貴州省土城煤礦礦區(qū)工程地質(zhì)特征及評(píng)價(jià)

王輝迎

[摘要]本文以貴州省土城煤礦為研究對(duì)象，通過(guò)收集利用土城煤礦勘查工作中所取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及相關(guān)工程地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，從巖石及煤層頂、底板工程地質(zhì)特征、斷層破碎帶和各類結(jié)構(gòu)面工程地質(zhì)特征、老窖及老礦井工程地質(zhì)特征三個(gè)層面進(jìn)行闡述，從而探究其穩(wěn)定性影響因素并進(jìn)行評(píng)價(jià)，為礦山開(kāi)采和地質(zhì)環(huán)境的保護(hù)提供參考依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]工程地質(zhì)特征；穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；結(jié)構(gòu)面；節(jié)理；裂隙

礦井建設(shè)以及生產(chǎn)過(guò)程中，礦區(qū)的穩(wěn)定性是比較關(guān)鍵的影響因素，許多礦區(qū)災(zāi)害事故都是由于巖石、頂、底板以及各種構(gòu)造影響所致，所以做好礦區(qū)-程地質(zhì)特征及穩(wěn)定性的分析工作就顯得尤為重要。目前大量的生產(chǎn)實(shí)踐和研究表明，地質(zhì)因素會(huì)影響煤礦礦區(qū)的穩(wěn)定性，加強(qiáng)煤礦礦區(qū)工程地質(zhì)特征及穩(wěn)定性研究，能夠?yàn)榭陀^反映礦區(qū)穩(wěn)定性提供相應(yīng)參考，這對(duì)礦井建設(shè)生產(chǎn)工作的良好開(kāi)展起到積極促進(jìn)作用。保障礦區(qū)工程地質(zhì)的穩(wěn)定性，要先了解工程地質(zhì)的特征狀況，準(zhǔn)確掌握礦區(qū)工程的地質(zhì)特征狀況，并要做好相應(yīng)穩(wěn)定性分析工作，在這一基礎(chǔ)上才能有助于各項(xiàng)工作安全有序地開(kāi)展。

目前已有大量學(xué)者對(duì)工程地質(zhì)特征及穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，黃宇等通過(guò)介紹了垃圾填埋場(chǎng)作為地質(zhì)體的概念，從垃圾的工程性質(zhì)、填埋場(chǎng)體的結(jié)構(gòu)特征以及地震、降雨、人類工程活動(dòng)等動(dòng)態(tài)工程地質(zhì)過(guò)程出發(fā)，討論了影響垃圾填埋場(chǎng)穩(wěn)定性的因素，并概述了影響填埋場(chǎng)不穩(wěn)定的因素。PaulIrikefe Edigbue等通過(guò)對(duì)沙特阿拉伯西部建設(shè)工程場(chǎng)地特征的地質(zhì)和地球物理調(diào)查，著重調(diào)查了研究點(diǎn)兩河對(duì)岸橋臺(tái)的地質(zhì)特征和基巖條件，從而避免流道和薄弱區(qū)域的不明確可能導(dǎo)致施工過(guò)程中的嚴(yán)重危險(xiǎn)。大量研究多集中于邊坡工程地質(zhì)特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，主要是對(duì)邊坡工程地質(zhì)特征、巖體結(jié)構(gòu)類型及工程巖體質(zhì)量進(jìn)行研究，從而探討其控制因素、破壞模式等，并對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。部分學(xué)者對(duì)煤層頂板的工程地質(zhì)特征及穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，但是，對(duì)煤礦礦區(qū)的工程地質(zhì)特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的研究較少，且以往的研究結(jié)論對(duì)于土城煤礦來(lái)說(shuō)并不太適用。因此本文開(kāi)展土城煤礦礦區(qū)工程地質(zhì)特征及評(píng)價(jià)，從巖石及煤層頂、底板工程地質(zhì)特征、斷層破碎帶和各類結(jié)構(gòu)面工程地質(zhì)特征和老窖及老礦井工程地質(zhì)特征三個(gè)層面進(jìn)行闡述，從而探究其穩(wěn)定性影響因素并進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)一步了解礦區(qū)工程地質(zhì)具體特征和穩(wěn)定性狀況，為工程施工活動(dòng)的開(kāi)展提供相應(yīng)參考依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

土城礦位于貴州省盤州市正北0°方位，屬亞熱帶夏濕春干溫暖氣候。年均氣溫15.2℃。年平均降雨量1393.3 mm，年最大降雨量2105.5 mm，年最小降雨量791.5 mm，降雨量和季節(jié)性變化明顯，全年無(wú)霜期260多天。主要災(zāi)害性天氣有春旱、暴雨、冰雹、倒春寒、秋綿雨、凝凍等。

1.1 地形地貌

礦區(qū)地處云貴高原中部過(guò)渡地帶，為中低山地形，山形和地層走向基本一致，礦區(qū)北部為玄武巖形成的緩坡山，煤組下段多成溝谷，中上段形成反向坡，上覆地層組成陡峻的高山。全區(qū)地勢(shì)為中部高兩端低，最高點(diǎn)位于礦區(qū)中部磨盤石梁子山頂，海拔標(biāo)高+2262.98 m；最低點(diǎn)位于礦區(qū)北西部拖長(zhǎng)江河床，海拔標(biāo)高+1480.40 m，為當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面，最大高差782.58m。

1.2 地層巖性

本區(qū)域出露地層由老至新有：石炭系、二疊系、三疊系、第三系和第四系。缺失侏羅系、白堊系。早、晚二疊世之間有基性巖漿噴溢，形成大面積分布的峨眉山玄武巖。礦區(qū)范圍內(nèi)及周邊巖石按巖性主要分為碳酸鹽巖、碎屑巖、火成巖及第四系，前三個(gè)主要由灰?guī)r、泥灰?guī)r、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、煤層、泥質(zhì)灰?guī)r及粉砂質(zhì)泥巖等組成，第四系主要由粘土、亞粘土、砂質(zhì)土及含礫砂土等組成。

1.3 水文地質(zhì)條件

本區(qū)域?qū)儆谥榻饔颍北P江水系，屬長(zhǎng)江支流匯水區(qū)。礦區(qū)內(nèi)無(wú)湖泊、水庫(kù)等大型常年地表水體。地表水主要為河流、溝溪及井泉。礦體大部位于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面（+1480.40m）以下，不利于地表及地下水的排泄。礦區(qū)內(nèi)地下水類型按巖性、賦水空間分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和可溶巖巖溶裂隙水三種類型。區(qū)域內(nèi)可溶性巖層有二疊系中統(tǒng)柄霞茅口組，三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組，中統(tǒng)關(guān)嶺組中、上段。可溶性巖層含裂隙溶洞水，富水性強(qiáng)，是重要的含水層。二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組、龍?zhí)督M、三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組，屬非可溶性巖層。其充水空間不發(fā)育，含水性和透水性均弱，是含水層之間的相對(duì)隔水層。

第四系含孔隙水，因厚度小且分布零星，泉點(diǎn)少，流量小，無(wú)供水意義。關(guān)嶺組中、上段含裂隙溶洞水，暗河發(fā)育，常見(jiàn)大泉，富水性強(qiáng)。水質(zhì)為重碳酸鈣型水；下段泉點(diǎn)稀少，含水性弱，有隔水作用。永寧鎮(zhèn)組第二段含水性弱，有隔水作用。其余各段巖溶發(fā)育，含裂隙溶洞水，泉點(diǎn)及暗河多見(jiàn)，流量大，富水性強(qiáng)。水質(zhì)為重碳酸鈣（鈣鎂）型水。飛仙關(guān)組含裂隙水，泉流量隨季節(jié)性變化，富水性弱，為一相對(duì)隔水層。水質(zhì)為重碳酸鈉型水。龍?zhí)督M既是相對(duì)隔水層又是直接充水含水層。含裂隙水，富水性弱。玄武巖組為P1q、P1m與P3l之間相對(duì)隔水層。一般含水性弱，有時(shí)含裂隙水。茅口組為區(qū)域主要巖溶含水層之一，賦存碳酸鹽巖溶洞水，巖溶管道發(fā)育，含水性極不均一。富水性強(qiáng)。水質(zhì)為碳酸鈣型水。

區(qū)內(nèi)位于北盤江上游支流匯水型水文地質(zhì)單元的補(bǔ)給區(qū)，地下水的補(bǔ)給來(lái)源以大氣降水為主，地表水補(bǔ)給為輔。地下水的徑流在可溶巖地層中，以管道流為主，脈狀流為輔；在非可溶巖地層中，以隙流為主。地下水的排泄在非可溶巖層中多以泉的形式近源排泄于地形低凹處；而在可溶巖層中地下水多以巖溶大泉及暗河的形式沿河谷地帶集中排泄。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造與地震

盤縣煤田地處貴州高原西部邊緣，處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)（Ⅰ）上揚(yáng)子臺(tái)褶皺帶（Ⅱ）黔西南迭陷褶斷束（Ⅲ）的西部。區(qū)域構(gòu)造上屬黔西南迭陷褶皺斷束的一部，褶皺平緩，斷裂與溶巖較發(fā)育，構(gòu)造大致分北西向和北東向兩組（圖1）。本區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)微弱，地震震級(jí)低，區(qū)域穩(wěn)定性較好，地殼活動(dòng)對(duì)礦井開(kāi)采和地質(zhì)環(huán)境的影響不大。

2 研究區(qū)工程地質(zhì)特征分析

2.1 礦區(qū)巖石及煤層頂、底板工程地質(zhì)特征分析

2.1.1 巖石工程地質(zhì)特征分析

根據(jù)勘探工作所采取的含煤地層的巖樣進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，各種巖性飽和單軸抗壓強(qiáng)度（表1）。根據(jù)礦區(qū)范圍各巖類的出露情況及不同巖性的飽和單軸抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，并結(jié)合巖石堅(jiān)硬程度分類指標(biāo)，可將礦區(qū)工程地質(zhì)巖組劃分為碳酸鹽巖堅(jiān)硬巖工程巖組、碎屑巖較軟巖—較硬巖工程地質(zhì)巖組、火成巖堅(jiān)硬巖—較硬巖工程地質(zhì)巖組、第四系松散巖工程地質(zhì)巖組（表2）。

2.1.2 煤層頂、底板工程地質(zhì)特征分析

龍?zhí)督M含煤地層中本次算量煤層共17層，直接及間接頂、底板以粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖等組成，煤層一般有0.10～0.50m的泥巖為頂。由于各可采煤層間距較小，大部分既是底板又是頂板。據(jù)在鉆孔中采煤層頂板30m及底板20 m范圍內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)樣，同時(shí)結(jié)合勘探工程鉆孔巖芯工程地質(zhì)編錄資料、各煤層頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和各開(kāi)采煤層井巷頂?shù)装逭{(diào)查成果，上述各可采煤層頂、底板工程地質(zhì)特征如表3所示。

2.2 斷層破碎帶和各類結(jié)構(gòu)面工程地質(zhì)特征分析

2.2.1 斷層破碎帶

礦區(qū)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)的斷層共有96條，多數(shù)以北東向?yàn)橹鳎贁?shù)為北西走向。落差大于100 m的有8條；落差50～100 m的有9條；落差30～50 m的有11條；落差20～30 m的有9條；其余斷層落差在5～20 m，多數(shù)為鉆孔和巷道揭露的隱伏斷層，部分為地表斷裂。礦區(qū)內(nèi)斷層主要以泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)為主，巖石裂隙發(fā)育，充填大量方解石，巖石工程力學(xué)強(qiáng)度低；礦井在巷道生產(chǎn)過(guò)程中，也揭露部分小斷層，主要以泥巖、鈣質(zhì)膠結(jié)，方解石充填。

2.2.2 節(jié)理、裂隙

本區(qū)裂隙T1yn1、T1f、P3l地層中均有發(fā)育，裂隙性質(zhì)以斜交細(xì)裂隙為主，且大部分被方解石脈充填，使得巖體保持巖體原有的完整性，但巖石的力學(xué)強(qiáng)度尤其是抗拉、抗剪強(qiáng)度有所降低。

2.2.3 層理、層面

巖石根據(jù)成因、成分差異性，其層理、層面有所不同，本區(qū)分三類：碳酸鹽巖層面，巖層呈薄層狀、中厚層狀構(gòu)造，層間無(wú)膠結(jié)，但層面摩擦系數(shù)大；碎屑巖層理，巖層薄至厚層狀，有波狀、微波狀、水平及平行層理，發(fā)育于不同巖石中，總的來(lái)說(shuō)，砂巖類巖石層理間以鈣質(zhì)、菱鐵質(zhì)膠結(jié)為主，膠結(jié)程度好，不易發(fā)生遇水崩解現(xiàn)象，力學(xué)性能好，泥巖類巖石層理間以泥質(zhì)膠結(jié)為主，遇水易發(fā)生崩解，其力學(xué)強(qiáng)度較低；火成巖，由噴出凝固而成，具少量氣孔構(gòu)造，無(wú)層理、層面。

2.3 老窖及老礦井工程地質(zhì)特征分析

區(qū)內(nèi)老窯及老礦井較多，主要分布于西北部及北部溪溝煤層露頭線附近及地勢(shì)低洼的溝谷處。老窯采用坑木支護(hù)，開(kāi)采深度一般50～100 m，水平距離約200 m，因井口垮塌、排水、通風(fēng)困難及政策性等原因而關(guān)閉。說(shuō)明老窯的工程地質(zhì)條件較復(fù)雜。

老礦井開(kāi)采方式以地下開(kāi)采，采用斜井開(kāi)拓，平硐上山布置方式，礦井采煤方法采用微傾斜柔性掩護(hù)式支架法回采，開(kāi)采方式為走向長(zhǎng)壁式開(kāi)采。礦井采用全部垮落法管理頂板，頂板及圍巖的穩(wěn)固性中等至差，易于放頂。

3 礦區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 穩(wěn)定性影響因素分析

對(duì)煤礦礦區(qū)穩(wěn)定性構(gòu)成威脅的因素多樣且復(fù)雜，在進(jìn)行相應(yīng)評(píng)價(jià)-作前需明確其影響因素，評(píng)價(jià)的客觀準(zhǔn)確度才會(huì)更加可靠。由于煤礦工程的特殊性，傳統(tǒng)的單一化評(píng)價(jià)方法，目前已經(jīng)難以用于煤礦工程穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)，因此分析穩(wěn)定性影響因素就變得尤為重要，影響該礦區(qū)穩(wěn)固性的因素主要有巖石特性、地質(zhì)構(gòu)造、水和巖溶作用。

3.1.1 巖石特性

堅(jiān)硬完整的巖石一般對(duì)圍巖穩(wěn)固性影響較小，而軟弱巖石則由于強(qiáng)度低，抗水性差，受力容易變形和破壞，對(duì)圍巖穩(wěn)固性影響較大。而礦區(qū)內(nèi)碎屑巖地層的巖性主要由細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤巖等組成，其中細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖多為半堅(jiān)硬巖石，巖體完整性相對(duì)較好，圍巖穩(wěn)固性較好；而泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤巖等多為軟弱巖石，巖體完整性差，圍巖穩(wěn)固性差。巖石特性會(huì)直接影響著煤礦的穩(wěn)定性，因此在評(píng)價(jià)時(shí)需充分考慮該因素。

3.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

由于地質(zhì)構(gòu)造的影響，圍巖通常是強(qiáng)度不等的堅(jiān)硬和軟弱巖層相間的巖體，軟弱巖層強(qiáng)度低，容易變形破壞。構(gòu)造變動(dòng)中，常沿堅(jiān)硬和軟弱巖層接觸帶錯(cuò)動(dòng)，形成厚度不等的層間破碎帶，大大破壞了巖體完整性。構(gòu)造應(yīng)力具有明顯的方向性，對(duì)地下井巷圍巖的變形和破壞起控制作用。礦區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，形成斷層破碎帶，井巷通過(guò)斷層時(shí)，由于巖石破碎及地下水的影響使圍巖的穩(wěn)固性很差。

3.1.3 地下水和巖溶作用

井巷通過(guò)含水層，便成為排水通道，改變了原來(lái)地下水動(dòng)力條件，裂隙含水層水常以脈狀方式匯入井巷，灰?guī)r地區(qū)由于巖溶發(fā)育，巖溶含水層水則以地下暗河或其他集中水流突然涌入井巷，造成突水事故。而地下水通過(guò)斷層、裂隙、破碎帶等流向井巷，由于水力坡度會(huì)較大，因此可能產(chǎn)生機(jī)械潛蝕，嚴(yán)重者可形成流砂、水帶泥石一起涌向井巷，造成事故。地下水還使軟弱夾層軟化或泥化，降低強(qiáng)度，不同程度地影響圍巖的穩(wěn)固性。

3.2 綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)前面分析結(jié)果可知，土城煤礦礦區(qū)第四系松散巖工程地質(zhì)巖組結(jié)構(gòu)較松散，巖土工程地質(zhì)性質(zhì)較差，且碳酸鹽巖堅(jiān)硬巖工程巖組巖溶發(fā)育，富水性強(qiáng)，涌水、突泥等問(wèn)題需重視。可采煤層的頂、底板的穩(wěn)固性均屬中等穩(wěn)定。部分小斷層主要以泥巖、鈣質(zhì)膠結(jié)，方解石充填，工程地質(zhì)條件穩(wěn)定性差，故礦井在今后巷道掘進(jìn)、采礦時(shí)應(yīng)對(duì)該部位進(jìn)行水泥漿錨噴加固，避免安全事故發(fā)生。井巷穿切斷層時(shí)巖石的完整性相對(duì)較差，穩(wěn)定性較差，斷層帶附近，煤層的頂板較破，難于支護(hù)，圍巖穩(wěn)固性差。

4 結(jié)論

本文開(kāi)展土城煤礦礦區(qū)工程地質(zhì)特征及評(píng)價(jià)，從巖石及煤層頂、底板工程地質(zhì)特征、斷層破碎帶和各類結(jié)構(gòu)面工程地質(zhì)特征和老窖及老礦井工程地質(zhì)特征三個(gè)層面進(jìn)行闡述，從而探究其穩(wěn)定性影響因素并進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出結(jié)論如下：

（1）礦區(qū)工程地質(zhì)巖組劃分為碳酸鹽巖堅(jiān)硬巖工程巖組、碎屑巖較軟巖—較硬巖工程地質(zhì)巖組、火成巖堅(jiān)硬巖—較硬巖工程地質(zhì)巖組、第四系松散巖工程地質(zhì)巖組。直接及間接頂、底板以粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖等組成，由于各可采煤層間距較小，大部分既是底板又是頂板。

（2）礦區(qū)范圍內(nèi)斷層多數(shù)以北東向?yàn)橹鳎贁?shù)為北西走向。主要以泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)為主，巖石裂隙發(fā)育，力學(xué)強(qiáng)度低；裂隙T1yn1、T1f、P3l地層中均有發(fā)育，以斜交細(xì)裂隙為主。巖石根據(jù)成因、成分差異性，其層理、層面有所不同，區(qū)分三類：碳酸鹽巖層面、碎屑巖層理、火成巖無(wú)層理、層面。

（3）區(qū)內(nèi)老窯及老井主要分布于西北部及北部溪溝煤層露頭線附近及地勢(shì)低洼的溝谷處，工程地質(zhì)條件較復(fù)雜。

（4）影響該礦區(qū)穩(wěn)固性的因素主要有巖石特性、地質(zhì)構(gòu)造、水和巖溶作用。土城煤礦礦區(qū)第四系松散巖工程地質(zhì)巖組結(jié)構(gòu)較松散，巖土工程地質(zhì)性質(zhì)較差，且碳酸鹽巖堅(jiān)硬巖工程巖組巖溶發(fā)育，富水性強(qiáng)，涌水、突泥等問(wèn)題需重視。可采煤層的頂、底板的穩(wěn)固性均屬中等穩(wěn)定。部分小斷層工程地質(zhì)條件穩(wěn)定性差。井巷穿切斷層時(shí)巖石的完整性相對(duì)較差，穩(wěn)定性較差，斷層帶附近，煤層的頂板較破，難以支護(hù)，圍巖穩(wěn)固性差。