三河煤礦采空區(qū)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查鉆探技術(shù)

趙志杰，劉 永，劉憲國，寧少杰，劉亞溪

(河北省地礦局第二地質(zhì)大隊(duì)，河北 唐山 063000)

1 概述

1.1 項(xiàng)目概況

最近幾年，河北省三河市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，招商引資力度逐年加大，投資環(huán)境日益改善。借京津冀一體化的東風(fēng)，外埠和本地企業(yè)投資開發(fā)再創(chuàng)新高。下屬齊心莊鎮(zhèn)區(qū)位優(yōu)勢已日漸凸顯，臺灣民族風(fēng)情園、中國燕郊物流城等一大批中大型項(xiàng)目紛紛落地。三河煤礦地處齊心莊鎮(zhèn)，曾斷續(xù)開采數(shù)十年，形成了采煤塌陷地質(zhì)災(zāi)害。為確保周邊居民生命財(cái)產(chǎn)安全及建設(shè)項(xiàng)目的順利實(shí)施，開展三河煤礦采空區(qū)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃工作非常重要。

1.2 項(xiàng)目目的

通過鉆探、物探、地形測量等一系列工作，初步查明原三河煤礦開采區(qū)地面塌陷范圍、發(fā)育特征、危害程度等，為下一步勘查及城鄉(xiāng)規(guī)劃提供依據(jù)。

2 地質(zhì)地層情況與鉆探技術(shù)要求

2.1 項(xiàng)目工作區(qū)調(diào)查面積及位置

煤礦采空區(qū)位于河北省三河市西北齊心莊鎮(zhèn)，北臨北京市平谷、順義兩區(qū)，南距102國道約5 km。工作區(qū)(采空區(qū))分為一般和重點(diǎn)調(diào)查區(qū)，重點(diǎn)調(diào)查區(qū)以煤礦巷道及采空區(qū)的影響范圍邊界外延取四邊形確定，面積8 km2；一般調(diào)查區(qū)按重點(diǎn)調(diào)查區(qū)外擴(kuò)1.0 km2確定面積15 km2。

2.2 工作區(qū)地形、地貌及地層巖性

本區(qū)位于燕山南麓山前沖(洪)積平原上，西部為潮白河—鮑邱河沖(洪)積扇，東部為泃河沖(洪)積扇?？偟牡貏轂槲鞅备邧|南低，向東南傾斜，海拔高程約22～27 m，地表平坦。

工作區(qū)被第四系覆蓋，下覆基巖為奧陶系、石炭系和二疊系地層。

地層由下至上為：

(1)奧陶系中統(tǒng)馬家溝組,為煤系地層之基底，巖性為淺灰、灰白色及深灰色厚層石灰?guī)r，巖性致密、質(zhì)純。下部含白云巖，頂部侵蝕面明顯，裂隙發(fā)育且具溶洞。鉆進(jìn)護(hù)壁堵漏困難較大。

(2)石炭系中統(tǒng)唐山組,以深灰色和黑灰色粉砂巖和粘土巖為主，間夾3層石灰?guī)r,本組地層厚36～76 m，平均厚48 m；上統(tǒng)開平組,地層由3個(gè)小旋回沉積構(gòu)成，每個(gè)旋回始于粉砂巖終于淺海相粉砂巖或泥灰?guī)r,含煤6層,頂部灰?guī)r為深灰色—黑灰色泥灰?guī)r，含黃鐵礦結(jié)核較多,層位穩(wěn)定平均厚64 m，巖石軟硬不均;上統(tǒng)趙各莊組,為濱海湖泊相和沼澤相粉砂巖、泥巖、含炭泥巖，含煤2～3層，本組煤層底板多為灰色團(tuán)塊狀粉砂巖，富含菱鐵質(zhì)結(jié)核和黃鐵礦結(jié)核，頂板多為深灰色粉細(xì)砂巖，層位平均厚66 m。

(3)二疊系下統(tǒng)大苗莊組,巖性以濱海相、湖泊相、沼澤相粉砂巖為主，三角洲相砂巖較為發(fā)育，含煤5層，是本區(qū)主要含煤地層之一,本組平均厚為114 m;下統(tǒng)唐家莊組，由深灰、淺灰、灰紫色粉砂巖、灰至灰白色細(xì)粒砂巖、中砂巖等交互沉積組成，下部一般發(fā)育3～4層淺灰—灰白色鮞狀粘土巖，平均厚216 m;上統(tǒng)古冶組，主要為厚層中粗粒砂巖或巨粗不等粒砂巖，含礫夾薄層紫色粉砂巖，本組平均厚225 m。

(4)第四系厚150 m左右，巖性為粘土、亞粘土、砂卵石等沖積層。上部45～65 m主要為粘土、亞粘土組成夾薄層中、粗砂；中部和下部為卵礫石層。個(gè)別鉆孔有嚴(yán)重漏水現(xiàn)象，給正常鉆進(jìn)帶來護(hù)壁堵漏困難。

2.3 鉆探工程量設(shè)計(jì)

依據(jù)可控源音頻大地電磁測量成果和收集到的采空區(qū)資料，確定布設(shè)4個(gè)鉆探驗(yàn)證孔，東翼井底車場布設(shè)1個(gè)鉆孔，西翼開拓開采區(qū)布設(shè)3個(gè)鉆孔，完成鉆探工程量為1267.1 m/4孔；鉆孔100 m以淺取原位土工試驗(yàn)樣、擾動樣各120件，共計(jì)240件；50 m以淺遇大于1.5 m厚的砂層或土層均做標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)；基巖段共計(jì)取9組巖石力學(xué)試驗(yàn)樣并做聲波測井。

2.4 鉆探技術(shù)要求

(1)第四系段孔徑≥110 mm，基巖段孔徑≥91 mm。鉆進(jìn)時(shí)鉆遇目標(biāo)層(采空區(qū))發(fā)生掉鉆現(xiàn)象，準(zhǔn)確記錄掉鉆深度以便確定采空區(qū)高度；經(jīng)過對采空區(qū)處理后，才能繼續(xù)鉆進(jìn)。

(2)全孔取心，第四系覆蓋層巖心采取率：粘性土≥85%，砂類土≥70%，卵礫石層≥60%?；鶐r采取率：完整巖石≥85%，風(fēng)化帶和破碎帶≥65%。粘性土無巖心間隔≯1 m，其他不超過2 m(采空區(qū)除外)。

(3)孔深校正及鉆孔彎曲度：第四系底面、終孔或每鉆進(jìn)50 m均應(yīng)校正孔深和測量鉆孔彎曲度，孔深允許誤差為1‰，超差時(shí)應(yīng)予修正；鉆孔彎曲度允許偏差<2°/100 m。

(4)簡易水文地質(zhì)觀測:在以清水為沖洗液的孔段中，提鉆后、下鉆前各測量一次水位，間隔時(shí)間應(yīng)>5 min；同時(shí)每4 h測量一次沖洗液消耗量。鉆孔終孔后要測定靜止水位，在測定靜止水位后采取水樣與測水溫，對掉鉆、卡鉆、埋鉆、水位突變、涌水、漏水等異常情況進(jìn)行詳細(xì)記錄。

(5)原始班報(bào)表應(yīng)按統(tǒng)一格式由記錄員在現(xiàn)場隨鉆進(jìn)及測試工作進(jìn)行，必須做到真實(shí)、齊全、準(zhǔn)確、整潔。終孔后，原始記錄應(yīng)經(jīng)機(jī)長和地質(zhì)員校準(zhǔn)簽字后歸檔。

(6)鉆孔封孔：全孔用325以上的普通硅酸鹽水泥、水灰比0.5∶1的水泥凈漿封孔，采空區(qū)頂板處下塞進(jìn)行封閉鉆孔，封孔完畢后在孔口立樁，標(biāo)注孔號、終孔日期。

3 影響鉆探工程質(zhì)量的主要問題

3.1 巖心采取困難

本區(qū)主要揭露地層為由砂巖泥巖互層構(gòu)成的二疊系下統(tǒng)大苗莊組地層，厚度114 m，該層可采煤層3層，最下可采煤層9煤為本區(qū)開采煤層，采空段塌陷嚴(yán)重，由于塌陷造成的地層結(jié)構(gòu)破壞和地下水侵蝕，該層段巖石物理力學(xué)特性發(fā)生了較大變化，巖石破碎、軟硬不均，給巖心的采取增加了極大難度。同時(shí)，巖心采取率的高低將直接影響地層層位判定的準(zhǔn)確性，更是影響鉆探工程質(zhì)量的主要問題。

3.2 鉆孔嚴(yán)重漏失，護(hù)壁堵漏困難

所有鉆孔在鉆遇目的層(可采煤層)前30～70 m時(shí)，鉆孔漏失嚴(yán)重，尤其是ZK21-1孔在施工第四系地層時(shí)，卵礫石致密且卵石較大，致使鉆孔嚴(yán)重漏失，孔內(nèi)掉塊、孔壁坍塌而產(chǎn)生的卡、埋鉆事故時(shí)有發(fā)生。

3.3 松散層鉆進(jìn)取樣困難

鉆孔上部第四系松散層含有各種礦物質(zhì)碎屑，尤其是泥包礫型地層，石英質(zhì)礫卵石硬度大而包裹的泥質(zhì)膠結(jié)物硬度小，軟硬不均影響鉆進(jìn)效率，更增加了取樣施工難度。

4 采取的主要施工方法與措施

4.1 鉆探設(shè)備的選擇

根據(jù)鉆孔地層條件、鉆孔類型及設(shè)計(jì)孔深、地質(zhì)技術(shù)要求等，選用的鉆機(jī)型號為DPP-100型汽車鉆機(jī)、XY-44型巖心鉆機(jī)；泥漿泵型號為BW-250、BW-200型；鉆塔采用SGX13型四角塔。

4.2 主要技術(shù)方法與措施

4.2.1 鉆進(jìn)方法

第四系土砂、卵礫石地層采用單管硬質(zhì)合金或復(fù)合片、金剛石鉆頭正循環(huán)泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)工藝，鉆遇堅(jiān)硬巖層、卵礫石巖層采用細(xì)分散低固相泥漿鉆進(jìn)；不易取心的砂、卵礫石巖層采用特制取心鉆具確保巖心采取率；基巖、破碎巖層及煤層采用繩索取心鉆具，巖心采取率能夠滿足地質(zhì)技術(shù)要求；第四系地層(50 m以淺)采用DPP-100型汽車鉆機(jī)按照工程地質(zhì)勘查施工方法進(jìn)行施工，嚴(yán)格按照工程地質(zhì)勘查規(guī)范采取土樣和原狀樣。

4.2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

按照終孔直徑≮90 mm的地質(zhì)技術(shù)要求，考慮第四系土、砂、卵礫石及破碎巖層影響，開孔孔徑150 mm，一般鉆遇砂、卵礫石巖層后下入?146 mm套管護(hù)壁，下入深度一般為40～50 m；然后換?110 mm進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至基巖段3～5 m下入?108 mm技術(shù)套管護(hù)壁，隔離卵礫石巖層；中間預(yù)留?130 mm口徑作為備用；基巖段及煤層采用S95 mm繩索取心鉆進(jìn)至終孔。由于煤礦開采量不大，鉆遇煤層采空區(qū)不厚(3～5 m)，直接采用優(yōu)質(zhì)低固相泥漿(加入成膜劑)即可鉆穿采空塌陷區(qū)至煤層底板。

4.2.3 護(hù)壁堵漏措施

(1)第四系土、砂及一般巖層采用廣譜護(hù)壁劑加膨潤土泥漿，配方為：5%～10%廣譜護(hù)壁劑、4%～6%膨潤土；泥漿性能參數(shù)為：密度1.10～1.15 kg/L、粘度18～25 s、失水量5～10 mL/30 min、含砂量<4%。卵礫石巖層加大膨潤土的加入量增大泥漿粘度，防止發(fā)生孔壁坍塌現(xiàn)象。鉆進(jìn)煤層采用北京探礦工程研究所研制的成膜護(hù)壁體系泥漿，配方為：1 m3水+2～3 kg包被劑(BBJ)+7～15 kg抗鹽共聚物(GTQ)+3～10 kg成膜護(hù)壁劑(GCMJ-2)；鉆進(jìn)地層破碎或滲透性強(qiáng)(泥漿消耗量較大)時(shí)，再加入10～30 kg防塌型隨鉆堵漏劑(GPC)；巖層極其破碎漏失嚴(yán)重時(shí)，采用投粘土球堵漏。

(2)鉆穿第三、第四系地層入基巖3～5 m后下入?108 mm套管護(hù)壁，換用S95 mm繩索取心鉆進(jìn)至終孔。鉆遇松散破碎及煤層時(shí)，采用北京探礦工程研究所研制的成膜護(hù)壁體系泥漿進(jìn)行鉆進(jìn)，能夠確保順利鉆穿煤層及塌陷采空區(qū)至設(shè)計(jì)孔深。

4.2.4 確保巖心采取率的技術(shù)措施

(1)采用單管鉆進(jìn)時(shí)，采取單管鉆頭加卡簧的措施，嚴(yán)格控制回次進(jìn)尺長度，不打懶鉆，不使用彎曲的粗徑鉆具。

(2)對于砂卵礫石巖層，采取鉆頭內(nèi)壁焊接鋼絲繩的措施，巖心只能進(jìn)不能出，確保了回次巖心采取率，平均巖心采取率達(dá)75%。

(3)針對砂礫石巖層，采用無泵(水)輕微干燒的方法，即鉆進(jìn)回次終取心時(shí)投放彈子，禁止泥漿沖刷巖心，確保巖心采取率。

(4)針對松散、破碎及煤層取心，采用S95 mm繩索取心鉆具，視巖層破碎程度及煤層厚度配底噴金剛石鉆頭和爪簧取心，確保了巖心采取率?；鶐r及松散破碎、煤層平均巖心采取率達(dá)90%，回次最高采取率達(dá)96%，回次最低采取率85%。巖心圖片如圖1所示。

圖1 所采取的巖心

4.2.5 防斜措施

(1)鉆探施工場地平整，鉆塔底梁水平周正。

(2)鉆機(jī)安裝做到周正、水平穩(wěn)固，三心一線。

(3)鉆具組合合理，采用粗、重、直的粗徑鉆具。

(4)對于繩索取心鉆具除在鉆具上設(shè)置兩個(gè)擴(kuò)孔器外，還要在鉆桿立柱上加扶正接手，防止鉆桿立柱擺動過大而增大鉆孔彎曲度。

(5)對于不同的巖層和鉆具分別采用合理的鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)，杜絕盲目加壓鉆進(jìn)。

(6)嚴(yán)禁使用彎曲的鉆具和鉆桿進(jìn)行施工。

(7)鉆孔換徑時(shí)，鉆具必須佩帶長度≮6 m的同徑導(dǎo)向管。

通過采取一系列技術(shù)措施，按計(jì)劃施工完的鉆孔彎曲度2°/100 m，滿足了地質(zhì)技術(shù)要求。

5 取得的主要成果

5.1 主要工作量

本鉆探工程依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范、規(guī)程施工，完成4個(gè)鉆孔、鉆探工程量1267.1 m，全部達(dá)到地質(zhì)設(shè)計(jì)目的；采取原狀土樣91件、采取巖石力學(xué)樣9組、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)79次。

5.2 巖樣質(zhì)量及巖心采取率

(1)鉆孔終孔直徑91 mm，保證了巖石樣的采集，滿足了巖石力學(xué)試驗(yàn)對巖心直徑的要求。(2)松散破碎巖層、煤層采用繩索取心鉆具，巖心采取率高達(dá)90.24%、巖心采取質(zhì)量好，為準(zhǔn)確判定地層提供了翔實(shí)的資料；砂卵礫石巖層采用特制鉆具，巖心采取率平均達(dá)66.91%，滿足了地質(zhì)技術(shù)要求。(3)鉆孔其他指標(biāo)符合規(guī)范、規(guī)程要求，為地質(zhì)技術(shù)人員準(zhǔn)確判定巖層情況提供了可靠的資料。

5.3 鉆孔封閉質(zhì)量好

各鉆孔根據(jù)封孔設(shè)計(jì)書的要求進(jìn)行了全孔封閉，對采空段采取架橋隔離封閉的措施，對封孔水泥漿進(jìn)行了取樣檢測，漿液密實(shí)度、強(qiáng)度符合規(guī)范要求，封孔質(zhì)量合格率100%。

5.4 土樣物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

由于鉆孔50 m以淺均采用DPP-100型汽車鉆按照工程地質(zhì)勘察施工規(guī)范進(jìn)行施工，所以原狀土樣采集、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等工序工程質(zhì)量好；原狀土樣采集按《原狀土取樣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 89—92)進(jìn)行施工，對不符合標(biāo)準(zhǔn)的鉆孔在鉆孔終孔后進(jìn)行了移位補(bǔ)采；力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50123—1999)，有具有檢測資質(zhì)的檢測單位進(jìn)行測試，滿足了《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)的要求。

本鉆探工程合理選擇鉆探設(shè)備和施工方法，采取了行之有效的施工措施，通過巖心鉆探、工程地質(zhì)鉆探技術(shù)的綜合應(yīng)用，提高了鉆探工程質(zhì)量，鉆孔各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)滿足了地質(zhì)技術(shù)要求，鉆孔綜合質(zhì)量評定合格率100%，優(yōu)良率達(dá)95%，為優(yōu)良工程，達(dá)到了預(yù)期的鉆探工程質(zhì)量目標(biāo)。

6 體會與建議

(1)煤礦采空塌陷區(qū)鉆探施工，鉆孔泥漿漏失嚴(yán)重，增大了護(hù)壁、潤滑困難，泥漿材料消耗量大，降低了鉆探施工效率，增大了施工成本。

(2)針對煤礦采空塌陷區(qū)的地層受力變形、巖石軟化破碎、軟硬不均等特點(diǎn)，需進(jìn)一步研究提高該類地層巖心采取率的工藝措施和機(jī)具，需進(jìn)一步研制新型沖洗液進(jìn)行護(hù)壁堵漏，以提高鉆探施工效率，確保施工質(zhì)量。

(3)煤礦采空塌陷區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，在鉆探施工過程中應(yīng)充分收集和利用已有的相關(guān)資料，加大鉆探密度，提高鉆探精度，為開發(fā)利用煤礦采空塌陷區(qū)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確翔實(shí)的地質(zhì)資料。

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