新上海一號煤礦8 號、15 號煤層頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)特性分析

孫宇

（中國煤炭地質(zhì)總局 第一水文地質(zhì)隊，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

新上海一號煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗境內(nèi)，處于內(nèi)蒙古自治區(qū)與寧夏回族自治區(qū)接壤地帶，行政區(qū)劃屬鄂托克前旗上海廟鎮(zhèn)管轄。礦井設(shè)計生產(chǎn)能力400 萬t/a，采用多水平立井開拓。全礦井分兩個水平四個分區(qū)，主要可采煤層為2、2下、5、8、15、16、18、19、20、21 號等10 層，現(xiàn)主要開采煤層為8 號和15 號煤。現(xiàn)通過對8 號和15 號煤層頂?shù)装宓膸r性特征、巖石物理力學(xué)性質(zhì)、巖體質(zhì)量及穩(wěn)定性等予以分析和預(yù)測，為煤礦安全開采提供依據(jù)。

1 井田地層

井田內(nèi)鉆孔揭露地層有：三疊系延長組（T3y）；侏羅系延安組（J2y）、侏羅系直羅組（J2z）；白堊系志丹群（K1zd）；古近系（E） 及第四系（Q）。含煤地層為侏羅系延安組，8 號煤位于延安組中部，煤層結(jié)構(gòu)簡單，一般不含夾矸，局部含夾矸0～2 層，巖性為泥巖或泥砂質(zhì)巖，為穩(wěn)定煤層。15 號煤位于延安組中部，屬中含煤組下部煤層，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，一般不含夾矸，局部含1 層夾矸，巖性為粉砂巖或泥巖，局部為炭質(zhì)泥巖，為穩(wěn)定煤層。

2 井田構(gòu)造

本井田主體構(gòu)造形態(tài)為一向東傾伏的單斜構(gòu)造，北部在此基礎(chǔ)上發(fā)育有寬緩的次級褶曲，區(qū)內(nèi)巖層較為平緩，一般巖層傾角為3°～13°，除斷層附近，基本無突然傾斜變化，斷裂構(gòu)造不發(fā)育。

井田內(nèi)共發(fā)現(xiàn)斷層30 條，DF6 是普查階段二維地震發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)2＇、FD19 為勘探階段二維地震發(fā)現(xiàn)，其余27 條斷層均為三維地震成果。除DF20和F2 這兩條逆斷層落差較大外，其他斷層落差都不大。井田內(nèi)斷層以南北向、北北東、北北西及北東向斷層為主。井田范圍內(nèi)共計發(fā)現(xiàn)落差大于20 m 的斷層9 條（圖1）。

圖1 井田構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structural outline of field

3 煤層頂、底板工程地質(zhì)特征分析

新上海一號煤礦含煤地層為侏羅系延安組，煤層頂板巖性以粉砂巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，其次為中砂巖、粗砂巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖，煤層底板巖性以粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，局部含有少量泥質(zhì)粉砂巖。井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育。

根據(jù)以往施工鉆孔1102、1104、1702、2604、Z1 和B-8 號鉆孔煤層直接頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計（表1），對其工程地質(zhì)特征進(jìn)行了詳細(xì)評述。

根據(jù)表1 得知井田內(nèi)8、15 號煤直接頂板與直接底板的各項物理力學(xué)性質(zhì)有所差異。8 煤層頂?shù)装宓奶烊缓?.30%～12.69%；飽和抗壓強(qiáng)度為7.20～67.53 MPa；天然抗拉強(qiáng)度0.20～6.91 MPa；泊松比0.09～0.56。15 煤層頂?shù)装宓奶烊缓?.90%～25.87%；飽和抗壓強(qiáng)度為2.48～48.40 MPa；天然抗拉強(qiáng)度0.12～2.50 MPa；泊松比0.19～0.58。8、15 號煤直接頂板與直接底板軟化系數(shù)為0.10～0.74，多數(shù)小于0.75，屬于軟化巖層。

4 煤層頂、底板巖體質(zhì)量評價

4.1 煤層頂、底板巖體質(zhì)量評價方法

煤層頂、底板巖體質(zhì)量的好壞是巖體的完整程度、結(jié)構(gòu)面特征及堅硬程度等因素共同決定的。本次以《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價標(biāo)準(zhǔn)》中巖體質(zhì)量系數(shù)法和巖體質(zhì)量指標(biāo)法，對8、15 煤層直接頂?shù)装鍘r體質(zhì)量以及20 m 范圍內(nèi)的巖體質(zhì)量進(jìn)行評價，評價標(biāo)準(zhǔn)見表2 和表3。

（1） 巖體質(zhì)量系數(shù)法。

計算公式：

式中：z為巖體質(zhì)量系數(shù)；I為巖體完整系數(shù)（無資料時可用RQD值代替）；f為結(jié)構(gòu)面摩擦系數(shù)；s為巖塊堅硬系數(shù)；Rc為巖塊飽和軸向抗壓強(qiáng)度。

（2） 巖體質(zhì)量指標(biāo)法。計算公式：

式中：Rc為巖塊飽和軸向抗壓強(qiáng)度；RQD為巖石質(zhì)量指標(biāo)。

表1 煤層頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計Table 1 Statistical table of physical and mechanical indexes of coal seam roof and floor rock

表2 巖體質(zhì)量系數(shù)范圍及其優(yōu)劣分級Table 2 The range of rock mass quality coefficient and its classification

表3 巖體質(zhì)量分級Table 3 Rock mass quality classification

此次主要通過以往施工鉆孔對8、15 號煤層直接頂板30 m 范圍以及底板20 m 范圍內(nèi)的巖塊RQD值進(jìn)行統(tǒng)計，用RQD值代替巖體完整系數(shù)I；根據(jù)煤層頂?shù)装鍘r石的內(nèi)摩擦角，計算結(jié)構(gòu)面摩擦系數(shù)f（內(nèi)摩擦角的正切值）；根據(jù)巖石飽和軸向抗壓強(qiáng)度Rc計算出巖塊堅硬系數(shù)s。

通過公式求得各鉆孔主采煤層頂?shù)装宓膸r體質(zhì)量系數(shù)zi及巖體質(zhì)量指標(biāo)Mi，最后求得平均值z和M，按照表2 和表3 評價標(biāo)準(zhǔn)對8、15 煤層頂?shù)装暹M(jìn)行巖體質(zhì)量等級劃分和質(zhì)量評價。

4.2 煤層直接頂、底板巖體質(zhì)量評價

采用B-8 號鉆孔的巖石物理力學(xué)實(shí)驗資料，通過RQD、飽和抗壓強(qiáng)度等參數(shù)，計算8、15 號煤層頂?shù)装鍘r體質(zhì)量系數(shù)和巖體質(zhì)量指標(biāo)。結(jié)果見表4。

表4 煤層直接頂?shù)装鍘r體質(zhì)量評價結(jié)果Table 4 Rock mass quality evaluation results of coal seam direct roof and floor

通過巖體質(zhì)量系數(shù)法和巖體質(zhì)量指標(biāo)法計算結(jié)果，井田內(nèi)8 號煤層直接頂板均細(xì)砂巖，巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD） 為75%；巖塊飽和軸向抗壓強(qiáng)度（Rc） 為67.53 MPa，巖石質(zhì)量為良；巖體質(zhì)量指標(biāo)為特好。15 號煤層直接底板為砂質(zhì)泥巖，巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD） 為70%；抗壓強(qiáng)度（Rc） 為2.48 MPa，巖石質(zhì)量為壞；巖體質(zhì)量指標(biāo)為差。

此次僅采用B-8 號孔巖石物理力學(xué)成果計算評價煤層直接頂?shù)装鍘r體質(zhì)量，資料較少，所以表4 中評價結(jié)果具有局限性。該孔8 號煤底板和15號煤頂板巖塊遇水崩解，從側(cè)面也反應(yīng)出其巖體質(zhì)量較差。

4.3 煤層頂板30 m、底板20 m 范圍內(nèi)巖體質(zhì)量評價

根據(jù)井田內(nèi)B-8 號鉆孔的巖石物理力學(xué)實(shí)驗資料和RQD值，計算得出8、15 號煤層頂板30 m、底板20 m 范圍內(nèi)的巖體質(zhì)量系數(shù)和巖體質(zhì)量指標(biāo)。評價結(jié)果見表5。

表5 煤層頂?shù)装鍘r體質(zhì)量評價結(jié)Table 5 Rock mass quality evaluation results of coal seam roof and floor

通過巖體質(zhì)量系數(shù)法和巖體質(zhì)量指標(biāo)法計算結(jié)果，井田內(nèi)8 號煤層頂板30 m 范圍及底板20 m 范圍內(nèi)以細(xì)砂巖為主，中砂巖、泥巖、粗砂巖次之，頂板巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD） 75%左右，巖石質(zhì)量為良，底板巖石遇水崩解。15 號煤頂板30 m 及底板20 m 范圍內(nèi)巖體質(zhì)量系數(shù)分別為1.06 和0.24，巖體質(zhì)量等級分別為一般和壞；巖體質(zhì)量指標(biāo)分別為0.36 和0.07，巖體質(zhì)量均為差。

綜合評定結(jié)果為：井田內(nèi)8 號煤層頂板30 m范圍內(nèi)巖體質(zhì)量為良，巖體質(zhì)量等級為特好；15號煤層頂板30 m 范圍及底板20 m 范圍內(nèi)巖體質(zhì)量為差，巖體質(zhì)量等級為壞～一般。

5 煤層頂、底板穩(wěn)定性分析

煤層頂、底板的穩(wěn)定性是由巖石的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面特征、水文地質(zhì)條件及其巖石受力狀態(tài)等因素決定的。煤層頂?shù)装鍘r性和抗壓強(qiáng)度劃分穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)（表6、表7）。

表6 頂板穩(wěn)定性劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Standard for roof stability classification

表7 底板分類標(biāo)準(zhǔn)表Table 7 Floor classification standard

8 號煤層頂板30 m 范圍內(nèi)巖性為細(xì)砂巖、中砂巖、泥巖，巖石飽和抗壓強(qiáng)度為67.53 MPa。15號煤頂板30 m 范圍內(nèi)巖性為細(xì)砂巖、粗砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，巖石飽和抗壓強(qiáng)度為0.40 ~36.77 MPa，平均為12.68 MPa。因此，8 號煤層頂板巖石為極穩(wěn)定型，穩(wěn)定性類型劃分為Ⅰ。15 號煤層頂板巖石為較穩(wěn)定~不穩(wěn)定型，穩(wěn)定性類型劃分為Ⅲ～Ⅳ。

8 號煤層底板20 m 范圍內(nèi)巖性為細(xì)砂巖和粗砂巖，15 號煤層底板20 m 范圍內(nèi)巖性為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖，井田內(nèi)巖石飽和抗壓強(qiáng)度在2.48～3.88 MPa，平均為3.05 MPa。綜上所述8、15 號煤層底板屬于軟弱破碎底板。

6 結(jié) 語

區(qū)域范圍內(nèi)呈現(xiàn)典型的逆沖推覆構(gòu)造，對本區(qū)煤系地層賦存和分布起到控制作用。井田內(nèi)發(fā)育2條較大的逆斷層，東部為F2 逆斷層，落差大于500 m，西部為DF20，落差大于150 m，這些構(gòu)造不僅改變巖體的工程特征，使其穩(wěn)定性變差，而且是地下水進(jìn)入井巷的導(dǎo)水通道，對工程建設(shè)和井下采煤具有一定影響。

井田內(nèi)地層巖石飽和抗壓強(qiáng)度較低，軟化系數(shù)均小于0.75，均為軟化巖石，巖體質(zhì)量整體較差，煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性較差。在掘進(jìn)與煤層回采過程當(dāng)中，應(yīng)加強(qiáng)頂?shù)装逯ёo(hù)，防止頂板冒落和底鼓現(xiàn)象的發(fā)生。