煤層厚度的主要影響因素探究

豆維維

（山西地寶能源有限公司，山西 太原 030045）

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過(guò)程中，煤礦開(kāi)采工作發(fā)揮著十分重要的作用。雖然我國(guó)煤礦開(kāi)采作業(yè)的起步時(shí)間很早，但因個(gè)別地區(qū)的煤層過(guò)厚，致使煤礦無(wú)法順利、高效開(kāi)采。不僅如此，地質(zhì)構(gòu)造的不同對(duì)煤層厚度也有著極大的影響，通過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn)，不同的地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層的影響極大，且不同的影響因素都會(huì)對(duì)煤層開(kāi)采作業(yè)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如沉積環(huán)境、斷層構(gòu)造等。

1 工程概況

銅川礦業(yè)金華山煤礦地處渭北煤田南部，距離銅川市有20 km，該井田長(zhǎng)5 km 左右，寬4 km 左右，占地面積約21.7 km2。據(jù)了解，礦山開(kāi)發(fā)煤層主要為石炭紀(jì)太原群5 號(hào)，該煤層開(kāi)采頂板往往會(huì)受二疊紀(jì)山西組承壓水層的影響，深度遠(yuǎn)高于承壓水高程[1]。在金華山礦井中，開(kāi)拓巷道與回采巷道等存在緊密的聯(lián)系，而回采工作面卻經(jīng)常出現(xiàn)煤層變薄、變厚等問(wèn)題，如果煤層厚度發(fā)生變化，無(wú)論是對(duì)作業(yè)面的回采操作，還是對(duì)巷道掘進(jìn)施工都有著嚴(yán)重影響，針對(duì)此，煤礦企業(yè)必須合理采取巷道支護(hù)措施，如若情況較為嚴(yán)重，則會(huì)使采掘部署無(wú)法實(shí)施。在此背景下，本文結(jié)合采掘揭露資料，對(duì)影響煤層厚度的相關(guān)因素進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造不平、構(gòu)造變動(dòng)，尤其是斷裂構(gòu)造等都會(huì)對(duì)煤層厚度產(chǎn)生影響。

2 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層的影響分析

2.1 泥炭沼澤基地不平

在煤礦開(kāi)采作業(yè)中，煤層經(jīng)常受到泥炭沼澤基地不平的影響，這不僅會(huì)增加或減少煤層厚度，甚至?xí)霈F(xiàn)煤層殲滅問(wèn)題。煤礦工作面底部起伏變化大，頂層較為平坦，煤層變薄的方向和底板凸起的方向一致，并且厚度變化呈現(xiàn)出漸變態(tài)勢(shì)，依據(jù)煤層底板接觸面，可發(fā)現(xiàn)煤層的層理被截?cái)唷Ｈ绲V東3603 綜采工作面，在回采作業(yè)中發(fā)生了底鼓問(wèn)題（見(jiàn)圖1），工作面地層夾矸不連續(xù)被截?cái)郲2]。

圖1 綜采工作面回采期間出現(xiàn)的底鼓問(wèn)題

2.2 河流同生沖蝕

據(jù)了解，煤礦工作面的煤層存在透鏡狀沖蝕帶巖體，煤層厚度很薄，甚至出現(xiàn)很多夾石層，期間有大量的砂質(zhì)泥巖與粉砂巖煤，煤層中間也有大量的沖刷物，而煤層與沖刷物都在同一層頂板。就如礦西3208 工作面在回采作業(yè)前期，工作面存在很多夾矸層（見(jiàn)圖2），煤層厚度也急劇變薄，據(jù)調(diào)查，夾矸層間存在很多黃鐵礦結(jié)核[3]。

圖2 工作面回采初期夾矸層情況

2.3 煤系后生沖蝕

在煤系后生沖蝕影響下，煤層是以條帶狀趨勢(shì)進(jìn)行變化的，并且煤層變薄的范圍極廣，是以定向分布的形式進(jìn)行變化。據(jù)了解，5 號(hào)煤礦的上層碳質(zhì)泥巖夾矸受到了沖蝕巖體的破壞，不過(guò)煤層頂板并未受到影響，而沖蝕面猶如鍋底形狀。以煤礦東側(cè)3603綜采工作面為例，在回采到170 m 時(shí)，工作面70 架處頂板進(jìn)入工作面，被作業(yè)人員誤視為頂板壓梁，但經(jīng)進(jìn)一步跟蹤發(fā)現(xiàn)，煤層的上夾矸發(fā)生中斷情況，而直接頂巖性和下降段巖性的砂質(zhì)不同，且與煤層共在一個(gè)頂板，具體沖蝕情況如圖3 所示。

圖3 綜采工作面后生沖蝕現(xiàn)象

2.4 地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)

2.4.1 斷裂構(gòu)造

在實(shí)踐作業(yè)中，煤層頂?shù)装鍘r層存在很多裂隙，而且煤層產(chǎn)狀變化較大，頂?shù)装暹€出現(xiàn)不平行問(wèn)題，結(jié)構(gòu)變化滑面不斷增多。在開(kāi)展掘進(jìn)工作時(shí)，煤層頂?shù)装逡装l(fā)生頂板下降、底板上升問(wèn)題，甚至?xí)?dǎo)致工作面變成全巖巷道。以3101 工作面為例，在掘進(jìn)作業(yè)時(shí)頂板降到了工作面，導(dǎo)致工作面變成半煤巖，通過(guò)對(duì)工作面持續(xù)觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)其是斜交正斷層要求下扎攆煤，相關(guān)煤層情況如圖4 所示。

圖4 受斷裂構(gòu)造影響的煤層情況

又或者是3604 通風(fēng)巷，在開(kāi)展掘進(jìn)作業(yè)時(shí)只有一個(gè)工作面是全巖，通過(guò)觀(guān)測(cè)工作面發(fā)現(xiàn)其屬于灰色砂質(zhì)泥巖，其中有大量的云母碎片，初步判斷此工作面是5 號(hào)煤層頂板巖性，通過(guò)將其與柱狀圖對(duì)比，斷定此斷層是上盤(pán)下降之正斷層。

2.4.2 層間滑動(dòng)

煤層結(jié)構(gòu)在遭受破壞后，會(huì)出現(xiàn)大量裂隙，裂隙面上也會(huì)存在擦痕。通常情況下，煤層地質(zhì)較為松軟，有的甚至為粉末狀，煤層厚度也是以條帶狀沿著構(gòu)造方向不斷變化。如3209 綜采工作面，在回采作業(yè)前期經(jīng)常出現(xiàn)薄煤帶，局部還存在煤層揉搓面，在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的作用下煤層處于酥軟狀態(tài)，并且在90 架處頂板發(fā)生突增并進(jìn)入工作面。

2.4.3 褶皺構(gòu)造

因地殼處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，巖層間的水平被打破，在此背景下，施加在巖層表面的垂直壓力發(fā)生變化，此變化對(duì)煤層有著較大的影響，甚至?xí)?dǎo)致煤層發(fā)生形變，如煤層會(huì)呈現(xiàn)出波狀彎曲態(tài)勢(shì)。相較于其他影響因素，褶皺構(gòu)造不會(huì)破壞煤層連續(xù)性，只是受地殼運(yùn)動(dòng)的影響而出現(xiàn)煤層變形，并不會(huì)改變或造成斷層問(wèn)題。并且此變形存在一定規(guī)律，如呈波狀彎曲形態(tài)。通常情況下，褶皺構(gòu)造分為向斜、背斜兩種形態(tài)，由于地殼運(yùn)動(dòng)形成的壓力不同，在方向、力度等方面也有很大差別，而煤層不同于巖層，煤層本就較為松軟，所以一旦受到外界壓力作用很容易發(fā)生變形，或是出現(xiàn)擠壓現(xiàn)象。因此，褶皺構(gòu)造的出現(xiàn)會(huì)使煤層受到外界壓力作用而出現(xiàn)不同程度的變形，且此變化極為明顯。

此外，地表運(yùn)動(dòng)會(huì)形成較大的垂直作用力，受此作用力影響，導(dǎo)致煤層褶皺區(qū)域褶曲軸受力過(guò)大，再加上兩翼部位受力較小，所以會(huì)出現(xiàn)褶皺兩翼變厚、軸部變薄等問(wèn)題。反之，若煤層受到的作用力是橫向壓力，那么煤層褶皺處的兩翼部位會(huì)高過(guò)軸部，這樣便會(huì)導(dǎo)致煤層出現(xiàn)塑性流動(dòng)情況，而煤層褶皺兩翼層會(huì)不斷變薄，軸部厚度會(huì)逐漸增大。據(jù)資料調(diào)查，如果煤炭褶皺大且不對(duì)稱(chēng)，在受到不同壓力的影響下，煤層會(huì)發(fā)生不同程度的變化，這不僅不利于煤層開(kāi)采作業(yè)，還會(huì)對(duì)作業(yè)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。若煤層局部區(qū)域變厚或變薄，也會(huì)加大工程作業(yè)的難度，而這不僅會(huì)導(dǎo)致煤層回采率下降，還會(huì)造成大量資源被浪費(fèi)。

2.4.4 沉積環(huán)境

在分析沉積作用對(duì)煤層厚度產(chǎn)生的影響時(shí)，煤礦企業(yè)需對(duì)以下方面進(jìn)行考慮：

1）沉積環(huán)境對(duì)煤層厚度產(chǎn)生的影響。如今人們生活的陸地在千萬(wàn)年前是一片海洋，如今的海洋地區(qū)在早期可能是一片峻峰。隨著千萬(wàn)年的演化、發(fā)育，地球的地形也在不斷變化，而煤層的厚度也會(huì)隨著地形的改變而發(fā)生變動(dòng)。由于古地形的演化發(fā)育會(huì)受很多因素的影響，所以也會(huì)出現(xiàn)起伏不平等問(wèn)題，而隨著地形起伏的不同，煤層厚度也會(huì)出現(xiàn)顯著變化[4]。就如一些地區(qū)在受古地形演化后，會(huì)出現(xiàn)煤層底板不平的問(wèn)題，但煤層的頂板卻未受影響，一直處于平坦?fàn)顟B(tài)。

2）沉積斷層對(duì)煤層厚度產(chǎn)生的影響。沉積斷裂活動(dòng)造成的煤層厚度變化是結(jié)合地殼運(yùn)動(dòng)理論得出的。在受到地殼運(yùn)動(dòng)的作用時(shí)，煤層會(huì)發(fā)生變化，而在此變化期間，地殼運(yùn)動(dòng)形成的力會(huì)導(dǎo)致煤層出現(xiàn)不同程度的斷裂情況，一旦出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)嗔眩簩觾蓚?cè)勢(shì)必會(huì)發(fā)生沉降問(wèn)題，而斷裂區(qū)域兩側(cè)的煤層厚度也會(huì)發(fā)生明顯變化。通常情況下，厚度較大的煤層會(huì)出現(xiàn)在下降斷層中，厚度小的煤層會(huì)出現(xiàn)在上升斷層中。

2.4.5 巖漿巖侵入

如今，我國(guó)超過(guò)30%的煤礦資源都發(fā)生了巖漿巖侵入問(wèn)題，而此問(wèn)題一旦出現(xiàn)，必然會(huì)對(duì)煤層產(chǎn)生嚴(yán)重性破壞，如破壞煤層的連續(xù)性、完整性。同時(shí)受此影響，煤礦的開(kāi)采難度會(huì)急劇增加，而煤礦資源的利用率也會(huì)大大降低。此外，如若煤層遭受巖漿巖侵入，不僅煤層質(zhì)量會(huì)下降，各種指標(biāo)數(shù)據(jù)也會(huì)發(fā)生變化，這無(wú)疑會(huì)增加煤礦開(kāi)發(fā)和利用的難度[5]。巖層在遭受巖漿巖侵入前質(zhì)量極佳，并且有著較大的應(yīng)用價(jià)值，但一旦被巖漿巖侵入，煤炭極易變成天然焦炭，而其自身的工業(yè)價(jià)值也會(huì)大幅降低。同時(shí)巖漿巖侵入煤層還會(huì)產(chǎn)生吞噬影響，這不僅會(huì)降低煤層厚度，還會(huì)改變其結(jié)構(gòu)，從而變得更加復(fù)雜。據(jù)了解，很多煤層在受到巖漿巖侵入后結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)了無(wú)規(guī)則情況，所以在開(kāi)采煤礦的過(guò)程中，煤礦企業(yè)要先了解巖漿巖對(duì)煤層的侵入程度，這樣才有利于后續(xù)開(kāi)采工作的進(jìn)行。

3 地質(zhì)構(gòu)造形成分析

3.1 泥炭沼澤基地不平

若處于煤炭堆積時(shí)期，泥炭沼澤基地?zé)o法達(dá)到完全水平狀態(tài)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)起伏情況。在沼澤發(fā)育前期階段，植物的遺骸會(huì)堆留在低洼區(qū)域，從而形成泥炭層并相互隔絕，而由于形成的煤層厚度較薄，所以極易出現(xiàn)殲滅情況，不過(guò)隨著泥炭層的堆積，煤層會(huì)不斷變厚，進(jìn)而再次連成一片。

3.2 河流沖蝕

煤層形成期間常會(huì)受到河流的沖蝕，有的是在形成期間受到?jīng)_蝕，有的是在頂板形成前，這也被稱(chēng)為同生沖蝕。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)

煤層形成后會(huì)受到地殼運(yùn)動(dòng)作用，在煤層遭受地質(zhì)構(gòu)造擠壓時(shí)，因煤層要軟于上下巖層，在龐大壓力的作用下煤層很容易發(fā)生塑性流變，并且會(huì)向壓力小的區(qū)域匯集，所以煤層的厚度會(huì)發(fā)生較大的變化[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

煤層厚度的變化不僅是受單個(gè)因素的影響，而是多個(gè)因素聯(lián)合影響造成的。而對(duì)于銅礦山的不同煤層與部位，其引起煤層厚度發(fā)生變化的因素也不一樣。有些煤層變化屬于原生變化，有些是受沖蝕或構(gòu)造擠壓發(fā)生變化，所以在煤礦開(kāi)采作業(yè)的過(guò)程中，煤礦企業(yè)必須綜合分析上述情況，只有這樣企業(yè)才能精準(zhǔn)掌握煤層厚度的變化特點(diǎn)，從而使煤礦采掘工作順利、有序進(jìn)行。