同安煤业地面钻孔补勘分析

程亮

（山西焦煤霍州煤电同安煤业有限公司，山西 吕梁 035200）

1 概 况

同安煤业的煤田地质资料都是通过早期钻探获取。1954—1959 年间，华北煤田地质勘探局调查队在岚县矿区进行过1∶50000 地质测量，并进行了普查地质勘探，施工钻孔18 个，总进尺6 831.46 m；1972—1976 年，山西省煤田地质勘探三队在岚县矿区进行了详查勘探，此次勘探共施工钻孔109 个，总进尺48 201.65 m，其中100 个钻孔实施了物探测井；1977—1978 年，山西省煤田地质勘探三队在岚县矿区龙泉井田进行精查勘探工作，施工钻工80 个。但是这些钻探的时间距今都较长，一些数据可能存在偏差。

同安煤业井田内划分一个水平开拓全井田，水平标高+1 062.1 m。根据开采条件及范围，4、7、9 号煤层利用主水平联合回采。煤层开采由上至下进行，即先采4 号煤层，再采7 号和9 号煤层。根据本井田地质构造分布、煤层赋存特点及开拓巷道布置，以F4 断层为界将全井田平面上划分为2 个盘区，F4 断层以西为一盘区，F4 断层以东为二盘区。首采盘区在4 号煤层一盘区，即一采区。因此为了保证同安煤业生产的安全性，需要对未来即将开采的一采区进行补充勘探。

补充勘探采用以地质钻探、地球物理测井，并结合岩（水）采样化验、岩石物理力学性质测试等手段进行综合勘查，以达到验证三维地质解释的采空区及异常区的准确性为主要目的。

2 补充勘探工程

由于同安煤业全井田已达到勘探程度，故此次设计施工的3 个钻孔均在高级储量区内，并且主要针对4、7 采空区是否存在积水进行布置，钻孔做到一孔多用，编号补-1、补-2、补-3，如图1 所示。补勘钻孔3 个工程量总计1 636.01 m，3 个钻孔全部进行了简易水文地质观测，并详细记录孔内水位及冲洗液消耗量，经综合验收评定此次施工3 个钻孔级别均为甲级，所有钻孔均进行了数字化物理测井[3-4]，物理测井实测1 615 m，完成了设计任务。

图1 补勘钻孔的相对位置Fig.1 Relative location of supplementary exploration boreholes

此次勘查主要采用地质钻探、数字测井，辅以采取煤芯样、有益矿产及其他一些样品进行化验测试等手段相结合的综合勘查方法。补3 钻孔的部分数字测井综合曲线如图2 所示。

图2 补3 钻孔的部分数字测井综合曲线Fig.2 Partial digital logging comprehensive curves of No.3 supplementary exploration borehole

此次补充勘探工程外业工作于2021 年结束，补勘地质孔终孔孔径不小于89 mm。此次补勘对3个孔均进行了电测斜仪测斜，累计测斜点35 个，终孔斜度3°56′～6°05′，符合规范要求，方位角采用测斜仪器中的罗盘进行了测量。孔深每百米、见煤前10 m 或止煤后10 m 及终孔均进行了钻具丈量，在钻具丈量中对误差超过0.15%的孔深均进行了合理平差和校正，符合有关规程要求，各可采煤层的止煤深度与测井止煤深度误差，均符合有关规程。

取芯层段的所有钻孔，煤系地层岩芯采取率均大于75%，非煤系地层岩芯采取率均大于65%，煤芯长度采取率均大于75%，重量采取率均在60%以上，如图3 所示。全部钻孔均从孔口至孔底用水泥浆封闭，封孔方法采用泥浆泵注入法，封孔材料采用标号为42.5 号普通硅酸盐水泥，水、灰配比为0.6∶1，井口用水泥桩作永久性标志，钻探工程终孔封闭均按照补勘设计及有关规程进行，封孔质量达到要求。

图3 补勘采集的岩样Fig.3 Rock samples collected by supplementary exploration

所有钻孔终孔后岩、煤芯均经相关专业技术人员进行现场验收，在现场采取了可采煤层煤芯样和顶、底板及夹矸样后，除根据要求将部分层段岩芯装箱留存外，其余装葙的岩芯全部现场销毁。

3 补勘结果分析

3.1 瓦斯

此次补勘在补1、补2 钻孔采取了5 个瓦斯样，野外采样用地勘瓦斯解析仪和瓦斯罐现场采样。室内测试分析由山西煤田地质研究所（现山西省地质矿产研究院）完成。瓦斯测定结果汇总见表1。

表1 煤层瓦斯测定结果Table 1 Coal seam gas measurement results

由表1 可知，补勘结果中4、7、9 号煤层中的瓦斯均以氮气-甲烷为主，这与之前的鉴定结果存在一定的差异性，在2021 年之前的矿井瓦斯等级鉴定中，4 号煤层中的瓦斯是以二氧化碳-氮气为主。因此，通过此次补勘可以重新认识煤层中的瓦斯成分，对于矿井瓦斯合理防治有着一定的指导作用。

3.2 水文地质

3.2.1 煤层底板隔水层厚度

煤层底板隔水层厚度是指主采煤层底板至下伏对煤层开采有水压力严重威胁的含水层顶面间的完整隔水层总厚度，隔水层的厚度取决于沉积时的古地理环境，后期构造的改造作用对地层厚度也产生一定的影响，如褶皱变薄带、断裂构造破碎带等。

此次补勘的钻孔一孔多用，因此同时进行了水文地质的探查，为了便于水文地质资料的补充，这里将上文的补-1、补-2、补-3 钻孔重新编号为SW1、SW2 和SW3 钻孔。矿区内钻孔仅此次施工的SW2、SW3 号水文孔揭露奥陶系地层，其余钻孔均是钻进至9 号煤层即太原组下部。此次工作计算煤层底板隔水层厚度时，采用各钻孔实际揭露厚度与矿区内本溪组厚度平均值（27.5 m）相加后确定，详见表2。

井田内揭露奥灰钻孔较少，且分布不均，无法较为准确的反映全井田隔水层厚度的空间分布特征，在下一步井田补充勘探过程中，应注意加强对隔水层厚度及岩性的探查。

3.2.2 煤层涌水量预测

一采区4 号煤层位即将要进行开采，需要了解其涌水量以期为未来的防治水提供一定的依据。根据此次施工的SW2 号水文孔二叠系下统山西组至石炭系太原组混合抽水试验资料，用地下水动力学解析法预测4 号煤层涌水量，用承压转无压完整井的稳定流计算公式[7-8]：

式中：Q 为矿井（或钻孔）涌水量，m3/d；K 为渗透系数，取0.004 9m/d；H 为水柱高度，即自然水位至4 号煤层底板标高的距离，为272.06 m；S 为疏干水位降深，为自然水位至疏干标高的距离，同为272.06 m；h 为疏干标高至含水层底板的距离，为0；M 为含水层厚度，43.7 m；R 为引用影响半径，m；r0为引用半径，m；F 为采用首采工作面1408 的面积。带入相关数据，计算一采区4 号煤层预测段涌水量为530.34 m3/d。

解析法在计算过程中无法考虑地下水边界条件和补、径、排关系，计算结果与实际情况可能存在一定误差，仅供参考。

3.3 岩层特征

表3 为同安煤业2016 年测得的各煤层顶底板岩层的岩性及强度参数。表4 为根据补-2 号钻孔测得的各煤层顶底板岩层的岩性及强度参数。图4为补2 孔的岩层综合柱状图。

表4 补-2 孔岩石物理力学性质试验结果Table 4 Test results of rock physical and mechanical properties of No.2 supplementary exploration borehole

图4 补-2 孔中煤层顶底板柱状图Fig.4 Columnar diagram of coal seam roof and floor in No.2 supplementary exploration borehole

由表3 和表4 对比可以发现，此次勘探的4 号煤层的顶底板的岩性与过去勘探的结果一致，但顶底板的强度要普遍高于过去的结果，如此次勘探结果中4 号煤层顶板砂质泥岩的平均抗压强度达到了33.6 MPa，而之前的仅为12.0 MPa；7 号煤层与4号煤层的结果相似；而此次勘探中9 号煤层顶板的岩性与过去勘探的结果表现出不同，此次勘探顶板为砂质泥岩，过去的为泥灰岩，且此次顶板的抗压强度高于过去的。鉴于此次补充勘探中各煤层顶板抗压强度强度普遍高于之前的勘探，为了实现4 号煤层的安全开采，在回采过程中需要观察顶板垮落状况，若不能垮落，则需要进行强制放顶。

3.4 资源/储量估算

估算范围以井田边界、采空区边界、风氧化带边界划定，井田批采4～9 号煤层，此次结合新补充的3 个勘探孔，对井田内的4-1、4、7、9 号煤层进行了资源/储量估算。4-1 号煤层估算面积为0.952 7 km2；4 号煤层估算面积为6.222 9 km2；7号煤层估算面积为6.7471 km2；9 号煤层估算面积为6.253 1 km2。煤层最深处为井田中北部9 号煤层，标高约630 m，煤层最高处为井田西部，标高约1 220 m。井田地层倾角在5°～25°，勘探工程成网状布置，如图5 所示。

图5 勘探钻孔网状布置Fig.5 Exploration drilling mesh layout

煤层厚度变化不大，依据《煤、泥炭地质勘查规范》，此次资源量估算采用水平投影地质块段法，倾角在15°以下的块段，利用煤层的伪厚度和水平投影面积估算其资源/ 储量；煤层倾角在15°以上的块段利用煤层的真厚度和斜面积估算其资源/储量，估算公式为：

式中：Q 为资源量，万t；S 水平为块段水平投影面积，km2；M 伪为块段煤层平均伪厚度，m；D为煤层视密度，t/m3；α 为块段平均倾角。

各煤层视密度采用龙泉精查勘探资料，4-1、4号煤层视密度为1.45 t/m3，7 号煤层视密度为1.44 t/m3，9 号煤层视密度为1.38 t/m3。

通过计算，此次资源/储量估算全井田共获得保有资源量16 690 万t，其中探明的资源量（TM）为14 900 万t，控制资源量（KZ）为22 万t，推断资源量（TD）为1 768 万t。全井田探明的资源量（TM）占总资源/储量的89%，探明和控制资源量（TM+KM）占总资源量的89%，符合规范要求。全井田各可采煤层保有资源量详见表5。

表5 资源量估算汇总Table 5 Resource estimation summary

2011 年9 月中国冶金地质总局第三地质勘查院编制有《山西省宁武煤田岚县大同煤矿集团同安煤业有限责任公司煤炭资源储量核实报告（供兼并重组用）》，2012 年4 月山西省国土资源厅以晋国土资储备字业函[2012]037 号文予以批复通过，而经过此次估算的总资源量比前者减少25 万t。

4 结语

为了保证同安煤业即将开采的一采区的安全开采，对同安煤业井田进行了补充勘查工程，共施工了3 个钻孔，并根据新补充的3 个勘探孔资料，对煤层瓦斯状况、水文地质状况、岩层特性以及资源储量等方面进行了重新确定。但总体而言此次补充勘探规模较小，加之井田内大部分钻孔为20 世纪70 年代所施工，所测试项目均不完整，建议在开采煤层中采集样品进行多种项目化验测试，从而更深的了解煤层的性能。