潘集礦深部26-3孔煤系地層工程地質(zhì)特征評(píng)價(jià)

靳 拓，吳基文，黃 凱

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

潘集礦深部26-3孔煤系地層工程地質(zhì)特征評(píng)價(jià)

靳 拓，吳基文，黃 凱

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

以淮南潘集煤礦外圍(深部)勘查區(qū)工程地質(zhì)鉆孔26-3孔為研究對(duì)象，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析含煤段地層的巖性厚度、RQD和抗壓強(qiáng)度三方面特征，評(píng)價(jià)了鉆孔煤系地層工程地質(zhì)特征，并在此基礎(chǔ)上劃分了工程地質(zhì)巖組；結(jié)果表明該鉆孔工程地質(zhì)條件較差，煤層頂?shù)装宥酁槟鄮r，力學(xué)強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差。

潘集煤礦深部； 煤系地層； 工程地質(zhì)特征； 巖組劃分

1 引言

煤炭在我國(guó)的能源消費(fèi)中長(zhǎng)期占據(jù)著主導(dǎo)地位。隨著采掘工作的不斷進(jìn)行，尤其在中東部地區(qū)，淺部的煤炭資源已經(jīng)日漸匱乏。目前我國(guó)煤礦礦井正以8～12 m/a的平均速度向深部延伸，中東部地區(qū)的延伸速度已經(jīng)達(dá)到了10～25 m/a[1]。煤礦深部開采已經(jīng)成為必然，然而由于地層深部構(gòu)造的復(fù)雜性特征，煤礦深部的開采面臨著嚴(yán)峻的安全挑戰(zhàn)。深部煤系地層的穩(wěn)定是保證煤礦安全開采的前提。其穩(wěn)定性不僅受到外力作用的影響,也受其本身工程地質(zhì)性質(zhì)的影響。對(duì)于煤系地層工程地質(zhì)特征的研究，為礦井科學(xué)組織生產(chǎn)提供了依據(jù),對(duì)巷道開挖、防護(hù)和合理布置工作面具有重要的參考價(jià)值。不重視對(duì)煤系地層工程地質(zhì)特性的研究,會(huì)為實(shí)際生產(chǎn)中頂?shù)装迨鹿?頂板冒落,底板鼓起)的發(fā)生埋下隱患,對(duì)生產(chǎn)和工作人員的生命安全造成巨大的威脅。因此,對(duì)煤系地層工程地質(zhì)特征的研究評(píng)價(jià)應(yīng)是深部煤礦開采前不可或缺的重要環(huán)節(jié)。文章通過(guò)對(duì)潘集煤礦深部26-3孔煤系地層的研究，以期獲得其工程地質(zhì)特征并給予評(píng)價(jià)，為勘查區(qū)提供詳細(xì)準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。

2 鉆孔巖層巖性厚度特征

安徽省淮南市潘集煤礦外圍深部勘查區(qū)，東部位于淮南市潘集區(qū)境內(nèi)，東北部位于懷遠(yuǎn)縣境內(nèi)。本研究鉆孔為勘查區(qū)的26-3工程地質(zhì)孔，26-3孔的終孔深度為1192.27 m，從鉆孔揭露的地層情況來(lái)看，最上面為新生界松散層，厚度為303.75 m，緊接著為三疊系地層，二疊系的孫家溝組、上石盒子組、下石盒子組和山西組地層，最后為石炭系的太原組[2]。本次主要研究該孔中17煤到1煤(770.60～1180.60 m)的煤系地層工程地質(zhì)特征。

26-3孔研究段巖層共分為五個(gè)含煤段，第一含煤段共計(jì)17層巖層，其中泥巖、粉砂巖、砂巖各5層，煤層2層；泥巖厚度占本含煤段厚度的12.88 %，粉砂巖占本含煤段厚度的24.35 %，細(xì)砂巖占本含煤段厚度的55.16 %，砂巖含量較高。第二含煤段共發(fā)育巖層50層，其中中砂巖與鋁質(zhì)泥巖各1層、4層細(xì)砂巖、9層粉砂巖、10層煤、25層泥巖；泥巖含量較高占本含煤段厚度的47.57 %，粉砂巖占本含煤段厚度的30.26 %，細(xì)砂巖含量較低，僅占本含煤段厚度的11.67 %。第三含煤段共發(fā)育巖層14層，其中6層泥巖、4層粉砂巖、2層細(xì)砂巖和2層煤；同樣泥巖含量較高占本含煤段厚度的46.56 %，細(xì)砂巖和粉砂巖厚度相差不大，各自約占本含煤段的25.15 %。第四含煤段共有巖層33層，其中6層煤、18層泥巖、6層細(xì)砂巖、3層粉砂巖；泥巖占本含煤段厚度的56.68 %，細(xì)砂巖占本含煤段厚度的12.68 %，粉砂巖約占本含煤段的22.3 %。第五含煤段共有巖層22層，其中4層煤、4層粉砂巖、13層泥巖、1層細(xì)砂巖；泥巖厚度占本含煤段的40.92 %，粉砂巖厚度占本含煤段的46.03 %，細(xì)砂巖占本含煤段厚度的5 %。各含煤段泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖的具體情況見表1。

由表1中26-3孔煤系地層巖性厚度統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，除第一含煤段細(xì)砂巖厚度41.99 m占含煤段地層厚度的55.16 %以外，其余四個(gè)含煤段地層均以泥巖為主，泥巖含量達(dá)40.92 %～56.68 %，單層厚度發(fā)育差異性大；第二至第五含煤段砂巖厚度較小含量較低。

3 鉆孔巖石質(zhì)量評(píng)價(jià)

巖石質(zhì)量是評(píng)價(jià)巖體工程地質(zhì)特征的重要指標(biāo)。巖石質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法主要有：巖石堅(jiān)固系數(shù) f 分類、巖石質(zhì)量指標(biāo) RQD 分類、地質(zhì)力學(xué)分類體系 RMR 法、巖石質(zhì)量指標(biāo) Q 分類體系、巖石基本質(zhì)量指標(biāo)BQ分級(jí)法[3]。本研究采用RQD分類法，并結(jié)合室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)的成果對(duì)鉆孔巖石質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 RQD分析

RQD為巖石質(zhì)量指標(biāo)是一個(gè)定量參數(shù)，在一定程度上可以表征工程巖體的完整性，其計(jì)算公式為：

巖石的完整性決定著RQD值的大小，堅(jiān)硬、完整性好的巖石其RQD值就越高，反之，越發(fā)軟弱、破碎的巖石，其值就越低。RQD值不僅與巖石本身性質(zhì)有關(guān)，與鉆進(jìn)工藝也有很大關(guān)系，巖芯采率高、受磨損的程度比較低，機(jī)械破碎過(guò)程帶來(lái)的影響越小，RQD 值就越能體現(xiàn)巖石質(zhì)量和巖體結(jié)構(gòu)的完整程度[4]，所以用RQD值來(lái)評(píng)價(jià)巖石質(zhì)量，可以客觀的反映出一些巖石的結(jié)構(gòu)情況。巖石質(zhì)量RQD分類見表2，依據(jù)Deere劃分RQD值的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步劃分巖體結(jié)構(gòu)的完整性見表3。

表1 各含煤段不同巖性巖層含量特征

表2 Deere巖石質(zhì)量RQD

表3 巖體結(jié)構(gòu)完整性劃分

為了方便直觀地分析煤礦深部煤系地層的工程地質(zhì)特征，并對(duì)每個(gè)含煤段都給出更加精準(zhǔn)的工程特性評(píng)價(jià)，本次研究分含煤段和巖性分別對(duì)鉆孔地層RQD進(jìn)行了加權(quán)計(jì)算，統(tǒng)計(jì)整理的結(jié)果見表4、表5。

表4 各巖性RQD統(tǒng)計(jì)表

表5 各含煤段RQD統(tǒng)計(jì)表

由表4可以看出，鉆孔砂巖RQD加權(quán)值大于粉砂巖大于泥巖，總體上泥巖和粉砂巖巖石質(zhì)量差，呈碎裂結(jié)構(gòu)，而砂巖巖石質(zhì)量趨向于好，巖體結(jié)構(gòu)完整。由表5可以看出，第二、四含煤段總體巖石質(zhì)量差，為碎裂結(jié)構(gòu)；這與巖性厚度特征相符，第二和第四含煤段泥巖含量大，總體上兩含煤段RQD加權(quán)值較小。第一、三、五含煤段總體巖石質(zhì)量相差不大，均為一般，呈塊狀結(jié)構(gòu)。結(jié)合表1分析可知，砂巖的含量越高，RQD越大，巖體結(jié)構(gòu)越完整，泥巖含量越高，RQD越小，結(jié)構(gòu)越松散。比較粉砂巖和砂巖會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者的巖石質(zhì)量差別比較大，這也是為什么在煤系地層中將粉砂巖在砂巖中單獨(dú)分開的原因。

3.2 巖石單軸抗壓強(qiáng)度分析

室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)所測(cè)得的物理力學(xué)參數(shù)有很多，包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、凝聚力、彈性模量、泊松比、含水率、視密度、吸水率、孔隙率等。由于巖石的各種力學(xué)參數(shù)之間有一定的關(guān)聯(lián)性[5]，可以通過(guò)其中一種參數(shù)客觀的反映出來(lái)，因此，本次研究以抗壓強(qiáng)度為例，從不同層位共取19組巖石樣品，同樣以加權(quán)結(jié)果對(duì)各巖性進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表6。

表6 抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析表(單位：Mpa)

分析表6可以得出，鉆孔中三類巖石的單軸抗壓強(qiáng)度值范圍有交叉，總體上砂巖的抗壓強(qiáng)度最大，加權(quán)平均值為74.84 Mpa；其次為粉砂巖，其加權(quán)平均值為44.31 Mpa；泥巖抗壓強(qiáng)度最小，加權(quán)平均值僅為28.54 MPa。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》中提出的巖石強(qiáng)度分類依據(jù)[6]，并結(jié)合本鉆孔實(shí)際數(shù)據(jù)，根據(jù)抗壓強(qiáng)度的大小進(jìn)行巖石強(qiáng)度分類：抗壓強(qiáng)度>60 Mpa，巖石強(qiáng)度為硬質(zhì)；抗壓強(qiáng)度在30～60 Mpa，巖石強(qiáng)度為中硬；抗壓強(qiáng)度<30 Mpa，巖石強(qiáng)度為軟質(zhì)。結(jié)合表6分析，砂巖的巖石強(qiáng)度多為硬質(zhì)，粉砂巖巖石強(qiáng)度為中硬和軟質(zhì)，泥巖巖石強(qiáng)度偏向于軟質(zhì)，僅少數(shù)完整結(jié)構(gòu)的試樣可以達(dá)到中硬。

由上述巖性厚度分布特征及鉆孔各層段巖性RQD值特征可以得出，26-3孔巖性以泥巖為主，砂巖粉砂巖含量較低，鉆孔煤系地層強(qiáng)度較低，以軟質(zhì)和中硬巖石居多，硬質(zhì)巖石含量較少。主采煤層頂?shù)装迥鄮r含量較高，穩(wěn)定性較差。

3.3 主要巖組劃分

巖組劃分在工程地質(zhì)中具有重要意義，合理的巖組劃分能正確認(rèn)識(shí)巖體結(jié)構(gòu)和巖體的工程地質(zhì)穩(wěn)定性等[7]。在詳細(xì)統(tǒng)計(jì)巖性厚度、RQD以及巖石強(qiáng)度的特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際情況以及本鉆孔各含煤段分界面，將26-3孔煤系地層劃分出了粉砂巖巖組、粉砂巖泥巖巖組、泥巖砂巖巖組、泥巖巖組、砂巖巖組和灰?guī)r巖組，共32個(gè)巖組。主要巖組具體情況如下： 泥巖巖組：共劃分出12組泥巖巖組，包含鉆孔89層地層，泥巖巖組巖體結(jié)構(gòu)碎裂，抗壓強(qiáng)度低，巖石質(zhì)量差; 粉砂巖巖組：鉆孔地層共劃分出9組粉砂巖巖組，包含18層地層，巖性主要為粉砂巖，巖石多為塊狀、中硬質(zhì)，巖石質(zhì)量一般; 砂巖巖組：共劃分了7組砂巖巖組，包含9層地層，巖性主要為細(xì)砂巖，含少量中砂巖，巖體結(jié)構(gòu)多為完整、塊狀，巖石強(qiáng)度高，巖石質(zhì)量比較好; 泥巖砂巖巖組：共有2組泥巖砂巖巖組，含14層巖層，巖石組合主要為泥巖與細(xì)砂巖的間隔沉積，細(xì)砂巖的巖體結(jié)構(gòu)、硬度都要比泥巖的好，呈現(xiàn)出一層硬質(zhì)巖石、一層軟質(zhì)巖石的巖層組合。

砂巖巖組主要分布在本鉆孔的下部，上部第四、第五含煤段未見砂巖巖組；泥巖巖組集中分布在第二、第三、第四含煤段，其中第二含煤段的泥巖巖組厚度近85米，占整個(gè)鉆孔泥巖巖組厚度的45.2 %；粉砂巖巖組在各個(gè)含煤段分布相對(duì)比較均勻。

4 結(jié)語(yǔ)

本文統(tǒng)計(jì)分析了潘集煤礦深部勘查區(qū)工程地質(zhì)鉆孔26-3孔的巖性厚度特征，利用RQD和抗壓強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)對(duì)鉆孔煤系地層巖石質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并在此基礎(chǔ)上劃分了工程地質(zhì)巖組。26-3孔煤系地層發(fā)育泥總厚度達(dá)198.45 m，劃分的泥巖巖組也占鉆孔的46.6 %，而泥巖工程地質(zhì)穩(wěn)定性較差，在深部開采時(shí)需結(jié)合鉆孔工程地質(zhì)特征進(jìn)行主采煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性評(píng)價(jià)。

[1] 何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等. 深部開采巖體力學(xué)研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(16):2803-2813.

[2] 劉文中.淮南地區(qū)地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)指南[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2013.

[3] 馮松寶.任樓礦51-72煤層段巖體工程地質(zhì)力學(xué)特征及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2009.

[4] 張新,馬婧.巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)在鉆孔巖石質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].西部探礦工程,2012(7):124-129.

[5] 劉素梅，徐禮華，李彥強(qiáng).丹江口水庫(kù)巖石物理力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(城市科學(xué)版),2007(4):54-58.

[6] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.巖土工程勘察規(guī)范(GB50021-2001)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[7] 聶明軍.北京木城澗礦侏羅系主采煤層頂板工程地質(zhì)特性及其穩(wěn)定性研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2008.

Evaluation of Engineering Geological Characteristics of Coal -bearing Stratum of 26-3 Drilling Hole in Panji Coal Mine

JIN Tuo,WU Jiwen,HUANG Kai

(DepartmentofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,HuainanAnhui232001)

Using engineering geological drilling hole 26-3 in Huainan Panji mine peripheral deep exploration district as the research object, through statistical analysis of the three characteristics of coal strata rock thickness, RQD and compressive strength characteristics, the paper evaluates the drilling coal engineering geological characteristics of the strata, and divides the engineering geological rock group on this bases. The results show that the engineering geological condition of drilling hole is poor. The roof and floor of the coal seam are mudstone, which has low mechanical strength and the poor stability.

panji coal mine deep area; coal strata; engineering geology characteristics; rock group division

TD163;P631

B

1671-4733(2017)06-0005-03

2017-04-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：41272278)； 2013年度安徽省地質(zhì)勘查基金第三批(續(xù)作)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2013-3-18)

靳拓(1993-)，河北邢臺(tái)人，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槊旱V工程地質(zhì)，電話：18855480508。