同安煤業(yè)地面鉆孔補(bǔ)勘分析

程亮

（山西焦煤霍州煤電同安煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 035200）

1 概 況

同安煤業(yè)的煤田地質(zhì)資料都是通過早期鉆探獲取。1954—1959 年間，華北煤田地質(zhì)勘探局調(diào)查隊(duì)在嵐縣礦區(qū)進(jìn)行過1∶50000 地質(zhì)測(cè)量，并進(jìn)行了普查地質(zhì)勘探，施工鉆孔18 個(gè)，總進(jìn)尺6 831.46 m；1972—1976 年，山西省煤田地質(zhì)勘探三隊(duì)在嵐縣礦區(qū)進(jìn)行了詳查勘探，此次勘探共施工鉆孔109 個(gè)，總進(jìn)尺48 201.65 m，其中100 個(gè)鉆孔實(shí)施了物探測(cè)井；1977—1978 年，山西省煤田地質(zhì)勘探三隊(duì)在嵐縣礦區(qū)龍泉井田進(jìn)行精查勘探工作，施工鉆工80 個(gè)。但是這些鉆探的時(shí)間距今都較長(zhǎng)，一些數(shù)據(jù)可能存在偏差。

同安煤業(yè)井田內(nèi)劃分一個(gè)水平開拓全井田，水平標(biāo)高+1 062.1 m。根據(jù)開采條件及范圍，4、7、9 號(hào)煤層利用主水平聯(lián)合回采。煤層開采由上至下進(jìn)行，即先采4 號(hào)煤層，再采7 號(hào)和9 號(hào)煤層。根據(jù)本井田地質(zhì)構(gòu)造分布、煤層賦存特點(diǎn)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(gè)盤區(qū)，F(xiàn)4 斷層以西為一盤區(qū)，F(xiàn)4 斷層以東為二盤區(qū)。首采盤區(qū)在4 號(hào)煤層一盤區(qū)，即一采區(qū)。因此為了保證同安煤業(yè)生產(chǎn)的安全性，需要對(duì)未來即將開采的一采區(qū)進(jìn)行補(bǔ)充勘探。

補(bǔ)充勘探采用以地質(zhì)鉆探、地球物理測(cè)井，并結(jié)合巖（水）采樣化驗(yàn)、巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試等手段進(jìn)行綜合勘查，以達(dá)到驗(yàn)證三維地質(zhì)解釋的采空區(qū)及異常區(qū)的準(zhǔn)確性為主要目的。

2 補(bǔ)充勘探工程

由于同安煤業(yè)全井田已達(dá)到勘探程度，故此次設(shè)計(jì)施工的3 個(gè)鉆孔均在高級(jí)儲(chǔ)量區(qū)內(nèi)，并且主要針對(duì)4、7 采空區(qū)是否存在積水進(jìn)行布置，鉆孔做到一孔多用，編號(hào)補(bǔ)-1、補(bǔ)-2、補(bǔ)-3，如圖1 所示。補(bǔ)勘鉆孔3 個(gè)工程量總計(jì)1 636.01 m，3 個(gè)鉆孔全部進(jìn)行了簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)，并詳細(xì)記錄孔內(nèi)水位及沖洗液消耗量，經(jīng)綜合驗(yàn)收評(píng)定此次施工3 個(gè)鉆孔級(jí)別均為甲級(jí)，所有鉆孔均進(jìn)行了數(shù)字化物理測(cè)井[3-4]，物理測(cè)井實(shí)測(cè)1 615 m，完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。

圖1 補(bǔ)勘鉆孔的相對(duì)位置Fig.1 Relative location of supplementary exploration boreholes

此次勘查主要采用地質(zhì)鉆探、數(shù)字測(cè)井，輔以采取煤芯樣、有益礦產(chǎn)及其他一些樣品進(jìn)行化驗(yàn)測(cè)試等手段相結(jié)合的綜合勘查方法。補(bǔ)3 鉆孔的部分?jǐn)?shù)字測(cè)井綜合曲線如圖2 所示。

圖2 補(bǔ)3 鉆孔的部分?jǐn)?shù)字測(cè)井綜合曲線Fig.2 Partial digital logging comprehensive curves of No.3 supplementary exploration borehole

此次補(bǔ)充勘探工程外業(yè)工作于2021 年結(jié)束，補(bǔ)勘地質(zhì)孔終孔孔徑不小于89 mm。此次補(bǔ)勘對(duì)3個(gè)孔均進(jìn)行了電測(cè)斜儀測(cè)斜，累計(jì)測(cè)斜點(diǎn)35 個(gè)，終孔斜度3°56′～6°05′，符合規(guī)范要求，方位角采用測(cè)斜儀器中的羅盤進(jìn)行了測(cè)量?？咨蠲堪倜?、見煤前10 m 或止煤后10 m 及終孔均進(jìn)行了鉆具丈量，在鉆具丈量中對(duì)誤差超過0.15%的孔深均進(jìn)行了合理平差和校正，符合有關(guān)規(guī)程要求，各可采煤層的止煤深度與測(cè)井止煤深度誤差，均符合有關(guān)規(guī)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(zhǎng)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(biāo)號(hào)為42.5 號(hào)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(biāo)志，鉆探工程終孔封閉均按照補(bǔ)勘設(shè)計(jì)及有關(guān)規(guī)程進(jìn)行，封孔質(zhì)量達(dá)到要求。

圖3 補(bǔ)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(jīng)相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，在現(xiàn)場(chǎng)采取了可采煤層煤芯樣和頂、底板及夾矸樣后，除根據(jù)要求將部分層段巖芯裝箱留存外，其余裝葙的巖芯全部現(xiàn)場(chǎng)銷毀。

3 補(bǔ)勘結(jié)果分析

3.1 瓦斯

此次補(bǔ)勘在補(bǔ)1、補(bǔ)2 鉆孔采取了5 個(gè)瓦斯樣，野外采樣用地勘瓦斯解析儀和瓦斯罐現(xiàn)場(chǎng)采樣。室內(nèi)測(cè)試分析由山西煤田地質(zhì)研究所（現(xiàn)山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院）完成。瓦斯測(cè)定結(jié)果匯總見表1。

表1 煤層瓦斯測(cè)定結(jié)果Table 1 Coal seam gas measurement results

由表1 可知，補(bǔ)勘結(jié)果中4、7、9 號(hào)煤層中的瓦斯均以氮?dú)?甲烷為主，這與之前的鑒定結(jié)果存在一定的差異性，在2021 年之前的礦井瓦斯等級(jí)鑒定中，4 號(hào)煤層中的瓦斯是以二氧化碳-氮?dú)鉃橹鳌Ｒ虼?，通過此次補(bǔ)勘可以重新認(rèn)識(shí)煤層中的瓦斯成分，對(duì)于礦井瓦斯合理防治有著一定的指導(dǎo)作用。

3.2 水文地質(zhì)

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(duì)煤層開采有水壓力嚴(yán)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(shí)的古地理環(huán)境，后期構(gòu)造的改造作用對(duì)地層厚度也產(chǎn)生一定的影響，如褶皺變薄帶、斷裂構(gòu)造破碎帶等。

此次補(bǔ)勘的鉆孔一孔多用，因此同時(shí)進(jìn)行了水文地質(zhì)的探查，為了便于水文地質(zhì)資料的補(bǔ)充，這里將上文的補(bǔ)-1、補(bǔ)-2、補(bǔ)-3 鉆孔重新編號(hào)為SW1、SW2 和SW3 鉆孔。礦區(qū)內(nèi)鉆孔僅此次施工的SW2、SW3 號(hào)水文孔揭露奧陶系地層，其余鉆孔均是鉆進(jìn)至9 號(hào)煤層即太原組下部。此次工作計(jì)算煤層底板隔水層厚度時(shí)，采用各鉆孔實(shí)際揭露厚度與礦區(qū)內(nèi)本溪組厚度平均值（27.5 m）相加后確定，詳見表2。

井田內(nèi)揭露奧灰鉆孔較少，且分布不均，無法較為準(zhǔn)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(bǔ)充勘探過程中，應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)隔水層厚度及巖性的探查。

3.2.2 煤層涌水量預(yù)測(cè)

一采區(qū)4 號(hào)煤層位即將要進(jìn)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(jù)。根據(jù)此次施工的SW2 號(hào)水文孔二疊系下統(tǒng)山西組至石炭系太原組混合抽水試驗(yàn)資料，用地下水動(dòng)力學(xué)解析法預(yù)測(cè)4 號(hào)煤層涌水量，用承壓轉(zhuǎn)無壓完整井的穩(wěn)定流計(jì)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(shù)，取0.004 9m/d；H 為水柱高度，即自然水位至4 號(hào)煤層底板標(biāo)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(biāo)高的距離，同為272.06 m；h 為疏干標(biāo)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(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算一采區(qū)4 號(hào)煤層預(yù)測(cè)段涌水量為530.34 m3/d。

解析法在計(jì)算過程中無法考慮地下水邊界條件和補(bǔ)、徑、排關(guān)系，計(jì)算結(jié)果與實(shí)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(yè)2016 年測(cè)得的各煤層頂?shù)装鍘r層的巖性及強(qiáng)度參數(shù)。表4 為根據(jù)補(bǔ)-2 號(hào)鉆孔測(cè)得的各煤層頂?shù)装鍘r層的巖性及強(qiáng)度參數(shù)。圖4為補(bǔ)2 孔的巖層綜合柱狀圖。

表4 補(bǔ)-2 孔巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of rock physical and mechanical properties of No.2 supplementary exploration borehole

圖4 補(bǔ)-2 孔中煤層頂?shù)装逯鶢顖DFig.4 Columnar diagram of coal seam roof and floor in No.2 supplementary exploration borehole

由表3 和表4 對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，此次勘探的4 號(hào)煤層的頂?shù)装宓膸r性與過去勘探的結(jié)果一致，但頂?shù)装宓膹?qiáng)度要普遍高于過去的結(jié)果，如此次勘探結(jié)果中4 號(hào)煤層頂板砂質(zhì)泥巖的平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到了33.6 MPa，而之前的僅為12.0 MPa；7 號(hào)煤層與4號(hào)煤層的結(jié)果相似；而此次勘探中9 號(hào)煤層頂板的巖性與過去勘探的結(jié)果表現(xiàn)出不同，此次勘探頂板為砂質(zhì)泥巖，過去的為泥灰?guī)r，且此次頂板的抗壓強(qiáng)度高于過去的。鑒于此次補(bǔ)充勘探中各煤層頂板抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度普遍高于之前的勘探，為了實(shí)現(xiàn)4 號(hào)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(jìn)行強(qiáng)制放頂。

3.4 資源/儲(chǔ)量估算

估算范圍以井田邊界、采空區(qū)邊界、風(fēng)氧化帶邊界劃定，井田批采4～9 號(hào)煤層，此次結(jié)合新補(bǔ)充的3 個(gè)勘探孔，對(duì)井田內(nèi)的4-1、4、7、9 號(hào)煤層進(jìn)行了資源/儲(chǔ)量估算。4-1 號(hào)煤層估算面積為0.952 7 km2；4 號(hào)煤層估算面積為6.222 9 km2；7號(hào)煤層估算面積為6.7471 km2；9 號(hào)煤層估算面積為6.253 1 km2。煤層最深處為井田中北部9 號(hào)煤層，標(biāo)高約630 m，煤層最高處為井田西部，標(biāo)高約1 220 m。井田地層傾角在5°～25°，勘探工程成網(wǎng)狀布置，如圖5 所示。

圖5 勘探鉆孔網(wǎng)狀布置Fig.5 Exploration drilling mesh layout

煤層厚度變化不大，依據(jù)《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》，此次資源量估算采用水平投影地質(zhì)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(chǔ)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(chǔ)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(hào)煤層視密度為1.45 t/m3，7 號(hào)煤層視密度為1.44 t/m3，9 號(hào)煤層視密度為1.38 t/m3。

通過計(jì)算，此次資源/儲(chǔ)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(chǔ)量的89%，探明和控制資源量（TM+KM）占總資源量的89%，符合規(guī)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(guó)冶金地質(zhì)總局第三地質(zhì)勘查院編制有《山西省寧武煤田嵐縣大同煤礦集團(tuán)同安煤業(yè)有限責(zé)任公司煤炭資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告（供兼并重組用）》，2012 年4 月山西省國(guó)土資源廳以晉國(guó)土資儲(chǔ)備字業(yè)函[2012]037 號(hào)文予以批復(fù)通過，而經(jīng)過此次估算的總資源量比前者減少25 萬t。

4 結(jié)語

為了保證同安煤業(yè)即將開采的一采區(qū)的安全開采，對(duì)同安煤業(yè)井田進(jìn)行了補(bǔ)充勘查工程，共施工了3 個(gè)鉆孔，并根據(jù)新補(bǔ)充的3 個(gè)勘探孔資料，對(duì)煤層瓦斯?fàn)顩r、水文地質(zhì)狀況、巖層特性以及資源儲(chǔ)量等方面進(jìn)行了重新確定。但總體而言此次補(bǔ)充勘探規(guī)模較小，加之井田內(nèi)大部分鉆孔為20 世紀(jì)70 年代所施工，所測(cè)試項(xiàng)目均不完整，建議在開采煤層中采集樣品進(jìn)行多種項(xiàng)目化驗(yàn)測(cè)試，從而更深的了解煤層的性能。