检查钻孔在余吾矿风井中的应用研究.pdf

1592019 年第 7 期 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 摘 要 根据潞安余吾煤业新建风井方案，对检查钻孔的应用进行了研究，分析了检查钻孔的作用与施工工艺，对新建 风井的地质条件进行了勘察。该勘察结果为矿井后续生产提供一定的地质基础，保证井筒的正常施工。 关键词 检查钻孔 施工工艺 地质条件 中图分类号 P641.461 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2019.07.060 Application of Inspection Borehole in Air Shaft of Yuwu Mine Gao Peng-fei Geological Exploration Brigade of Shanxi Luan Environmental Protection Energy Development Co., Ltd., Shanxi Zhangzi 046204 Abstract According to the newly-built air shaft plan of Lu’an Yuwu Coal Mine, the application of the inspection borehole was studied. Its function and construction process were analyzed. In addition, the geological conditions of the newly-built ventilating shaft were investigated. The survey results provide a basis for the follow-up production of the mine and ensure the normal construction of the shaft. Key words inspection borehole construction process geological conditions 收稿日期 2018-12-26 作者简介 高鹏飞，男，山西省长治市长子县人，2008年毕业于长 安大学地理信息系统专业，助理工程师，现从事地质钻探专业。 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 名称 坐标 孔深 / m 钻孔 质量 XYH 进风立井 检查孔 4019615.15838394597.818962.53m738乙级 回风立井 检查孔 4019528.32538394489.523970.41m760乙级 1602019 年第 7 期 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 Ф273mmФ146mm 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 Ф273mmФ146mm 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 1612019 年第 7 期 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/sm，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/sm，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 1.6515.40m，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 0.856.33m，平均 3.17m。位于山西组底部，上距 3 号煤层 2.8520.00m，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/sm，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 0.8513.20m，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 2.253.10m，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 5.4514.34m3/ t， 相 对 瓦 斯 涌 出 量 0.464.81m3/min， 瓦 斯 压 力 0.330.87MPa。 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23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、 1622019 年第 7 期 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3550m 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 0.0510.079L/sm，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 1.57.4m，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/sm，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 3.715.1m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 2.813.2m，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 1.36.9m，平均 3.7m，位于山西组底部，上距 3 号 煤层 4.818.3m，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/sm，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 5.1313.88m3/ t， 相 对 瓦 斯 涌 出 量 0.615.02m3/min， 瓦 斯 压 力 0.410.79MPa。 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。 【参考书目】 ［1］ 蒋胜文，郭子源，彭东 . 马城铁矿提前出矿技术 方案 [J]. 矿业工程，2015（3）19-21. ［2］ 胡良 . 漳村煤矿水文地质条件分析 [J]. 煤，2009 （9）24-27. ［3］ 冯军 . 利用抽压水确定水文地质参数的野外试验 研究 [J]. 科技创业家，2011（6）117-118. 通过在郭庄煤业一年多的应用，实现井下综采 面直接减员 5 人，液压支架支护效率提升 4.4 倍， 支护可靠性和稳定性也得到了显著的提升。目前该 项目已完成验收，计划推广到潞安集团其他煤矿。 5 结论 （1）采用红外摄像机的视频监控系统能够提 高对采煤机和液压支架相对位置与工作姿态判断的 准确性。 （2）在该自主控制系统作用下液压支架完成 一个完整的降架 - 移架 - 升架动作后，各个液压支 架的支护高度均保持在 16991702mm 之间，其顶 梁的支护角度的变化范围均维持在了 -1.8 0.8 之间，控制精度高。 （3）自动化程度高，实现井下综采面直接减 员 5 人，液压支架支护效率提升了 4.4 倍，支护可 靠性和稳定性也得到了显著的提升。 【参考文献】 ［1］ 汪佳彪，王忠宾，张霖，等 . 基于以太网和 CAN 总线的液压支架电液控制系统研究[J].煤炭学报， 2016，41（06）1575-1581． ［2］ 葛世荣，苏忠水，李昂，等 . 基于地理信息系统 GIS 的采煤机定位定姿技术研究 [J]. 煤炭学报， 2015，40（11）2503-2508． ［3］ 葛祥旭 . 基于嵌入式系统的煤矿综采自动化通信 控制系统设计与实现方法研究 [D]. 济南山东大 学，2013． ［4］ 杨海，李威，罗成名，等 . 基于捷联惯导的采煤 机定位定姿技术实验研究 [J]. 煤炭学报，2014， 39（12）2550-2556． （上接第 152 页）