新元矿阎家庄回风立井地质特征及凿井建议

杨连超

(山西潞安环保能源开发股份有限公司 地质办，山西 襄垣 046200)

1 新元矿及阎家庄风井项目概况

新元矿紧邻山西省晋中市寿阳县县城西侧，行政区划隶属寿阳县朝阳镇管辖，其地理坐标为北纬37°49′54″～37°55′09″，东经112°58′51″～113°09′33″；矿区范围近似一长方形，东西最长15.82 km，南北最宽9.89 km，矿区面积136.769 9 km2；批采3号～15下号煤层，可采煤层6层(3号、6号、8号、9号、15号、15下号)，现采3号、9号煤层。阎家庄风井位于矿区中南部，该项目于2018年批复立项并进行初步设计，设计开凿1个回风立井、1个进风立井。其中阎家庄回风立井设计井口坐标：X=4 192 048.704 m、Y=38 418 321.286 m，井口标高+1 197.3 m，井底标高+370 m，井筒深度827.3 m.根据《煤矿安全规程》(2022版)[1]第25条“井筒设计前，必须按下列要求施工井筒检查孔”之规定，新元矿委托地质勘查单位设计并施工了阎家庄回风立井井筒检查孔。目前，井筒检查孔已施工完毕。

本文通过收集整理本次井筒检查孔所取得的地质资料，并结合该矿先前已取得的各类资料，对阎家庄回风立井地质特征进行综合分析，针对存在的主要地质风险因素(煤与瓦斯突出、涌水、岩层稳定性欠佳)提出相应的凿井建议，可为下一步井筒施工提供必要理论指导。

2 井筒地质特征

井筒检查孔深878.50 m，获得了该层段系统完整的地质剖面、物性剖面成果资料，查明了地层岩性、厚度、岩石组合、水文地质、工程地质特征，进行了2层段的抽水试验，测试化验了水质、煤层瓦斯含量、岩石力学物理性质，但存在瓦斯含量数据明显偏小、未鉴定煤层自燃倾向性及煤尘爆炸危险性、未测定地温地压、未对第四系和基岩风化带及其他层段单独进行抽水试验等问题。结合本次井筒检查孔成果及井筒附近先前已有地质成果，综合分析阎家庄回风立井井筒地质特征如下。

2.1 地层

自上而下，井筒检查孔依次揭露回填层及第四系中上更新统(0～17.90 m)，三叠系下统刘家沟组(17.90～77.10 m)，二叠系上统石千峰组(77.10～213.66 m)、上石盒子组(213.66～576.05 m)、二叠系下统下石盒子组(576.05～720.88 m)、山西组(720.88～783.58 m)，石炭系上统太原组(783.58～878.50 m).

2.2 地质构造

据已有地质资料，井筒附近无地质构造发育，且本次井筒检查孔也未钻遇断层、陷落柱等地质构造。构造条件简单，有利于井筒开凿。

2.3 煤层

井筒检查孔依次揭露山西组3号(3.29 m)、5号(0.5 m)、6号(0.55 m)煤层和太原组8号(0.58 m)、11号(0.29 m)、12号(0.33 m)、15号(0.37 m)、15下号(0.2 m)煤层。可采煤层只有3号煤层，厚度3.29 m，位于山西组顶部，煤层结构简单，其顶底板均为泥岩。

2.4 瓦斯地质

本次仅采集了3号煤层瓦斯样，测定瓦斯含量1.90 m3/t.然而此处3号煤层埋深737.09 m，显然瓦斯含量数据不可信，笔者认为系采样或后期送样、检测等环节不符合规范导致瓦斯含量严重偏离实际。因此，本次测定结果不能用来指导未来井筒开凿。

根据《新元矿生产地质报告》，矿区范围内地勘钻孔3号煤层瓦斯含量0.08～24.50 m3/t，平均10.63 m3/t.6号煤层瓦斯含量0.12～29.05 m3/t，平均10.50 m3/t；8号煤层瓦斯含量0.27～22.98 m3/t，平均8.51 m3/t；9号煤层瓦斯含量0.01～17.87 m3/t，平均8.59 m3/t；15号煤层瓦斯含量0.11～24.04 m3/t，平均12.61 m3/t；15下号煤层瓦斯含量7.16～22.93 m3/t，平均13.90 m3/t.据井筒最近的42号地勘钻孔(位于井筒西南方向约470 m处)资料，3号煤层埋深717.36 m，瓦斯含量24.50 m3/t；瓦斯含量11.09 m3/t.因此，该井筒各煤层瓦斯含量应均在10 m3/t以上。

另据《新元矿3号煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定报告》、《新元矿9号煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定报告》，该矿3号、9号煤层均为煤与瓦斯突出煤层，该矿为煤与瓦斯突出矿井。因此，该井筒各煤层瓦斯地质均应属于极复杂类型。

2.5 水文地质

2.5.1 主要含水层及抽水试验成果

本次进行抽水试验2层次，分别为基岩面-山西组含水层段、太原组灰岩含水层段。基岩面-山西组含水层段的含水层岩性为各种粒度的砂岩，总厚230.17 m；太原组含水层的岩性主要为灰岩，总厚36.24 m。成果如下：

1) 基岩面-山西组含水层段抽水试验成果。静止水位埋深170.44 m，水位标高1 031.99 m，含水层总厚为230.17 m，最大降深31.49 m，涌水量0.828 L/s，单位涌水量0.026 29 L/s·m，渗透系数0.009 912 m/d ，影响半径31.35 m，属弱富水性。

2) 太原组灰岩含水层段抽水试验成果。静止水位埋深286.66 m，水位标高915.77 m，含水层总厚为36.24 m，最大降深71.10 m，涌水量0.003 613 L/s，单位涌水量0.000 050 82 L/s·m，渗透系数0.000 141 m/d，影响半径8.44 m，属弱富水性。

2.5.2 井筒涌水量估算

估算方法采用疏干法，井筒直径按7.6 m加井壁厚度1.2 m计算，再采用地下水动力法中承压转无压完整井公式进行计算：

(1)

(2)

式中：r0为井筒半径，m；K为渗透系数，m/d；H为静止水位(取抽水试验恢复水位)至疏干含水层底板深度的距离，m；M为含水层厚度，m；S为水位降深(数据与H相同)，m.

1) 基岩面-山西组含水层段井筒涌水量估算。首先用曲度法判断抽水曲线类型为指数曲线，用最小二乘法求出指数方程参数，利用裘布依公式计算降深613.46 m时钻孔的渗透系数及影响半径，即K=0.006 205 m/d，R=483 m。同时将M=230.17 m，S=H=613.46 m，r0=4.40 m等数据代入公式(1)中，得：Q=953.23 m3/d(39.72 m3/h).

2) 太原组灰岩含水层段井筒涌水量估算。首先用直线下推，利用裘布依公式计算降深588.74 m时,钻孔的渗透系数及影响半径，即K=0.000 011 32 m/d，R=24.21 m.同时将M=36.24 m，S=H=588.74 m，r0=4.40 m等数据代入公式(1)中得：Q=0.864 m3/d(0.036 m3/h).

2.6 工程地质

2.6.1 基岩风化带深度的确定

中风化带深17.90～52.20 m，该段岩层破碎，岩石褪色，锤击音浊易粉碎，裂隙面明显，且粘土化；弱风化带深52.20～60.15 m，该段岩石表面和裂隙面有风化迹象，风化裂隙较发育。

2.6.2 岩层段坚硬程度划分

根据岩石饱和单轴抗压强度(fr，单位MPa)测定数据，将基岩划分为坚硬岩(fr>60)、较硬岩(60≥fr>30)、软弱岩(fr≤30，包括较软岩、软岩、极软岩)。井筒检查孔钻遇的坚硬岩层包括灰岩、细粒砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩，共13层，厚84.00 m，占岩层总厚的13.91%；较硬岩层主要是细粒砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩和少量泥岩，共23层，厚157.97 m，占岩层总厚的26%；软弱岩层主要是泥岩、砂质泥岩和煤层，少量为粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩，共30层，厚344.58 m，占岩层总厚的58%.

2.6.3 岩层段稳定性划分

顶部0～17.90 m为松散层；802.97～805.77 m、817.35～822.10 m、827.93～829.30 m、839.35～841.86 m分别发育4层石灰岩，为稳定层段；其他层段RQD值普遍介于50～75，岩石质量较差，为弱稳定或不稳定层段。

总之，井筒范围地层岩性多样，组合关系较复杂，岩性、胶结成份、胶结类型、层理裂隙发育程度各有不同，岩石工程力学差异性明显。局部破碎，泥岩具滑面，影响岩体稳定性，局部层段较易产生工程地质问题。工程地质条件为简单-中等类型。

2.7 其他影响凿井的地质条件

2.7.1 煤层顶底板

3号煤层直接顶为泥岩，间接顶为粉砂岩，直接底为泥岩，间接底为细粒砂岩。顶底板岩层抗压强度35～65 MPa，为较硬岩层。顶底板平整，顶板完整性好，裂隙不发育。顶底板条件简单，有利于井筒开凿。

2.7.2 倾角

井筒范围内，3号煤层倾角6°左右，其他层段倾角略有浮动，一般在8°以下，倾角条件简单，便于井筒开凿。

2.7.3 煤层自燃倾向性

本次未采样鉴定。根据以往鉴定结果，3号、6号、9号、15号煤层不易自燃；8号、15下号煤层为自燃煤层。

2.7.4 煤尘爆炸危险性

本次未采样鉴定。根据以往各煤层鉴定结果，各煤层煤尘均有煤尘爆炸危险性。

2.7.5 地温地压

本次未测定。根据已有资料，该矿地压正常；地温梯度为1.13～3.13 ℃/100 m，平均2.11 ℃/100 m，属于地温正常区，无地热危害。

3 凿井主要地质风险因素及建议

3.1 煤层瓦斯含量大且具有突出性

本次仅采测了3号煤层的瓦斯含量，但测定结果严重偏离实际。从已有瓦斯地质资料看，井筒范围各煤层瓦斯含量应均在10 m3/t以上，部分煤层甚至超过20 m3/t，且各煤层均具有突出性，瓦斯地质类型属于极复杂。未来凿井期间必须充分做好通风和各煤层防突工作，重点环节在于井筒揭煤，按照《煤矿安全规程》要求必须编制防突专项设计并报企业技术负责人审批(第194条)，必须超前探测煤层厚度及地质构造、测定煤层瓦斯压力及瓦斯含量等与突出危险性相关的参数(第197条)，还必须遵守第29条、第214条等其他相关规定。

3.2 预计井筒涌水量与实际可能会有较大偏差

由于工作区地质及水文地质条件的复杂性，再加上调查、勘探时对水文地质条件认识的局限性，在选择预测方法、确定计算参数的合理性上存在欠缺，从而导致预测的井筒涌水量与实际偏差较大。本次抽水试验对基岩面-山西组底部之间地层采用了混合抽水试验，未针对第四系+基岩风化带、其他组段单独抽水，工作程度较粗，所获成果的准确性降低。加之水文地质条件本身具有的复杂性，预计井筒涌水量可能会有较大偏差。因此，未来凿井期间必须充分做好防排水工作，排水系统要配备2倍以上排水能力，以应对可能出现的各种突发状况。

3.3 局部层段工程地质条件欠佳

深度17.90～52.20 m为中风化带范围，软弱岩层占岩层总厚的58%，大部分层段为弱稳定或不稳定层段。因此，必须充分做好不稳定段的围岩支护工作。

4 结 语

1) 从地层、构造、煤层、瓦斯地质、水文地质、工程地质、其他地质条件7个方面综合分析了阎家庄回风立井地质特征，为下一步井筒施工提供了必要理论指导。

2) 针对存在的地质风险因素(煤与瓦斯突出、涌水、岩层稳定性欠佳)，提出了相应的凿井建议，即重点做好通风、防突、防排水、围岩支护等工作。