同安煤業地面鉆孔補勘分析

程亮

（山西焦煤霍州煤電同安煤業有限公司，山西 呂梁 035200）

1 概 況

同安煤業的煤田地質資料都是通過早期鉆探獲取。1954—1959 年間，華北煤田地質勘探局調查隊在嵐縣礦區進行過1∶50000 地質測量，并進行了普查地質勘探，施工鉆孔18 個，總進尺6 831.46 m；1972—1976 年，山西省煤田地質勘探三隊在嵐縣礦區進行了詳查勘探，此次勘探共施工鉆孔109 個，總進尺48 201.65 m，其中100 個鉆孔實施了物探測井；1977—1978 年，山西省煤田地質勘探三隊在嵐縣礦區龍泉井田進行精查勘探工作，施工鉆工80 個。但是這些鉆探的時間距今都較長，一些數據可能存在偏差。

同安煤業井田內劃分一個水平開拓全井田，水平標高+1 062.1 m。根據開采條件及范圍，4、7、9 號煤層利用主水平聯合回采。煤層開采由上至下進行，即先采4 號煤層，再采7 號和9 號煤層。根據本井田地質構造分布、煤層賦存特點及開拓巷道布置，以F4 斷層為界將全井田平面上劃分為2 個盤區，F4 斷層以西為一盤區，F4 斷層以東為二盤區。首采盤區在4 號煤層一盤區，即一采區。因此為了保證同安煤業生產的安全性，需要對未來即將開采的一采區進行補充勘探。

補充勘探采用以地質鉆探、地球物理測井，并結合巖（水）采樣化驗、巖石物理力學性質測試等手段進行綜合勘查，以達到驗證三維地質解釋的采空區及異常區的準確性為主要目的。

2 補充勘探工程

由于同安煤業全井田已達到勘探程度，故此次設計施工的3 個鉆孔均在高級儲量區內，并且主要針對4、7 采空區是否存在積水進行布置，鉆孔做到一孔多用，編號補-1、補-2、補-3，如圖1 所示。補勘鉆孔3 個工程量總計1 636.01 m，3 個鉆孔全部進行了簡易水文地質觀測，并詳細記錄孔內水位及沖洗液消耗量，經綜合驗收評定此次施工3 個鉆孔級別均為甲級，所有鉆孔均進行了數字化物理測井[3-4]，物理測井實測1 615 m，完成了設計任務。

圖1 補勘鉆孔的相對位置Fig.1 Relative location of supplementary exploration boreholes

此次勘查主要采用地質鉆探、數字測井，輔以采取煤芯樣、有益礦產及其他一些樣品進行化驗測試等手段相結合的綜合勘查方法。補3 鉆孔的部分數字測井綜合曲線如圖2 所示。

圖2 補3 鉆孔的部分數字測井綜合曲線Fig.2 Partial digital logging comprehensive curves of No.3 supplementary exploration borehole

此次補充勘探工程外業工作于2021 年結束，補勘地質孔終孔孔徑不小于89 mm。此次補勘對3個孔均進行了電測斜儀測斜，累計測斜點35 個，終孔斜度3°56′～6°05′，符合規范要求，方位角采用測斜儀器中的羅盤進行了測量。孔深每百米、見煤前10 m 或止煤后10 m 及終孔均進行了鉆具丈量，在鉆具丈量中對誤差超過0.15%的孔深均進行了合理平差和校正，符合有關規程要求，各可采煤層的止煤深度與測井止煤深度誤差，均符合有關規程。

取芯層段的所有鉆孔，煤系地層巖芯采取率均大于75%，非煤系地層巖芯采取率均大于65%，煤芯長度采取率均大于75%，重量采取率均在60%以上，如圖3 所示。全部鉆孔均從孔口至孔底用水泥漿封閉，封孔方法采用泥漿泵注入法，封孔材料采用標號為42.5 號普通硅酸鹽水泥，水、灰配比為0.6∶1，井口用水泥樁作永久性標志，鉆探工程終孔封閉均按照補勘設計及有關規程進行，封孔質量達到要求。

圖3 補勘采集的巖樣Fig.3 Rock samples collected by supplementary exploration

所有鉆孔終孔后巖、煤芯均經相關專業技術人員進行現場驗收，在現場采取了可采煤層煤芯樣和頂、底板及夾矸樣后，除根據要求將部分層段巖芯裝箱留存外，其余裝葙的巖芯全部現場銷毀。

3 補勘結果分析

3.1 瓦斯

此次補勘在補1、補2 鉆孔采取了5 個瓦斯樣，野外采樣用地勘瓦斯解析儀和瓦斯罐現場采樣。室內測試分析由山西煤田地質研究所（現山西省地質礦產研究院）完成。瓦斯測定結果匯總見表1。

表1 煤層瓦斯測定結果Table 1 Coal seam gas measurement results

由表1 可知，補勘結果中4、7、9 號煤層中的瓦斯均以氮氣-甲烷為主，這與之前的鑒定結果存在一定的差異性，在2021 年之前的礦井瓦斯等級鑒定中，4 號煤層中的瓦斯是以二氧化碳-氮氣為主。因此，通過此次補勘可以重新認識煤層中的瓦斯成分，對于礦井瓦斯合理防治有著一定的指導作用。

3.2 水文地質

3.2.1 煤層底板隔水層厚度

煤層底板隔水層厚度是指主采煤層底板至下伏對煤層開采有水壓力嚴重威脅的含水層頂面間的完整隔水層總厚度，隔水層的厚度取決于沉積時的古地理環境，后期構造的改造作用對地層厚度也產生一定的影響，如褶皺變薄帶、斷裂構造破碎帶等。

此次補勘的鉆孔一孔多用，因此同時進行了水文地質的探查，為了便于水文地質資料的補充，這里將上文的補-1、補-2、補-3 鉆孔重新編號為SW1、SW2 和SW3 鉆孔。礦區內鉆孔僅此次施工的SW2、SW3 號水文孔揭露奧陶系地層，其余鉆孔均是鉆進至9 號煤層即太原組下部。此次工作計算煤層底板隔水層厚度時，采用各鉆孔實際揭露厚度與礦區內本溪組厚度平均值（27.5 m）相加后確定，詳見表2。

井田內揭露奧灰鉆孔較少，且分布不均，無法較為準確的反映全井田隔水層厚度的空間分布特征，在下一步井田補充勘探過程中，應注意加強對隔水層厚度及巖性的探查。

3.2.2 煤層涌水量預測

一采區4 號煤層位即將要進行開采，需要了解其涌水量以期為未來的防治水提供一定的依據。根據此次施工的SW2 號水文孔二疊系下統山西組至石炭系太原組混合抽水試驗資料，用地下水動力學解析法預測4 號煤層涌水量，用承壓轉無壓完整井的穩定流計算公式[7-8]：

式中：Q 為礦井（或鉆孔）涌水量，m3/d；K 為滲透系數，取0.004 9m/d；H 為水柱高度，即自然水位至4 號煤層底板標高的距離，為272.06 m；S 為疏干水位降深，為自然水位至疏干標高的距離，同為272.06 m；h 為疏干標高至含水層底板的距離，為0；M 為含水層厚度，43.7 m；R 為引用影響半徑，m；r0為引用半徑，m；F 為采用首采工作面1408 的面積。帶入相關數據，計算一采區4 號煤層預測段涌水量為530.34 m3/d。

解析法在計算過程中無法考慮地下水邊界條件和補、徑、排關系，計算結果與實際情況可能存在一定誤差，僅供參考。

3.3 巖層特征

表3 為同安煤業2016 年測得的各煤層頂底板巖層的巖性及強度參數。表4 為根據補-2 號鉆孔測得的各煤層頂底板巖層的巖性及強度參數。圖4為補2 孔的巖層綜合柱狀圖。

表4 補-2 孔巖石物理力學性質試驗結果Table 4 Test results of rock physical and mechanical properties of No.2 supplementary exploration borehole

圖4 補-2 孔中煤層頂底板柱狀圖Fig.4 Columnar diagram of coal seam roof and floor in No.2 supplementary exploration borehole

由表3 和表4 對比可以發現，此次勘探的4 號煤層的頂底板的巖性與過去勘探的結果一致，但頂底板的強度要普遍高于過去的結果，如此次勘探結果中4 號煤層頂板砂質泥巖的平均抗壓強度達到了33.6 MPa，而之前的僅為12.0 MPa；7 號煤層與4號煤層的結果相似；而此次勘探中9 號煤層頂板的巖性與過去勘探的結果表現出不同，此次勘探頂板為砂質泥巖，過去的為泥灰巖，且此次頂板的抗壓強度高于過去的。鑒于此次補充勘探中各煤層頂板抗壓強度強度普遍高于之前的勘探，為了實現4 號煤層的安全開采，在回采過程中需要觀察頂板垮落狀況，若不能垮落，則需要進行強制放頂。

3.4 資源/儲量估算

估算范圍以井田邊界、采空區邊界、風氧化帶邊界劃定，井田批采4～9 號煤層，此次結合新補充的3 個勘探孔，對井田內的4-1、4、7、9 號煤層進行了資源/儲量估算。4-1 號煤層估算面積為0.952 7 km2；4 號煤層估算面積為6.222 9 km2；7號煤層估算面積為6.7471 km2；9 號煤層估算面積為6.253 1 km2。煤層最深處為井田中北部9 號煤層，標高約630 m，煤層最高處為井田西部，標高約1 220 m。井田地層傾角在5°～25°，勘探工程成網狀布置，如圖5 所示。

圖5 勘探鉆孔網狀布置Fig.5 Exploration drilling mesh layout

煤層厚度變化不大，依據《煤、泥炭地質勘查規范》，此次資源量估算采用水平投影地質塊段法，傾角在15°以下的塊段，利用煤層的偽厚度和水平投影面積估算其資源/ 儲量；煤層傾角在15°以上的塊段利用煤層的真厚度和斜面積估算其資源/儲量，估算公式為：

式中：Q 為資源量，萬t；S 水平為塊段水平投影面積，km2；M 偽為塊段煤層平均偽厚度，m；D為煤層視密度，t/m3；α 為塊段平均傾角。

各煤層視密度采用龍泉精查勘探資料，4-1、4號煤層視密度為1.45 t/m3，7 號煤層視密度為1.44 t/m3，9 號煤層視密度為1.38 t/m3。

通過計算，此次資源/儲量估算全井田共獲得保有資源量16 690 萬t，其中探明的資源量（TM）為14 900 萬t，控制資源量（KZ）為22 萬t，推斷資源量（TD）為1 768 萬t。全井田探明的資源量（TM）占總資源/儲量的89%，探明和控制資源量（TM+KM）占總資源量的89%，符合規范要求。全井田各可采煤層保有資源量詳見表5。

表5 資源量估算匯總Table 5 Resource estimation summary

2011 年9 月中國冶金地質總局第三地質勘查院編制有《山西省寧武煤田嵐縣大同煤礦集團同安煤業有限責任公司煤炭資源儲量核實報告（供兼并重組用）》，2012 年4 月山西省國土資源廳以晉國土資儲備字業函[2012]037 號文予以批復通過，而經過此次估算的總資源量比前者減少25 萬t。

4 結語

為了保證同安煤業即將開采的一采區的安全開采，對同安煤業井田進行了補充勘查工程，共施工了3 個鉆孔，并根據新補充的3 個勘探孔資料，對煤層瓦斯狀況、水文地質狀況、巖層特性以及資源儲量等方面進行了重新確定。但總體而言此次補充勘探規模較小，加之井田內大部分鉆孔為20 世紀70 年代所施工，所測試項目均不完整，建議在開采煤層中采集樣品進行多種項目化驗測試，從而更深的了解煤層的性能。