大同煤田東周窯井田勘探工程設(shè)計方案探討

吳瑞珉

（山西省第三地質(zhì)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(wù)

大同煤礦集團規(guī)劃在東周窯井田建設(shè)年產(chǎn)1000×104t礦井，將東周窯礦井建設(shè)列為新井建設(shè)重點項目，為取得礦井建設(shè)可行性研究及設(shè)計所需地質(zhì)資料，需對東周窯井田進行地質(zhì)補充勘探工程。根據(jù)地質(zhì)設(shè)計要求，編制了東周窯井田地質(zhì)補充勘探工程設(shè)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(qū)，為黃土丘陵地貌，地形起伏不大，沖溝發(fā)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(qū)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(nèi)的老窯、小窯和生產(chǎn)礦井據(jù)不完全統(tǒng)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(zhì)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(qū)東周窯勘探區(qū)精查地質(zhì)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(zhì)報告》。

2 井田地質(zhì)

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(tǒng)永定莊組，中統(tǒng)大同組、云岡組，白堊系下統(tǒng)左云組地層，第三系上新統(tǒng)，第四系更新統(tǒng)、全新統(tǒng)。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(gòu)造

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

3 開采技術(shù)條件

3.1 井田水文地質(zhì)條件

3.1.1 含水層與隔水層

井田內(nèi)各含水層分布與區(qū)域含水層相同，根據(jù)巖性和含水層特征可分為奧陶系下統(tǒng)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(zhì)構(gòu)造對礦床充水的影響

根據(jù)已有地質(zhì)資料，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，由于斷裂構(gòu)造的存在，會造成各含水層間的水力聯(lián)系，構(gòu)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(tài)特征

井田內(nèi)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(zhì)條件

井田內(nèi)巖性以粗、中、細砂巖為主，間夾泥巖和砂質(zhì)泥巖。

3.3 環(huán)境地質(zhì)條件

據(jù)以往環(huán)境評價報告指出，井田勘探區(qū)新構(gòu)造運動中等。地震烈度為Ⅶ度區(qū)，環(huán)境質(zhì)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(jù)井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復雜程度和主要可采煤層穩(wěn)定程度劃分。按照東周窯井田地質(zhì)特征，選擇勘探類型以一類一型為基礎(chǔ)。

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(zhì)、測量、鉆探、物探測井和二維地震、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)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(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、有益礦產(chǎn)及其它開采技術(shù)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(qū)用以探測侏羅紀、石炭紀煤層露頭線、區(qū)內(nèi)構(gòu)造及煤巖層埋深界面；侏羅紀煤層采空區(qū)部分用以探測上部構(gòu)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(shè)23條，勘探線總長度為94710m。

4.2.3 水文、工程、環(huán)境地質(zhì)勘查

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

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

（3）抽水試驗。共布設(shè)抽水試驗鉆孔3個，其中首采區(qū)2個，其它區(qū)1個。

（4）施工鉆孔全部進行簡易水文地質(zhì)觀測。

（5）工程地質(zhì)鉆孔。布設(shè)3條工程地質(zhì)剖面，選擇8個鉆孔進行工程地質(zhì)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(nèi)全部竣工，并提交補充勘探地質(zhì)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(zhì)量要求

5.1 測量工作

5.1.1 執(zhí)行規(guī)范

國家頒發(fā)的有關(guān)規(guī)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(tǒng)（GPS）進行布設(shè)。

（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(zhì)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(shè)計工作量

鉆探工程是勘探工作的最主要勘探手段，依據(jù)規(guī)范結(jié)合本區(qū)地質(zhì)條件及所確定的基本工程網(wǎng)度布設(shè)鉆孔。

5.2.2 鉆探工程質(zhì)量要求

按照設(shè)計要求，各類鉆孔施工質(zhì)量要求達到甲級孔率100%，其中特級孔要求占鉆孔總數(shù)的30%。

5.3 物探測井工作

5.3.1 測井地質(zhì)任務(wù)與要求

物探測井是重要的勘探手段，合理地應(yīng)用數(shù)字測井技術(shù)有助于提高勘探質(zhì)量，提高鉆探效率、降低勘探成本。

5.3.2 采用的儀器設(shè)備

本次工作采用TYSC－3Q型數(shù)字測井儀。

5.3.3 鉆孔測井工程質(zhì)量要求

嚴格執(zhí)行《煤田勘探鉆孔工程質(zhì)量標準》中測井成果質(zhì)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(jù)

嚴格按照國家行業(yè)標準及有關(guān)要求和東周窯井田地質(zhì)補充勘探工程有關(guān)技術(shù)要求執(zhí)行。

5.4.2 地震地質(zhì)條件

（1）表層地震地質(zhì)條件。礦區(qū)為掩蓋式礦區(qū)，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(qū)表層地震地質(zhì)條件較差。

（2）淺層地震地質(zhì)條件。礦區(qū)內(nèi)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(jié)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(fā)，均能獲得較理想的記錄，本區(qū)淺層地震地質(zhì)條件較好。

（3）深部地震地質(zhì)條件。本區(qū)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(qū)侏羅系煤層邊界線以外深層地震地質(zhì)條件良好。采空區(qū)分布區(qū)、地震波遇到采空區(qū)被大大吸收以下地層地震地質(zhì)條件差。

5.5 水文、工程、環(huán)境地質(zhì)

5.5.1 水文地質(zhì)修測

通過水文地質(zhì)測繪對勘探區(qū)內(nèi)含水層，構(gòu)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(chǔ)資料。

5.5.2 工程地質(zhì)修測

對煤層頂?shù)装宓膸r性、厚度要進行詳細闡述，開展工程地質(zhì)剖面觀測，劃分工程地質(zhì)巖組，詳細觀測劃分勘探區(qū)斷層的分布特征及其構(gòu)造巖的工程地質(zhì)性質(zhì)。

5.5.3 環(huán)境地質(zhì)調(diào)查

收集查明井田歷史地震資料、侏羅系煤層采空區(qū)引發(fā)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(shè)施造成的破壞程度、井田內(nèi)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(zhì)觀測

記錄鉆進過程中發(fā)現(xiàn)的漏水、坍塌、掉塊等現(xiàn)象出現(xiàn)的深度和漏水時水位埋深。

5.5.5 地下水動態(tài)觀測

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

6 設(shè)計主要工作量

根據(jù)本區(qū)補充勘探工作部署，本次設(shè)計方案主要工作量見表1。

7 鉆探技術(shù)措施及設(shè)備選擇配備

表1 主要工作量一覽表

7.1 技術(shù)措施

7.1.1 確定原則

（1）根據(jù)地質(zhì)設(shè)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(qū),以套管、水泥漿液進行采空區(qū)封閉。

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

7.1.2 鉆進方法、鉆孔結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)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(qū)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(qū)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(zhì)合金鉆進，進入巖層用金剛石復合片取芯鉆進，進入采空區(qū)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(qū)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(jié)構(gòu)：

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(qū)，可在穿過后達到穩(wěn)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(qū)，則采用?130mm氣動偏心潛孔錘進行跟管鉆進，穿過采空區(qū)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(qū)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?shù)装逵?91mm單動雙管取煤器階梯式側(cè)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(shù)

（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(yīng)保持輕壓、中速、大泵量，鉆進規(guī)程應(yīng)控制在壓力 200～400kg，轉(zhuǎn)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(nèi)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(yīng)保持中壓、中速、較大泵量，鉆進規(guī)程應(yīng)控制在壓力800～1000kg，轉(zhuǎn)速350～500r/min,沖洗液量230～280L/min。

（3）取煤器鉆進，鉆頭底唇面大，環(huán)狀間隙小，鉆頭水眼?。贿M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(yīng)保持較大壓力、中速、小泵量，快速通過，鉆進規(guī)程應(yīng)控制在壓力1000～1200kg，轉(zhuǎn)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(wěn)定地層易造成掉塊、卡鉆。鉆進時應(yīng)保持一定的軸心壓力、低速、大風量，鉆進規(guī)程應(yīng)控制在壓力300～500kg，轉(zhuǎn)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(jù)本礦區(qū)煤田鉆進的特點，沖洗液選用優(yōu)質(zhì)低固相、無固相泥漿，原材料選用優(yōu)質(zhì)膨潤土，繩索取芯鉆進原材料要選用LBM低粘增效粉，并根據(jù)地層情況合理加入相應(yīng)的泥漿處理劑進行調(diào)整。

（2）沖洗液的配制：

①優(yōu)質(zhì)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(jié)合套管進行護壁，采空區(qū)用套管、水泥漿液封閉。

②鉆進中如遇小的漏失，可根據(jù)實際情況調(diào)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(shè)備配置

根據(jù)工作需要配置主要設(shè)備見表2。

表2 儀器、設(shè)備配置表

8 預(yù)期成果

8.1 各級資源/儲量預(yù)算結(jié)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(qū)資源/儲量的79.1%。

8.2 提交成果資料

提交經(jīng)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(zhì)報告》一套（文字、附圖、附表、附件）。