程亮

（山西焦煤霍州煤電同安煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 035200）

1 概 況

同安煤業(yè)的煤田地質(zhì)資料都是通過早期鉆探獲取。1954—1959 年間，華北煤田地質(zhì)勘探局調(diào)查隊(duì)在嵐縣礦區(qū)進(jìn)行過1∶50000 地質(zhì)測量，并進(jìn)行了普查地質(zhì)勘探，施工鉆孔18 個(gè)，總進(jìn)尺6 831.46 m；1972—1976 年，山西省煤田地質(zhì)勘探三隊(duì)在嵐縣礦區(qū)進(jìn)行了詳查勘探，此次勘探共施工鉆孔109 個(gè)，總進(jìn)尺48 201.65 m，其中100 個(gè)鉆孔實(shí)施了物探測井；1977—1978 年，山西省煤田地質(zhì)勘探三隊(duì)在嵐縣礦區(qū)龍泉井田進(jìn)行精查勘探工作，施工鉆工80 個(gè)。但是這些鉆探的時(shí)間距今都較長，一些數(shù)據(jù)可能存在偏差。

同安煤業(yè)井田內(nèi)劃分一個(gè)水平開拓全井田，水平標(biāo)高+1 062.1 m。根據(jù)開采條件及范圍，4、7、9 號煤層利用主水平聯(lián)合回采。煤層開采由上至下進(jìn)行，即先采4 號煤層，再采7 號和9 號煤層。根據(jù)本井田地質(zhì)構(gòu)造分布、煤層賦存特點(diǎn)及開拓巷道布置，以F4 斷層為界將全井田平面上劃分為2 個(gè)盤區(qū)，F(xiàn)4 斷層以西為一盤區(qū)，F(xiàn)4 斷層以東為二盤區(qū)。首采盤區(qū)在4 號煤層一盤區(qū)，即一采區(qū)。因此為了保證同安煤業(yè)生產(chǎn)的安全性，需要對未來即將開采的一采區(qū)進(jìn)行補(bǔ)充勘探。

補(bǔ)充勘探采用以地質(zhì)鉆探、地球物理測井，并結(jié)合巖（水）采樣化驗(yàn)、巖石物理力學(xué)性質(zhì)測試等手段進(jìn)行綜合勘查，以達(dá)到驗(yàn)證三維地質(zhì)解釋的采空區(qū)及異常區(qū)的準(zhǔn)確性為主要目的。

2 補(bǔ)充勘探工程

由于同安煤業(yè)全井田已達(dá)到勘探程度，故此次設(shè)計(jì)施工的3 個(gè)鉆孔均在高級儲量區(qū)內(nèi)，并且主要針對4、7 采空區(qū)是否存在積水進(jìn)行布置，鉆孔做到一孔多用，編號補(bǔ)-1、補(bǔ)-2、補(bǔ)-3，如圖1 所示。補(bǔ)勘鉆孔3 個(gè)工程量總計(jì)1 636.01 m，3 個(gè)鉆孔全部進(jìn)行了簡易水文地質(zhì)觀測，并詳細(xì)記錄孔內(nèi)水位及沖洗液消耗量，經(jīng)綜合驗(yàn)收評定此次施工3 個(gè)鉆孔級別均為甲級，所有鉆孔均進(jìn)行了數(shù)字化物理測井[3-4]，物理測井實(shí)測1 615 m，完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。

圖1 補(bǔ)勘鉆孔的相對位置Fig.1 Relative location of supplementary exploration boreholes

此次勘查主要采用地質(zhì)鉆探、數(shù)字測井，輔以采取煤芯樣、有益礦產(chǎn)及其他一些樣品進(jìn)行化驗(yàn)測試等手段相結(jié)合的綜合勘查方法。補(bǔ)3 鉆孔的部分?jǐn)?shù)字測井綜合曲線如圖2 所示。

圖2 補(bǔ)3 鉆孔的部分?jǐn)?shù)字測井綜合曲線Fig.2 Partial digital logging comprehensive curves of No.3 supplementary exploration borehole

此次補(bǔ)充勘探工程外業(yè)工作于2021 年結(jié)束，補(bǔ)勘地質(zhì)孔終孔孔徑不小于89 mm。此次補(bǔ)勘對3個(gè)孔均進(jìn)行了電測斜儀測斜，累計(jì)測斜點(diǎn)35 個(gè)，終孔斜度3°56′～6°05′，符合規(guī)范要求，方位角采用測斜儀器中的羅盤進(jìn)行了測量。孔深每百米、見煤前10 m 或止煤后10 m 及終孔均進(jìn)行了鉆具丈量，在鉆具丈量中對誤差超過0.15%的孔深均進(jìn)行了合理平差和校正，符合有關(guān)規(guī)程要求，各可采煤層的止煤深度與測井止煤深度誤差，均符合有關(guān)規(guī)程。

取芯層段的所有鉆孔，煤系地層巖芯采取率均大于75%，非煤系地層巖芯采取率均大于65%，煤芯長度采取率均大于75%，重量采取率均在60%以上，如圖3 所示。全部鉆孔均從孔口至孔底用水泥漿封閉，封孔方法采用泥漿泵注入法，封孔材料采用標(biāo)號為42.5 號普通硅酸鹽水泥，水、灰配比為0.6∶1，井口用水泥樁作永久性標(biāo)志，鉆探工程終孔封閉均按照補(bǔ)勘設(shè)計(jì)及有關(guān)規(guī)程進(jìn)行，封孔質(zhì)量達(dá)到要求。

圖3 補(bǔ)勘采集的巖樣Fig.3 Rock samples collected by supplementary exploration

所有鉆孔終孔后巖、煤芯均經(jīng)相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)收，在現(xiàn)場采取了可采煤層煤芯樣和頂、底板及夾矸樣后，除根據(jù)要求將部分層段巖芯裝箱留存外，其余裝葙的巖芯全部現(xiàn)場銷毀。

3 補(bǔ)勘結(jié)果分析

3.1 瓦斯

此次補(bǔ)勘在補(bǔ)1、補(bǔ)2 鉆孔采取了5 個(gè)瓦斯樣，野外采樣用地勘瓦斯解析儀和瓦斯罐現(xiàn)場采樣。室內(nèi)測試分析由山西煤田地質(zhì)研究所（現(xiàn)山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院）完成。瓦斯測定結(jié)果匯總見表1。

表1 煤層瓦斯測定結(jié)果Table 1 Coal seam gas measurement results

由表1 可知，補(bǔ)勘結(jié)果中4、7、9 號煤層中的瓦斯均以氮?dú)?甲烷為主，這與之前的鑒定結(jié)果存在一定的差異性，在2021 年之前的礦井瓦斯等級鑒定中，4 號煤層中的瓦斯是以二氧化碳-氮?dú)鉃橹?。因此，通過此次補(bǔ)勘可以重新認(rèn)識煤層中的瓦斯成分，對于礦井瓦斯合理防治有著一定的指導(dǎo)作用。

3.2 水文地質(zhì)

3.2.1 煤層底板隔水層厚度

煤層底板隔水層厚度是指主采煤層底板至下伏對煤層開采有水壓力嚴(yán)重威脅的含水層頂面間的完整隔水層總厚度，隔水層的厚度取決于沉積時(shí)的古地理環(huán)境，后期構(gòu)造的改造作用對地層厚度也產(chǎn)生一定的影響，如褶皺變薄帶、斷裂構(gòu)造破碎帶等。

此次補(bǔ)勘的鉆孔一孔多用，因此同時(shí)進(jìn)行了水文地質(zhì)的探查，為了便于水文地質(zhì)資料的補(bǔ)充，這里將上文的補(bǔ)-1、補(bǔ)-2、補(bǔ)-3 鉆孔重新編號為SW1、SW2 和SW3 鉆孔。礦區(qū)內(nèi)鉆孔僅此次施工的SW2、SW3 號水文孔揭露奧陶系地層，其余鉆孔均是鉆進(jìn)至9 號煤層即太原組下部。此次工作計(jì)算煤層底板隔水層厚度時(shí)，采用各鉆孔實(shí)際揭露厚度與礦區(qū)內(nèi)本溪組厚度平均值（27.5 m）相加后確定，詳見表2。

井田內(nèi)揭露奧灰鉆孔較少，且分布不均，無法較為準(zhǔn)確的反映全井田隔水層厚度的空間分布特征，在下一步井田補(bǔ)充勘探過程中，應(yīng)注意加強(qiáng)對隔水層厚度及巖性的探查。

3.2.2 煤層涌水量預(yù)測

一采區(qū)4 號煤層位即將要進(jìn)行開采，需要了解其涌水量以期為未來的防治水提供一定的依據(jù)。根據(jù)此次施工的SW2 號水文孔二疊系下統(tǒng)山西組至石炭系太原組混合抽水試驗(yàn)資料，用地下水動力學(xué)解析法預(yù)測4 號煤層涌水量，用承壓轉(zhuǎn)無壓完整井的穩(wěn)定流計(jì)算公式[7-8]：

式中：Q 為礦井（或鉆孔）涌水量，m3/d；K 為滲透系數(shù)，取0.004 9m/d；H 為水柱高度，即自然水位至4 號煤層底板標(biāo)高的距離，為272.06 m；S 為疏干水位降深，為自然水位至疏干標(biāo)高的距離，同為272.06 m；h 為疏干標(biāo)高至含水層底板的距離，為0；M 為含水層厚度，43.7 m；R 為引用影響半徑，m；r0為引用半徑，m；F 為采用首采工作面1408 的面積。帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算一采區(qū)4 號煤層預(yù)測段涌水量為530.34 m3/d。

解析法在計(jì)算過程中無法考慮地下水邊界條件和補(bǔ)、徑、排關(guān)系，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況可能存在一定誤差，僅供參考。

3.3 巖層特征

表3 為同安煤業(yè)2016 年測得的各煤層頂?shù)装鍘r層的巖性及強(qiáng)度參數(shù)。表4 為根據(jù)補(bǔ)-2 號鉆孔測得的各煤層頂?shù)装鍘r層的巖性及強(qiáng)度參數(shù)。圖4為補(bǔ)2 孔的巖層綜合柱狀圖。

表4 補(bǔ)-2 孔巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of rock physical and mechanical properties of No.2 supplementary exploration borehole

圖4 補(bǔ)-2 孔中煤層頂?shù)装逯鶢顖DFig.4 Columnar diagram of coal seam roof and floor in No.2 supplementary exploration borehole

由表3 和表4 對比可以發(fā)現(xiàn)，此次勘探的4 號煤層的頂?shù)装宓膸r性與過去勘探的結(jié)果一致，但頂?shù)装宓膹?qiáng)度要普遍高于過去的結(jié)果，如此次勘探結(jié)果中4 號煤層頂板砂質(zhì)泥巖的平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到了33.6 MPa，而之前的僅為12.0 MPa；7 號煤層與4號煤層的結(jié)果相似；而此次勘探中9 號煤層頂板的巖性與過去勘探的結(jié)果表現(xiàn)出不同，此次勘探頂板為砂質(zhì)泥巖，過去的為泥灰?guī)r，且此次頂板的抗壓強(qiáng)度高于過去的。鑒于此次補(bǔ)充勘探中各煤層頂板抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度普遍高于之前的勘探，為了實(shí)現(xiàn)4 號煤層的安全開采，在回采過程中需要觀察頂板垮落狀況，若不能垮落，則需要進(jìn)行強(qiáng)制放頂。

3.4 資源/儲量估算

估算范圍以井田邊界、采空區(qū)邊界、風(fēng)氧化帶邊界劃定，井田批采4～9 號煤層，此次結(jié)合新補(bǔ)充的3 個(gè)勘探孔，對井田內(nèi)的4-1、4、7、9 號煤層進(jìn)行了資源/儲量估算。4-1 號煤層估算面積為0.952 7 km2；4 號煤層估算面積為6.222 9 km2；7號煤層估算面積為6.7471 km2；9 號煤層估算面積為6.253 1 km2。煤層最深處為井田中北部9 號煤層，標(biāo)高約630 m，煤層最高處為井田西部，標(biāo)高約1 220 m。井田地層傾角在5°～25°，勘探工程成網(wǎng)狀布置，如圖5 所示。

圖5 勘探鉆孔網(wǎng)狀布置Fig.5 Exploration drilling mesh layout

煤層厚度變化不大，依據(jù)《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》，此次資源量估算采用水平投影地質(zhì)塊段法，傾角在15°以下的塊段，利用煤層的偽厚度和水平投影面積估算其資源/ 儲量；煤層傾角在15°以上的塊段利用煤層的真厚度和斜面積估算其資源/儲量，估算公式為：

式中：Q 為資源量，萬t；S 水平為塊段水平投影面積，km2；M 偽為塊段煤層平均偽厚度，m；D為煤層視密度，t/m3；α 為塊段平均傾角。

各煤層視密度采用龍泉精查勘探資料，4-1、4號煤層視密度為1.45 t/m3，7 號煤層視密度為1.44 t/m3，9 號煤層視密度為1.38 t/m3。

通過計(jì)算，此次資源/儲量估算全井田共獲得保有資源量16 690 萬t，其中探明的資源量（TM）為14 900 萬t，控制資源量（KZ）為22 萬t，推斷資源量（TD）為1 768 萬t。全井田探明的資源量（TM）占總資源/儲量的89%，探明和控制資源量（TM+KM）占總資源量的89%，符合規(guī)范要求。全井田各可采煤層保有資源量詳見表5。

表5 資源量估算匯總Table 5 Resource estimation summary

2011 年9 月中國冶金地質(zhì)總局第三地質(zhì)勘查院編制有《山西省寧武煤田嵐縣大同煤礦集團(tuán)同安煤業(yè)有限責(zé)任公司煤炭資源儲量核實(shí)報(bào)告（供兼并重組用）》，2012 年4 月山西省國土資源廳以晉國土資儲備字業(yè)函[2012]037 號文予以批復(fù)通過，而經(jīng)過此次估算的總資源量比前者減少25 萬t。

4 結(jié)語

為了保證同安煤業(yè)即將開采的一采區(qū)的安全開采，對同安煤業(yè)井田進(jìn)行了補(bǔ)充勘查工程，共施工了3 個(gè)鉆孔，并根據(jù)新補(bǔ)充的3 個(gè)勘探孔資料，對煤層瓦斯?fàn)顩r、水文地質(zhì)狀況、巖層特性以及資源儲量等方面進(jìn)行了重新確定。但總體而言此次補(bǔ)充勘探規(guī)模較小，加之井田內(nèi)大部分鉆孔為20 世紀(jì)70 年代所施工，所測試項(xiàng)目均不完整，建議在開采煤層中采集樣品進(jìn)行多種項(xiàng)目化驗(yàn)測試，從而更深的了解煤層的性能。