里必煤礦3 號(hào)煤層頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)特征分析

王瑛

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

0 引 言

里必井田位于晉城礦區(qū)西北部，沁水縣東部龍港鎮(zhèn)和鄭莊鎮(zhèn)，行政隸屬沁水縣龍港鎮(zhèn)、鄭莊鎮(zhèn)管轄。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模4.00 Mt/a，礦井采用主斜副立井混合開拓方式，移交時(shí)期分2 個(gè)場(chǎng)地布置4 條井筒。首采3101 工作面位于一盤區(qū)西側(cè)，采煤方法為大采高一次采全厚綜采采煤方法。井田內(nèi)全區(qū)穩(wěn)定可采煤層共2 層，分別為3 號(hào)煤層、15 號(hào)煤層?，F(xiàn)井田主要開采煤層為3 號(hào)煤。

在煤礦建設(shè)及開采過(guò)程中，煤層頂?shù)装迨鹿适峭{煤礦安全生產(chǎn)的主要因素，因此需要對(duì)煤層頂?shù)装宓墓こ痰刭|(zhì)特征進(jìn)行科學(xué)分析，對(duì)頂?shù)装宸€(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)，為生產(chǎn)過(guò)程中頂?shù)装宓墓芾硖峁┮罁?jù)。

1 井田地層

井田位于沁水煤田南部，根據(jù)鉆孔揭露，井田地層內(nèi)由老至新有奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組（O2s）、奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）、石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）、二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）、二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2s）、二疊系上統(tǒng)石千峰組（P2sh）、三疊系（T）、第四系（Q），其中含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組。

3 號(hào)煤層賦存于二疊系山西組下部，山西組地層巖性以灰、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和砂巖為主，含1、2、3 號(hào)煤層。石炭系太原組地層為大陸泥炭沼澤相沉積，巖性為砂巖、粉砂巖、煤、泥巖及海相灰?guī)r交互沉積，呈韻律性，每個(gè)旋回中夾1～2 層煤層，煤層沉積于灰?guī)r之下。

2 井田構(gòu)造

井田總體構(gòu)造形態(tài)為向北傾斜的單斜，在此基礎(chǔ)上發(fā)育次級(jí)的寬緩褶曲6 個(gè)，地層傾角小于10°。據(jù)地質(zhì)填圖及三維地震資料，區(qū)內(nèi)共發(fā)育大小斷層34 條，地質(zhì)填圖發(fā)現(xiàn)斷層1 條（F1），三維地震解釋斷層33 條，除F1、DF1、DF31 為逆斷層外，其余均為正斷層。其中落差＞20 m 的斷層10條，斷層落差10 m≤落差＜20 m 的斷層7 條，斷層落差＜10 m 的斷層17 條。井田內(nèi)大部分?jǐn)鄬忧懈?、15 號(hào)煤層?？煽繑鄬?7 條，較可靠斷層9條，控制較差斷層4 條。根據(jù)三維地震成果資料分析，井田內(nèi)陷落柱較為發(fā)育，三維地震共解釋陷落柱28 個(gè)，其中解釋為可靠、較可靠的陷落柱25個(gè)，控制程育較差陷落柱3 個(gè)。井田內(nèi)發(fā)現(xiàn)的陷落柱均發(fā)育至3 號(hào)、15 號(hào)煤層（圖1）。

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

3 煤層頂、底板工程地質(zhì)特征分析

3 號(hào)煤層厚2.84～6.75 m，平均5.35 m，含夾矸0 ～3 層， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單—復(fù)雜。 上距K8 砂巖9.68～65.46 m，平均38.13 m。頂板巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為炭質(zhì)泥巖，底板巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為炭質(zhì)泥巖。井田中部煤層較厚，東西兩側(cè)煤層相變薄。由于井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育，對(duì)地層破壞程度較大、巖石裂隙較發(fā)育。為充分了解3 號(hào)煤層圍巖的工程地質(zhì)特征，根據(jù)以往見(jiàn)煤鉆孔煤層直接頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)其物理力學(xué)性能進(jìn)行了分析。

3 號(hào)煤層頂板的天然含水率0.4%～7.5%；極限抗拉強(qiáng)度0.46～3.53 MPa；泊松比0.11～0.37；飽和抗壓強(qiáng)度為11.2- 53.3 MPa，其中BK2、BK6和BK12 鉆孔大于30 MPa；軟化系數(shù)0.26～0.86，除BK6 號(hào)孔其余均小于0.75，因此BK2、BK6 和BK12號(hào)孔3 號(hào)煤層頂板巖性為中硬巖層，其余鉆孔均為軟巖，3 號(hào)煤層頂板巖性總體屬于軟—中硬巖層。

3 號(hào)煤層底板的天然含水率0.7%～1.7%；極限抗拉強(qiáng)度0.14～5.4 MPa；泊松比0.18～0.3；飽和抗壓強(qiáng)度為5.13- 51.23 MPa，其中BK6、BK10和BK11 鉆孔大于30 MPa；軟化系數(shù)0.26～0.85，除BK11 孔外均小于0.75，因此BK6、BK10 和BK11號(hào)孔3 號(hào)煤層底板巖性為中硬巖層，其余鉆孔為軟巖，3 號(hào)煤層底板巖性總體屬于軟—中硬巖層。

4 煤層頂、底板巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

4.1 煤層頂?shù)装鍘r體質(zhì)量評(píng)價(jià)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(jiān)硬程度等因素共同決定的。本次評(píng)價(jià)以《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》 中的巖體質(zhì)量系巖體質(zhì)量系數(shù)法和巖體質(zhì)量指標(biāo)法，對(duì)煤層頂?shù)装鍘r體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（1） 巖體質(zhì)量系數(shù)法。

計(jì)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(wú)資料時(shí)可用RQD 值代替)；f 為結(jié)構(gòu)面摩擦系數(shù)；s 為巖塊堅(jiān)硬系數(shù)。

式中：Rc 為巖塊飽和軸向抗壓強(qiáng)度，MPa。

（2） 巖體質(zhì)量指標(biāo)法。

計(jì)算公式：

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

本次對(duì)3 號(hào)號(hào)煤層頂?shù)装鍘r體質(zhì)量系數(shù)和巖體質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算，主要是通過(guò)對(duì)各鉆孔3 號(hào)煤層頂板以及底板巖塊的RQD 值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(jì)算出結(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(jì)算出巖塊堅(jiān)硬系數(shù)s。

通過(guò)式（1） 和式（3） 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z 和M 的平均值，按照表1 和表2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)3 號(hào)煤層頂?shù)装暹M(jìn)行巖體質(zhì)量等級(jí)劃分和質(zhì)量評(píng)價(jià)。

表1 巖體質(zhì)量系數(shù)范圍及其優(yōu)劣分級(jí)Table 1 Range of rock mass quality coefficient and its advantages and disadvantages grading table

表2 巖體質(zhì)量分級(jí)Table 2 Rock mass quality classification table

4.2 煤層直接頂?shù)装鍘r體質(zhì)量評(píng)價(jià)

根據(jù)部分鉆孔的巖石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)資料，通過(guò)統(tǒng)計(jì)RQD、飽和抗壓強(qiáng)度等參數(shù)，計(jì)算3 號(hào)煤層直接頂?shù)装鍘r體質(zhì)量系數(shù)和巖體質(zhì)量指標(biāo)。結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 煤層直接頂?shù)装鍘r體質(zhì)量系數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Evaluation results of rock mass coefficient of direct roof and floor of coal seam

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，3 號(hào)煤層直接頂板巖石質(zhì)量為壞— 一般，巖體質(zhì)量指標(biāo)為中等；3 號(hào)煤層直接底板為巖石質(zhì)量為壞— 一般，巖體質(zhì)量指標(biāo)為中等。

4.3 煤層頂板30 m、底板20 m 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

根據(jù)部鉆孔的巖石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)資料，通過(guò)RQD、飽和抗壓強(qiáng)度等參數(shù)，計(jì)算3 號(hào)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(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 煤層頂?shù)装鍘r體質(zhì)量系數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Evaluation results of rock mass coefficient of roof and floor of coal seam

所以綜合評(píng)定結(jié)果為，勘查區(qū)內(nèi)3 號(hào)煤層頂板30 m、底板20 m 范圍內(nèi)巖體質(zhì)量等級(jí)為壞— 一般，巖體質(zhì)量中等。

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5、表6）。

表5 頂板穩(wěn)定性劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Roof stability division standard table

表6 底板分類標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Classification standard table of bottom plate

3 號(hào)煤層頂板30 m 范圍內(nèi)，巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，其次為粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖，抗壓強(qiáng)度在2.7～123 MPa，平均為40.97 MPa，屬于不穩(wěn)定— 極穩(wěn)定型頂板。

3 號(hào)煤層底板20 m 范圍內(nèi)，巖性多為巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖，抗壓強(qiáng)度在5.1～105.3 MPa，平均為34.56 MPa，遇水穩(wěn)定，底板應(yīng)屬普通底板。

6 結(jié) 論

（1） 井田內(nèi)構(gòu)造較為發(fā)育，大部分?jǐn)鄬忧懈盍? 號(hào)煤層，所有的陷落柱均發(fā)育至3 號(hào)煤層。這些構(gòu)造一方面會(huì)改變巖體的工程特征，使巖體的穩(wěn)定性受到很大影響，同時(shí)也是地下水進(jìn)入井巷的通道，在工程建設(shè)和采煤過(guò)程中具有很大的危害。因此在井田工作面開采過(guò)程中構(gòu)造地段應(yīng)按規(guī)定留設(shè)防隔水煤柱或注漿加固等措施，保證生產(chǎn)的安全。

（2） 井田內(nèi)主要為寬緩褶曲，在背向斜軸部轉(zhuǎn)折端等位置的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)改變，造成相應(yīng)部位工程地質(zhì)，水文地質(zhì)條件復(fù)雜化，引起煤層頂、底板穩(wěn)定性降低。

（3） 井田內(nèi)3 號(hào)煤層頂板覆巖巖性主要以粉砂巖、細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，巖石質(zhì)量為壞—一般，巖體質(zhì)量指標(biāo)為中等，巖性總體屬于軟—中硬巖層，不穩(wěn)定，易于垮落，所以在煤層開采過(guò)程中應(yīng)該注意頂?shù)装鍘r體的強(qiáng)度變化情況，防止頂板冒落現(xiàn)象的發(fā)生；3 號(hào)煤層底板巖性主要以砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖為主，巖石質(zhì)量為壞—一般，巖體質(zhì)量指標(biāo)為中等，巖性總體屬于軟—中硬巖層，不穩(wěn)定，所以在煤層開采過(guò)程中應(yīng)該注意底板巖體的強(qiáng)度變化情況，防止底鼓現(xiàn)象的發(fā)生。