新疆北部礦井燒變巖特殊地質勘查條件的探礦工程技術研究

蘇剛

（山東大聯礦業工程有限公司，山東 泰安 271001）

一、提出問題

新疆北部礦井探礦工程施工面臨燒變巖復雜地質條件，燒變巖形成機理復雜，燒變深度、火燒區富水性等不確定因素多[1]，受此影響嚴重制約礦井開發進度。特別是在井上、井下地質勘查過程中相繼面臨兩個實際問題：一是井上地質勘查施工過程中，液壓回轉鉆機的鉆頭鉆入燒變巖特殊地質環境，直接導致孔內的沖洗液部分或全部流失，沖洗循環被不斷破壞，影響鉆進速度和鉆井質量，巖芯采取率低，干擾地質錄井和信息采集。二是井下地質勘查過程中，施工作業采掘工作面均受到燒變巖富水性影響，遭遇水害威脅，埋下了隱患，形成儲量地損，制約影響了礦井開發進度，帶來時間和經濟上的雙重損失。

二、判斷問題

（一）井上地質勘查

1.地質概況。在地質勘查方法上，由于該礦井地表基巖裸露，溝谷叢橫、地形破碎、多有陡崖、交通不暢，地形十分復雜，礦井以東鄰近河流河床，給野外施工造成了極大的不變；受到此地形和燒變巖特殊地質的影響，選擇探礦工程施工為重點方法，同步進行野外施工作業。通過先后開展地形地質測量、水文地質和工程地質測量、磁法勘探、鉆探施工、鉆孔抽水試驗、鉆孔地球物理測井，礦井地質調查、采樣化驗等多種方法進行綜合作業[2]。鉆探工作在完成地面地質填圖、礦井地質調查、地面磁法勘探后進行。鉆探作業以礦區所含煤層為地質勘查主要對象和重點，礦井開采煤層為A6煤層，礦井在此煤層布置采掘工作面，根據揭露燒變巖特殊地質情況，提出相應技術方案指導下一步作業。

2.井上探礦工藝及暴露問題。井上地質勘查鉆探施工采用機械巖芯鉆進工藝，使用XY-5 型液壓回旋鉆機，能夠實現直徑50 鉆桿鉆深1500m 以內?；剞D器立軸8 速正轉、2 速反轉，立軸行程600mm，立軸內徑96mm，起重能力250kN，加壓能力180kN，移動油缸行程450mm，動力為柴油機。鉆進每進尺50m 鉆具誤差不大于0.15%。終孔后進行常規的地球物理測井，所有鉆孔做簡易水文觀測和采取巖芯，部分鉆孔采集煤層頂底板巖樣、煤芯瓦斯解析樣、地下水水樣，進行鉆孔抽水試驗，終孔后封孔并在孔口立永性標樁，各鉆孔封閉均達到設計要求，質量符合設計要求。鉆孔工程質量驗收標準按照《煤田勘探鉆孔工程質量標準》進行，分八項指標驗收，全孔工程質量評定級別分為特級、甲級、乙級三個級別。對所竣工鉆孔按照上述標準進行質量驗收和定級，除乙級孔1 個外，其余均為特級孔、甲級孔，出現乙級孔原因為遇見燒變巖地質條件，注入孔內的沖洗液部分或全部流失，充分暴露出了問題。

3.揭露燒變巖。通過對巖芯進行分析，礦井所處地層分別為塔里奇克組、侏羅系下統阿合組、第四系全新統沖洪積層。對燒變巖特殊地質條件進行地質分析判斷，燒變巖是由侏羅系下統塔里奇克組上、中段巖層經煤層自燃的高溫烘烤形成，顏色以褐紅色為主，夾有淺黃色條帶，裂隙發育、破碎，主要在礦區東部和南部邊界附近沿煤層露頭走向呈條帶狀東西向展布。同時，燒變巖分布受煤層自燃后引起的烘烤巖區影響，揭露深度與鄰近河流侵蝕基準面有高度相關性，判斷燒變巖地質條件應具有一定規律性。

（二）井下鉆探施工

1.地質概況。A6 煤層厚度2.5-7.2m，平均厚度4.87m，布置各個工作面沿底板施工，頂板為粉砂巖，老頂為粉砂巖、細砂巖、砂礫巖，底板為泥巖、粉砂巖，老底為細砂巖、粗砂巖。露頭及淺部已自燃并形成燒變巖地質條件，所保存煤層均屬于正常煤層，煤層單一結構，屬于較穩定煤層。在井下鉆探施工過程中，未揭露巖漿巖分布，已揭露的燒變巖裂隙水成為礦床充水的主要因素，威脅礦井安全。有害氣體等其它賦存因素、地質條件方面尚不對礦井構成安全威脅。

2.井下探礦工藝及暴露問題。井下作業期間，礦井施工A601、A602工作面，揭露在距進口160m 處均為火燒區，直接資源損失儲量25 萬噸，同時燒變巖裂隙富水性極強，工作面遭遇最大涌水量超過400m3/h，礦井受到了嚴重水害威脅，埋下了隱患，形成儲量地損，制約了礦井開發進度，帶來時間和經濟上的雙重損失。為降低影響，全面有效探明地質情況，在順槽工作面組織了井下探礦工程，探礦設備選用KMD-5S型全液壓坑道鉆機、SGB9-12 井下注漿泵，電源為井下防爆供電系統。采用施工1.5m×1.5m×1m的水窩儲水，用防塵管路通過鉆機立軸直接沖洗鉆孔，利用井下供排水系統排出巖粉。井下鉆機窩選取頂板支護完好、無危巖懸矸、安全可靠的地點，施工點里外各5m 范圍內無雜物。鉆機處底板平整，底座打設固定鉆機地錨。鉆機施工過程中鉆孔直徑127mm，可后期擴孔，下入直徑108mm、厚壁6mm的孔口止水管，孔口管焊接相應法蘭盤、高壓閘閥，符合耐壓要求。探放時出水，不得拔出鉆桿，并把工作面迎頭煤壁打4 根圓點柱貼緊煤壁，使用背板確保可靠，掌握好放水量小于排水能力的30%，時刻觀察涌水量大小。

3.揭露燒變巖。井下鉆探施工過程中均揭露燒變巖裂隙富水問題，一是對A601 運輸巷、A601 軌道巷、A601 工作面采空區累計打探水孔16 個，出水12 個。二是對A602 聯絡巷打探水孔4 個，出水1 個，最大涌水量10.8m3/h。三是A602 運輸巷在600m 處向火燒區邊界打探水孔4 個，出水1 個，最大涌水量32.6m3/h。四是A3A5 回風巷迎頭打探孔2 個，均出水，最大涌水量3m3/h。井下鉆探施工涌水量統計為A601 運輸巷20m3/h、A601軌道巷77.5m3/h、A601 面采空區121.2m3/h、運輸下山5m3/h、A602 聯絡巷24m3/h、A602 運輸巷4.5m3/h、A3A5 回風巷1.8m3/h，礦井合計涌水量234m3/h，施工期間礦井涌水量穩定在220m3/h 左右。

三、解決問題技術方案

（一）針對井上鉆探沖洗液流失問題，提出“一孔一策”的解決問題思路及具體技術方案

1.摸清燒變巖賦存規律。通過地質勘查分析，煤層自燃火燒區為多層煤層燃燒所致，燒變巖分布為非均勻性?；馃疃茸畲?00m 左右，最淺60m 左右，平均120m 左右，根據井上鉆孔揭露，火區的分布具有一定的規律性，與鄰近河流古侵蝕基準面有高度相關性：火燒區底界基本上位于一平面范圍內，深度一般不超過臨近河流的最低侵蝕基準面；向斜翼部地層較陡，煤層抬起易形成火區，而向斜軸部地形平坦，煤層保存完好；淺部火燒區誤差在10m 左右，深部火燒誤差在30m 左右。

2.采取四項措施應對沖洗液流失問題，充分結合鉆孔的位置不同，因地制宜應對沖洗液流失，主要做法是：一是采取平衡鉆井法，準確預報地層壓力，根據地層壓力預報及時調整鉆井液密度。二是使用較粘稠、高質量的化學泥漿，起到粘稠及潤滑作用的同時，符合環保要求，確保了泥漿的無毒無害。三是縮短淺部鉆探時間和停留，通過摸清燒變巖賦存規律為淺部鉆探提供了有力預判支持，確保鉆孔深度盡快超過臨近河流的最低侵蝕基準面以下。特別是鉆孔進入60-200m 的淺部、河流的最低侵蝕基準面以上，向斜翼部地層時，容易發生漏失，采取鉆桿、孔口潤滑配低固相化學泥漿的措施，減輕鉆進過程中的摩擦力，提高頂漏鉆進效率。鉆孔進入＞200m 的深部、河流的最低侵蝕基準面以下，向斜軸部地形時，鉆孔的巖芯采取率將會有明顯提高，沖洗液流失問題將會明顯轉變。四是完善處理漏失應急預案，一旦發生漏失，施工人員第一時間啟動預案，采取增大泥漿、在沖洗液中加堵塞物、用水泥漿和堵漏劑等應急措施。

（二）針對井下作業燒變巖裂隙富水問題，提出“短探短進”的解決問題思路及具體技術方案

1.提高探進頻次，應對在對A6 煤層探礦過程中遇見燒變巖裂隙富水因素，主要做法是：施工過程中，嚴格執行超前探放措施，由過去的每隔50m 施工探眼，先縮減為每隔30m 施工探眼，再縮短至隨探隨掘，剩余10m 前再組織施工探眼，更加準確摸清A6 煤層火燒區邊界，確定施工方案，在安全可靠的前提下，既能保證了工期，又能提高了施工效率。

2.配套專用排水設備。充分結合燒變巖裂隙水害揭露，投用MD450-60×4 耐磨多級離心泵及其配套設施：一是電器部分使用QJR-400/1140軟啟動開關、KBSGZY-1000－10/1.2KV 移動變電站、LBG1-200/10 高壓電纜連接器、KBZ-630/1140.660 饋電開關。二是電纜部分使用MYPTJ-3×35/10KV 高壓橡套電纜、MYP-3×150/1.14kv 橡套電纜。三是管路部分使用外徑273mm最大流量480m3/h六米鋼管，配備閘閥、多級泵進水口法蘭、螺栓、底閥、彎頭、法蘭、螺栓、接線盒、膠墊、閘閥、逆止閥、無縫鋼管等，形成完備的應對燒變巖裂隙水害專用排水設備。

3.施工三個疏水泄壓巷。一是礦井A602 運輸巷在該工作面進入現在A601 工作面采空區位置200m 時施工疏水聯絡巷，根據高差9.7m 實際，在A602 運輸巷安設以上專用排水設備，對A601 工作面采空區排水泄壓。二是在A602 運輸巷到達切眼位置后，施工疏水聯絡巷，安設配套以上專用排水設備。三是按照確定的A602 運輸巷施工中選擇標高最佳位置與A601面老空區貫通，完善排水系統，作為A601 面的泄水巷。同時，對主運輸水溝進行擴修，增大疏排水能力。通過以上技術方案，計算排水能力統計，改造前A602 工作面排水能力178.75m3/h，礦井排水能力442m3/h；改造后A602 工作面排水能力471.25m3/h，礦井排水能力1027m3/h，A602 工作面能夠積極應對災害威脅，保障礦井的安全和進度。

四、結論

通過認真分析該礦井井上、井下地質勘查探礦工程過程中出現的問題，提出了“一孔一策”和“短探短進”的解決問題思路及具體技術方案，一是采取摸清賦存規律、采取平衡鉆井法、選用適合泥漿、縮短淺部鉆探時間停留頂漏鉆進和應急處理等措施，有效應對井上地質勘查施工過程中鉆頭鉆入燒變巖形成的沖洗液漏失問題，順利完成施工。二是采取增加探水頻次、配套專用排水設備、施工疏水聯絡巷等措施，有效應對了井下A6工作面遇見燒變巖水害問題。通過以上有針對性的措施，解決了該礦井地質勘查探礦工程中燒變巖的實際問題，提高了資源開發利用效率，保障了項目開發進度，在同類礦井中具有較好借鑒意義。