地面鉆探技術在斷層勘查中的應用

鄭丙謙，張先恒

（1.山西華冶勘測工程技術有限公司，山西太原 030000； 2.中國冶金地質總局第三地質勘查院，山西太原 030000）

0 引言

鉆探技術在礦山地質勘探工程中使用中越來越成熟，已經(jīng)在煤礦地質構造勘查中廣泛應用，對煤礦地質勘查起到了積極作用［1-4］。里必井田位于沁水縣東部約7km 處，根據(jù)礦井首盤區(qū)地面以往三維地震勘探成果，設計首采3101 工作面東側約90m發(fā)育DF2斷層；礦井首采面底板奧灰水帶壓4.1～6.1MPa，DF2斷層對首采面巷道安全掘進及工作面安全回采影響較大，需要對其深部進行驗證。本次DF2斷層地表驗證項目共施工鉆孔2 個，工程量1 809.61m，并進行物探常規(guī)測井；采取煤樣6個，瓦斯樣6 個，頂?shù)装辶W樣27 組。研究為類似礦井斷層勘查提供了借鑒［5-11］。

1 地質條件

1.1 地層

井田內(nèi)大面積出露三疊系劉家溝組、和尚溝組，二疊系石千峰組和上石盒子組頂部地層。綜合所有地質資料，將井田內(nèi)地層由老到新依次為中奧陶統(tǒng)上馬家溝組、峰峰組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組，上石盒子組、石千峰組，下三疊統(tǒng)劉家溝組、和尚溝組，第四系。

1.2 含煤地層

井田含煤地層有本溪組、太原組和山西組，其中太原組和山西組為區(qū)內(nèi)主要含煤地層。

1）本溪組厚度2.00～32.80m，平均厚度15.11m。其巖性以灰色鋁土巖、黏土巖和泥巖為主，泥質巖中含有較多的植物化石，含有大量星散狀黃鐵礦，局部含煤線。

2）太原組為井田內(nèi)主要含煤地層，含煤12 層，分別為5 號、6 號、7 號、8 號、9 號、10 號、11 號、12 號、13號、15號、16號、17號煤層。厚度89.24～118.45m，平均厚度99.79m。

3）山西組為本區(qū)主要含煤地層之一，以灰、灰黑色、黑色泥巖、粉砂巖及砂巖為主，含有1、2、3 號煤層。厚度37.39～76.66m，平均厚度50.82m。3 號煤位于山西組下部，其上為中厚層含煤屑灰黑色砂巖，局部夾黑色粉砂巖或黑色泥巖，含大量植物化石，中部中粒砂巖為灰色厚層狀，向上逐漸變細，成分以石英、長石為主，富含白云母，夾有煤屑，頂部含植物化石。

1.3 構造

礦區(qū)總體構造形態(tài)為向北傾斜的單斜，在此基礎上發(fā)育次級的寬緩褶曲6 個，地層傾角5°～12°。礦區(qū)以往地質填圖工作共發(fā)現(xiàn)斷層1 條（F1），區(qū)內(nèi)及周邊共發(fā)育大小斷層26 條，陷落柱32 個，無巖漿巖侵入，構造復雜程度屬簡單類型（圖1）。

圖1 井田地質構造綱要圖Figure 1 Outline map of mine field geological structure

2 三維地震解譯斷層情況

三維地震解釋斷層26 條。以往繪制煤層底板等高線圖時，利用可靠、較可靠斷層22 條。其中落差大于10m的斷層17條。本次工作主要針對DF2斷層開展地表鉆探驗證，其次僅對原三維地震解譯DF2斷層特征情況進行描述。

DF2逆斷層位于勘探區(qū)外延拓區(qū)的中西部，延伸長度約1840m，向南延伸出區(qū)外，走向N E 10°，傾向NW 80°，傾角約25°。區(qū)內(nèi)3 號煤層和15 號煤層最大落差為35m。時間剖面上T3 波、T15 波同相軸錯斷、重疊，在等時切片上有明顯的錯斷，在混沌屬性、順層切片、振幅屬性圖上出現(xiàn)清晰的條帶狀差異。按40m×40m 的網(wǎng)度所抽取的時間剖面評價，該斷層共有58 個斷點控制，其中A 級斷點47 個，B級斷點6個，C級斷點5個，評價為可靠斷層（圖2）。

圖2 DF2斷層在時間剖面上的反映Figure 2 Reflection of DF2 fault on time profile

3 地面鉆探技術

3.1 鉆孔設計

根據(jù)原三維地震解譯DF2斷層位置，布設了DF2-1、DF2-2 兩個鉆孔，設計孔深分別為850、900m。兩個鉆孔近東西向展布，孔距80m。選用兩臺套XJY-1600型鉆機同時開孔施工。

3.2 鉆孔結構

參照巖層剖面擬定各段孔徑，在保證鉆進質量和安全的前提下，簡化鉆孔結構，以提高鉆進效率。鉆孔結構：開孔孔徑為Φ245mm、二開孔徑為Φ 190mm、三開孔徑為Φ152mm、終孔孔徑為Φ 113mm。鉆孔從3 號煤層頂板以上30m 處開始取心，巖心直徑不小于Φ60mm。

3.3 鉆進工藝

全孔采用機械回轉鉆井液正循環(huán)鉆進施工。鉆具組合：主動鉆桿+Φ50mm 鉆桿+Φ68mm 鉆鋌+Φ 108mm巖心管（或Φ89mm雙管取煤器）+Φ113mm鉆頭。鉆頭尺寸配合不同孔徑改變，取心段至終孔鉆頭尺寸Φ113mm。鉆進參數(shù)：鉆壓：18～22kN；轉數(shù)：48～110r/min。

3.4 巖心采取質量情況

取心段采用雙管單動取心器進行取心鉆進工藝。采取率情況如下：DF2-1 孔從648.88～897.59m（終孔）取心，共計248.71m，采長214.29m，總采取率為86.16%。DF2-2 孔從691.68～912.02m（終孔）取心，共計220.34m，采長198.48m，總采取率為90.08%。

3.5 井斜控制情況

鉆孔在鉆進過程中每進尺50m 及終孔后使用LHE1101 型電子多點測斜儀進行測斜。DF2-1 鉆孔測斜工程量為897.56m（全孔）。終孔最深測點頂角為5.7°，方位角為165°；DF2-2 鉆孔測斜工程量為910.00m（全孔）。終孔最深測點頂角為5.5°，方位角為171°。均可滿足質量要求。

3.6 樣品采集情況

本次施工鉆孔DF2-1、DF2-2 均在3 煤、15 煤頂?shù)装?0m內(nèi)取樣，DF2-1孔巖石力學樣取11組，DF2-2孔巖石力學樣取12組。該鉆孔施工位置處于斷層部位，其附近工程地質條件相對較差，工程地質復雜程度中等。

4 煤層比對及斷層驗證結果

4.1 鉆孔可采煤層重復情況

以往資料顯示該井田內(nèi)含煤地層沉積穩(wěn)定，巖性組合及地球物理特征規(guī)律明顯，煤層、標志層自身特征顯著。因此鉆孔煤層對比時采用標志層、層間距、巖性特征等［12-15］。在此主要介紹由于DF2逆斷層影響致使煤層發(fā)生重復的情況。

1）DF2-1 孔可采煤層重復情況。根據(jù)該鉆孔巖性及物探測井綜合判斷，DF2-1孔內(nèi)3號煤層發(fā)生重復，賦存于山西組的下部，3號煤層厚6.80m，含夾矸1 層，矸石厚0.2m；3 號重復煤層厚5.05m。煤層頂、底板多為泥巖、細粒砂巖、粉砂巖。據(jù)3號煤層重復情況推斷該孔斷層深度在754.3～785.3m，斷層造成兩層3 號煤層落差為31m。其中兩層3 煤中間754.3～770.39m 處的泥巖極為破碎，巖心RQD值統(tǒng)計為34%，推測該層泥巖為斷層在此處的斷層面，破碎巖心見圖3。

2）DF2-2 孔可采煤層重復情況。DF2-2 孔內(nèi)15號煤層發(fā)生重復，賦存于太原組，15 號煤層厚2.75m；15 號重復煤層厚2.85m。煤層頂均為灰?guī)r，底部為砂質泥巖、泥巖。據(jù)15號煤層重復情況推斷該孔斷層深度為843.5～877.6m，該斷層致使15 號煤層發(fā)生重復，造成兩層15 號煤層落差為34.1m。其中兩層15煤中間843.45～858.02m 處的泥巖、砂質泥巖極為破碎，巖心RQD值統(tǒng)計分別為38%、39%，推測該層泥巖為斷層在此處的斷層面。

4.2 DF2斷層驗證情況

DF2-1 孔內(nèi)3 號煤層重復情況推斷該孔斷層深度在754.3～785.3m；DF2-2 孔內(nèi)15 號煤層重復情況推斷該孔斷層深度在843.5～877.6m。根據(jù)兩鉆孔內(nèi)斷層面所處位置和煤層重復落差情況對比以及巖性特征、標志層、層間距等綜合判斷，該斷層為逆斷層，結合以往地表三維地震勘探資料，判斷該斷層走向N E 10°，傾向N W 80°。上盤位于東側，下盤位于西側，上盤抬升、下盤下降使地層及煤層發(fā)生擠壓致使重復，斷層傾角25°左右，落差在31～34m。斷層面位于DF2-1 孔內(nèi)兩層重復3 煤和DF2-2 孔內(nèi)兩層重復15煤之間，巖性上表現(xiàn)為泥巖、砂質泥巖，極度破碎。DF2斷層在本次施工的兩個鉆孔剖面中表現(xiàn)形式見圖4。

圖4 DF2斷層鉆孔剖面Figure 4 DF2 fault drilling profile

4.3 斷層構造導水性

此次施工過程中，兩個鉆孔均為地質勘探孔，僅在施工過程中開展了簡易水文觀測。通過對泥漿消耗量的觀測，未見有明顯的消耗，鉆孔經(jīng)過斷層位置時用水量沒有明顯變化，全孔施工過程及遇斷層時均無漏漿，無涌水現(xiàn)象。據(jù)以往地質報告資料，井田內(nèi)3 號煤層直接充水以碎屑巖裂隙含水層為主，其直接充水含水層單位涌水量＜0.1L/（s·m），3號煤層底板標高均位于奧灰水水位以下，突水系數(shù)小于0.06 MPa/m，一般情況下可以實現(xiàn)區(qū)內(nèi)的安全帶壓開采；頂板以上含水層主要為下二疊統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層，受裂隙發(fā)育程度的不同，含水層的富水性一般為弱。井田內(nèi)15 號煤層以太原組巖溶裂隙水含水層充水為主，其含水層單位涌水量＜0.1L/（s·m），由于峰峰組灰?guī)r可視為隔水層，厚度大，奧灰水一般不會對礦井充水。可見該斷層聯(lián)通的3號、15號煤層及其頂?shù)装鍘r層含水量、涌水量均較低。

綜上所述，結合該斷層性質為逆斷層，上下盤相互擠壓，斷層面巖性為泥巖、砂質泥巖，均為不透水巖性。斷層上下盤地層富水性均較弱，據(jù)此推斷該斷層在本次施工區(qū)域內(nèi)不具備導水性條件，斷層導水性對煤層開采影響較小。

5 結論

通過施工地質鉆孔，鉆孔揭露地層情況，地質巖心結合測井資料，進行煤層對比，綜合分析得出以下結論。

1）查明了可采煤層的厚度、結構、煤類、煤質特征等。并對DF2斷層附近地層層位、厚度進行了劃分。3 號可采煤層厚5.05～6.80m，含夾矸1 層，夾石厚0.2m，煤層結構較簡單，穩(wěn)定可采。15 號可采煤層煤層厚2.4～2.85m，不含夾石，煤層結構簡單。

2）兩個鉆孔均揭露出斷層，驗證了DF2斷層的存在。并綜合判斷DF2斷層為逆斷層，傾角25°，傾角較緩，為低角度逆斷層。

3）查明驗證了DF2斷層的落差在31～34m。斷層面位于DF2-1 孔內(nèi)兩層重復3 煤和DF2-2 孔內(nèi)兩層重復15煤之間，巖性上表現(xiàn)為泥巖、砂質泥巖，極度破碎。

4）根據(jù)鉆孔水文簡易觀測情況，泥漿消耗量屬正常消耗，未見有明顯的消耗。鉆進過程遇斷層位置處無漏漿、無涌水現(xiàn)象。斷層面巖性為泥巖、砂質泥巖，均為不透水巖性。斷層上下盤地層富水性均較弱，據(jù)此推斷該斷層在本次施工段不具備導水性條件。