中煤平朔井工三礦一采區影響煤礦安全生產地質因素分析

史 勇 鮑 園 粱小偉 霍 振,

(1.同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司,朔州，山西036000 2.西安科技大學地質與環境學院,西安,陜西,中國,710054)

1 概述

平朔煤業有限公司井工三礦，位于中國山西北部的寧武煤田北端，含煤地層沉積在奧陶系古風化殼上[1-2]。地層沉積總厚達2 600 m～3 500 m以上，沉積中心位于煤田中南部寧武靜樂一帶，地層厚度在3 500 m以上，而北部井坪朔縣一帶僅幾百米，中心出露地層為中生界侏羅系，向周圍依次為中生界三疊系、古生界二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系，太古界五臺群，新生界第三系、第四系在朔縣平原厚度達200 m 以上[3-4]。斷裂發育在煤田東西兩側，多為高角度的正斷層，逆斷層較少。特殊的地質環境造成斷層、沖刷帶、陷落柱發育[5]，給礦山開采帶來了極大困難。

2 分析與討論

2.1 斷層樣式

該區主要發育正斷層，以下兩種形式出現。

2.1.1 走向相反的正斷層形成的相對隆起

如39110輔運巷所揭露的斷層剖面所示（圖1），該地壘由F24和F25兩條高角度斷層組成，斷距分別為1.8 m 和2.4 m。因斷距較小，煤層產狀總體上較為平緩，對礦井掘進和煤層回采影響不大。井田范圍內多見此類隆起，此類型斷層約占40%。

圖1 39110輔運巷剖面

2.1.2 單一的正斷層

完整揭露于綜采工作面，如發育在39101 工作面的正斷層，F3斷層產狀為45°∠45～50°，斷距3 m～4 m；F18斷層產狀為50°∠75°，斷距3 m～5 m。由于斷層在很小范圍內發育密集，煤層底板傾角較大，液壓架傾斜度最高達到35°，此類型斷層約占50%，余者為逆斷層。同時煤層頂板風氧化嚴重，易發生冒頂等事故，必須采用注漿、注膠等方法加固頂板，這也給煤層回采帶來了巨大困難，最嚴重時不得不提前停采，造成煤炭產量損失104萬噸（圖2）。

圖2 39101輔運巷剖面

圖3 為F20斷層，垂直斷距20 m，傾角80°～85°，幾乎直立。巷道12°下山掘進，但仍然位于煤層之上，造成煤炭儲量損失350萬噸。為減少資源浪費和經濟損失，建議該煤層可以在煤層二次回采時再采出。

圖3 39108輔運巷剖面

2.1.3 斷層破碎帶對開采影響

斷層破碎帶是由斷面附近派生裂隙和斷面充填物組成的地質體，表現為塊狀巖石和煤層混雜，巖石大小不一，大者100 cm～150 cm，巖石碎塊沒有任何磨圓，呈棱角狀，呈不規則形態分布。在張應力作用下，巖石或煤層斷開，上覆巖石充填到裂縫中，形成巖石碎塊和煤屑共同充填。整體上煤層呈連續狀，斷裂帶兩側煤層產狀大致相同，它主要影響煤質和回采進度。

2.2 沖刷帶類型

在煤層中發育泥石流沉積國外已見報道。眾所周知，沖刷帶對煤層的開采往往起到負面的影響作用。在井工三礦遇到的沖刷帶角礫巖與煤層的接觸關系中，歸納總結了三種類型，具體如下。

2.2.1 順層侵入型

順層侵入型的沖刷帶類型表現為角礫巖順煤層分布在煤層中，其展布與延伸基本與煤層一致（圖4a）。

2.2.2 巖墻型

在生產現場中遇到的沖刷帶角礫巖與煤層的第二種接觸方式為切割煤層型，類似于巖墻的形式，這種角礫巖與煤層的夾角基本上大于60°，角礫巖中夾破碎煤線，稱之為巖墻型（圖4b）。它的形成可能與沼澤形成期間的構造活動或同沉積小斷層有關。

2.2.3 沿斷層充填型

在生產中遇到的沖刷帶角礫巖與煤層的第三種接觸關系為角礫巖沿斷層面充填，這是一種后期充填的形式。如39107主運巷F20斷層揭示的沖刷帶沿斷層充填的表現形式就是這種類型（圖4c）。

圖4 沖刷帶三種類型

2.3 陷落柱（或陷落帶）樣式

陷落柱是煤層下伏可溶巖石被地下水溶蝕后引起上覆巖層冒落而形成的古巖溶塌陷體。根據物探結果及實際揭露分析，在一采區共存在3個陷落柱和1個陷落帶（圖5）。陷落柱大小100×100 m2左右，陷落帶150×500 m2左右。陷落柱內裂隙發育，風氧化嚴重，充填巖石呈土黃色，或呈灰色，松散、硬度差，巖石碎塊無規則。陷落柱造成了大面積的無煤區，在巷道掘進過程中發生多次冒頂事故，嚴重影響了掘進進度，也直接增加了工程成本等。

陷落柱有時導通上覆含水層，發生涌水事故。例如研究區的39110 輔運巷310 m 處，遇到陷落柱，每小時出水150 m3/h；放水10個月后，出水量由150 m3/h減少到50 m3/h 左右。水頭從80 m 降到60 m，并且目前以每月2 m左右的速度衰減。

圖5 一采區陷落柱發育位置

2.4 成因機理分析

井工三礦所揭露出的沖刷帶角礫巖，按其形成機理，可歸納為三種模式（對應于與煤層的三種接觸關系）。

第一種模式是由與煤層基本上平行或與煤層呈不平整接觸關系時順層侵入形成的，這種模式主要是在河流決口和洪水期沉積形成（如圖6a所示）；第二種模式是由于干旱期在泥炭沼澤表面形成泥裂，這些裂縫大小不一，大者有10 多米深，小者幾十公分。洪水期時，大量泥砂沖破天然堤，在河流決口形成沖刷帶后重新接受沉積，就形成了這種類似于巖墻的沖刷帶角礫巖，多成楔狀條帶。也可能是沼澤形成期間發生構造活動或同沉積斷裂，沖刷帶沿裂隙充填的產物（如圖6b所示）；第三種模式是在泥炭沼澤形成后，因受燕山運動構造應力作用，形成一些張性斷層，并形成破裂帶，后期被沖刷帶充填，并經成巖作用形成沖刷帶角礫巖，這種角礫巖明顯具有后生的特點（如圖6c所示）。

圖6 沖刷帶成因模式

對煤系地層中陷落柱的成因機理目前還沒有定論，但都認為與下伏地層存在可溶性巖層和活躍的水動力條件有關。研究區的陷落柱主要發育在煤層露頭附近，遠離露頭區陷落柱減少或不發育。在露頭區，海拔高程較高，下伏奧陶系灰巖處于巖溶斜坡地帶，為地下水的徑流通道；地下水沿地下斷層流動，易形成串珠狀的陷落柱，多個陷落柱組合就形成了陷落帶。

3 結論

通過對井工三礦一采區巷道掘進和煤層回采過程中揭示的斷層、沖刷帶和陷落柱等構造特征和發育樣式進行研究，并對其形成機理進行探討。

(1)該區主要發育正斷層，組成了小型隆起、斷崖式等斷層產狀，是影響安全生產的主要因素，其中大斷距正斷層對巷道的掘進和煤層的回采均影響較大；

(2)沖刷帶在煤層中的分布分為順層侵入型、巖墻型和沿斷層充填型三種類型，它們分別是同沉積、準同沉積和后期改造的結果，主要影響回采原煤質量，后期洗耗大；

(3)本區分布著3個陷落柱和1個陷落帶，造成了煤層的缺失，是造成施工困難、冒頂事故和引發局部突水等事件的關鍵因素，是礦井掘進和煤層回采中最大的安全隱患。