新元礦閻家莊回風(fēng)立井地質(zhì)特征及鑿井建議

楊連超

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 地質(zhì)辦，山西 襄垣 046200)

1 新元礦及閻家莊風(fēng)井項目概況

新元礦緊鄰山西省晉中市壽陽縣縣城西側(cè)，行政區(qū)劃隸屬壽陽縣朝陽鎮(zhèn)管轄，其地理坐標(biāo)為北緯37°49′54″～37°55′09″，東經(jīng)112°58′51″～113°09′33″；礦區(qū)范圍近似一長方形，東西最長15.82 km，南北最寬9.89 km，礦區(qū)面積136.769 9 km2；批采3號～15下號煤層，可采煤層6層(3號、6號、8號、9號、15號、15下號)，現(xiàn)采3號、9號煤層。閻家莊風(fēng)井位于礦區(qū)中南部，該項目于2018年批復(fù)立項并進行初步設(shè)計，設(shè)計開鑿1個回風(fēng)立井、1個進風(fēng)立井。其中閻家莊回風(fēng)立井設(shè)計井口坐標(biāo)：X=4 192 048.704 m、Y=38 418 321.286 m，井口標(biāo)高+1 197.3 m，井底標(biāo)高+370 m，井筒深度827.3 m.根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》(2022版)[1]第25條“井筒設(shè)計前，必須按下列要求施工井筒檢查孔”之規(guī)定，新元礦委托地質(zhì)勘查單位設(shè)計并施工了閻家莊回風(fēng)立井井筒檢查孔。目前，井筒檢查孔已施工完畢。

本文通過收集整理本次井筒檢查孔所取得的地質(zhì)資料，并結(jié)合該礦先前已取得的各類資料，對閻家莊回風(fēng)立井地質(zhì)特征進行綜合分析，針對存在的主要地質(zhì)風(fēng)險因素(煤與瓦斯突出、涌水、巖層穩(wěn)定性欠佳)提出相應(yīng)的鑿井建議，可為下一步井筒施工提供必要理論指導(dǎo)。

2 井筒地質(zhì)特征

井筒檢查孔深878.50 m，獲得了該層段系統(tǒng)完整的地質(zhì)剖面、物性剖面成果資料，查明了地層巖性、厚度、巖石組合、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)特征，進行了2層段的抽水試驗，測試化驗了水質(zhì)、煤層瓦斯含量、巖石力學(xué)物理性質(zhì)，但存在瓦斯含量數(shù)據(jù)明顯偏小、未鑒定煤層自燃傾向性及煤塵爆炸危險性、未測定地溫地壓、未對第四系和基巖風(fēng)化帶及其他層段單獨進行抽水試驗等問題。結(jié)合本次井筒檢查孔成果及井筒附近先前已有地質(zhì)成果，綜合分析閻家莊回風(fēng)立井井筒地質(zhì)特征如下。

2.1 地層

自上而下，井筒檢查孔依次揭露回填層及第四系中上更新統(tǒng)(0～17.90 m)，三疊系下統(tǒng)劉家溝組(17.90～77.10 m)，二疊系上統(tǒng)石千峰組(77.10～213.66 m)、上石盒子組(213.66～576.05 m)、二疊系下統(tǒng)下石盒子組(576.05～720.88 m)、山西組(720.88～783.58 m)，石炭系上統(tǒng)太原組(783.58～878.50 m).

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

據(jù)已有地質(zhì)資料，井筒附近無地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，且本次井筒檢查孔也未鉆遇斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造。構(gòu)造條件簡單，有利于井筒開鑿。

2.3 煤層

井筒檢查孔依次揭露山西組3號(3.29 m)、5號(0.5 m)、6號(0.55 m)煤層和太原組8號(0.58 m)、11號(0.29 m)、12號(0.33 m)、15號(0.37 m)、15下號(0.2 m)煤層?？刹擅簩又挥?號煤層，厚度3.29 m，位于山西組頂部，煤層結(jié)構(gòu)簡單，其頂?shù)装寰鶠槟鄮r。

2.4 瓦斯地質(zhì)

本次僅采集了3號煤層瓦斯樣，測定瓦斯含量1.90 m3/t.然而此處3號煤層埋深737.09 m，顯然瓦斯含量數(shù)據(jù)不可信，筆者認(rèn)為系采樣或后期送樣、檢測等環(huán)節(jié)不符合規(guī)范導(dǎo)致瓦斯含量嚴(yán)重偏離實際。因此，本次測定結(jié)果不能用來指導(dǎo)未來井筒開鑿。

根據(jù)《新元礦生產(chǎn)地質(zhì)報告》，礦區(qū)范圍內(nèi)地勘鉆孔3號煤層瓦斯含量0.08～24.50 m3/t，平均10.63 m3/t.6號煤層瓦斯含量0.12～29.05 m3/t，平均10.50 m3/t；8號煤層瓦斯含量0.27～22.98 m3/t，平均8.51 m3/t；9號煤層瓦斯含量0.01～17.87 m3/t，平均8.59 m3/t；15號煤層瓦斯含量0.11～24.04 m3/t，平均12.61 m3/t；15下號煤層瓦斯含量7.16～22.93 m3/t，平均13.90 m3/t.據(jù)井筒最近的42號地勘鉆孔(位于井筒西南方向約470 m處)資料，3號煤層埋深717.36 m，瓦斯含量24.50 m3/t；瓦斯含量11.09 m3/t.因此，該井筒各煤層瓦斯含量應(yīng)均在10 m3/t以上。

另據(jù)《新元礦3號煤層煤與瓦斯突出危險性鑒定報告》、《新元礦9號煤層煤與瓦斯突出危險性鑒定報告》，該礦3號、9號煤層均為煤與瓦斯突出煤層，該礦為煤與瓦斯突出礦井。因此，該井筒各煤層瓦斯地質(zhì)均應(yīng)屬于極復(fù)雜類型。

2.5 水文地質(zhì)

2.5.1 主要含水層及抽水試驗成果

本次進行抽水試驗2層次，分別為基巖面-山西組含水層段、太原組灰?guī)r含水層段?；鶐r面-山西組含水層段的含水層巖性為各種粒度的砂巖，總厚230.17 m；太原組含水層的巖性主要為灰?guī)r，總厚36.24 m。成果如下：

1) 基巖面-山西組含水層段抽水試驗成果。靜止水位埋深170.44 m，水位標(biāo)高1 031.99 m，含水層總厚為230.17 m，最大降深31.49 m，涌水量0.828 L/s，單位涌水量0.026 29 L/s·m，滲透系數(shù)0.009 912 m/d ，影響半徑31.35 m，屬弱富水性。

2) 太原組灰?guī)r含水層段抽水試驗成果。靜止水位埋深286.66 m，水位標(biāo)高915.77 m，含水層總厚為36.24 m，最大降深71.10 m，涌水量0.003 613 L/s，單位涌水量0.000 050 82 L/s·m，滲透系數(shù)0.000 141 m/d，影響半徑8.44 m，屬弱富水性。

2.5.2 井筒涌水量估算

估算方法采用疏干法，井筒直徑按7.6 m加井壁厚度1.2 m計算，再采用地下水動力法中承壓轉(zhuǎn)無壓完整井公式進行計算：

(1)

(2)

式中：r0為井筒半徑，m；K為滲透系數(shù)，m/d；H為靜止水位(取抽水試驗恢復(fù)水位)至疏干含水層底板深度的距離，m；M為含水層厚度，m；S為水位降深(數(shù)據(jù)與H相同)，m.

1) 基巖面-山西組含水層段井筒涌水量估算。首先用曲度法判斷抽水曲線類型為指數(shù)曲線，用最小二乘法求出指數(shù)方程參數(shù)，利用裘布依公式計算降深613.46 m時鉆孔的滲透系數(shù)及影響半徑，即K=0.006 205 m/d，R=483 m。同時將M=230.17 m，S=H=613.46 m，r0=4.40 m等數(shù)據(jù)代入公式(1)中，得：Q=953.23 m3/d(39.72 m3/h).

2) 太原組灰?guī)r含水層段井筒涌水量估算。首先用直線下推，利用裘布依公式計算降深588.74 m時,鉆孔的滲透系數(shù)及影響半徑，即K=0.000 011 32 m/d，R=24.21 m.同時將M=36.24 m，S=H=588.74 m，r0=4.40 m等數(shù)據(jù)代入公式(1)中得：Q=0.864 m3/d(0.036 m3/h).

2.6 工程地質(zhì)

2.6.1 基巖風(fēng)化帶深度的確定

中風(fēng)化帶深17.90～52.20 m，該段巖層破碎，巖石褪色，錘擊音濁易粉碎，裂隙面明顯，且粘土化；弱風(fēng)化帶深52.20～60.15 m，該段巖石表面和裂隙面有風(fēng)化跡象，風(fēng)化裂隙較發(fā)育。

2.6.2 巖層段堅硬程度劃分

根據(jù)巖石飽和單軸抗壓強度(fr，單位MPa)測定數(shù)據(jù)，將基巖劃分為堅硬巖(fr>60)、較硬巖(60≥fr>30)、軟弱巖(fr≤30，包括較軟巖、軟巖、極軟巖)。井筒檢查孔鉆遇的堅硬巖層包括灰?guī)r、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖，共13層，厚84.00 m，占巖層總厚的13.91%；較硬巖層主要是細(xì)粒砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖和少量泥巖，共23層，厚157.97 m，占巖層總厚的26%；軟弱巖層主要是泥巖、砂質(zhì)泥巖和煤層，少量為粉砂巖、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖，共30層，厚344.58 m，占巖層總厚的58%.

2.6.3 巖層段穩(wěn)定性劃分

頂部0～17.90 m為松散層；802.97～805.77 m、817.35～822.10 m、827.93～829.30 m、839.35～841.86 m分別發(fā)育4層石灰?guī)r，為穩(wěn)定層段；其他層段RQD值普遍介于50～75，巖石質(zhì)量較差，為弱穩(wěn)定或不穩(wěn)定層段。

總之，井筒范圍地層巖性多樣，組合關(guān)系較復(fù)雜，巖性、膠結(jié)成份、膠結(jié)類型、層理裂隙發(fā)育程度各有不同，巖石工程力學(xué)差異性明顯。局部破碎，泥巖具滑面，影響巖體穩(wěn)定性，局部層段較易產(chǎn)生工程地質(zhì)問題。工程地質(zhì)條件為簡單-中等類型。

2.7 其他影響鑿井的地質(zhì)條件

2.7.1 煤層頂?shù)装?/p>

3號煤層直接頂為泥巖，間接頂為粉砂巖，直接底為泥巖，間接底為細(xì)粒砂巖。頂?shù)装鍘r層抗壓強度35～65 MPa，為較硬巖層。頂?shù)装迤秸?，頂板完整性好，裂隙不發(fā)育。頂?shù)装鍡l件簡單，有利于井筒開鑿。

2.7.2 傾角

井筒范圍內(nèi)，3號煤層傾角6°左右，其他層段傾角略有浮動，一般在8°以下，傾角條件簡單，便于井筒開鑿。

2.7.3 煤層自燃傾向性

本次未采樣鑒定。根據(jù)以往鑒定結(jié)果，3號、6號、9號、15號煤層不易自燃；8號、15下號煤層為自燃煤層。

2.7.4 煤塵爆炸危險性

本次未采樣鑒定。根據(jù)以往各煤層鑒定結(jié)果，各煤層煤塵均有煤塵爆炸危險性。

2.7.5 地溫地壓

本次未測定。根據(jù)已有資料，該礦地壓正常；地溫梯度為1.13～3.13 ℃/100 m，平均2.11 ℃/100 m，屬于地溫正常區(qū)，無地?zé)嵛：Α?/p>

3 鑿井主要地質(zhì)風(fēng)險因素及建議

3.1 煤層瓦斯含量大且具有突出性

本次僅采測了3號煤層的瓦斯含量，但測定結(jié)果嚴(yán)重偏離實際。從已有瓦斯地質(zhì)資料看，井筒范圍各煤層瓦斯含量應(yīng)均在10 m3/t以上，部分煤層甚至超過20 m3/t，且各煤層均具有突出性，瓦斯地質(zhì)類型屬于極復(fù)雜。未來鑿井期間必須充分做好通風(fēng)和各煤層防突工作，重點環(huán)節(jié)在于井筒揭煤，按照《煤礦安全規(guī)程》要求必須編制防突專項設(shè)計并報企業(yè)技術(shù)負(fù)責(zé)人審批(第194條)，必須超前探測煤層厚度及地質(zhì)構(gòu)造、測定煤層瓦斯壓力及瓦斯含量等與突出危險性相關(guān)的參數(shù)(第197條)，還必須遵守第29條、第214條等其他相關(guān)規(guī)定。

3.2 預(yù)計井筒涌水量與實際可能會有較大偏差

由于工作區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，再加上調(diào)查、勘探時對水文地質(zhì)條件認(rèn)識的局限性，在選擇預(yù)測方法、確定計算參數(shù)的合理性上存在欠缺，從而導(dǎo)致預(yù)測的井筒涌水量與實際偏差較大。本次抽水試驗對基巖面-山西組底部之間地層采用了混合抽水試驗，未針對第四系+基巖風(fēng)化帶、其他組段單獨抽水，工作程度較粗，所獲成果的準(zhǔn)確性降低。加之水文地質(zhì)條件本身具有的復(fù)雜性，預(yù)計井筒涌水量可能會有較大偏差。因此，未來鑿井期間必須充分做好防排水工作，排水系統(tǒng)要配備2倍以上排水能力，以應(yīng)對可能出現(xiàn)的各種突發(fā)狀況。

3.3 局部層段工程地質(zhì)條件欠佳

深度17.90～52.20 m為中風(fēng)化帶范圍，軟弱巖層占巖層總厚的58%，大部分層段為弱穩(wěn)定或不穩(wěn)定層段。因此，必須充分做好不穩(wěn)定段的圍巖支護工作。

4 結(jié) 語

1) 從地層、構(gòu)造、煤層、瓦斯地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、其他地質(zhì)條件7個方面綜合分析了閻家莊回風(fēng)立井地質(zhì)特征，為下一步井筒施工提供了必要理論指導(dǎo)。

2) 針對存在的地質(zhì)風(fēng)險因素(煤與瓦斯突出、涌水、巖層穩(wěn)定性欠佳)，提出了相應(yīng)的鑿井建議，即重點做好通風(fēng)、防突、防排水、圍巖支護等工作。