地勘综合技术在古城煤矿钻孔勘查中的应用研究

王国方 杨彪

摘要：以古城煤矿某风井井筒检查钻孔作为研究对象，综合采用了钻探、抽水试验、物理测井、井液电阻率（盐化扩散）厦土样、岩样、水样、煤样、瓦斯样采取、封孔等地勘综合技术方法，并对试验数据进行处理分析，确定井筒地层地质剖面、岩土物理力学性质及水文地质条件，形成地质勘探结论与建议，对煤矿井筒地质勘查技术应用起到一定的参考借鉴作用。

关键词：煤矿；地勘综合技术；钻孔井筒检查；应用

中图分类号：P694

1 项目概况

古城煤矿井田位于勘查区内中东部，在充分系统地收集了以往地质资料、水文地质勘查以及矿井生产实际揭露的水文地质等资料，以及在野外实地踏勘的基础上，对某风井检1、检2号孔实施井筒检查。施工任务是获取井筒通过地层的地质剖面；查明各含水层厚度、埋藏条件、水位、水质等水文地质条件；查明可采煤层的厚度及埋藏深度；通过采取岩土样、水样、煤样，测定岩土的物理力学性质、煤质和瓦斯资料、地下水的水质资料；通过水文地质试验，获取含水层水文地质参数，预测井筒涌水量。

2 地勘综合技术概述

对某风井检1、检2井筒检查钻孔实施了钻探、抽水试验、物理测井、井液电阻率（盐化扩散）、及土样、岩样、水样、煤样、瓦斯样采取、封孔等野外工作。整个钻孔钻进过程为全取芯，对钻孔所通过的地层剖面，除对采取上来的岩芯进行肉眼鉴定描述外，并采用数字测井仪进行了物理测井。根据设计要求，在风化基岩段、基岩段钻探工作结束后，分别进行了抽水试验和井液电阻率（盐化扩散）测试，划分了各含水层位置、厚度，计算了含水层水文地质参数，预测井筒涌水量。本次勘查结果均以检1井筒为例进行说明。

3 勘查综合方法详述

3.1钻孔工程测量

3.1.1使用仪器

南方测绘仪器公司生产的灵锐S86T型RIX CPS接收机1+1台／套（双频），南方测绘仪器公司生产的S730型CPS RTK控制采集手薄（配置南方公司开发的工程之星3.0 RIX测绘软件）一部。灵锐S86T型RTK CPS接收机标称精度为：平面精度为±1cm+1ppm，高程精度为±2cm+1ppm，作用距离优于8km，初始化时间为典型15s。

3.1.2测量成果

检1号孔布置在进风井井筒的南西方向，距进风井井筒中心（SW）17.27m处，具体坐标：x=4014229.962，Y=38399610.474，H=+949.045，测量成果见下表。

3.1.3测量精度评价

本次工程测量精度符合《地质矿产勘查测量规范》中有关钻孔测量的精度要求，所用仪器按期进行了周检，质量合格。测量方法合理，质量合格。

3.2水文地质钻探

3.2.1钻探设备与钻孔结构图

根据项目工程需要，考虑施工钻孔的深度、口径和地面、井下等因素，结合检1号孔、检2号孔实际情况，选用的钻探设备型号是XY-6绳索取芯钻机。钻孔结构如下图所示。

3.2.2止水

本次抽水层次6次，分别是Q+风化带抽水试验2次、P2S抽水试验2次、P1x+P1s抽水试验1次、P1x+P1s注水试验1次。其中Q+风化带抽水试验不止水，其他抽水试验均需要止水。

检1号孔P2S抽水试验前利用水泵加压，将搅好的水泥浆压入至套管与孔壁间隙，直至水泥浆从孔口返出，水泥封闭进行止水。利用扩散法测井检查，止水质量合格。检1号孔P1x+P1s注水试验前钻进至482.06m处，下140套管至482.06m处，将搅好的水泥浆，利用水泵加压方式，使水泥压至套管与孔壁环状间隙，水泥凝固后利用水泥进行止水。采用管内外水位压差法检查，止水质量合格；后利用扩散法测井检查，止水质量合格。

3.2.3洗井

各孔在正式抽水试验前均采用清水冲孔、潜水泵抽水洗井等联合洗井方法，以确保含水层疏通，导水正常，静水位与恢复水位达到基本要求，洗井质量良好。

3.2.4取芯

按照设计要求，各钻孔均为全孔取芯。各孔岩芯采取率要求：在土层与稳定岩层中，不宜小于75%；破碎带、软弱夹层、砂层中，不宜小于60%，煤层及其顶底板采取率不低于90%。钻孔取芯后，及时鉴定、描述岩芯的岩性、结构、构造、节理裂隙性质、岩石风化程度、发育情况、岩芯破碎情况、岩溶发育及其充填情况等。

3.2.5孔斜

依据孔斜规范要求，检查孔钻进过程中，每钻进30-50m，其倾角和方位角应测定一次，全孔偏斜率应控制在1.0%以内。终孔位置与井筒壁之间的距离不小于5m。检1号孔检测结果为乙级。

3.2.6钻孔封闭

检1、检2号孔在竣工后以水泥：清水=1：0.7进行了全孔封闭，封孔质量检查合格后，经过48h凝固后，并进行了采样检查，送达实验室测试抗压强度，抗压强度为18.2MPa，抗压强度不低于10MPa，达到了设计要求。封孔后孔口埋设石标，并提交封孔报告。

3.3侧井

3.3.1测井仪器类型及测量参数

本次测井仪器设备主要选用的是TYSC-3Q密度三侧向探管、电法探管、PSWL-1井温探管、PSJ-2数字采集记录仪及PSX-1井斜仪。

3.3.2水文测井内容

数字测井仪的主要测井内容为伽玛伽玛法、自然伽玛法、三侧向电阻率法、自然电位法、扩散测井、井径测井、井斜等。在含水层确定的基础上，主要采用了盐化扩散法来辅助测量。本次检1号孔共实施3次水文测井。经综合分析，检1号孔第四系含水層均分布三层稳定含水层（流沙层），层位稳定；上石盒子组上部地层上部均分布砂岩裂隙含水层，层位稳定，略有差异，由砂岩裂隙分布均一性形成。下石盒子组及山西组含水性弱，富水性弱，砂岩裂隙发育弱。

3.4采样与测试

本次勘查，施工的检1号孔采集岩石物理力学试验样、土工试验样、动土试验样、煤芯样、瓦斯样、全分析水样。所有样品的采集及包装均按有关规程、标准进行，采样符合要求，满足化验需要。提供测试数据质量可靠，满足了分析研究要求。

4 井筒水文地质勘查

4.1简易水文观测

本次简易水文观测主要是针对钻进过程中冲洗液（清水钻进）消耗量及钻孔内混合水位的观测，以便对含水层进行粗略的判断。钻孔钻进至风化带及主要含水层位时，孔内冲洗液消耗量有所增加。根据钻探采取岩芯资料，钻孔开孔钻进至第四系松散层及卵石层时，钻孔冲洗液消耗量有所增加；其余层位地层稳定，冲洗液消耗量变化不明显。

4.2各抽水层段主要含水层

根据检1号孔揭露情况，将区内含水层划分为第四系松散层孔隙含水层及基岩风化裂隙含水层、二叠系上统上石盒子组砂岩裂隙含水层、二叠系下统下石盒子组与山西组砂岩裂隙含水层。

4.2.1第四系松散层孔隙含水层及基岩风化带裂隙含水层

上部含水层段为第四系中更新统孔隙含水层，含水层受大气降水影响明显，厚24-36m，由粉砂、细砂、砂土组成，揭露9层含水层，主要含水层有三层，均为流沙层，利用钻探与测井手段综合判断，共计3层，位于19.7-35.85m/16.15m、57.70-65.15m/7.45m、72.85-78.50m/5.65m。据本次施工的检1号孔抽水试验资料，该含水层属弱富水性。

4.2.2二叠系上统上石盒子组砂岩裂隙含水层

该含水层主要由粗一细粒砂巖组成，揭露10层含水层，含水层厚54.63m，含水空间以裂隙为主。据本次施工的检1号孔注水试验成果资料，该含水层属弱富水性。

4.2.3二叠系下统下石盒子组及山西组砂岩裂隙含水层

该含水层主要由中一细粒砂岩组成，揭露9层含水层，厚度36.56m，含水空间以裂隙为主。据本次施工的检1号孔注水试验成果资料，该含水层属弱富水性。

4.3主要隔水层

依据岩性特征，主要有松散层黏土及粉质黏土隔水层、二叠系砂质泥岩与泥岩隔水层。松散层黏土及粉质黏土隔水层主要由塑性的黏土、粉质黏土组成；二叠系砂质泥岩及泥岩隔水层主要由塑性的泥岩、砂质泥岩及粉砂质泥岩构成，单层厚2米至数十米，呈层状分布于各砂岩含水层之间，自然状态下可阻隔各含水层之间的垂向水力联系。

4.4含水层之间的水力联系

本区煤层直接充水含水层为下石盒子组、山西组、太原组砂岩、石灰岩，补给条件差，且与上覆风化带、第四系含水层、下覆奥陶系岩溶裂隙含水层间均有一定厚度的隔水层相隔。地下水主要以层间径流为主，但井田内断裂构造发育，可能成为各含水层间的垂向补给通道，对各含水层产生充水影响。

4.5井筒涌水量预测

4.5.1预算方法

本次利用第四系（Q）+基岩风化带含水层、上石盒子组（P2s）、下石盒子组（P1x）+山西组（P1s）含水层抽（注）水试验成果资料，采用“大井法”和Q-S曲线法对井筒进行涌水量预算。

4.5.2水文地质参数选择及计算结果

根据抽水试验所获得的参数，对各井筒不同层段的涌水量分别进行了预算。按设计，回风立井筒第四系松散层段毛半径取5.00m。进风立井第四系及基岩风化带含水层涌水量大井法计算结果为17.5m3／h，Q-S曲线法为24.3m3／h。进风立井上石盒子组（P2S）含水层涌水量大井法计算结果为11.3m3／h，Q-S曲线法为10.4m3／h，进风立井井筒检查孔下石盒子组（P1x）+山西组（P1s）含水层涌水量大井法计算结果为0.3m3／h，Q-S曲线法为0.3m3／h。

5 结论和建议

5.1结论

对检1号检查孔获得的成果总结如下：通过钻探工作和地球物理测井工作，确定了井筒通过的地层、煤层赋存情况及构造情况。进风立井井筒附近发育地层：第四系中更新统、二叠系上统上石盒子组、二叠系下统下石盒子组、二叠系下统山西组、石炭系上统太原组；揭露可采煤层为3号煤层，煤层底板深度593.76m，煤厚6.70m。据检1号孔抽水试验资料显示，含水层均属弱富水性。

5.2建议

（1）本次施工井检孔未揭露地质构造，鉴于地质钻孔揭露地层的随机性，同时考虑基岩风化裂隙和断层破碎带可能为导水通道，对立井进行垂向补给。建议在井筒施工时，密切注意侧向含水层涌水情况，防止断裂构造对施工井筒产生充水影响。

（2）由于井筒检查孔揭露含水层面积及范围有限，且砂岩裂隙分布不均一，因此，所求含水层参数偏小。因此，建议两个井筒施工期间，揭露第四系砂层（两个井筒均分布有三层）、风化裂隙带及上石盒子组顶部地层时，裂隙相对较发育，一般含水量较大，岩石一般为软岩，水文工程地质条件较差，在井筒设计和施工中引起足够的重视，采取注浆或延伸冻结深度的方法加以解决。

作者简介：王国方（1987-），女，山西运城人，工程硕士，副教授，2012年毕业于中国矿业大学地质工程专业，研究方向：地质勘查。