陽泉煤業(yè)集團(tuán)翼城堡子煤業(yè)有限公司水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探及井下探放水施工工藝探討

王 欣

（中國煤炭地質(zhì)總局一一九勘探隊(duì)，河北邯鄲056107）

堡子煤礦根據(jù)該礦水文地質(zhì)工作不足，需要進(jìn)行水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探及井下探放水等工作。為評(píng)價(jià)2、9號(hào)煤開采水文地質(zhì)條件，并針對(duì)存在的水文地質(zhì)問題提出煤礦防治水措施。共有水文地質(zhì)補(bǔ)充鉆探5個(gè)鉆孔，其中地面3個(gè)鉆孔，B1-1～B1-3；井下2個(gè)奧灰水放水孔。

1 地質(zhì)簡況與主要設(shè)備

1.1 地層

井田位于沁水坳陷的西翼，陽城山字形構(gòu)造的西翼，地層總體為走向北北西，傾向北東的單斜構(gòu)造，次一級(jí)構(gòu)造多為相互平行展布的背向斜和北北西、北西西向2組斷層；延伸較長的背、向斜，總的走向?yàn)楸北蔽飨蚝湍媳毕?，從平面上看多呈現(xiàn)“S”型，大斷層為走向北北西的正斷層。區(qū)域地層由沁水盆地的翼城隆起帶，向東依次出露由老到新，出露齊全，自然剖面較完整，井田地層由老至新分述如下：

（1）中奧陶統(tǒng)峰峰組(O2f）：為含煤地層基底，厚度大于100.00m，以深灰色厚層狀石灰?guī)r夾灰黃色泥灰?guī)r和鈣質(zhì)泥巖薄層?；?guī)r中節(jié)理、裂隙和巖溶均很發(fā)育。

（2）石炭系(C）：

①中統(tǒng)本溪組(C2b）：與下伏峰峰組呈平行不整合接觸。一般厚4.80～6.30m，平均5.37m，巖性主要由灰白色或藍(lán)灰色鋁質(zhì)泥巖、灰色薄層粉砂巖組成，底部鋁質(zhì)泥巖中含褐鐵礦(山西式鐵礦）層位不穩(wěn)定。本溪組在區(qū)內(nèi)厚度小，不穩(wěn)定，常見缺失現(xiàn)象。

②上統(tǒng)太原組(C3t）：K1石英砂巖底至K7砂巖底，厚度56.50～63.30m，平均59.34m，主要由石灰?guī)r、砂巖、粉砂巖、泥巖和煤層組成的海陸交互相地層，為本井田內(nèi)主要含煤地層之一。底部為灰白色細(xì)粒石英砂巖，其層位為K1。下部以鋁質(zhì)泥巖和9號(hào)煤層為主。中部為K2、K3、K4石灰?guī)r夾泥巖、粉砂巖及煤層。K2、K3石灰?guī)r間夾8號(hào)煤層，K4石灰?guī)r一般為7號(hào)煤層直接頂板。上部以黑色泥巖粉砂巖為主，含5號(hào)、6號(hào)薄煤層，頂部常發(fā)育一層石灰?guī)r，其層位相當(dāng)于“海相泥巖”。

（3）二疊系(P）：

①下統(tǒng)山西組(P1s）：自K7砂巖底至K8砂巖底。厚39.80～56.20m，平均49.13m，與下伏太原組地層整合接觸，為本井田主要含煤地層之一。下部巖性主要由深灰色粉砂巖、泥巖和煤層(3號(hào)煤）組成。底部砂巖(K7）發(fā)育不好，常相變?yōu)橐粚踊液谏凵皫r。中部以灰黑色粉砂巖、泥巖及2、3號(hào)煤層組成。上部以灰白色中細(xì)粒砂巖、灰黑色粉砂巖為主，中夾黑色泥巖和極不穩(wěn)定的1號(hào)煤層。

②下統(tǒng)下盒子組(P1x）：連續(xù)沉積于下伏山西組之上，地層厚度79.86～155.87m，平均105.03m。按照巖性組合可分為上、下2段：

下段(P1x1）：由K8砂巖底至K9砂巖底，厚度37.30～88.55m，平均59.23m。以黃色中粒砂巖夾灰色、深灰色泥巖為主，夾黑色泥巖及薄煤1～3層。底部為K8砂巖，厚度1.15～11.78m，平均3.16m，巖性為灰白色、巨厚層狀中、粗粒砂巖，成分多以石英為主，長石次之，分選較好，孔隙式膠結(jié)，K8砂巖不穩(wěn)定，局部相變?yōu)榉凵皫r或砂質(zhì)泥巖。下部以灰色、深灰色、灰黑色泥巖、粉砂巖為主。上部以深灰色泥巖、粉砂巖為主，局部夾一層煤線。

上段(P1x2）：K9砂巖底至K10砂巖底，厚度42.56～67.32m，平均45.80m。底部K9砂巖為灰白色、黃綠色石英長石砂巖，其上為灰色、綠灰色泥巖、粉砂巖互層，局部夾富含植物化石的薄層粉砂巖，其上為砂巖帶，砂巖帶為灰色、黃綠色中粗粒長石石英泥質(zhì)砂巖，向上變細(xì)，漸變?yōu)榧?xì)粒砂巖，其上為灰綠色細(xì)粒砂巖，與粉砂巖互層，夾灰色鋁質(zhì)泥巖及紫色、灰綠色互為斑塊狀雜色泥巖薄層，頂部為雜色泥巖，富含鋁質(zhì)，具鮞粒，俗稱“桃花泥巖”。以其層位穩(wěn)定，巖性特殊，是確定K10砂巖的輔助標(biāo)志層。

③上二疊統(tǒng)上石盒子組(P2s）：K10砂巖底至K14砂巖底，厚約470.00m，與下伏下石盒子組整合接觸，按巖性組合特征可分為上、中、下三段，井田內(nèi)僅保留中、下段地層。

下段（P2s1）：從K10砂巖底至K12砂巖底，地層厚度176.72～234.50m，平均厚度204.82m左右。下部以灰綠色、棕色鋁質(zhì)泥巖、灰綠色含紫色斑塊泥巖、灰綠色粉砂巖為主，夾灰白色、灰綠色中細(xì)粒砂巖；中下部偶夾透鏡狀錳鐵礦；中部為淺灰色、灰綠色泥巖，夾灰白色、綠灰色中粒砂巖及含礫粗砂巖；上部為雜色泥巖、粉砂巖，中夾中粒砂巖。

中段（P2s2）：從K12砂巖底至K13砂巖底，地層厚度200.65～262.70m，平均厚度229.29m。保留厚度120m左右，該段底部為灰白色中粗粒砂巖，下部為淺灰、灰綠暗紫色泥巖、粉砂巖，夾灰白色中粒砂巖；中部為暗紫、紫紅色泥巖，夾灰綠、黃綠色粉砂巖及細(xì)砂巖；上部以黃綠色、杏黃色粉砂巖、泥巖互層為特征；頂部常夾薄層狀燧石層。

（4）第四系(Q）：為井田地表內(nèi)主要覆蓋層，以角度不整合覆于不同時(shí)代地層之上。

①中更新統(tǒng)(Q2）：以棕黃色黃土狀粉砂質(zhì)土為主，夾棕紅色埋藏土條帶，局部含鈣質(zhì)結(jié)核，底部常見礫石層，厚約0～30m。

②上更新統(tǒng)（Q3）：主要為棕紅色亞粘土及鈣質(zhì)結(jié)核組成，厚0～10m。

③全新統(tǒng)（Q4）：為現(xiàn)代河流沉積物，以黃土、砂礫石及河流石組成。厚0～40m。主要分布于續(xù)魯河河床上。

1.2 鉆井主要設(shè)備

地面配備有TXJ-16001、NBB300泥漿泵各一臺(tái)，配套鉆塔、柴油機(jī)、潛水泵等；井下配備XY-4和ZDY3200坑道鉆機(jī)、3NB320泥漿泵等設(shè)施。

2 施工工藝

鉆探工程施工布署：地面、井下3臺(tái)施工機(jī)組先后同時(shí)進(jìn)場(chǎng)施工。

根據(jù)施工技術(shù)要求，采用牙輪或PDC無芯鉆進(jìn)工藝，取芯層段，先采用小口徑取芯鉆進(jìn)工藝，然后擴(kuò)孔鉆進(jìn)。鉆井液采用低固相泥漿或清水。按工序進(jìn)行測(cè)井、下管止水、洗井、抽水試驗(yàn)等工作。地面和井下鉆孔施工工序流程見圖1、圖2。

圖1 地面鉆孔施工工序流程

圖2 井下鉆孔施工程序流程圖

2.1 鉆孔（套管）結(jié)構(gòu)

（1）地面峰峰組灰?guī)r水鉆孔結(jié)構(gòu)：第四系沖積層開孔?311mm，下入10m的?273mm的孔口管；變徑?215mm至K2灰?guī)r底界面，下入?168mm套管至K2灰?guī)r頂界面進(jìn)行臨時(shí)止水，對(duì)K2灰?guī)r水進(jìn)行第一次抽水試驗(yàn)；抽水試驗(yàn)結(jié)束后繼續(xù)鉆進(jìn)至進(jìn)入奧灰3m，下入?168mm套管進(jìn)行永久性止水；裸孔段?110mm鉆進(jìn)奧灰100m左右，對(duì)峰峰組灰?guī)r水進(jìn)行第二次抽水試驗(yàn)。

（2）井下K2灰?guī)r水鉆孔結(jié)構(gòu)：開孔?191mm，下入10m的?168mm的孔口管；變徑?146mm進(jìn)K2灰?guī)r頂界面，下入?127mm套管；裸孔段?110mm揭露K2灰?guī)r。

（3）井下奧灰水鉆孔結(jié)構(gòu)：開孔?191mm，下入10m的?168mm的孔口管；變徑?146mm進(jìn)奧灰3m，下入?127mm套管；裸孔段?110mm鉆進(jìn)奧灰100m左右。

2.2 鉆進(jìn)參數(shù)（見表1）

表1 鉆進(jìn)參數(shù)一覽表

2.3 鉆具組合

采用塔式鉆具組合結(jié)構(gòu)，不同規(guī)格的鉆頭采用的鉆具組合見表2。

2.4 鉆井液

（1）地面水文地質(zhì)補(bǔ)勘孔：所鉆地層為第四系及風(fēng)化帶，鉆井液性能要求粘度大于35s。

其他地層鉆井液性能如下：粘度22～35s，密度1.04～1.10kg/m3。泥漿性能根據(jù)地層情況適當(dāng)調(diào)整。

目的層鉆井液一般采用清水鉆進(jìn)。遇目的層孔段坍塌掉塊嚴(yán)重，采用低固相泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)。

（2）井下水文孔、頂板放水試驗(yàn)孔：鉆進(jìn)采用清水作為沖洗液，孔內(nèi)坍塌等特殊情況時(shí)，添加了處理劑。

（3）泥漿的維護(hù)：泥漿性能堅(jiān)持勤測(cè)量、勤維護(hù)、勤調(diào)整保持泥漿性能的一致性。有泥漿凈化裝置，每回次清理泥漿槽及小沉淀池一次。

2.5 固井及止水

2.5.1 地面水文地質(zhì)補(bǔ)勘孔

下管前編制了單孔封孔設(shè)計(jì)，經(jīng)甲方批復(fù)后進(jìn)行作業(yè)。下管前用原鉆頭鉆具進(jìn)行通井，保證井眼暢通。對(duì)縮徑井段，遇阻卡井段，認(rèn)真劃眼，劃速控制在15min/根。保證井底沉砂干凈，并換漿。選擇一次提吊法下入井管。

注漿方法：使用管內(nèi)止水器，泵送注漿方法止水器。注漿前先用稀泥漿（或清水）認(rèn)真洗孔替換孔內(nèi)殘存泥漿，保證水泥漿液有效地充填環(huán)狀空間。注漿結(jié)束后，認(rèn)真清洗鉆桿和水泵。

2.5.2 井下鉆孔

下套管前，用長度不小于2m的套管進(jìn)行探孔；套管以絲扣連接，套管外露巖石壁0.21～0.22m；套管外露部分在鉆窩巖壁充分固定，下套管結(jié)束后，立即開泵循環(huán)。

鉆至預(yù)定深度后，將孔內(nèi)沖洗干凈。注漿使套管與孔壁間充滿水泥漿液。

表2 鉆具組合表

首先施工至設(shè)計(jì)位置，下入套管，孔口管外露0.2m，孔口管外口接配套法蘭盤，而后將孔口管外加接悶盤，并打開悶盤上的小閘閥，連接泥漿泵，向孔內(nèi)注入水泥漿進(jìn)行封固，待孔口冒漿后，關(guān)閉靠近法蘭盤處小閘閥。待孔內(nèi)水泥凝固48h后，用鉆頭掃孔至孔底，并向孔底鉆進(jìn)0.3～0.5m，進(jìn)行清水耐壓試驗(yàn)。以孔口管不動(dòng)，孔口周圍不滲水為合格，否則，必須重新注漿固定。待套管耐壓合格后，方可鉆進(jìn)。

2.5.3 水泥漿要求

套管封固使用P.0 42.5標(biāo)號(hào)的水泥。

漿液成分：水灰比0.75∶1，摻入5%水玻璃(42Be），常溫條件下，至少凝固24h，方可掃孔。

2.5.4 水泥封固方法

（1）注漿設(shè)備：采用泥漿泵進(jìn)行封固；（2）注水泥漿前采用清水大泵量沖孔；（3）保證套管與鉆孔環(huán)狀空間充滿水泥漿液。

2.5.5 掃水泥塞

待套管周圍水泥漿凝固后，采用翼狀鉆頭沖掃套管內(nèi)的水泥塞，掃孔深度應(yīng)超過套管長度0.5m。

2.5.6 耐壓試驗(yàn)

掃孔后對(duì)套管進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)后，套管周圍不漏水時(shí)，開始鉆進(jìn)。

2.5.7 孔口裝置的安裝

孔口裝置：探放水或需要收集水量、水壓等資料時(shí)，除要安裝質(zhì)量合格的控水閥門，還須壓力表和流量表等孔口裝置，孔口裝置要同鉆孔套管的法蘭盤連接在一起，并易拆開，在測(cè)量過程中要求密封不漏水。在鉆進(jìn)過程中，一旦發(fā)現(xiàn)鉆孔中水壓、水量突然增大時(shí)，應(yīng)通過閥門加以控制。

3 結(jié)論

(1）煤層質(zhì)量。本次補(bǔ)勘施工的5個(gè)鉆孔，均見煤。共見2、9號(hào)煤層9層次，其中優(yōu)質(zhì)5層次，合格4層次，且2、9號(hào)煤層測(cè)井質(zhì)量均為優(yōu)質(zhì)。

（2）巖層巖芯采取率?？碧绞┕さ?個(gè)鉆孔均為半取芯，施工的5個(gè)鉆孔取芯段的巖芯采取率較高，全部達(dá)到甲級(jí)孔要求。

（3）鉆孔孔斜。所有鉆孔均進(jìn)行了系統(tǒng)的電測(cè)斜，全部達(dá)甲級(jí)孔要求。

(4）鉆具丈量及孔深誤差。每鉆進(jìn)100m丈量鉆具，見煤前或后10m范圍及終孔進(jìn)行鉆具丈量，其誤差不超過1.5‰，并進(jìn)行了合理平差。

(5）鉆孔封閉。采用全孔封閉，孔口設(shè)立永久標(biāo)志。采用水泥漿封閉，利用鉆具徐徐輸入孔內(nèi)，從孔底向上徐徐封閉，但全孔封閉后未啟封檢查，封閉質(zhì)量難預(yù)評(píng)述。

(6）終孔層位。本次施工的所有鉆孔均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（7）抽水試驗(yàn)。抽水試驗(yàn)在太原組頂部泥巖中采用膠圈、海帶、細(xì)末絲、紅漆止水。抽水前對(duì)用注水法對(duì)止水效果進(jìn)行了檢查，鉆孔底部埋沒深度下鉆具探測(cè)，經(jīng)檢查各項(xiàng)均合格。

動(dòng)水位用電表、膠線加上測(cè)量繩，長度誤差限于10mm。氣溫和水溫觀測(cè)精度為0.5℃。抽水試驗(yàn)臨近結(jié)束采取水樣送外分析。全部工作質(zhì)量均符合現(xiàn)行規(guī)程及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)石炭系上統(tǒng)太原組含水層和奧陶系灰?guī)r含水層分別進(jìn)行了單位涌水量、滲透系數(shù)、靜止水位標(biāo)高等參數(shù)的抽水試驗(yàn)均達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。