鉆孔巖芯力學在煤層頂底板工程地質評估上的應用

呂建祥

（山西省煤炭地質148勘查院，山西 太原 030053）

太原西山煤田馬蘭煤礦位于西山煤田中南部的馬蘭向斜中南段，受其控制，井田地層走向近南北，往西則轉為北西—南東向，向斜西翼地層較陡，東翼地層較緩，傾角一般小于10°。在此基礎上伴隨著一些次級褶皺及斷層，區內斷裂構造不發育，僅在本區西部和東部發育有幾處斷裂，均為正斷層。煤系地層主要為碎屑巖及碎屑巖夾碳酸鹽巖沉積。為查明井田的工程地質條件，了解主要可采煤層頂底板的工程地質特征，了解10號煤層至O2界面間隔水層特征，為帶壓開采提供工程地質資料，對該礦MR-1、MR-4號鉆孔工程地質編錄資料及176組巖石力學樣進行了系統分析。在主要可采煤層頂底板受影響的范圍內巖石主要由細—粗粒砂巖、砂質泥巖、泥巖、粉砂巖、石灰巖等組成。巖石一般裂隙不發育，構造破壞地段裂隙發育。在剖面上巖性變化較大，結構主要為層狀。研究區位于太原西山煤田中部古交市西南，北部與鎮城底礦相鄰。區內新生界松散沉積物，包括第三系上新統紅土、第四系中、上更新統黃土、第四系全新統近代沖積層，不整合于石炭系、二疊系基巖之上，厚度變化大，鉆孔所揭露的厚度最大為125.07m（535號孔）。第三系上新統、第四系中、上更新統廣泛分布于山頂、山坡，主要由粘土、砂質粘土組成，黃土垂直節理發育。第四系全新統主要由砂、礫石等組成，僅分布于較大的溝谷中。

1 可采煤層頂底板巖性及物理力學性質

井田內6層可采煤層，2+3號煤層直接頂板為砂質泥巖，老頂為中—細粒砂巖，厚2m左右，底板多為泥巖、炭質泥巖，井田內2、3號煤層間距較小，巖性為炭質泥巖，按合并對待，含1～3層夾石，多為1層。頂板綜合抗壓強度22.2MPa；底板綜合抗壓強度21.9MPa。4號煤層結構簡單，一般含1層夾石。頂板為泥巖或細砂巖，底板為細砂巖或粉砂巖。頂板抗壓強度22.2MPa；底板抗壓強度10.1～21.9MPa。6號煤層頂板為砂質泥巖或粉砂巖，底板為中、細砂巖，多含1層夾石，且上分層厚下分層薄。頂板抗壓強度10.1～27.0MPa；底板抗壓強度9.2～22.8MPa。8號煤頂板為厚2m左右的L1灰巖或泥灰巖，局部有泥巖或炭質泥巖偽頂。底板為砂質泥巖或粉砂巖，含1～4層夾石，結構復雜，頂板抗壓強度6.5～23.2MPa；底板抗壓強度20.9MPa。9號煤頂板多為砂質泥巖，老頂為厚5m左右的中—細粒砂巖，底板為砂質泥巖。頂板抗壓強度21.4MPa；底板抗壓強度8.1～14.1MPa。10號煤頂板為粉砂巖、粗砂巖，底板為泥巖、炭質泥巖，結構簡單，一般含1層夾石。頂板抗壓強度8.1～21.1MPa；底板抗壓強度 10.8～12.6MPa。10 號煤層底板至O2界面巖石由粉砂巖、細粒砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖、砂質泥巖、泥巖、鋁土泥巖、石灰巖等組成，據本次勘探資料10號煤層底板至O2界面厚51.06～72.59m，平均64.86m。根據鉆孔簡易水文觀測記錄，粉砂巖、細粒砂巖、砂質泥巖、泥巖、鋁土泥巖等巖性致密，裂隙不發育，鉆進時水文動態變化小，消耗量較小，可視為良好的隔水層。

據本次勘探采取MR-4號孔10號煤層底板至O2頂隔水層的巖石巖樣測試結果，石灰巖強度最大，粗砂巖、中砂巖、粉砂巖次之。其中石灰巖抗壓強度23.8～47.7MPa，整體抗壓強度25.3MPa。

2 頂底板完整性評價

據MR-1、4號鉆孔RQD值統計結果，對各可采煤層頂底板進行完整性評價。其中2+3號煤層頂板RQD值15～56，質量描述極劣～中等，完整性破碎～中等，2+3號煤層底板RQD值21～44，質量描述極劣～劣等，完整性破碎～差等；4號煤層頂板RQD值21～56，質量描述極劣～中等，完整性破碎～中等，4號煤層底板RQD值44～52，質量描述劣～中等，完整性差～中等；6號煤層頂板RQD值52～44，質量描述劣～中等，完整性差～中等，6號煤層底板RQD值46～74，質量描述劣～中等，完整性差～中等；8號煤層頂板RQD值56～74，質量描述中等，完整性中等，8號煤層底板RQD值40～48，質量描述劣等，完整性差；9號煤層頂板RQD值34～45，質量描述劣，完整性差，9號煤層底板RQD值53～58，質量描述中等，完整性中等；10號煤層頂板RQD值47～53，質量描述劣～中等，完整性差～中等，10號煤層底板RQD值57～79，質量描述中等～好，完整性中等～較完整。總體來看，各可采煤層的頂底板完整性都較差，質量低劣。

3 頂底板巖體質量評價

根據巖體質量指標法，對井田內主要可采煤層頂底板體質量等級等工程地質指標進行了分級評價，各可采煤層頂底板巖體質量統計結果見表1、2、3。

表1 可采煤層頂底板巖體質量統計表

表2 MR-1號孔煤層頂底板工程力學成果表

表3 MR-4號孔煤層頂底板工程力學成果表

可以看到各可采煤層頂底板抗壓強度均較低，各可采煤層頂底板巖體質量等級均為Ⅲ級，即巖體質量屬中等，較易于產生變形破壞，因此穩定較差。巖組以軟弱～半堅硬巖石為主，堅硬巖石相對較少，構成軟硬相間巖組，總體穩固性較差，對礦床開采具有直接影響。巖體結構面型式多為節理裂隙、層理或微小不發育的節理劈理、片理，除斷層地段外，即絕大部分結構面級別為Ⅳ或Ⅴ級，巖體結構類型多為層狀結構Ⅱ1，少數為塊狀結構Ⅰ2，層間結合力較差，結構體形態多為長方體、塊體，地下水滲透壓力引起的問題及軟化泥化作用均較明顯，巖體變形受巖石組合、結構面所控制，壓縮變形取決于巖性、巖層變位程度及結構面發育情況，剪切滑移受結構面及軟弱夾層的抗剪強度及其方位所制約。

4 結論

井田地層巖性較復雜，煤層頂底板以層狀巖類為主，巖層軟硬相間，巖體各向異性，強度變化大，可采煤層的頂、底板穩定性較差，井田內斷層、陷落柱較發育，此地段易發生礦山工程地質問題。根據本次勘探的工程地質孔編錄計算的巖體質量指標法計算結果，各可采煤層頂底板巖體質量等級均為Ⅲ級，即巖體質量屬中等。據《礦區水文地質工程地質及環境地質勘查評價標準》（MT/T 1091-2008)，井田內各可采煤層工程地質條件復雜程度類型總體均應屬第三類中等型，即以層狀巖類為主的復雜程度中等型。