地面钻探技术在断层勘查中的应用

2024-03-15郑丙谦张先恒

中国煤炭地质 2024年2期

郑丙谦，张先恒

（1.山西华冶勘测工程技术有限公司，山西太原 030000； 2.中国冶金地质总局第三地质勘查院，山西太原 030000）

0 引言

钻探技术在矿山地质勘探工程中使用中越来越成熟，已经在煤矿地质构造勘查中广泛应用，对煤矿地质勘查起到了积极作用［1-4］。里必井田位于沁水县东部约7km 处，根据矿井首盘区地面以往三维地震勘探成果，设计首采3101 工作面东侧约90m发育DF2断层；矿井首采面底板奥灰水带压4.1～6.1MPa，DF2断层对首采面巷道安全掘进及工作面安全回采影响较大，需要对其深部进行验证。本次DF2断层地表验证项目共施工钻孔2 个，工程量1 809.61m，并进行物探常规测井；采取煤样6个，瓦斯样6 个，顶底板力学样27 组。研究为类似矿井断层勘查提供了借鉴［5-11］。

1 地质条件

1.1 地层

井田内大面积出露三叠系刘家沟组、和尚沟组，二叠系石千峰组和上石盒子组顶部地层。综合所有地质资料，将井田内地层由老到新依次为中奥陶统上马家沟组、峰峰组，石炭系本溪组、太原组，二叠系山西组、下石盒子组，上石盒子组、石千峰组，下三叠统刘家沟组、和尚沟组，第四系。

1.2 含煤地层

井田含煤地层有本溪组、太原组和山西组，其中太原组和山西组为区内主要含煤地层。

1）本溪组厚度2.00～32.80m，平均厚度15.11m。其岩性以灰色铝土岩、黏土岩和泥岩为主，泥质岩中含有较多的植物化石，含有大量星散状黄铁矿，局部含煤线。

2）太原组为井田内主要含煤地层，含煤12 层，分别为5 号、6 号、7 号、8 号、9 号、10 号、11 号、12 号、13号、15号、16号、17号煤层。厚度89.24～118.45m，平均厚度99.79m。

3）山西组为本区主要含煤地层之一，以灰、灰黑色、黑色泥岩、粉砂岩及砂岩为主，含有1、2、3 号煤层。厚度37.39～76.66m，平均厚度50.82m。3 号煤位于山西组下部，其上为中厚层含煤屑灰黑色砂岩，局部夹黑色粉砂岩或黑色泥岩，含大量植物化石，中部中粒砂岩为灰色厚层状，向上逐渐变细，成分以石英、长石为主，富含白云母，夹有煤屑，顶部含植物化石。

1.3 构造

矿区总体构造形态为向北倾斜的单斜，在此基础上发育次级的宽缓褶曲6 个，地层倾角5°～12°。矿区以往地质填图工作共发现断层1 条（F1），区内及周边共发育大小断层26 条，陷落柱32 个，无岩浆岩侵入，构造复杂程度属简单类型（图1）。

图1 井田地质构造纲要图Figure 1 Outline map of mine field geological structure

2 三维地震解译断层情况

三维地震解释断层26 条。以往绘制煤层底板等高线图时，利用可靠、较可靠断层22 条。其中落差大于10m的断层17条。本次工作主要针对DF2断层开展地表钻探验证，其次仅对原三维地震解译DF2断层特征情况进行描述。

DF2逆断层位于勘探区外延拓区的中西部，延伸长度约1840m，向南延伸出区外，走向N E 10°，倾向NW 80°，倾角约25°。区内3 号煤层和15 号煤层最大落差为35m。时间剖面上T3 波、T15 波同相轴错断、重叠，在等时切片上有明显的错断，在混沌属性、顺层切片、振幅属性图上出现清晰的条带状差异。按40m×40m 的网度所抽取的时间剖面评价，该断层共有58 个断点控制，其中A 级断点47 个，B级断点6个，C级断点5个，评价为可靠断层（图2）。

图2 DF2断层在时间剖面上的反映Figure 2 Reflection of DF2 fault on time profile

3 地面钻探技术

3.1 钻孔设计

根据原三维地震解译DF2断层位置，布设了DF2-1、DF2-2 两个钻孔，设计孔深分别为850、900m。两个钻孔近东西向展布，孔距80m。选用两台套XJY-1600型钻机同时开孔施工。

3.2 钻孔结构

参照岩层剖面拟定各段孔径，在保证钻进质量和安全的前提下，简化钻孔结构，以提高钻进效率。钻孔结构：开孔孔径为Φ245mm、二开孔径为Φ 190mm、三开孔径为Φ152mm、终孔孔径为Φ 113mm。钻孔从3 号煤层顶板以上30m 处开始取心，岩心直径不小于Φ60mm。

3.3 钻进工艺

全孔采用机械回转钻井液正循环钻进施工。钻具组合：主动钻杆+Φ50mm 钻杆+Φ68mm 钻铤+Φ 108mm岩心管（或Φ89mm双管取煤器）+Φ113mm钻头。钻头尺寸配合不同孔径改变，取心段至终孔钻头尺寸Φ113mm。钻进参数：钻压：18～22kN；转数：48～110r/min。

3.4 岩心采取质量情况

取心段采用双管单动取心器进行取心钻进工艺。采取率情况如下：DF2-1 孔从648.88～897.59m（终孔）取心，共计248.71m，采长214.29m，总采取率为86.16%。DF2-2 孔从691.68～912.02m（终孔）取心，共计220.34m，采长198.48m，总采取率为90.08%。

3.5 井斜控制情况

钻孔在钻进过程中每进尺50m 及终孔后使用LHE1101 型电子多点测斜仪进行测斜。DF2-1 钻孔测斜工程量为897.56m（全孔）。终孔最深测点顶角为5.7°，方位角为165°；DF2-2 钻孔测斜工程量为910.00m（全孔）。终孔最深测点顶角为5.5°，方位角为171°。均可满足质量要求。

3.6 样品采集情况

本次施工钻孔DF2-1、DF2-2 均在3 煤、15 煤顶底板30m内取样，DF2-1孔岩石力学样取11组，DF2-2孔岩石力学样取12组。该钻孔施工位置处于断层部位，其附近工程地质条件相对较差，工程地质复杂程度中等。

4 煤层比对及断层验证结果

4.1 钻孔可采煤层重复情况

以往资料显示该井田内含煤地层沉积稳定，岩性组合及地球物理特征规律明显，煤层、标志层自身特征显著。因此钻孔煤层对比时采用标志层、层间距、岩性特征等［12-15］。在此主要介绍由于DF2逆断层影响致使煤层发生重复的情况。

1）DF2-1 孔可采煤层重复情况。根据该钻孔岩性及物探测井综合判断，DF2-1孔内3号煤层发生重复，赋存于山西组的下部，3号煤层厚6.80m，含夹矸1 层，矸石厚0.2m；3 号重复煤层厚5.05m。煤层顶、底板多为泥岩、细粒砂岩、粉砂岩。据3号煤层重复情况推断该孔断层深度在754.3～785.3m，断层造成两层3 号煤层落差为31m。其中两层3 煤中间754.3～770.39m 处的泥岩极为破碎，岩心RQD值统计为34%，推测该层泥岩为断层在此处的断层面，破碎岩心见图3。

2）DF2-2 孔可采煤层重复情况。DF2-2 孔内15号煤层发生重复，赋存于太原组，15 号煤层厚2.75m；15 号重复煤层厚2.85m。煤层顶均为灰岩，底部为砂质泥岩、泥岩。据15号煤层重复情况推断该孔断层深度为843.5～877.6m，该断层致使15 号煤层发生重复，造成两层15 号煤层落差为34.1m。其中两层15煤中间843.45～858.02m 处的泥岩、砂质泥岩极为破碎，岩心RQD值统计分别为38%、39%，推测该层泥岩为断层在此处的断层面。

4.2 DF2断层验证情况

DF2-1 孔内3 号煤层重复情况推断该孔断层深度在754.3～785.3m；DF2-2 孔内15 号煤层重复情况推断该孔断层深度在843.5～877.6m。根据两钻孔内断层面所处位置和煤层重复落差情况对比以及岩性特征、标志层、层间距等综合判断，该断层为逆断层，结合以往地表三维地震勘探资料，判断该断层走向N E 10°，倾向N W 80°。上盘位于东侧，下盘位于西侧，上盘抬升、下盘下降使地层及煤层发生挤压致使重复，断层倾角25°左右，落差在31～34m。断层面位于DF2-1 孔内两层重复3 煤和DF2-2 孔内两层重复15煤之间，岩性上表现为泥岩、砂质泥岩，极度破碎。DF2断层在本次施工的两个钻孔剖面中表现形式见图4。

图4 DF2断层钻孔剖面Figure 4 DF2 fault drilling profile

4.3 断层构造导水性

此次施工过程中，两个钻孔均为地质勘探孔，仅在施工过程中开展了简易水文观测。通过对泥浆消耗量的观测，未见有明显的消耗，钻孔经过断层位置时用水量没有明显变化，全孔施工过程及遇断层时均无漏浆，无涌水现象。据以往地质报告资料，井田内3 号煤层直接充水以碎屑岩裂隙含水层为主，其直接充水含水层单位涌水量＜0.1L/（s·m），3号煤层底板标高均位于奥灰水水位以下，突水系数小于0.06 MPa/m，一般情况下可以实现区内的安全带压开采；顶板以上含水层主要为下二叠统山西组砂岩裂隙含水层，受裂隙发育程度的不同，含水层的富水性一般为弱。井田内15 号煤层以太原组岩溶裂隙水含水层充水为主，其含水层单位涌水量＜0.1L/（s·m），由于峰峰组灰岩可视为隔水层，厚度大，奥灰水一般不会对矿井充水。可见该断层联通的3号、15号煤层及其顶底板岩层含水量、涌水量均较低。

综上所述，结合该断层性质为逆断层，上下盘相互挤压，断层面岩性为泥岩、砂质泥岩，均为不透水岩性。断层上下盘地层富水性均较弱，据此推断该断层在本次施工区域内不具备导水性条件，断层导水性对煤层开采影响较小。