田拴來

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

0 引言

煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性是礦井建設(shè)和安全生產(chǎn)的重要因素之一，已引起了越來越多的重視。據(jù)國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局統(tǒng)計(jì)，近90%的礦井地質(zhì)災(zāi)害來自于煤層頂?shù)装?。煤層頂?shù)装宓姆€(wěn)定性是確保煤礦安全、高效的基本條件，是礦井綜采工作面順利推進(jìn)的基本保證。

李家河勘查區(qū)是進(jìn)一步落實(shí)國(guó)家西部大開發(fā)戰(zhàn)略，滿足寶雞市國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的需要，由國(guó)投陜西李家河礦業(yè)有限公司進(jìn)行勘探工作的?？辈閰^(qū)煤層埋藏較深，無生產(chǎn)礦井及小窯開采?？辈閰^(qū)南部的戚家坡煤礦，鄰近甘肅省境內(nèi)的凈石溝煤礦、新安煤礦、新窯煤礦、大柳煤礦等礦井，在生產(chǎn)過程中均有煤層頂?shù)装迨鹿实膱?bào)道。因此，研究勘查區(qū)主采煤層的頂?shù)装宸€(wěn)定性，對(duì)于未來煤礦建設(shè)和生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 地質(zhì)背景

李家河勘查區(qū)位于陜西省寶雞市隴縣西北部，行政區(qū)劃隸屬寶雞市隴縣李家河鎮(zhèn)?？辈閰^(qū)南北長(zhǎng)約10km，東西寬約6.9km，面積67.3km2。

勘查區(qū)屬于渭北黃土高原與隴東高原結(jié)合部的侵蝕地貌。西鄰隴山，向東、北則屬渭北黃土高原。區(qū)內(nèi)侵蝕性溝谷發(fā)育，地形破碎，屬黃土梁、塬、溝壑區(qū)，植被相對(duì)稀少，水土流失較嚴(yán)重，坡面支離破碎，梁高谷深，坡谷陡峻，地形條件較差。地勢(shì)總體呈北高南低，東高西低之勢(shì)態(tài)。一般海拔高程為1 100～1 300m，最大為1 427.80m(北端土地殿疙瘩北)，最低為1 100m(李家河河谷)，為當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面，即儲(chǔ)量計(jì)算埋深基點(diǎn)。最大相對(duì)高差327.80m。

勘查區(qū)地層由老到新有：中生界三疊系中統(tǒng)銅川組，侏羅系下統(tǒng)富縣組、中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組，白堊系下統(tǒng)宜君組、洛河組、華池組、羅漢洞組，古近系，新近系及第四系中上更新統(tǒng)黃土。第四系中上更新統(tǒng)風(fēng)成黃土廣泛分布于梁塬之上，白堊系基巖出露于谷底及谷坡處，以下基巖全部掩蓋。

含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，依據(jù)巖性、巖相、旋回結(jié)構(gòu)及煤層特征劃分為三段，自下而上依次為第一段、第二段、第三段。第一段、第二段各發(fā)育1個(gè)煤組，共含煤7層，自上而下編號(hào)依次為21、22、2、2下、31、32和3煤層。各煤組在平面上均有不同程度的分岔與合并，煤層結(jié)構(gòu)均為簡(jiǎn)單或較簡(jiǎn)單。第三段未見煤。

2 煤層發(fā)育及頂?shù)装逄卣?/h2>

勘查區(qū)主要發(fā)育延安組第一段和第二段。第二段發(fā)育2煤組，第一段發(fā)育3煤組。2煤層、3煤層為區(qū)內(nèi)主要可采煤層，21煤層、32煤層為次要可采煤層，其余為不可采煤層?，F(xiàn)將區(qū)內(nèi)主要可采煤層的特征分析如下。

2.1 2煤層

位于第二段中上部，與3煤層間距平均31.47m。在區(qū)內(nèi)分布廣、沉積連續(xù)，東部含煤性較西部、中南部好，基本為厚煤區(qū)。中北部隆起區(qū)煤層沉積薄或無煤沉積。

區(qū)內(nèi)2煤層見煤點(diǎn)共54個(gè)，煤層自然厚度0～9.18m，平均3.03m；可采厚度0.82～9.18m，平均3.68m。煤層厚度大于3.50m的見煤點(diǎn)24個(gè)，占44%，其中厚度大于8.00m的見煤點(diǎn)1個(gè)，為中厚-厚煤層，大部分可采且較為穩(wěn)定，是本區(qū)主要可采煤層之一。煤層底板標(biāo)高-58.96～640.79m，埋深459.21～1 131.33m(從當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面起算)。可采面積26.84km2，占勘探面積的73.5%。

2煤層頂板一般為深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度為2.00～3.00m。上距22煤底板變化較大，為0.80～9.28m，平均2.69m。底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度2.00～3.00m(圖1)。

2.2 3煤層

位于第一段中下部，下距延安組底面0.60～51.53m，平均11.83m，與32煤層間距平均2.38m。在區(qū)內(nèi)東部南北向分布著3個(gè)巨厚含煤區(qū)(煤層厚度>8m)；北部由56-4孔、5506孔、55-4孔3個(gè)見煤點(diǎn)形成，中部由63-5孔、63-4孔、5302孔3個(gè)見煤點(diǎn)形成，南部5001孔周圍形成；本區(qū)西部巨厚煤層呈北西向展布；區(qū)內(nèi)中部古隆起區(qū)少數(shù)見煤點(diǎn)3煤層沉積很薄，多數(shù)鉆孔無煤層沉積區(qū)內(nèi)3煤層見煤點(diǎn)共44個(gè)，煤層自然厚度0～17.65m，平均5.07m；可采厚度1.00～17.65m，平均6.93m。煤層厚度大于3.50m的見煤點(diǎn)25個(gè)，占57%，其中>8.00m見煤點(diǎn)13個(gè)，占30%，為厚-巨厚煤層。為大部可采的較穩(wěn)定煤層，是本區(qū)主要可采煤層之一。底板標(biāo)高-114.37～585.05m，埋深514.95～1 212.95m(從當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面起算)?？刹擅娣e22.59km2，占勘探區(qū)面積的61.9%。

3煤層頂板為深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖，一般厚度1.00～2.00m，個(gè)別鉆孔為粉-細(xì)砂巖。底板多為灰褐色鋁土質(zhì)泥巖或鋁土質(zhì)粉砂巖，一般厚度2.00～3.00m(圖2)。

2.3 力學(xué)性質(zhì)

據(jù)本次LC-1孔煤層物理力學(xué)試驗(yàn)資料(表1)可知：區(qū)內(nèi)煤層的抗壓強(qiáng)度普遍較低，2煤頂板的抗壓強(qiáng)度也低，2煤層的底板、3煤的頂?shù)装逑鄬?duì)較高，達(dá)到中等抗壓強(qiáng)度。因此，研究煤層頂?shù)装寮捌浞€(wěn)定性，對(duì)于煤層的開采有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 煤層頂?shù)装鍘r石的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 劃分標(biāo)準(zhǔn)

影響煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性的主要因素有巖石強(qiáng)度、堅(jiān)固性等物理力學(xué)性質(zhì)及巖性、層厚、層理、節(jié)理裂隙等地質(zhì)因素。根據(jù)勘查區(qū)特點(diǎn)，對(duì)煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性評(píng)價(jià)主要依據(jù)巖石抗壓強(qiáng)度、堅(jiān)固系數(shù)，并參考巖層厚度、層理、裂隙等地質(zhì)特征綜合分析評(píng)價(jià)。所選擇的頂?shù)装宸€(wěn)定性劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2。

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2.1 煤層頂板

3.2.1.1 2煤層

2煤偽頂與直接頂普遍發(fā)育(圖1)，偽頂厚度一般小于1.0m，為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖。直接頂厚度在1.40～5.90m，一般在2.0m左右，為砂巖和中等厚度的泥巖。

圖1 2號(hào)煤層頂板類型及厚度Figure 1 Coal No.2 roof types and thicknesses

圖2 3號(hào)煤層頂板類型及厚度Figure 2 Coal No.3 roof types and thicknesses

巖層干燥抗壓強(qiáng)度/MPa飽和抗壓強(qiáng)度/MPa軟化系數(shù)彈性模量/MPa泊松比內(nèi)聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗拉強(qiáng)度/MPa2煤頂板14.643.270.221.2730.253.1227.280.682煤層15.119.040.600.5680.263.0829.040.732煤底板31.4219.560.621.5740.204.9534.261.593煤頂板37.7222.190.591.8650.235.2435.641.863煤層14.949.060.610.6230.252.9627.810.723煤底板35.4119.850.561.6410.214.3636.491.69

表2 煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性分類標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Coal roof and floor stability classification criteria

2煤層頂板抗壓強(qiáng)度為14.64MPa，飽和抗壓強(qiáng)度為3.27MPa，根據(jù)煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性分類標(biāo)準(zhǔn)，綜合頂板巖性特征，認(rèn)為勘查區(qū)2煤層頂板屬于不穩(wěn)定的巖體。

3.2.1.2 3煤層

3煤層偽頂零星分布，厚度一般小于1.0m，為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖?？辈閰^(qū)局部地段，煤層直接與砂巖老頂接觸，直接頂砂泥巖則普遍發(fā)育(圖2)。

3煤層頂板抗壓強(qiáng)度為37.72MPa，飽和抗壓強(qiáng)度為22.19MPa，根據(jù)煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性分類標(biāo)準(zhǔn)，綜合頂板巖性特征，認(rèn)為勘查區(qū)3煤層頂板屬于穩(wěn)定性較差的巖體。

偽頂厚度薄，穩(wěn)定性差，隨著煤層開采而冒落，屬不穩(wěn)定巖體。直接頂砂泥巖呈互層狀產(chǎn)出，屬穩(wěn)定性較差的巖體。老頂砂巖一般為中等穩(wěn)定巖體。

3.2.2 煤層底板

3.2.2.1 2煤層

2號(hào)煤層偽底為泥巖及砂質(zhì)泥巖，呈孤島狀零散分布，厚度為1.0m左右。直接底砂泥巖及鋁質(zhì)泥巖普遍發(fā)育，厚度在1.80～15.07m(圖3)。

圖3 2號(hào)煤層底板類型及厚度Figure 3 Coal No.2 floor types and thicknesses

圖4 3號(hào)煤層底板類型及厚度Figure 4 Coal No.3 floor types and thicknesses

2煤層底板抗壓強(qiáng)度為31.42MPa，飽和抗壓強(qiáng)度為19.56MPa，根據(jù)煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性分類標(biāo)準(zhǔn)，綜合頂板巖性特征，認(rèn)為勘查區(qū)2煤層底板屬于穩(wěn)定性較差的巖體。

3.2.2.2 3煤層

3號(hào)煤層偽底為泥巖及砂質(zhì)泥巖，呈孤島狀零散分布，厚度為0.5m左右?？辈閰^(qū)局部地段，煤層直接與老底砂巖接觸。直接底砂泥巖及鋁質(zhì)泥巖普遍發(fā)育，其局部地段厚度可達(dá)15m，其余地段一般小于5m(圖4)。

3.3 綜合評(píng)價(jià)

勘查區(qū)煤層圍巖為各粒級(jí)砂巖及砂泥巖，巖性變化較大，巖體以層狀-薄層狀結(jié)構(gòu)為主，具各向異性，強(qiáng)度較低且變化較大，其穩(wěn)定性主要取決于巖性及其結(jié)構(gòu)。區(qū)內(nèi)巖石屬質(zhì)量劣完整性差-巖石質(zhì)量中等巖體中等完整。巖體質(zhì)量壞-一般。煤層偽頂泥巖、炭質(zhì)泥巖為不穩(wěn)定巖體，直接頂砂泥巖屬不穩(wěn)定-穩(wěn)定性較差的巖體，老頂砂巖一般為中等穩(wěn)定巖體。煤層底板泥巖、鋁質(zhì)泥巖及粉砂巖為不穩(wěn)定-穩(wěn)定性較差巖體。臨區(qū)生產(chǎn)礦井資料顯示，隨礦井開拓，局部地段出現(xiàn)地面塌陷，地裂縫及底鼓等礦山工程地質(zhì)問題。

4 結(jié)論

1)勘查區(qū)2煤偽頂與直接頂普遍發(fā)育，其巖性多為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖等抗壓強(qiáng)度相對(duì)較小的巖石，屬于不穩(wěn)定的頂板。3煤偽頂零星分布，厚度較小，為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖；勘查區(qū)局部地段煤層直接與砂巖老頂接觸，抗壓強(qiáng)度相對(duì)較大，屬于穩(wěn)定性較差的頂板。

2)勘查區(qū)2煤和3煤偽底均為泥巖及砂質(zhì)泥，呈孤島狀零散分布，直接底砂泥巖及鋁質(zhì)泥巖普遍發(fā)育，抗壓強(qiáng)度相對(duì)較大，屬于穩(wěn)定性較差的頂板。

3)勘查區(qū)主采煤層的頂?shù)装鍖儆诜€(wěn)定較差-不穩(wěn)定類型，再加上煤層埋藏較深，地應(yīng)力相對(duì)較大，因而，在建設(shè)和生產(chǎn)過程中，局部地段容易出現(xiàn)地面塌陷，地裂縫及底鼓等礦山工程地質(zhì)問題，應(yīng)加強(qiáng)頂?shù)装宓谋O(jiān)測(cè)預(yù)警和事故隱患排查、治理工作，確保煤礦安全、高效的生產(chǎn)。

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