潘集深部勘查區(qū)山西組煤層發(fā)育及頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)特征

卜 軍，沈書豪，謝 焰

(1.安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院，安徽 合肥 230088； 2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

潘集深部勘查區(qū)山西組煤層發(fā)育及頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)特征

卜 軍1，沈書豪2，謝 焰2

(1.安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院，安徽 合肥 230088； 2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

潘集深部勘查區(qū)作為淮南煤田資源接替基地現(xiàn)已進入詳查階段，為了查明山西組煤層賦存特征與工程地質(zhì)條件，基于對勘查鉆孔資料的統(tǒng)計分析，詳細分析了1煤和3煤賦存以及夾層巖性、厚度發(fā)育特征。結(jié)果表明，山西組1煤和3煤區(qū)域平均厚度為3.5m；F66斷層以北1煤受巖漿侵蝕，不可采范圍集中分布，3煤不可采區(qū)域在F66斷層兩側(cè)零星分布；1煤和3煤間夾層巖性以泥巖為主，平均厚度僅為1.25m。在此基礎(chǔ)上，進一步探討了1、3煤頂?shù)装宓膸r石強度、巖性組成與結(jié)構(gòu)組合工程地質(zhì)特征，初步劃分頂?shù)装鍘r性組合類型，為深部礦井的設(shè)計和建設(shè)以及開采地質(zhì)條件評價提供可靠的地質(zhì)資料。

煤層發(fā)育；夾層特征；煤層頂?shù)装?；沉積組合；淮南潘集深部

0 引言

潘集深部勘查區(qū)位于安徽省淮南煤田東北部[1]，總體呈向西開口的弧狀，北部為明龍山斷層，西部緊鄰朱集東、潘四東、潘二和潘一東等生產(chǎn)礦井，中部為潘集背斜核部而寬度較窄[2]，南部較寬，總面積約280km2。2013年底普查工作完成，區(qū)內(nèi)-1 500m以淺共探獲煤炭資源量約46億t。該區(qū)域資源儲量豐度高，是淮南礦區(qū)最重要的接替資源。礦區(qū)深部開采面臨嚴(yán)重的安全隱患，且勘探程度低，因而，查清深層煤炭資源的賦存和發(fā)育，以及開采工程地質(zhì)條件是首要任務(wù)[3]。本文結(jié)合深部勘查區(qū)探查工程和相關(guān)試驗，對礦區(qū)山西組1、3煤層發(fā)育和夾層地質(zhì)特征進行了分析，并初步劃分了山西組煤層頂?shù)装鍘r性類型和組合類型，為礦井的設(shè)計、建設(shè)和生產(chǎn)，提供可靠的地質(zhì)資料。

1 山西組煤層發(fā)育特征

二疊系是淮南煤田主要含煤地層。根據(jù)潘集深部勘查區(qū)已有鉆孔資料統(tǒng)計，完整揭露山西組地層的鉆孔共計55個，區(qū)內(nèi)二疊系平均發(fā)育厚度940m。山西組位于二疊系下統(tǒng)，是二疊系第一含煤段，地層厚度39～83m，平均68m，含可采煤層2層，即1煤和3煤，平均煤厚7.0m，含煤系數(shù)約為10.29%。

根據(jù)鉆孔揭露統(tǒng)計結(jié)果做出1煤厚度分區(qū)(圖1)。1煤層-1500m以淺含煤面積70.45km2，可采面積為54.20 km2，可采比例76.93%，屬大部可采較穩(wěn)定煤層。1煤厚度0～6.03m，平均煤厚3.51m。由圖1可以看出，勘查區(qū)中部的F66斷層將含煤區(qū)分為相差較大的南北兩個區(qū)域，F(xiàn)66北部6號勘探線以北區(qū)域，1煤厚度大部分小于0.7m，為不可采區(qū)；而在F66斷層以南，大部分煤厚大于3.5m。

圖1 勘查區(qū)山西組1煤厚度分區(qū)Figure 1 Shanxi Formation coal No.1 thickness partitioning in exploration area

3煤層-1 500m以淺含煤面積76.81km2，可采面積為59.91km2，可采比例約79%，屬大部可采較穩(wěn)定煤層。深部勘查區(qū)內(nèi)3煤厚度為0.49～5.68m，平均煤厚3.50m，其厚度分區(qū)見圖2。由圖2可知，山西組3煤厚度分布較為分散，厚度小于0.7m的不可采區(qū)在F66斷層兩側(cè)零星分布，在4線與6線間以及18和24線北部區(qū)域受巖漿侵入影響，在18線和12線南部區(qū)域受沉積影響變薄。厚度大于3.5m區(qū)域約占40%，主要分布在勘查區(qū)中部和24線以西部分區(qū)域。

圖2 勘查區(qū)山西組3煤厚度分區(qū)Figure 2 Shanxi Formation coal No.3 thickness partitioning in exploration area

2 3煤和1煤夾層地質(zhì)特征

通過對比山西組1煤和3煤厚度分區(qū)圖可以發(fā)現(xiàn)，以勘查區(qū)中部F66斷層為分界，勘查區(qū)F66斷層北部區(qū)域1煤受巖漿侵入影響范圍較大，在F66斷層以南3煤厚度受巖漿侵入影響較多，兩者發(fā)育深度較為接近，煤層發(fā)育厚度和面積也相近，由此分別選取勘查區(qū)西部、中部和北部24-1、16-1、10-4、8-2和2-1孔做出山西組1、3煤與圍巖柱狀圖，如圖3所示。

由圖3可以看出，3煤發(fā)育在1煤上部，1、3煤夾層間主要以泥巖為主，全區(qū)僅26-2和8-2兩個鉆孔夾層巖性為薄層粉砂巖，20-2和10-1為砂質(zhì)泥巖夾層，其余全部為泥巖夾層。繪制出山西組1、3煤夾層厚度等值線圖(圖4)，由圖4可以看出夾層厚度為0.2～3.0m，平均厚度僅為1.25m，圖4中陰影部分為1、3煤受巖漿侵入的影響范圍。在勘查階段研究山西組1、3煤頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)特征時將1煤和3煤合并研究，研究區(qū)域頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)特征時，主要統(tǒng)計1煤底至下伏太原組第一層灰?guī)r含水層(一灰)頂?shù)暮穸纫约?煤頂板50m厚度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

3 1、3煤頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)特征

煤系沉積巖的巖性對巖體的各種力學(xué)性質(zhì)會造成較大的影響，因此，在勘查階段研究煤層頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)特征主要分析研究頂?shù)装鍘r石強度、巖性厚度和組合特征的變化[4-5]。

3.1 巖性、厚度與巖石強度特征

在地下工程設(shè)計、施工前，首先應(yīng)當(dāng)知道工程所在區(qū)域的圍巖強度及巖性、厚度變化情況。從巖性角度出發(fā)，煤層頂?shù)装鍘r體可以分為砂巖(粗、中、細砂巖)、粉砂巖和泥巖(炭質(zhì)、砂質(zhì)和鋁質(zhì)泥巖)三種類型。分別統(tǒng)計3煤頂板和1煤底板巖體巖性厚度及百分含量如表1所示，并以此來分析1、3煤頂?shù)装宓膸r性分布規(guī)律。

表1 山西組煤層頂?shù)装鍘r性厚度分析

圖3 勘查區(qū)山西組1、3煤與圍巖柱狀Figure 3 Shanxi Formation coal Nos.1 and 3 columnar section in exploration area

圖4 1煤和3煤夾層厚度等值線Figure 4 Isopaches of partings in coal Nos.1 and 3

由表1統(tǒng)計數(shù)據(jù)，3煤頂板以細、中砂巖和泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。3煤頂板砂巖含量分布不均勻，含量為0～85.9%，平均含量達36.98%。砂巖空間分布范圍：南部大部分區(qū)域砂巖厚度較大，僅在14線至12線之間砂巖厚度發(fā)育較小，北部由F66斷層向北砂巖厚度逐漸減小。

勘查區(qū)山西組1煤底板厚度在10.33～37.20m，平均厚度僅為20.01m，在F66斷層以南區(qū)域大部分鉆孔揭露的1煤底板厚度小于平均值，北部區(qū)域底板厚度相對較大。根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，山西組1煤底板以泥巖為主，含量占整個底板厚度的73.45%左右，砂巖和粉砂巖含量均較低，只占11.98%和14.57%。山西組1煤層1煤底板泥巖的厚度變化范圍較大，區(qū)域平均厚度在15m，區(qū)內(nèi)存在多個極值點，以20線至22線為中心，泥巖厚度較大，最厚處達到23.55m，向四周沿近東西向環(huán)狀遞減。

勘探現(xiàn)場采取山西組煤層頂?shù)装鍘r心樣品后，經(jīng)實驗室加工、試驗，分別統(tǒng)計了1、3煤頂?shù)装迳皫r、粉砂巖和泥巖的抗壓和抗拉強度值，見表2。

表2 山西組煤層頂?shù)装鍘r石強度統(tǒng)計

由表2可以看出，3煤頂板砂巖含量較高，砂巖和粉砂巖試驗樣本數(shù)均多于1煤底板，山西組1、3煤頂?shù)装迳皫r的抗壓和抗拉強度最高，屬硬質(zhì)巖石，工程地質(zhì)穩(wěn)定性較好，粉砂巖屬于中硬巖石，穩(wěn)定性次之，泥巖的抗拉和抗壓強度最小，屬于軟質(zhì)巖石，穩(wěn)定性相對最差。在統(tǒng)計頂?shù)装鍘r石強度的基礎(chǔ)上，以往在劃分煤層頂?shù)装鍘r性類型時，常用的K值法只能粗略的反應(yīng)煤層頂?shù)装鍒杂矌r、中硬和軟質(zhì)巖石類型含量的相對大小，本次采用的圖4所示的三角分類法劃分頂?shù)装鍘r性類型能較為全面的表達頂板巖石強度和含量的分布情況。

圖5 三角分類法示意Figure 5 Schematic diagram of trigonometric classification

依據(jù)三角分類法將3煤頂板巖性類型共計劃分了5類，即砂巖型，泥巖-粉砂巖型，粉砂巖-泥巖型，砂巖-泥巖型和砂巖-粉砂巖型。泥巖型頂板主要分布在14線向西到16線附近；4線到8線條帶狀分布著泥巖-粉砂巖型；16線到22線依次分布著砂巖-泥巖型，砂巖-粉砂巖型，粉砂巖-泥巖型。

1煤底板巖性類型劃分為泥巖型，泥巖-粉砂巖型，粉砂巖-泥巖型，粉砂巖型和砂巖-泥巖型等5種類型，強度較弱?？辈閰^(qū)范圍內(nèi)大部分底板巖性類型為泥巖型，僅在24線向西至26線處，分布著粉砂巖區(qū)；4線到8線以及10線到11線，分布著條帶狀的粉砂巖-泥巖區(qū)。

3.2 煤層頂?shù)装宄练e組合特征

含煤巖系受沉積環(huán)境的控制，頂?shù)装鍘r體巖性和分層厚度在橫向和垂向上都是發(fā)生變化的，煤層頂?shù)装宓某练e(巖性)組合特征是影響工程地質(zhì)穩(wěn)定性的重要因素。從工程地質(zhì)角度，考慮巖體結(jié)構(gòu)將勘查區(qū)主采煤層頂?shù)装鍘r層劃分為上軟下硬型、上硬下軟型、全軟型和復(fù)雜型四種組合類型[6-7]。

3.2.1 3煤頂板

山西組3煤頂板以細、中砂巖為主，次為泥巖或砂質(zhì)泥巖，在不同區(qū)域位置，3煤頂板沉積巖層具體組合特征上有一定的差異性。通過對全區(qū)鉆孔柱狀對比、分析，總結(jié)出3煤層的頂板巖性組合特征，共發(fā)育以下3種類型：

(1)上軟下硬型頂板。上軟下硬型頂板從下向上，由砂巖-粉砂巖(砂泥互層)-泥巖構(gòu)成，巖性粒度自下而上由粗逐漸變細，下部巖層較硬，巖體強度由下向上迅速降低。此類頂板在開采過程中穩(wěn)定性較好，是一種較好管理的組合類型。區(qū)內(nèi)多數(shù)鉆孔揭露的3煤頂板都表現(xiàn)為此種類型，占到統(tǒng)計總數(shù)的60.97%，如9-5，10-1，18-1，24-4，25-2等鉆孔，F(xiàn)66斷層以南區(qū)域較多。

(2)復(fù)雜型頂板。復(fù)雜型頂板由下向上硬度不同，巖性巖層在垂向上旋回變化，因此巖層內(nèi)層理面發(fā)育，巖性類型豐富，分層厚度小或分層較多，不易管理。該類型頂板在3煤頂較為發(fā)育，占到統(tǒng)計鉆孔的21.95%，如14-1，20-1，16-1，15-2等鉆孔。

(3)上硬下軟型頂板。上硬下軟型頂板從下向上，由泥巖-砂泥互層-粉砂巖-砂巖構(gòu)成，巖性粒度自下而上由細逐漸變粗，頂板巖體強度由下向上逐漸增加。此類頂板支護較困難，回采時老頂周期來壓現(xiàn)象有可能發(fā)生。此種類型頂板在區(qū)內(nèi)3煤頂發(fā)育較少。

全軟型頂板類型在全區(qū)沒有出現(xiàn)。

3.2.2 1煤底板

勘查區(qū)山西組1煤底板多發(fā)育砂質(zhì)泥巖、泥巖或粉砂巖等軟質(zhì)巖石，通過對全區(qū)鉆孔柱狀數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析，概括了勘查區(qū)1煤層的底板巖性組合特征，共發(fā)育全軟型和復(fù)雜型兩種類型。

(1)全軟型底板全部由泥巖、砂質(zhì)泥巖、或砂泥巖互層等軟質(zhì)巖體組成，此類底板強度不高，但完整性和阻水能力相對較好，有利于阻隔1煤底板受太灰水的威脅。在F66斷層南部區(qū)域，如24-1，25-2，20-3，14-1，12-3等鉆孔都表現(xiàn)為全軟型底板。

(2)復(fù)雜型底板巖層層數(shù)較多，分層厚度較薄，組合形式復(fù)雜。區(qū)內(nèi)有15-1，10-4，9-2，11-2，10-1等鉆孔表現(xiàn)為復(fù)雜型，占研究區(qū)鉆孔總數(shù)的53.2%。復(fù)雜型底板巖性厚度組合特征差異變化較大，發(fā)育層間裂隙或其他不完整結(jié)構(gòu)面較多，不利于底板的完整阻水，但相比于砂巖等巖石發(fā)育較多裂隙來說，相對復(fù)雜的底板在深部條件下也較完整，在區(qū)域斷裂或構(gòu)造導(dǎo)通下容易導(dǎo)通太灰水，致使1煤開采受到影響。

4 結(jié)論

(1)潘集深部勘查區(qū)山西組主采煤層埋深較大，1煤和3煤區(qū)域平均厚度都在3.5m，F(xiàn)66斷層南北兩側(cè)發(fā)育規(guī)律不同，斷層以北1煤受巖漿侵蝕不可采范圍集中分布，3煤不可采區(qū)域在F66斷層兩側(cè)零星分布，1煤和3煤間共同發(fā)育塊段夾層巖性以泥巖等軟質(zhì)巖石為主，由西向東發(fā)育厚度逐漸增大，平均厚度僅為1.25m。

(2)3煤頂板以細、中砂巖和泥巖為主，1煤底板平均厚度約20m，泥巖平均含量達73.45%；在分析厚度和巖石強度的基礎(chǔ)上，將頂?shù)装鍎澐譃槟鄮r-粉砂巖等5種巖性類型；頂板強度較高，以上軟下硬型沉積組合為主，底板強度較低但完整性較高，以全軟和復(fù)雜型組合特征為主，劃分結(jié)果可為深部礦井的設(shè)計和建設(shè)以及開采地質(zhì)條件評價提供依據(jù)。

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ShanxiFormationCoalSeamDevelopmentandRoof,FloorEngineeringGeologicalFeaturesinPanjiCoalmineDeepPartExplorationArea

Bu Jun1, Shen Shuhao2and Xie Yan2

(1.Exploration and Research Institute, Anhui Bureau of Coal Geological Exploration, Hefei, Anhui 230088;2.College of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001)

As a succeeding resource base in the Huainan coalfield, the Panji coalmine deep part exploration area has now entered into the general exploration stage. To identify coal hosting features and engineering geological condition in the Shanxi Formation, from exploratory borehole data statistics and analysis, coal seam Nos.1 and 3 hosting, parting lithological and thickness development features have been analyzed in detail. The result has shown that the regional thickness average of coal seam Nos.1 and 3 is 3.5m; the nonmineable regions of coal No.1 are concentrated to the north of fault F66 because of magmatic intrusion; while the nonmineable regions of coal No.3 scattered on both sides of fault F66. Lithology of partings in coal seam Nos.1 and 3 is mainly mudstone; average thickness only 1.25m. On this basis, rock strength of coal seam roof and floor, lithologic composition and structural grouping engineering geological features have been further discussed. The preliminary division of roof and floor lithologic composition types has provided reliable geological information for design and construction of deep part coalmine and mining geological condition assessment.

coal seam development; parting features; coal roof and floor; sedimentary association; deep part of Panji coalmine, Huainan coalfield

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.08.08

1674-1803(2017)08-0043-05

卜軍(1966—)，男，高級工程師，長期從事煤田地質(zhì)與勘查工作。

2017-01-19

A

責(zé)任編輯：樊小舟