新大地煤矿架垴风井水文地质条件评估 阳泉煤业集团和顺新大地煤业有限公司 张世卿 ［摘要］在矿山立井井筒的建设中，井筒所穿过地层的涌水往往对井筒的施工造成很大的影响，本文通过对新大地煤矿架垴风井井 筒检查钻孔测试资料的研究和分析，评估了测试地层的富水性和透水性，预测了地层的涌水量大小，可以使井筒在施工前或施工过 程中提前采取相应的预防性措施，对降低井筒涌水，提高施工速度，减小水害的发生具有一定的指导意义。 ［关键词］井筒 地层含水层抽水性试验 涌水量 ０、引言 矿井水泛指在矿井开拓、采掘过程中渗入、淋人、流入、涌人和溃人 井巷或工作面的水源。矿井水害是指在矿井生产和建设中影响正常生 产活动，对矿井安全生产构成威胁以及使矿井局部或全部被淹没的矿 井涌水事故。在我国，矿井水害是煤矿六大自然灾害之一，也是制约煤 ３．１简易水文地质观测 主要是针对钻进过程中冲洗液消耗量及钻孑Ｌ内混合水位的观测， 以便对含水层进行粗略的判断。孑Ｌ内冲冼液消耗量及水位变化均不明 显。消耗量一般小于０．３６ｍ３／ｈ，水位变化一般在１（卜＿４５ｍ以内。 本次工作对ｘ—ｌ钻孔进行了抽水试验，钻孔第四系地层含水层以 矿高效生产的不利因素。因此研究并评估架垴风井所穿过地层的水文 地质条件对风井井筒施工的防治水工作具有十分重要的意义。 １、概况 新大地煤矿为兼并整合矿井，其前身是义兴镇后沟联营煤矿，位于 山西省和顺县义兴镇后沟村，距离和顺县城２．０ｋｉｎ。井田呈不规则多边 形，其南北最长约３．８５ｋｍ，东西最宽约３．２０ｋｍ，核定生产能力为９０万吨／ 年。根据矿井瓦斯等级鉴定，矿井瓦斯等级由瓦斯矿井变为高瓦斯矿 井，因此需要提高矿井的通风能力，根据新大地公司通风系统改造设 计，需在架垴新布置一对风井，两井筒中心距约１５０米。进风井井深约 ５００米，井筒净直径７．０米，井壁厚０．４米，采用素混凝土支护，回风井井 深约４７０米，井筒净直径８．０米，井壁厚０．４米，采用素混凝土支护。 ２、地层 为满足井筒施工设计要求，施工了两个井筒检查钻孔，本次共施工 两个检查钻孔，检查钻孔距井筒中心２０米，钻孔深度超过井筒深度２０ 米，全部为取芯钻进。钻孔施工的过程中进行了简易水文地质观测，并 分段对钻孔进行了抽水试验，共抽水３层次，采集水样３个；采取可采煤 层煤芯煤样８个，瓦斯样８个；对两个检查孔的煤层顶底板、标志层进行 了岩石物理学试验样采样工作，样品均按规定包装并及时送检；对所有 检查孔均进行了全孔数字化测井核定层位，同时进行了测斜及井温测 量等工作。抽水试验结束后对两个检查孔采用水灰比１：２的水泥浆液 进行了全孔封闭。 井筒检查钻孑Ｌ揭露地层从上至下，由新到老依次为第四系松散层， 二叠系上统上石盒子组、二叠系下统下石盒子组及山西组，石炭系上统 太原组、中统本溪组、奥陶系中统峰峰组，现简述如下： 第四系松散层（Ｏ ） 钻孔揭露厚度Ｏ一７．５ｍ，平均厚度３．５２ｍ，其中Ｘ一２钻孔开孔层位 为上石盒子组，未揭露第四系。以粉质粘土为主，地表含植物根茎，底 部含少量砂砾岩。角度不整合于下伏基岩地层之上。 二叠系上统上石盒子组（ ｓ） 钻孔揭露厚度１８４．２５——１９３．５３ｍ，平均厚度１３４．６７ｍ。主要由深 绿色一紫色泥岩及砂质泥岩，绿一灰绿一灰白色含砾粗砂岩及细砂岩 组成，与下伏地层整合接触。 二叠系下统下石盒子组（Ｐ。Ｘ） 钻孑Ｌ揭露厚度１３１．Ｏ９—１３８．２６ｍ，平均厚度１３４．６７ｍ。主要由紫红 色一绿灰色泥岩，砂质泥岩夹灰色中、粗砂岩及细砂岩组成。顶部为紫 红色铝质泥岩，底部为深灰色一灰白色含砾粗砂岩及粗粒砂岩（Ｋ。），与 下伏地层整合接触。 二叠系下统山西组（Ｐ ｓ） 钻孔揭露厚度５１．１９－－６８０１９ｍ，平均厚度５９ ６９ｍ，含１—２层薄煤 线，含６＃可采煤层。主要由深灰色一灰黑色泥岩，砂质泥岩夹灰色粗、 细砂岩及煤层组成。层内含大量植物化石，水平层理发育，砂岩中夹泥 岩条带且多含云母碎片。底部为灰白细砂岩（Ｋ ），与下伏地层平行不 整合接触。 石炭系上统太原组（Ｃ，ｔ） 井田内主要含煤地层，揭露层厚１２２．７５—１ １３．７２ｍ，平均１ １８．２４ｍ， 其中ｘ一２钻孑Ｌ该组地层未完全揭穿。主要由深灰一灰黑色砂质泥岩、 泥岩夹煤层及石灰岩组成。含８＃、９＃、１５＃井田主要可采煤层，层内含植 物及动物化石。底部为灰色粉砂岩（Ｋ．），与下伏地层平行不整合接触。 石灰系中统本溪组（Ｃ ｂ） 钻孔揭露厚度２３．２２ｍ，主要由灰色细砂岩及灰黑色泥岩、砂质泥 岩、煤层组成，含植物根茎化石及少量黑色矿物。 奥陶系中统峰峰组（Ｃ：ｆ） 钻孔揭露厚度１３．９９ｍ，主要由灰色石灰岩。本次施工该组地层未 揭穿。 ３、地层水文地质条件评价 细砂岩为主，上石盒子组地层含水层以粗粒砂岩为主，下石盒子组与山 西组含水层以中粗砂岩为主，太原组含水层以砂岩及灰岩为主，各含水 层地下水均具有一定的承压性。 通过水文地质观测结果可知，各组地层透水性差至中等，其中太原 组地层透水性中等，山西组、下石盒子组、上石盒子组地层透水性较 差。在各岩性组成的地层中，石灰岩的透水性较好，砂岩次之，砂质泥 岩、泥岩的透水性差。 ３．２抽水试验 本次对ｘ一１钻孔进行了抽水试验，采用正抽方式。抽出设备采用 潜水泵。抽水层段均采用严格封闭止水，经检查合格洗井后再进行正 式抽水试验。由于各含水层均具有一定的承压性，抽水参数计算选用 以下公式： Ｋ：—０．３６ ６Ｑ ｌｇＲ／ｒ—－，Ｒ：１０ＳＫｔ 』Ⅵ・ 式中：｝ 渗透系数 Ｍ一含水层厚度 Ｏ一涌水量 Ｒ—影响半径 ｒ＿＿抽水孔半径ｓ一降深 Ｘ一１钻孔抽水层段分为三段，现叙述如下： 第四系＋上石盒子组＋下石盒子组：该层段深度范围为Ｏ一３５Ｏ．００ｍ， 抽水孔径１４６ｍｍ，抽水水位降深４０．９０ｍ，涌水量为Ｏ．９９Ｌ／ｓ，渗透系数为 ０．０１６５ｍ／ｄ，影响半径为５３．００ｍ，恢复水位埋深为１１６．７０ｍ，富水性弱。 山西组：该层段深度范围为３５０．０ｏ一－４０５．００ｍ，抽水孔径１３３ｍｍ，抽 水水位降深７．９０ｍ，涌水量为１．２３４Ｌ／ｓ，渗透系数为０．７０８２ｍ／ｄ，影响半径 为６６．００ｍ，恢复水位埋深为１０６．８０ｍ，富水性弱。 太原组：该层段深度范围为４０５．ＯＯ一５ｌ０．００ｍ，抽水孔径１３３ｍｍ，抽 水水位降深２８．６０ｍ，涌水量为１．８１Ｌ／ｓ，渗透系数为Ｏ．２３３９ｍ／ｄ，影响半径 为１３８．ＯＯｍ，恢复水位埋深为１３２．９０ｍ，富水性较弱。 各抽水试验层段计算结果如下表所示： 抽水试验成果汇总表 含水 延续／ 水位 涌水 单位涌 渗透 影响 恢复 孔号 抽水 层厚 顺 层段 度Ｍ 次 稳定 降深 量Ｑ 水量ｑ 系数 半径 水位 （时间 Ｓ（ｍ） （Ｌ／ｓ） （Ｕｓ．ｍ） Ｋ Ｒ（Ｉｎ） （ｍ／ｄ） ｍ） （ｉ＂１１） 第四系 ＋上石 盒子组 １３３．ｏｏ １ ２４．５／５ ４０．９Ｏ ０．９９３ ０．０２４２ ０．０１６５ ５３．０ｏ Ｉ１６．７０ ＋下石 Ｘ一１ 盒子组 山西组 ２０．９５ ２ １ ６ ７．９Ｏ １．２３４ Ｏ．】５６２ ０．７０８２ ６６．ｏｏ 】０６．８Ｏ 太原组 ２８孔底 ．５０ ３ ２１／５ ２８．６０ ｌｌ８ｌ５ ０．０６３４ ０．２３３９ １３８．００ １３２．９０ 一３３区域水文地质资料 ３－３．１含水层 根据井田地层岩性，将含水层的类型由老到新可划分为奥陶系碳 酸盐岩岩溶裂隙含水层；石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙及砂岩裂隙 含水层；二叠系砂岩裂隙含水层及第四系松散层孔隙含水层。 奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层 该含水层为海相碳酸盐岩沉积建造，厚度较大，局部地段裂隙、岩 溶较为发育，为良好的含水层。地下水水位埋藏较深，水量丰富，根据 井田南ｌｋｍ左右南沟村水井，奥灰水水位标高７７３ｍ。本井田奥灰水位 标高为７７３ｍ左右，水质类型为Ｈｃ０ｒ—ｃａ．Ｍｇ型，由于水位标高低于井 筒，对井筒施工无影响。 石炭系上统太原组岩溶裂隙及砂岩裂隙含水层 （下转第４１８页） ・－——４１７—－—— 科技信窘 石油并架底座关键部件无损楦测技术 胜利油田技术检测中心 张浩李向东 陈科 曾蕾蕾柳登瀚 ［摘要］本文介绍了无损检测技术在井架底座检测中的检测依据，总结了常见的无损检测技术在井架检测中的应用方法和检测效 果，为保证井架构件安全提供了技术。 ［关键词】井架 关键部件 无损检测 引言 确定待检区域。在渗透检验前，将被检区域表面及其附近至少为１英 石油井架是石油钻井、作业设备的重要组成部分，保证其安全可靠 寸（２５．４ｍｍ１的区域内都干燥清洗干净，不得有任何脏物、纤维屑、氧化 极为重要。井架检测工作不仅事关钻井生产安全运行，而且直接关系 皮、焊剂、油和其它外来物。必要时，应对表面进行打磨或机加工。在 着职工人身和国家财产安全。随着难动用区块的开发，井架的工作环 施加渗透剂之前，被检区域及其附近至少为１英寸（２５．４ｍｍ）的区域内均 境越来越恶劣，这导致井架出现各种不同的损伤，比如锈蚀、焊缝开裂、 需用清洁剂进行清洗。清洗后，通过适当的方法（自然挥发或人工通 错断、碰伤等，有些损伤很难用肉眼发现，为保证井架安全、高性能的工 风），对被检表面进行干燥；最少干燥的时间以保证在施加渗透剂之前 作，井架在进行承载能力检测时，有必要进行全面的无损检测。 清洁剂已完全挥发为界。用喷涂方法，在被检区域表面施加渗透剂，多 １．检测依据 余渗透剂用布或吸纸擦去，剩下的痕迹必须用蘸有溶剂的布或纸在表 根据ＳＹ ６３２６—２０１２石油钻机和修井机井架底座承载能力检测评定 面轻轻地擦去。多余的渗透剂被清除且工件干燥后，必须尽快地施加 方法及分级规范，无损检测人员应按ＧＢ／Ｔ９４４５的规定进行资格鉴定， 显像剂。显像剂施加之前，工件表面可以自然挥发干燥，干燥时间必须 并取得证书。对制造商或用户指定的关键焊缝应进行无损检测，并编 在５—２Ｏ分钟以内。施加显像剂必须采用喷涂法，薄且均匀，涂层厚度 制无损检测作业书。对制造商或用户指定的关键焊缝应按ＡＷＳ Ｄ１．１ 适中。在施加湿型显像剂至工件表面之前，显像剂必须充分搅拌。显 中第６章规定采用磁粉检测或液体渗透检测。采用超声波检测井架、 像痕迹可以通过自然光或人工白光进行检验，要求最小灯光强度为 底座关键部位的壁厚。 ５０ｆｃ（５００ＬＸ），以保证在检验和评价显示过程中有充分的灵敏度。检验 在保证无损检测人员安全的前提下，焊缝和壁厚检测的部位应选 后，必须完全清除工件上的渗透材料。明显的机械性不连续为其显现 择：ａ）主受力部位Ｉｂ）承受交变应力部位；ｃ）受腐蚀部位；ｄ）损伤部位。检 特征，只有在显示主要尺寸大于１／１６英寸（１．６ｍｍ）ＢＪ，＂，才是缺陷显示。 测区域应包括焊缝区域及其周围７６ｍｍ（３ｉｎ）以内区域。 线性缺陷是指长度大于三倍宽度的缺陷。面形缺陷是指长度小于３倍 ２．超声波探伤 宽度的圆形或椭圆形缺陷。 超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入 石油井架底座最常见的缺陷出现在焊缝处，这种缺陷隐藏在焊缝 另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法 ， 里面，一般都是打磨掉表面的氧化层之后才会发现焊缝的开裂情况。 当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时 吊环、吊卡、大钩常见的缺陷为裂纹，这对承载设备是致命的缺陷，因 就分别发生反射波，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判 此，对承载设备的主承载部位进行全面的探伤，这样才能有效保障钻井 断缺陷位置和大小。 作、ｌ 安全 井架是有型材通过焊接和铰接连接起来的钢架结构，最常见的缺 ５．声发射探伤 陷出现在焊缝，主要有空穴、未焊透、未熔合、固体夹杂、裂纹等缺陷，在 井架在使用和运输过程中，由于各种原因会导致井架杆件出现应 焊缝探伤中，由于余高的影响及焊缝中裂纹、未焊透、未熔合等危险性 力集中现象，材料在应力作用下的变形与裂纹扩展，是结构失效的重要 大的缺陷往往与检测面垂直成一定的角度，因此一般采用斜射横波接 机制。从声发射源发射的弹性波最终传播到达井架型材的表面，引起 触法，在焊缝两侧进行扫描。条件允许时，应尽量采用大Ｋ值的探头， 可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动 既有利于缺陷的检出，也利于用一次波判别缺陷，减少误判。 转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。声发射检测方法对线性缺 ３．磁粉探伤 陷较为敏感，它能探测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况，稳定 磁粉探伤利用井架型材缺陷处的漏磁场与磁粉的相互作用，它利 的缺陷不产生声发射信号；在一次试验过程中，声发射检验能够整体探 用了井架型材表面和近表面缺陷（如裂纹，夹渣，发纹等）磁导率和钢铁 测和评价整个井架结构中缺陷的状态；声发射可提供缺陷随载荷、时 磁导率的差异，磁化后这些材料不连续处的磁场将发生畸变，形成部分 间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适用于井架整个作业 磁通泄漏处工件表面产生了漏磁场，从而吸引磁粉形成缺陷处的磁粉 过程，在构件临近破坏时预报。 堆积——磁痕，在适当的光照条件下，显现出缺陷位置和形状，对这些 ６．技术经济效果 磁粉的堆积加以观察和解释，就实现了对井架的磁粉探伤。由于现场 检测实践表明，无损探伤在井架底座检测中是必不可缺的，它可以 井架型材表面较小，操作起来比较困难，磁粉探伤的效果不是很理想。 起到保证井架底座钢结构制造与修复质量的作用，可以监测在用钢结 ４．渗透探伤 构的使用安全程度，发现问题可及时将质量信息反馈给有关部门，从而 渗透探伤是利用毛细现象检查材料表面缺陷的一种无损检验方 保证钻井作业获得良好的经济效益和社会效益。 法，这种方法由于检验对象不受材料组织结构和化学成分的。因此 在井架底座的无损检测中应用较多，能检查出裂纹、冷隔、夹杂、疏松、 参考文献 折叠、气孑Ｌ等缺陷。 ［１］梁俊华，贾武强无损探伤技术在试油工程中的应用．石油 先对井架底座、吊环、吊卡、游车、大钩等被检件做一个初步检查， 科技，１９９９，３（９）：３７￣３８． （上接第４１７页） 太原组主要含水层有Ｋ 、Ｋ，、ｋ灰岩，平均厚度分别为７．１３ｍ、２．９１ｍ 本组岩性由铝土质泥岩、砂质泥岩、灰白色细砂岩及黑色的薄层灰 和２．１７ｍ，岩溶裂隙发育，赋存一定地下水，据李阳精查区钻孔抽水资 岩组成，平均厚度２４．１６ｍ，其中泥质岩岩性细腻，隔水性能好，且连续性 料，单位涌水量为１．８０ Ｘ １０ Ｌ／ｓ．ｍ，其水质类型为ＨＣ０ 一Ｋ．Ｎａ型。本组 良好，为煤系地层与奥陶系灰岩含水层间的重要隔水层。 富水性较弱。砂岩和灰岩间所夹泥岩、砂质泥岩为相对隔水层，对井筒 井田地下水的补给、径流、排泄条件 井田内地下水的补给来源主要为大气降水，含水层接受补给后一 施工有一定的影响。 般顺层流动。地下水的排泄一是蒸发，二是泉水流溢或渗透，少部分则 二叠系砂岩裂隙含水层 以矿坑水排出。井田处奥灰地下水径流方向为由南向北，于区域东北 为陆相碎屑岩沉积，其中ｋ 砂岩形成相对富水的含水岩组，泥岩、 砂质泥岩为相对隔水层。含水层裂隙相对发育，直接受大气降水及地 部娘子关呈泉水排泄。 ４、结论 表水的补给后，以泉的形式排出，泉水流量很小，一般多在０．１Ｌ／ｓ以下， 富水性弱，水质类型为ＳＯ，一Ｋ．Ｎａ型，对井筒施工影响较小。 ４．１根据区域水文地质资料及井筒检查钻孔抽水试验结果，新大地 新生界第四系松散层孔隙含水层 煤矿架垴风井水文地质条件属简单型。 含水层为第四系中更新统及上更新统黄土层，其易于接受降水入 ４．２第四系及二叠系上石盒子组、下石盒子组地层富水性弱．透水 渗，因厚度较薄，且不稳定，而又无良好完整的隔水层，多直接下渗补给 性较差，对井筒施工影响较小。 其它含水层，或被蒸发消耗，富水性微弱，对井筒施工影响小。 ４．３石炭系上统太原组富水性较弱，透水性较好，对井筒施工有一 ３．３．２隔水层 定的影响 层间隔水层 井田内各含水层之间的砂质泥岩、泥岩等，由于岩性致密、不透水， 参考文献 可作为各含水层的层间隔水层。但当其受构造或风化作用影响而产生 ［１］生产监督管理总局．煤矿防治水规定．２０１１ 裂隙时，隔水作用将减弱甚至消失。 ［２］煤田水文地质学煤炭工业出版社．１９８９．５． 本溪组隔水层 ［３］矿井水害预防与防治．中国矿业大学出版社．２００８．７． ・－——４１８・－——
