納林河二號煤礦工程地質特征及開采條件分析*

郭森林

(1.中煤西北能源有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017200；2.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

鄂爾多斯盆地是世界級特大型多種能源盆地，礦產資源豐富，尤以煤炭資源含量最盛[1]，其中納林河二號煤礦就位于該盆地中北部。該礦于2008年8月開始基建，首采工作面于2014年8月27日開始試采，隨著礦井的進一步采掘，強礦壓影響下的巷道變形問題逐漸顯現出來，如變形量大、變形速度快和變形形勢復雜等問題。長期以來，針對頂板穩定性問題，眾多學者進行了大量研究，提出了眾多解決方案。例如韓玲[2]通過對五溝煤礦礦井工程地質類型評價、礦井采掘工作難易程度分析基礎上，結合煤巖層物理力學性質、鉆孔巖石RQD值等評價因子，綜合評價了五溝煤礦礦井工程地質類型，為礦井的采掘工作提供了可靠保障。蔡夢雅等[3]針對潘謝礦區深部開采條件下，利用主采煤層頂底板的RQD至和沖洗液消耗量，依據巖石質量劃分規范，綜合評價、定量分析了頂、底板工程地質條件。杜昌乾等[4]利用模糊綜合評判法，建立了煤層頂板穩定性評價模型，對木康煤礦主采煤層頂板穩定性進行了評價。在此基礎上，以納林河二號煤礦工程地質資料為基礎，結合煤層頂板巖性、厚度、巖體質量、抗壓強度等指標對頂板穩定性進行綜合評價，以期為煤礦的安全生產提供科學依據。

1 研究區概況

納林河二號煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市烏審旗境內，納林河礦區的最南端，行政區劃屬于鄂爾多斯市烏審旗無定河鎮。井田內含可采煤層5層，分別為3-1上、3-1、4-1、5-2和6-1上煤層，其中3-1上和3-1煤層為全區可采煤層。3-1上煤層位于延安組第2巖段頂部，埋深一般為501.17～657.91 m，平均為578.17 m，煤層結構簡單，一般不含夾矸，與下伏的3-1煤間距為2.57～29.68 m，平均20.56 m，3-1上煤層頂板巖性主要為砂質泥巖及粉砂巖，底板巖性主要為砂質泥巖；3-1煤同樣位于延安組第2巖段頂部，埋深一般為529.57～688.84 m，平均為580.70 m，煤層結構簡單，煤層頂板巖性主要為砂質泥巖，少數為粉砂巖，底板巖性主要為砂質泥巖，如圖1所示。

圖1 主采煤層綜合柱狀圖

2 工程地質及開采條件

2.1 煤層頂底板工程地質特征

巖體類型：納林河二號煤礦在地質勘探階段、建井階段對揭露的巖(土)體樣本進行了大量的工程地質特征和物理力學性質分析，將礦井內的巖(土)體劃分為極軟巖類、軟巖類和較軟巖類3大巖類[5-7]。

巖體質量：利用巖石質量指標值(RQD)，巖體質量系數法(Z值)和巖體質量指標法(M值)[8-9]，結合區內各地層巖體結構類型進行統計，將區內巖體結構分為散體結構、碎裂結構、層狀結構及塊狀結構。其中散體結構由松散砂層組和土層組構成，碎裂結構由風化巖組和煤巖組構成，層狀結構由粉砂巖、泥巖及互層巖組構成，塊狀結構由粉砂巖組構成。依據《礦區水文地質工程地質勘探規范》(GB/T 12719—1991)中的巖體質量評價分級標準[10]，對研究區各地層的巖體質量進行評價分析，結果見表1。由表1可知，散體結構巖體極破碎，巖體質量為差；碎裂結構巖體完整性中等，巖體質量為中等；層狀結構巖體完整性中等，巖體質量為中等；塊狀結構巖體完整性中等，巖體質量為中等。

表1 巖體質量等級定量評價

煤層頂底板巖體物理力學性質：納林河二號煤礦對可采煤層頂底板巖石通過鉆探進行了巖心取樣，并進行了物理力學性質試驗，其中主采3-1上和3-1煤層頂底板巖體物理力學性質見表2。由表2可知，3-1上煤層頂板巖性主要為砂質泥巖，局部為泥巖、粉砂巖和中粒砂巖。砂質泥巖單項飽和抗壓強度為10.7 MPa，屬于不穩定型頂板；其底板主要為砂質泥巖，巖石平均飽和抗壓強度為10.7 MPa，允許單項抗壓強度為8.03 MPa，屬于極軟-松軟(Ⅰ～Ⅱ)型底板。3-1煤層頂板巖性主要為砂質泥巖，局部為粉砂巖、泥巖。砂質泥巖單項飽和抗壓強度9.3～11.0 MPa，屬不穩定型頂板；其底板主要為砂質泥巖，局部為粉砂巖。砂質泥巖巖石平均飽和抗壓強度為18.6～23.2 MPa，允許單向抗壓強度為13.95～17.4 MPa；粉砂巖巖石平均飽和抗壓強度為23.2 MPa，允許單向抗壓強度為17.4 MPa，屬較軟(Ⅲa)型底板。

2.2 開采地質條件

煤塵爆炸危險性：納林河二號煤礦在建井期間就對3-1煤層進行了煤塵爆炸性試驗，根據其試驗結果可知，煤層火焰長度大于400 mm，抑制煤塵爆炸最低巖粉用量在65%～90%之間，屬于具有爆炸性危險的煤層，表明煤塵有爆炸性危險。

煤的自燃傾向性：通過補勘期間施工的MDBS1、MDBS5號鉆孔及中央2號回風大巷取樣，進行了煤層自然發火性鑒定，根據《煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法》(GB/T 20104—2006)[11]，可知3-1煤層自燃等級為Ⅰ～Ⅱ級，自燃傾向性為容易自燃-自燃煤層。

地熱：礦井建井期間，在首采區選擇HB4、MDBS2這2個補勘鉆孔做了簡易測溫工作。其中MDBS2號鉆孔由于存在涌水現象，所以數據未予采納。HB4號孔恒溫點深度80 m，恒溫點溫度17 ℃，平均地溫梯度2.28 ℃/100 m，結合以往該地區地溫資料，認為本區屬地溫梯度正常區。但由于可采煤層埋藏深度較大，在首采區可采煤層最大埋深處地溫超出了30 ℃，達到了31.39 ℃，進入了一級熱害區。

沖擊地壓：納林河二號煤礦3-1上煤煤樣的動態破壞時間344 ms、彈性能量指數19.718、沖擊能量指數2.407、單軸抗壓強度26.019 MPa，判定其3-1上煤煤樣具有強沖擊傾向性；3-1下煤煤樣的動態破壞時間249 ms、彈性能量指數4.194、沖擊能量指數1.101、單軸抗壓強度14.623 MPa，判定3-1下煤煤樣具有弱沖擊傾向性。3-1煤的頂板巖層的彎曲能量指數為530.451 kJ，大于120 kJ，判定3-1煤頂板巖層具有強沖擊傾向性。3-1煤底板巖層的彎曲能量指數為112.267 kJ，大于15 kJ，小于120 kJ，判定3-1煤底板巖層具有弱沖擊傾向性。礦方在開采時應謹防沖擊地壓給煤礦生產帶來的安全隱患。

2.3 開采條件評價

區內3-1上煤層頂板屬于不穩定型頂板；其底板屬于極軟-松軟(Ⅰ～Ⅱ)型底板。3-1煤層頂底板較平整，裂隙不是很發育，巖層強度較低-中等，頂板以不穩定型為主，局部為中等穩定型頂板，底板屬較軟(Ⅲa)型底板，總體評價煤層頂底板類型屬于中等。井田地層產狀平緩，地層傾角約1°～3°，大部分地段約1°～2°，小于8°以下，類型為簡單型。礦井內無陷落柱和天窗等地質危害，但煤層存在煤塵爆炸危險性、自然發火傾向性，具備沖擊傾向性，深部還存在一定的地熱危害，其類型劃分為中等。

3 結語

煤層頂底板巖石的物理力學性質是評價其穩定性的主要因素，利用勘探和建井階段采取的巖心進行了測試。結合以往的工程地質資料對主采煤層頂底板工程地質條件進行了分析評價，為后續煤層回采時頂底板支護和安全生產提供了理論依據。同時，也為條件類似的礦井進行煤礦工程地質條件類型評價提供了思路和評價方法。