检查钻孔在余吾矿风井中的应用研究

高鹏飞

(山西潞安环保能源开发股份有限公司地质勘查大队，山西 长子 046204)

余吾煤业有限责任公司为山西潞安集团公司下属的一个特大型现代化煤炭生产企业，矿井现核定生产能力750万t/a。余吾井田共划分为8个采区，分别为北一、北二、北三采区与南一、南二、南三、南五、南六采区。矿井采用分区式通风系统，现有南风井由于后期风路长，负压过大，不能满足南五、南六采区通风要求，为此余吾煤业公司委托北京华宇工程有限公司编制了《山西潞安集团余吾煤业有限责任公司余欣风井工程方案设计》，拟在井田西南部屯留县杨家湾村以北新建余欣风井场地，布置一对进、回风立井和一些相应的建、构筑物服务南五、南六采区。为了满足井筒设计，合理制定施工方案，为工程建设提供可靠的地质资料，需布设井筒检查钻孔。钻孔目的包括以下几点[1-3]：

（1）查明井筒穿过地层、构造发育情况；

（2）查明井筒穿过岩（土）层的岩性、厚度、物理力学性质、埋藏条件和风化带、裂隙的深度及特征。

（3）查明井筒穿过地层的水文地质条件，包括含水层数量、含水层的埋藏条件、静水位与水头压力、涌水量、渗透系数、水质、水温、含水层之间及与地表水的水力联系、地下水流向与流速。

（4）查明井筒穿过煤层的赋存情况、煤质特征、煤层瓦斯赋存情况及其他有害气体等。

（5）查明井筒穿过地层的地温变化情况。

1 钻孔概况

按照井筒检查钻孔的布置原则，在进、回风立井井筒范围以外，各布置一个检查钻孔。经实地踏勘，结合场地地形，进风立井检查钻孔布置在进风立井井筒的东北方向，距进风井井筒中心21.09m处，回风立井检查钻孔布置在回风立井井筒的东北方向，距回风井井筒中心23.19m处。检查钻孔具体情况如表1所示。

表1 钻孔参数表

2 钻孔施工工艺

检查钻孔施工工艺主要包括以下步骤：

（1）使用TXJ-1600钻机Ф108mm开孔钻进，采用孔底局部反循环钻进法采取土样（预计孔深85.00m），见基岩后，换Ф94mm钻具取芯钻进至终孔孔深738.00m（期间采取煤岩样、瓦斯样）后进行物理测井。

（2）用木塞在风化基岩底部的第一层隔水层中架桥，用粘土、水泥隔离下部含水层，然后用Ф216mm钻头扩孔至风化基岩底部的隔水层中（不得破坏止水隔离桥），下入Ф168mm滤水管，经充分洗井后，进行第四系+基岩风化带抽水试验，抽水试验完毕后，进行扩散法测井，同时进行地下水流向流速测定。

（3）抽水结束之后起拔Ф168mm套管，车载钻用Ф450mm钻头扩孔至风化基岩底部的隔水层中，下入Ф377mm井壁管，管壁与井壁间隙用水泥进行封闭止水。

（4）止水检验合格后，换用Ф311mm钻头扩孔至下石盒子组最顶部隔水层中（预计595m），再换用Ф170mm钻头扩至终孔（预计进738m），下入Ф273mm+Ф146mm井壁管，管壁与井壁间隙进行封闭止水。

（5）止水检验合格后，经充分洗井，进行下部下石盒子组+山西组+太原组地层抽水试验、流量测井、扩散测井。

（6）起拔Ф273mm+Ф146mm套管。

（7）清除孔底岩粉后，用水泥砂浆封闭下石盒子组+山西组+太原组地层。

（8）经充分洗井后，进行上石盒子组地层抽水试验、流量测井、扩散测井。

（9）经验收无遗留问题后用水泥砂浆进行全孔封闭。

3 检查钻孔勘察结果分析

在检查钻孔施工完毕后，由于两钻孔之间距离较大，因此勘查结果具有着一定的差异。

3.1 进风井检查钻孔勘查结果

（1）地层

进风井检查钻孔施工后，揭露地层自上向下主要包括第四系（Q）、二叠系上统石千峰组（P2sh）、石炭系上统太原组（C3t）、二叠系下统山西组（P1s）、二叠系上统上石盒子组（P2s）、二叠系下统下石盒子组（P1x）。各地层特征如下：

第四系（Q）：平均厚度45m左右，岩性为棕黄色含砂粘土与砂层互层、浅黄色含钙质粉砂质粘土，淡棕红色含砂粘土与淡黄色粉砂质粘土，灰黄色砂质粘土与灰色含砂粘土。

二叠系上统石千峰组（P2sh）：平均厚度190m左右，主要由紫红色泥岩与黄绿色、砖红色砂岩组成，顶部夹有1～2层不稳定淡水灰岩，底部为灰白色、含砾粗砂岩（K14）。

石炭系上统太原组（C3t）：平均厚度105m左右，岩性主要由4～5层石灰岩及灰色砂岩、灰黑色泥岩、粉砂岩和煤层组成，含煤层7～15层，其中有4层局部或大部可采煤层。本组属典型的海陆交互相沉积，旋回结构明显。

二叠系下统山西组（P1s）：平均厚度60m左右，岩性主要为灰色中细粒砂岩，灰色、灰黑色粉砂岩、砂质泥岩及煤层组成，含1～4层煤，其中3号煤层为主要可采煤层。

二叠系下统下石盒子组（P1x）：平均厚度70m左右，下部为灰色细粒砂岩夹粉砂岩；上部为灰色、灰绿色中粒砂岩、细粒砂岩及灰色砂质泥岩；底部为一层灰色、灰白色厚层状中、细粒砂岩（K8），夹泥质包体富含菱铁质结核；顶部为绿灰、灰白色夹紫红色含铝泥岩（桃花泥岩），以富含菱铁质鲕粒为特征，层位稳定，是良好的标志层。

二叠系上统上石盒子组（P2s）：平均厚度500m左右，岩性为砂岩和杂色泥岩，依岩性组合可分三段。下段：平均厚度212m左右，为灰绿、灰色、黄绿色局部夹紫红色斑块的泥岩与灰绿、灰白色砂岩互层。局部泥岩中含菱铁质鲕粒。中上部夹铁质砂岩及锰铁质结核。底部为浅灰色、灰白色含细砾中粗粒长石石英杂砂岩（K10）。中段：平均厚度105m左右，为黄色、灰绿色局部夹紫红色的泥岩及粉砂岩互层，夹巨厚层状黄绿色、灰白色含砾砂岩，底部为灰白色含砾粗砂岩（K11）。上段：平均厚度186m左右，为紫红色、灰绿色泥岩与灰黄、灰白色砂岩互层，顶部泥岩中夹透镜状～似层状黑色硅质岩或褐黄色、紫红色燧石条带。

（2）构造

检查钻孔内，风井处于坪村向斜的东翼、余吾背斜的西翼，构造比较简单。

（3）煤层

在井筒检查孔深度范围内，揭露到太原组7号煤层，其中仅3号煤层为可采煤层。

（4）含水层

检查钻孔揭露含水层从新到旧主要包括第四系及基岩风化带含水层、二叠系下石盒子组底部K8砂岩含水层、二叠系下石盒子组中部砂岩含水层、二叠系上石盒子组底部K10砂岩含水层、二叠系下统山西组K7砂岩含水层、二叠系下统山西组3号煤层顶板砂岩含水层、石炭系上统太原组K5石灰岩含水层。含水层特征如下：

第四系及基岩风化带含水层：厚30～40m 左右，由砂层、破碎的泥岩、砂岩组成。富水性差异较大，钻孔单位涌水量为0.046～0.086L/s·m，水质类型HCO3-Ca型，为富水性弱的裂隙含水层。

二叠系下石盒子组底部K8砂岩含水层：层厚0.50～10.60m，平均4.70m。位于下石盒子组底部，下距3号煤层平均37.95m。岩性一般为中、粗粒砂岩，局部为细粒砂岩，厚度变化较大。单位涌水量0.000024L/s·m，为富水性弱的砂岩裂隙含水层。

二叠系下石盒子组中部砂岩含水层：层厚3.00～13.40m左右，平均6.32m，岩性以中细粒砂岩为主，局部变相为砂质泥岩。裂隙发育不良，钻孔过程中冲洗液消耗量一般不大，为富水性弱的砂岩裂隙含水层。

二叠系上石盒子组底部K10砂岩含水层：层厚1.65～15.40m，平均5.06m。下距3号煤层平均99.29m。全区普遍发育，岩性一般为中、粗粒砂岩，裂隙较发育。水动态比较稳定，为富水性中等的砂岩裂隙含水层。

二叠系下统山西组K7砂岩含水层：层厚0.85～6.33m，平均3.17m。位于山西组底部，上距3号煤层2.85～20.00m，平均12.21m，岩性一般为细、中粒砂岩，局部相变为砂质泥岩或粉砂岩。裂隙不发育，钻孔单位涌水量0.0108L/s·m，渗透系数0.097m/d，为富水性弱的砂岩裂隙含水层。

二叠系下统山西组3号煤层顶板砂岩含水层：层厚0.85～13.20m，平均7.00m。位于3号煤层顶板以上，下距3号煤层平均6.09m，是3号煤层顶板直接充水含水层。岩性为中、细粒砂岩，局部垂直裂隙发育。

石炭系上统太原组K5石灰岩含水层：层厚2.25～3.10m，平均2.68m。覆于7号煤层之上，上距3号煤层平均32.30m。

（5）瓦斯及地温

检查钻孔内3号煤层瓦斯含量为5.45～14.34m3/t，相对瓦斯涌出量0.46～4.81m3/min，瓦斯压力0.33～0.87MPa。恒温带深度为60m，温度为12.0℃，地温梯度为1.27℃/100m，为地温正常区。

3.2 回风井检查钻孔勘察结果

（1）地层

进风井检查钻孔施工后，揭露地层自上向下主要包括第四系（Q）、二叠系上统石千峰组（P2sh）、二叠系下统山西组（P1s）、二叠系上统上石盒子组（P2s）。各地层特征如下：

第四系（Q）：平均厚度为51m左右，岩性为棕黄色含砂粘土与砂层互层、浅黄色含钙质粉砂质粘土，淡棕红色含砂粘土与淡黄色粉砂质粘土。

二叠系上统石千峰组（P2sh）：平均厚度约为174m，主要由紫红色泥岩与黄绿色、砖红色砂岩组成，顶部夹有2～3层不稳定淡水灰岩，底部为灰白色、含砾粗砂岩（K14）。

二叠系下统山西组（P1s）：平均厚度约为58m，岩性主要为灰色中细粒砂岩，灰色粉砂岩、砂质泥岩及煤层组成，含1～4层煤，其中3号煤层为主要可采煤层。

二叠系上统上石盒子组（P2s）：平均厚度约为488m，岩性为砂岩和杂色泥岩，依岩性组合可分三段。下段：平均厚度202m左右，为灰绿、灰色、黄绿色局部夹紫红色斑块的泥岩与灰白色砂岩互层，中上部夹铁质砂岩及锰铁质结核，底部为浅灰色、灰白色含细砾中粗粒长石石英杂砂岩（K10）。中段：平均厚度125m左右，为黄色、灰绿色局部夹紫红色的泥岩及粉砂岩互层，夹巨厚层状黄绿色、灰白色含砾砂岩，底部为灰白色含砾粗砂岩（K11）。上段：平均厚度161m左右，为紫红色、灰绿色泥岩与灰黄、灰白色砂岩互层，顶部泥岩中夹透镜状～似层状黑色硅质岩或褐黄色、紫红色燧石条带。

（2）构造

检查钻孔内表明回风井主要位于余吾背斜的西翼，整体构造较为简单。

（3）煤层

在井筒检查孔深度范围内，揭露到太原组7号煤层，其中仅3号煤层为可采煤层。

（4）含水层

检查钻孔揭露含水层从新到旧主要包括第四系及基岩风化带含水层、二叠系下石盒子组底部K8砂岩含水层、二叠系下石盒子组中部砂岩含水层、二叠系上石盒子组底部K10砂岩含水层、二叠系下统山西组K7砂岩含水层、二叠系下统山西组3号煤层顶板砂岩含水层。含水层特征如下：

第四系及基岩风化带含水层：厚35～50m 左右，由破碎的泥岩、砂岩组成，富水性差异较大。钻孔单位涌水量为0.051～0.079L/s·m，水质类型HCO3-Ca型，为富水性弱的裂隙含水层。

二叠系下石盒子组底部K8砂岩含水层：层厚1.5～7.4m，平均4.7m，位于下石盒子组底部，下距3号煤层平均31.3m。岩性一般为中、粗粒砂岩，局部为细粒砂岩，厚度变化较大。单位涌水量0.000033L/s·m，为富水性弱的砂岩裂隙含水层。

二叠系下石盒子组中部砂岩含水层：层厚3.7～15.1m左右，平均7.8m，岩性以中细粒砂岩为主。钻孔过程中冲洗液消耗量一般不大，为富水性弱的砂岩裂隙含水层。

二叠系上石盒子组底部K10砂岩含水层：层厚2.8～13.2m，平均4.8m，下距3号煤层平均97.2m。全区普遍发育，岩性一般为中、粗粒砂岩，裂隙较发育。水动态比较稳定，为富水性中等的砂岩裂隙含水层。

二叠系下统山西组K7砂岩含水层：层厚1.3～6.9m，平均3.7m，位于山西组底部，上距3号煤层4.8～18.3m，平均9.78m，岩性一般为中粒砂岩。岩层整体性较好，钻孔单位涌水量0.0201L/s·m，渗透系数0.097m/d，为富水性弱的砂岩裂隙含水层。

二叠系下统山西组3号煤层顶板砂岩含水层：层厚3.8～9.9m，平均6.4m，位于3号煤层顶板以上，下距3号煤层平均8.4m，是3号煤层顶板直接充水含水层。岩性为中、细粒砂岩，内部裂隙发育较少。

（5）瓦斯及地温

检查钻孔内3号煤层瓦斯含量为5.13～13.88m3/t，相对瓦斯涌出量0.61～5.02m3/min，瓦斯压力0.41～0.79MPa。恒温带深度为55m，温度为11.7℃，地温梯度为1.21℃/100m，为地温正常区。

根据两检查钻孔内的勘查结果，矿井整个区域内的地质条件变化较小，仅在地层厚度与岩性方面存在一定的差异。

4 结论

本文以余吾矿新建风井工程为背景，对矿井检查钻孔作用以及施工工艺进行了叙述，同时对矿井地层、构造、煤层、含水层、瓦斯及地温等地质条件进行了勘察。该勘察结果可为之后矿井煤层生产提供地质基础，有利于风井井筒的施工。