止斷裂構(gòu)造對施工井筒產(chǎn)生充水影響。

（2）由于井筒檢查孔揭露含水層面積及范圍有限，且砂巖裂隙分布不均一，因此，所求含水層參數(shù)偏小。因此，建議兩個井筒施工期間，揭露第四系砂層（兩個井筒均分布有三層）、風(fēng)化裂隙帶及上石盒子組頂部地層時，裂隙相對較發(fā)育，一般含水量較大，巖石一般為軟巖，水文工程地質(zhì)條件較差，在井筒設(shè)計和施工中引起足夠的重視，采取注漿或延伸凍結(jié)深度的方法加以解決。

作者簡介：王國方（1987-），女，山西運城人，工程碩士，副教授，2012年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，研究方向：地質(zhì)勘查。