彬長礦區(qū)南緣蔣家河煤礦構造演化及控煤因素分析

鄭孝儒，劉會彬,2，梁則虎，苗 崢

(1.彬縣煤炭有限責任公司，陜西 咸陽 712046;2.中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州 221116)

0 引言

彬長礦區(qū)是國家規(guī)劃的13個煤炭基地—黃隴基地的主力礦區(qū)之一，位于陜西省關中西北部長武和彬縣境內，已建成火石咀、亭南、大佛寺、蔣家河和小莊等10對礦井。隨著彬長礦區(qū)的不斷開發(fā)，各項研究也取得了很大的進展，特別是張培河等針對工作面回采瓦斯治理[1]，伍永平、劉會彬等對礦壓顯現(xiàn)和巷道變形治理[2-3]，郭云、陳曉智、王雙明、賀丹等關于礦區(qū)構造演化和成煤因素[4-8]等方面的探討研究較多，但是礦區(qū)邊緣區(qū)域相關領域的探討較少，因此針對礦區(qū)南緣開發(fā)前景較好的蔣家河礦進行系統(tǒng)分析，研究井田構造演化、控煤因素、煤層發(fā)育特點等，探討煤炭資源開發(fā)的技術條件，為礦井主采4#煤層的安全高效開采工作提供科學依據(jù)和參考。

1 區(qū)域地質特征

1.1 地層及含煤性

彬長礦區(qū)依據(jù)鉆孔揭露地層由老至新依次有：三疊系上統(tǒng)胡家村組(T3h)，侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)，中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K1l)、華池組(K1h)，上第三系(N)及第四系下、中更新統(tǒng)(Q1+2)、上更新統(tǒng)馬蘭組(Q3)、全新統(tǒng)(Q4)。

本井田延安組含煤4層，具有對比意義的煤層3層。其中主要可采煤層1層：4#煤；局部可采煤層2層：4-1上、4-2上煤；不可采的煤層1層：3#煤。4#煤層全井田發(fā)育，厚0.15～11.05 m，平均4.73 m。煤層賦存于趙坡向斜，軸部變厚，向兩翼逐漸變薄或尖滅，其它煤層均不可采。

1.2 區(qū)域構造特征

從南到北發(fā)育一系列寬緩褶皺，總體走向北東東，傾向西北，傾角5°～10°。含煤地區(qū)被一組近東西的寬緩褶曲控制，從南向北依次為彬縣背斜、大佛寺向斜、路家-小靈臺背斜、孟村向斜、十里鋪—西坡背斜，研究區(qū)位于彬縣背斜南翼(圖1)。褶曲長度10～30 km，幅度60～80 m。背斜南緩北陡，向斜則相反，對煤系、煤層厚度變化有控制作用，煤層有東西兩翼增厚、南北變薄趨勢。

圖1 彬長礦區(qū)構造綱要圖

斷層地表未發(fā)現(xiàn)，在礦區(qū)東南部的水簾礦、火石咀礦、下溝礦、蔣家河礦、雅店、高家堡等生產(chǎn)的礦井中見少量斷距在1.2～6 m的小斷層，礦區(qū)地質特征為簡單型。

2 地質構造演化

2.1 區(qū)域構造演化

鄂爾多斯盆地經(jīng)歷了4個構造演化階段，早侏羅世—中侏羅世早期、中侏羅世、晚侏羅世和早白堊世 4 個階段，早侏羅世—中侏羅世早期形成了豐富的煤炭資源。第一階段坳陷方向為北東35°， 第二階段坳陷方向為北東25°，第三、四階段坳陷方向均為南北向。聚煤期受控于大地構造背景轉折過程，早中侏羅世煤炭資源就是在印支運動到燕山運動的轉折過程中形成的[7]。

2.2 井田構造發(fā)育特征

可采煤層分布：從煤層平面分布及構造發(fā)育特征來看，主采4#煤層在井田中部呈北北東—南南西向展布，可采煤厚1.05～10.85 m，平均5.29 m，屬厚煤層，可采面積15.27 km2可采煤層主要分布于趙坡向斜軸部及兩翼，井田北部為彬縣背斜的軸部，與大佛寺井田相鄰(圖1)。

褶皺：一采區(qū)首采工作面巷道掘進剖面揭露，工作面煤層主要表現(xiàn)為一寬緩向斜褶皺構造(圖2)，向斜的軸部距回風巷口約1 210 m左右，運輸巷的1 113.5 m左右(以一采區(qū)回風巷口為起點)，其中工作面切眼長度140 m，走向56°，由式(1)得出巷道轉折點連線與順槽巷道的夾角為55°25′，可以得到該工作面通過的褶皺走向為0°35′。

(1)

首采工作面運輸順槽與回風順槽轉折端高程差為+3.77 m，兩轉折端距離約140 m，所以傾伏角為北傾1°16′18.24″，巷道掘進揭露的構造特征表明蔣家河礦區(qū)主控構造為一個樞紐近SN向的向北緩傾的向斜構造，即趙坡向斜。

圖2 一采區(qū)首采工作面順槽巷道實測示意圖

斷層：蔣家河煤礦二采區(qū)首采工作面回風順槽掘進至172 m處遇到斷距約3 m的北傾正斷層，斷距約2.6 m，斷層帶寬度約0.5 m，斷面處煤巖破碎，瓦斯涌出增大，淋水量增大。運輸順槽掘進至83.5 m處遇到斷距約3.5 m的北傾正斷層(和回順為同一斷層)，斷層處均有頂板破碎，頂板淋水，瓦斯?jié)舛壬叩奶攸c。

2.3 礦區(qū)構造演化

蔣家河井田煤層先后經(jīng)歷了3個階段以上構造演化，第一階段構造演化受東西向展布的彬縣背斜控制，與鄂爾多斯第一階段的印支期與第二階段燕山期演化基本一致，第二階段為井田中部的近南北向趙坡向斜發(fā)育，而且在平面上煤層基本圍繞其賦存，形成具有軸部煤層厚度大，兩翼逐漸減薄并尖滅的煤層發(fā)育特點，可能與鄂爾多斯盆地第三階段早白堊世早期盆地西緣的逆沖—推覆動力體系的遠程效應有關，第三階段為北傾正斷層的發(fā)育是受燕山和喜馬拉雅期構造運動的改造結果。因此彬長礦區(qū)南緣的蔣家河井田構造演化和鄂爾多斯盆地構造演化具有一致性和同步性。

3 控煤因素及聚煤規(guī)律分析

3.1 基底地層發(fā)育控煤分析

黃隴侏羅紀煤田的基底為三疊系上統(tǒng)胡家村組(T3h)巖性為深灰色、黑灰色泥巖與淺灰綠色中-細粒砂巖。泥巖質地細膩，具水平紋理，風化后呈薄片狀，含植葉片化石(新蘆木等)；砂巖以長石石英為主，顆粒均勻，具垂直裂隙，為方解石細脈或薄膜充填。該組地層為煤田基底，其頂面起伏不平，經(jīng)下侏羅統(tǒng)富縣組地層填平補齊后，為延安組沉積巨厚煤層創(chuàng)造了有利條件?？傊鯛柖嗨古璧啬暇壢B系基底古地形的發(fā)育控制了主采煤層區(qū)域上的分布范圍，同時為侏羅系巨厚煤巖層沉積提供了穩(wěn)定可靠的可容空間。

3.2 沉積環(huán)境控煤分析

侏羅紀系統(tǒng)富縣組井田內10個鉆孔有沉積，占41.7%，且沉積厚度、巖性、沉積類型變化較大，以殘積相沉積為特征。沉降區(qū)沉積厚，隆起區(qū)變薄或尖滅。一般沉積厚度大，煤層厚度也隨著增厚，如4-1孔，地層厚度11.20 m，煤層厚度11.05 m(該井田最大厚度)，若沉積厚度小，煤層厚度相對變薄，如5-1孔，地層厚度3.04 m，煤層厚度僅2.05 m(4#煤)。由此得知，富縣地層增厚，煤層有增厚之趨勢。

含煤地層延安組，鉆孔揭露普遍沉積，最大厚度114.33 m(4-2孔)，最小厚度15.02 m(2-3孔)，平均厚度57.60 m。巖性以河沼相砂泥巖沉積為主，含煤1～6層(編號3#、4-1上、4-2上、4-1、4-2、4#)，其中4#煤為主要可采煤層。延安組下部為鋁質泥巖，褐灰色泥巖、砂質泥巖及4#煤；中部為灰色中-粗粒砂巖，粉砂巖及薄層泥巖，底含細礫石，中夾薄煤或中厚煤層(4-1上、4-2上煤)；上部為灰色砂質泥巖互層，含3#煤層。與富縣組或三疊系胡家村組假整合接觸。井田內向斜區(qū)域延安組地層最厚，向兩翼逐漸變薄(圖3)。

圖3 延安組等厚線圖

3.3 構造控煤分析

蔣家河礦區(qū)的北邊界為彬縣背斜，礦區(qū)內煤巖層分布受趙坡向斜控制。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，根據(jù)巖性、巖相、沉積旋回及煤巖組合特征，將其劃分為三段，自下而上依次為第一段、第二段、第三段，第一段含4#煤，第二段含4-2上、4-1上煤，第三段含3#煤。延安組第一段(J2y1)為主要含煤段(4#煤)，在井田內沉積普遍，最大厚度37.18 m(2-5孔)，最小厚度3.67 m(5-2孔)，平均厚度15.92 m。沉積厚度薄厚不等，向斜軸部較厚，30.31 m(4-3孔)、26.11m(4-2孔)，向斜兩翼逐漸變薄，西南角1-2號孔厚15.57 m；西北角12號孔厚7.08 m。4#煤沉積分布規(guī)律和賦存厚度與該段發(fā)育程度基本吻合，受趙坡向斜的控制，向斜軸部煤層較厚，向兩翼煤層變薄(圖4)。

圖4 4#煤可采厚度等值線圖

4 開采條件

4.1 資源賦存情況

全井田西部和中部煤層厚度大，含煤性好；東部煤層厚度小，含煤性差。4#煤層全井田發(fā)育，可采煤厚1.05～10.85 m，平均5.29 m，屬厚煤層，可采面積15.27 km2，局部含一層夾矸，結構簡單。煤層賦存于趙坡向斜，軸部變厚，向兩翼逐漸變薄或尖滅(圖4)。主采4#煤層厚度為0.8～10.85 m，平均厚度5.29 m，屬厚煤層，地質儲量89.97 Mt，可采儲量50.23 Mt。煤層埋深約354.5～646.5 m，大部分煤層埋深在600 m以下。煤層埋深大，礦山壓力相應較大，對巷道的破壞影響就更加顯著，易產(chǎn)生底臌和片幫及幫臌等變形，需要3～4個月才能穩(wěn)定。

4.2 水文地質特征

井田水文地質勘探類型屬以裂隙充水為主，水文地質條件簡單類型，即“二類一型”。首采工作面兩順槽及切眼巷道在掘進期間，頂板均有淋水現(xiàn)象，淋水量約為4～5 m3/h。工作面回采時支架的頂部及后部出現(xiàn)較大淋水，淋水量約10～60 m3/h不等。二采區(qū)首采工作面回風順槽淋水量約30 m3/h，均為頂板淋水，運順情況與回順基本相似，采取了抽排、預先探測等措施保障了安全生產(chǎn)，整個礦井回采工作面和掘進巷道涌水總量約100～120 m3/h，表明該礦井水文地質類型為簡單型。

4.3 工程地質特征

根據(jù)礦井地質勘探成果，4#煤層底板主要為泥巖、頁巖，巖石物理力學性質試驗結果，巖層單軸干燥抗壓強度27.1～48.44 MPa，堅固系數(shù)集中在0.9～1.2之間，RQD值35.67～47.70，軟化系數(shù)為0～0.35，泥巖的泥化比為1.51～3.35，整體而言，4#煤層底板巖層屬于穩(wěn)定性很差，易膨脹軟化，堅固性差，強度低的巖層。4#煤偽頂為炭質泥巖、泥巖，厚度薄，穩(wěn)定性差，隨煤層開采而冒落，屬不穩(wěn)定巖體。井田工程地質勘探類型為層狀巖類、工程地質條件中等類型，即三類中等型。礦井在工作面掘進和回采期間淋涌水導致底板鋁土質泥巖膨脹軟化，底板強度大大降低，支護強度弱化嚴重，巷道底板和幫部均出現(xiàn)較大的變形。

4.4 瓦斯特征

蔣家河礦4#煤自然瓦斯成分主為甲烷及氮氣。有效控制深度503.76～625.85 m，甲烷成分最高值48.49%，最高含量3.13 mL/g·daf。瓦斯成分及分帶的平面特征為：井田4#煤層可采范圍內大面積樣點以氮氣、沼氣為主，甲烷濃度高，含量大，形成N2—CH4帶，其東、西周邊屬瓦斯風化帶范疇，形成CO2—N2帶。4#煤層瓦斯含量的基本規(guī)律：煤層埋深每增加85.50 m，瓦斯含量相應增加1 mL/g·daf，甲烷含量隨其濃度的增高而增加。4#煤層頂板采樣分析結果表明，頂板瓦斯含量與該煤層瓦斯含量基本相同。經(jīng)鑒定為高瓦斯礦井，回采面瓦斯涌出量高達28.5 m3/min左右，造成上隅角瓦斯?jié)舛冉?jīng)常超限，嚴重威脅著礦井的安全生產(chǎn)，采取預抽等措施后，瓦斯?jié)舛却蟠蠼档停Ｕ狭税踩a(chǎn)[4]。

5 結論

(1)彬長礦區(qū)南緣蔣家河井田自三疊系以來經(jīng)歷了3個階段的構造演化，第一階段東西向展布的寬緩褶皺形成，第二階段為煤系地層形成后受鄂爾多斯盆地西緣逆沖推覆作用遠程效應產(chǎn)生的南北向發(fā)育的趙坡向斜控制了區(qū)內煤層的空間展布形態(tài)，后期發(fā)育的斷裂構造屬于第三階段演化，其演化歷史與鄂爾多斯盆地構造演化基本同步。

(2)彬長礦區(qū)南緣主采4#煤層發(fā)育受三疊系基底古地形發(fā)育，侏羅系河-湖相沉積環(huán)境及區(qū)域構造發(fā)育等因素的影響，三疊系穩(wěn)定的基底古地形為煤系地層連續(xù)堆積沉降提供了充足時間和空間，河-湖相沉積環(huán)境為煤田的形成提供了豐富的物質基礎，東西向發(fā)育的彬縣背斜和近南北向發(fā)育的趙坡向斜控制了煤層的空間展布，基本厚煤區(qū)位于彬縣背斜以南和趙坡向斜的軸部。

(3)彬長礦區(qū)南緣主采4#煤層資源豐富，煤質優(yōu)良，開采條件良好，具有很好的開采價值和經(jīng)濟效益。在掘進和回采過程中遇到瓦斯超限、淋水底板鼓起等問題，經(jīng)過實踐證明采取措施后可以實現(xiàn)安全開采。