新疆北部矿井烧变岩特殊地质勘查条件的探矿工程技术研究

苏刚

（山东大联矿业工程有限公司，山东 泰安 271001）

一、提出问题

新疆北部矿井探矿工程施工面临烧变岩复杂地质条件，烧变岩形成机理复杂，烧变深度、火烧区富水性等不确定因素多[1]，受此影响严重制约矿井开发进度。特别是在井上、井下地质勘查过程中相继面临两个实际问题：一是井上地质勘查施工过程中，液压回转钻机的钻头钻入烧变岩特殊地质环境，直接导致孔内的冲洗液部分或全部流失，冲洗循环被不断破坏，影响钻进速度和钻井质量，岩芯采取率低，干扰地质录井和信息采集。二是井下地质勘查过程中，施工作业采掘工作面均受到烧变岩富水性影响，遭遇水害威胁，埋下了隐患，形成储量地损，制约影响了矿井开发进度，带来时间和经济上的双重损失。

二、判断问题

（一）井上地质勘查

1.地质概况。在地质勘查方法上，由于该矿井地表基岩裸露，沟谷丛横、地形破碎、多有陡崖、交通不畅，地形十分复杂，矿井以东邻近河流河床，给野外施工造成了极大的不变；受到此地形和烧变岩特殊地质的影响，选择探矿工程施工为重点方法，同步进行野外施工作业。通过先后开展地形地质测量、水文地质和工程地质测量、磁法勘探、钻探施工、钻孔抽水试验、钻孔地球物理测井，矿井地质调查、采样化验等多种方法进行综合作业[2]。钻探工作在完成地面地质填图、矿井地质调查、地面磁法勘探后进行。钻探作业以矿区所含煤层为地质勘查主要对象和重点，矿井开采煤层为A6煤层，矿井在此煤层布置采掘工作面，根据揭露烧变岩特殊地质情况，提出相应技术方案指导下一步作业。

2.井上探矿工艺及暴露问题。井上地质勘查钻探施工采用机械岩芯钻进工艺，使用XY-5 型液压回旋钻机，能够实现直径50 钻杆钻深1500m 以内。回转器立轴8 速正转、2 速反转，立轴行程600mm，立轴内径96mm，起重能力250kN，加压能力180kN，移动油缸行程450mm，动力为柴油机。钻进每进尺50m 钻具误差不大于0.15%。终孔后进行常规的地球物理测井，所有钻孔做简易水文观测和采取岩芯，部分钻孔采集煤层顶底板岩样、煤芯瓦斯解析样、地下水水样，进行钻孔抽水试验，终孔后封孔并在孔口立永性标桩，各钻孔封闭均达到设计要求，质量符合设计要求。钻孔工程质量验收标准按照《煤田勘探钻孔工程质量标准》进行，分八项指标验收，全孔工程质量评定级别分为特级、甲级、乙级三个级别。对所竣工钻孔按照上述标准进行质量验收和定级，除乙级孔1 个外，其余均为特级孔、甲级孔，出现乙级孔原因为遇见烧变岩地质条件，注入孔内的冲洗液部分或全部流失，充分暴露出了问题。

3.揭露烧变岩。通过对岩芯进行分析，矿井所处地层分别为塔里奇克组、侏罗系下统阿合组、第四系全新统冲洪积层。对烧变岩特殊地质条件进行地质分析判断，烧变岩是由侏罗系下统塔里奇克组上、中段岩层经煤层自燃的高温烘烤形成，颜色以褐红色为主，夹有浅黄色条带，裂隙发育、破碎，主要在矿区东部和南部边界附近沿煤层露头走向呈条带状东西向展布。同时，烧变岩分布受煤层自燃后引起的烘烤岩区影响，揭露深度与邻近河流侵蚀基准面有高度相关性，判断烧变岩地质条件应具有一定规律性。

（二）井下钻探施工

1.地质概况。A6 煤层厚度2.5-7.2m，平均厚度4.87m，布置各个工作面沿底板施工，顶板为粉砂岩，老顶为粉砂岩、细砂岩、砂砾岩，底板为泥岩、粉砂岩，老底为细砂岩、粗砂岩。露头及浅部已自燃并形成烧变岩地质条件，所保存煤层均属于正常煤层，煤层单一结构，属于较稳定煤层。在井下钻探施工过程中，未揭露岩浆岩分布，已揭露的烧变岩裂隙水成为矿床充水的主要因素，威胁矿井安全。有害气体等其它赋存因素、地质条件方面尚不对矿井构成安全威胁。

2.井下探矿工艺及暴露问题。井下作业期间，矿井施工A601、A602工作面，揭露在距进口160m 处均为火烧区，直接资源损失储量25 万吨，同时烧变岩裂隙富水性极强，工作面遭遇最大涌水量超过400m³/h，矿井受到了严重水害威胁，埋下了隐患，形成储量地损，制约了矿井开发进度，带来时间和经济上的双重损失。为降低影响，全面有效探明地质情况，在顺槽工作面组织了井下探矿工程，探矿设备选用KMD-5S型全液压坑道钻机、SGB9-12 井下注浆泵，电源为井下防爆供电系统。采用施工1.5m×1.5m×1m的水窝储水，用防尘管路通过钻机立轴直接冲洗钻孔，利用井下供排水系统排出岩粉。井下钻机窝选取顶板支护完好、无危岩悬矸、安全可靠的地点，施工点里外各5m 范围内无杂物。钻机处底板平整，底座打设固定钻机地锚。钻机施工过程中钻孔直径127mm，可后期扩孔，下入直径108mm、厚壁6mm的孔口止水管，孔口管焊接相应法兰盘、高压闸阀，符合耐压要求。探放时出水，不得拔出钻杆，并把工作面迎头煤壁打4 根圆点柱贴紧煤壁，使用背板确保可靠，掌握好放水量小于排水能力的30%，时刻观察涌水量大小。

3.揭露烧变岩。井下钻探施工过程中均揭露烧变岩裂隙富水问题，一是对A601 运输巷、A601 轨道巷、A601 工作面采空区累计打探水孔16 个，出水12 个。二是对A602 联络巷打探水孔4 个，出水1 个，最大涌水量10.8m³/h。三是A602 运输巷在600m 处向火烧区边界打探水孔4 个，出水1 个，最大涌水量32.6m³/h。四是A3A5 回风巷迎头打探孔2 个，均出水，最大涌水量3m³/h。井下钻探施工涌水量统计为A601 运输巷20m³/h、A601轨道巷77.5m³/h、A601 面采空区121.2m³/h、运输下山5m³/h、A602 联络巷24m³/h、A602 运输巷4.5m³/h、A3A5 回风巷1.8m³/h，矿井合计涌水量234m³/h，施工期间矿井涌水量稳定在220m³/h 左右。

三、解决问题技术方案

（一）针对井上钻探冲洗液流失问题，提出“一孔一策”的解决问题思路及具体技术方案

1.摸清烧变岩赋存规律。通过地质勘查分析，煤层自燃火烧区为多层煤层燃烧所致，烧变岩分布为非均匀性。火烧深度最大200m 左右，最浅60m 左右，平均120m 左右，根据井上钻孔揭露，火区的分布具有一定的规律性，与邻近河流古侵蚀基准面有高度相关性：火烧区底界基本上位于一平面范围内，深度一般不超过临近河流的最低侵蚀基准面；向斜翼部地层较陡，煤层抬起易形成火区，而向斜轴部地形平坦，煤层保存完好；浅部火烧区误差在10m 左右，深部火烧误差在30m 左右。

2.采取四项措施应对冲洗液流失问题，充分结合钻孔的位置不同，因地制宜应对冲洗液流失，主要做法是：一是采取平衡钻井法，准确预报地层压力，根据地层压力预报及时调整钻井液密度。二是使用较粘稠、高质量的化学泥浆，起到粘稠及润滑作用的同时，符合环保要求，确保了泥浆的无毒无害。三是缩短浅部钻探时间和停留，通过摸清烧变岩赋存规律为浅部钻探提供了有力预判支持，确保钻孔深度尽快超过临近河流的最低侵蚀基准面以下。特别是钻孔进入60-200m 的浅部、河流的最低侵蚀基准面以上，向斜翼部地层时，容易发生漏失，采取钻杆、孔口润滑配低固相化学泥浆的措施，减轻钻进过程中的摩擦力，提高顶漏钻进效率。钻孔进入＞200m 的深部、河流的最低侵蚀基准面以下，向斜轴部地形时，钻孔的岩芯采取率将会有明显提高，冲洗液流失问题将会明显转变。四是完善处理漏失应急预案，一旦发生漏失，施工人员第一时间启动预案，采取增大泥浆、在冲洗液中加堵塞物、用水泥浆和堵漏剂等应急措施。

（二）针对井下作业烧变岩裂隙富水问题，提出“短探短进”的解决问题思路及具体技术方案

1.提高探进频次，应对在对A6 煤层探矿过程中遇见烧变岩裂隙富水因素，主要做法是：施工过程中，严格执行超前探放措施，由过去的每隔50m 施工探眼，先缩减为每隔30m 施工探眼，再缩短至随探随掘，剩余10m 前再组织施工探眼，更加准确摸清A6 煤层火烧区边界，确定施工方案，在安全可靠的前提下，既能保证了工期，又能提高了施工效率。

2.配套专用排水设备。充分结合烧变岩裂隙水害揭露，投用MD450-60×4 耐磨多级离心泵及其配套设施：一是电器部分使用QJR-400/1140软启动开关、KBSGZY-1000－10/1.2KV 移动变电站、LBG1-200/10 高压电缆连接器、KBZ-630/1140.660 馈电开关。二是电缆部分使用MYPTJ-3×35/10KV 高压橡套电缆、MYP-3×150/1.14kv 橡套电缆。三是管路部分使用外径273mm最大流量480m³/h六米钢管，配备闸阀、多级泵进水口法兰、螺栓、底阀、弯头、法兰、螺栓、接线盒、胶垫、闸阀、逆止阀、无缝钢管等，形成完备的应对烧变岩裂隙水害专用排水设备。

3.施工三个疏水泄压巷。一是矿井A602 运输巷在该工作面进入现在A601 工作面采空区位置200m 时施工疏水联络巷，根据高差9.7m 实际，在A602 运输巷安设以上专用排水设备，对A601 工作面采空区排水泄压。二是在A602 运输巷到达切眼位置后，施工疏水联络巷，安设配套以上专用排水设备。三是按照确定的A602 运输巷施工中选择标高最佳位置与A601面老空区贯通，完善排水系统，作为A601 面的泄水巷。同时，对主运输水沟进行扩修，增大疏排水能力。通过以上技术方案，计算排水能力统计，改造前A602 工作面排水能力178.75m³/h，矿井排水能力442m³/h；改造后A602 工作面排水能力471.25m³/h，矿井排水能力1027m³/h，A602 工作面能够积极应对灾害威胁，保障矿井的安全和进度。

四、结论

通过认真分析该矿井井上、井下地质勘查探矿工程过程中出现的问题，提出了“一孔一策”和“短探短进”的解决问题思路及具体技术方案，一是采取摸清赋存规律、采取平衡钻井法、选用适合泥浆、缩短浅部钻探时间停留顶漏钻进和应急处理等措施，有效应对井上地质勘查施工过程中钻头钻入烧变岩形成的冲洗液漏失问题，顺利完成施工。二是采取增加探水频次、配套专用排水设备、施工疏水联络巷等措施，有效应对了井下A6工作面遇见烧变岩水害问题。通过以上有针对性的措施，解决了该矿井地质勘查探矿工程中烧变岩的实际问题，提高了资源开发利用效率，保障了项目开发进度，在同类矿井中具有较好借鉴意义。