面向智能化開采的礦井煤巖層綜合對比技術(shù)

王海軍，劉善德，馬 良，朱玉英，舒建生，王相業(yè)

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤巖層對比工作貫穿整個煤田地質(zhì)勘查與礦井生產(chǎn)階段的全過程，經(jīng)過多年的發(fā)展在地質(zhì)勘查階段已經(jīng)形成了較成熟的煤巖層對比理論和方法，基本可以滿足礦井設(shè)計及其勘探報告的需求，但是在進入礦井生產(chǎn)階段現(xiàn)有的煤巖層對比技術(shù)卻無法滿足礦井生產(chǎn)的需求，無法實現(xiàn)快速、有效的為巷道、工作面的設(shè)計、開采決策服務(wù)，尤其是在煤層間距近、煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、煤層分叉合并頻繁且地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的煤田，其中以我國西南地區(qū)的盤縣煤田為典型代表。

目前，煤巖層對比技術(shù)主要有標志層法[1-3]、古生法[4-5]、沉積旋回法[6-7]、底板高程法[8]、煤層間距法[9]、地質(zhì)勘探層追蹤法[10]、地球物理測井曲線[11-12]、地震勘探波阻抗反演[10-13]、煤巖煤質(zhì)法[14-15]、地球化學(xué)法[16]、其他方法等各種技術(shù)手段[17-18]。在煤炭地質(zhì)勘查過程中往往是多種方法相互補充、綜合進行對比劃分的；對于沉積環(huán)境及其相變較穩(wěn)定的煤田而言，標志層及其沉積旋回法的對比可以快速、有效的實現(xiàn)對煤層的對比；在構(gòu)造簡單煤礦區(qū)，通過煤層底板高程、煤層間距法等即可實現(xiàn)煤層的準確劃分與對比；而對于沉積相變頻繁、構(gòu)造復(fù)雜、煤層間距近且煤層數(shù)多的煤層群組發(fā)育的礦區(qū)，以及煤層穩(wěn)定性差、分叉合并頻繁的煤田而言煤層底板高程、煤層間距、地震勘探等方法均已經(jīng)失效；尤其是在礦井進入生產(chǎn)階段后，地質(zhì)勘查階段建立的標志層、古生物等對比標準賦存的層位位于煤層頂板高位而無法在礦井中開采或鉆探揭露而導(dǎo)致對比方法失效，同時，不利因素的疊加如多煤層的下行開采頂板垮落和斷裂構(gòu)造的發(fā)育導(dǎo)致煤層頂?shù)装逦恢檬д婊颉叭洝泵簩拥陌l(fā)育導(dǎo)致無法獲取煤層厚度等；但是，有利的因素是礦井生產(chǎn)階段煤層及其頂板大面積揭露獲取了大量的地質(zhì)資料、瓦斯參數(shù)測試、頂板維護和煤巖煤質(zhì)以及礦井開采支護等資料信息。如何將地質(zhì)勘查階段與礦井生產(chǎn)階段相結(jié)合，充分利用和挖掘礦井生產(chǎn)階段的信息，使其更好地服務(wù)礦井生產(chǎn)；同時將煤在礦井生產(chǎn)中積累的煤巖對比的經(jīng)驗方法轉(zhuǎn)化為科學(xué)的技術(shù)理論，指導(dǎo)煤礦高效掘進、安全生產(chǎn)，進而為煤礦自動化、智能化、無人化的開采提供精細的煤巖層對比技術(shù)支持。

為了解決上述問題，以貴州盤縣煤田火燒鋪井田為例，結(jié)合補充勘查工程，采用多種技術(shù)手段系統(tǒng)地將地質(zhì)勘查與礦井生產(chǎn)的煤巖層對比技術(shù)相融合，優(yōu)化煤巖層對比方法，重新構(gòu)建礦井生產(chǎn)階段精細化、綜合化的煤巖層對比方法體系，探索將生產(chǎn)地質(zhì)資料、開采技術(shù)條件等一切可以利用的標志性煤巖特征應(yīng)用于礦井生產(chǎn)階段的煤巖層對比之中。

1 地質(zhì)概況

火燒鋪煤礦屬于盤縣煤田盤江礦區(qū)，含煤巖系為二疊系龍?zhí)督M，含編號煤層30 層，其中可采煤層14 層、可采編號煤層7 層，煤層以中厚煤層為主，煤層結(jié)構(gòu)簡單[19-21]，礦井地質(zhì)條件中等–復(fù)雜，構(gòu)造地質(zhì)條件復(fù)雜，發(fā)育斷層、滑脫構(gòu)造、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造[22-25]；煤層以較穩(wěn)定–穩(wěn)定煤層為主，煤層對比主要通過地層古生物、巖性等標志層進行對比[26-27](圖1)，礦井屬于典型的構(gòu)造復(fù)雜且近距離煤層群組發(fā)育煤田。

圖1 火燒鋪煤礦含煤巖系綜合柱狀圖[25]Fig.1 Comprehensive column of coal-bearing series in the study area[25]

煤礦地質(zhì)勘查階段劃分的煤層穩(wěn)定性及其煤層賦存范圍基本可靠，隨著礦井生產(chǎn)揭露煤層內(nèi)的低幅度小型斷層的發(fā)育導(dǎo)致鄰近可采煤層、局部可采煤層，如1、3、5 煤層由于斷層作用導(dǎo)致1、3 兩層煤層直接接觸，同時發(fā)現(xiàn)在14 采區(qū)內(nèi)10、12 煤層在該區(qū)內(nèi)分叉合并，表現(xiàn)為10 煤層與12 煤層在該區(qū)域內(nèi)合并，而在21 采區(qū)內(nèi)12 煤層中部夾矸增厚導(dǎo)致該煤層在該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)分叉，分叉為12上、12下兩個分層，而在2 個采區(qū)接觸區(qū)域同時存在煤層10、12 煤層的分叉和12 煤層的合并區(qū)域，曾因煤層對比認識不清，12 煤層工作面部署不當(dāng)導(dǎo)致多條巷道或工作面廢棄等。此外，隨著盤江礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜煤礦智能開采工作面技術(shù)的發(fā)展，煤礦急需可靠的煤巖層對比方法和技術(shù)為煤礦井下巷道掘進、綜采工作面以及未來智能開采工作面煤巖對比以及智能開采工作面采煤機器截割曲線規(guī)劃提供支持。

2 綜合對比技術(shù)

礦井生產(chǎn)階段煤巖層對比技術(shù)按照地質(zhì)勘查階段標志層的梳理，堅持簡明適用、指導(dǎo)生產(chǎn)的原則，將煤層夾矸巖性、煤巖煤質(zhì)、煤層偽頂、直接頂板等低位的可以在井下觀測到、便于識別的巖性、古生物化石層、煤巖煤質(zhì)等作為礦井生產(chǎn)階段煤巖層對比的指標；同時根據(jù)煤礦井下巷道、工作面大面積揭露的頂板特殊的具有標志性的巖性、古生物化石層和生產(chǎn)階段頂?shù)装宸€(wěn)定性、瓦斯測試參數(shù)、頂板巖石力學(xué)特征、煤巖煤質(zhì)以及煤層開采后的形態(tài)等生產(chǎn)階段的特征作為煤層對比的標準，歸納總結(jié)將經(jīng)驗性的煤礦地質(zhì)工作進行合理的科學(xué)化或理論化，以指導(dǎo)煤礦安全、高效開采。

2.1 地質(zhì)勘查階段標志層提取

火燒鋪井田在地質(zhì)勘查階段通過地質(zhì)勘查鉆孔、槽探、地球物理測井、煤巖煤質(zhì)分析、鉆孔巖性組合等多種技術(shù)手段建立了系統(tǒng)的煤巖層對比技術(shù)和煤巖層對比標志層(表1)，通過近年來礦井生產(chǎn)揭露已經(jīng)建立的部分對比標志指導(dǎo)礦井生產(chǎn)。

表1 地質(zhì)勘查階段標志層分析Table 1 Analysis of marker layers in geological exploration stage

2.2 礦井生產(chǎn)階段巖性及其古生物特征

通過對地質(zhì)勘查階段建立的標志層體系，在對煤礦井下巷道、硐室、工作面通過系統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查，煤巖層樣品采集、古生物化石層標志層低位煤層頂板古生物、孢粉化石(圖2)、微體古生物(圖3)、巖石力學(xué)等樣品采集及測試、煤層瓦斯參數(shù)測試等技術(shù)手段，綜合分析。

圖2 煤層頂板孢粉化石特征Fig.2 Characteristics of sporopollen fossils in coal seam roof

圖3 井下煤層頂板古生物化石特征Fig.3 Characteristics of palaeobiological fossils in coal seam roof

2.2.1動物化石

距離1 煤層頂板0.15～1.50 m 砂巖中發(fā)育厚度0.10 m 厚的海豆芽化石層(圖3g、圖4b)，此外，發(fā)現(xiàn)煤層頂板普遍發(fā)育一種特殊的穴面三縫孢，呈圓形或三角圓形，大小45 μm 孢壁上有圓形小穴；3 煤層頂板為刺面單縫孢，其含量高于鄰近層位；12 煤層頂板含有三角形光面三縫孢、圓形光面三縫孢、圓三角形刺面三縫孢(圖2)，同時含有大量的樹皮碎片；18 煤層頂板發(fā)育個體較大的腹足類動物化石(圖4c)、19 煤層底板巖性以淺灰色的鋁質(zhì)泥巖、發(fā)育鮞粒結(jié)構(gòu)易于識別(圖4n)。

2.2.2植物化石

在5、7 煤層直接頂板砂巖中富含大羽羊齒植物化石葉片，但是二者的炭化程度明顯不同，表現(xiàn)為：5 煤層頂板的大羽羊齒葉片化石炭化嚴重，葉脈葉緣炭化無法辨識(圖4m)，而7 煤層炭化程度低，葉脈葉緣脈絡(luò)清晰易于辨識(圖4q、圖4p)；24 煤層頂板發(fā)育動植物化石共生層，表現(xiàn)為小型的舌型類、腹足類化石大量附著于植物葉片上(圖4e)。上述3 層煤層頂板中的植物化石層由于發(fā)育層位距離煤層較近，在煤礦井下生產(chǎn)過程中容易揭露、易于識別，可以作為煤礦生產(chǎn)階段該煤層對比的標志層。

圖4 古生物及其巖性組合特征Fig.4 Characteristics of palaeontology and its lithological assemblage

2.2.3巖性標志層

1 煤層頂部0.10～0.20 m 的位置發(fā)育厚度0.01～0.03 m 厚黑色高嶺石泥巖夾矸，該處夾矸厚度、發(fā)育位置較穩(wěn)定，在地面不易識別、在井下反射可見光和紅外熱成像特征明顯易于識別，可以作為煤巖層對比的標志層；3 煤層內(nèi)距離煤層頂板0.70～0.90 m 處發(fā)育一層厚度0.10 m 厚的黑色油脂光澤、白色條痕、隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、縱向節(jié)理發(fā)育的高嶺石泥巖、白色條痕在地面地質(zhì)勘查中不易識別，主要通過地球物理測井曲線的高自然伽馬特性進行識別，井下由于巷道掘進、采煤機截齒截割在井下可見光下呈光亮、油脂光澤特征明顯、測溫穩(wěn)定，同時在紅外光下特征明顯，因此，該夾矸層是3 煤層井下煤層對比的標準層；12 煤層底部發(fā)育構(gòu)造煤層厚度1.0 m 左右，12 煤層厚度最大，煤層頂板為泥巖與菱鐵巖互層；21 煤層及其頂板泥巖內(nèi)富含黃鐵礦。

上述煤層中的巖性標志在礦井生產(chǎn)階段揭露面積更大，更容易被識別，可以作為井下該煤層對比的標志層。

3 礦井生產(chǎn)階段開采技術(shù)特征

通過對煤礦井下開采技術(shù)條件如煤層的宏微觀煤巖、煤質(zhì)、煤層頂板巖石力學(xué)特征、煤層瓦斯含量、煤層的可見光、熱紅外等特征，結(jié)合礦井生產(chǎn)階段古生物、孢粉等觀察成果，綜合分析礦井生產(chǎn)階段開采技術(shù)特征。

3.1 煤巖特征

各煤層的宏觀煤巖類型總體上相差不大，但是上中下3 個巖性段內(nèi)煤層縱向比較，煤層的宏觀類型存在較大的差異，表現(xiàn)為上段煤層組中1、3、5 煤層以塊狀碎裂煤為主，中段12、14、17 煤層以碎粒、鱗片狀的碎粒、糜棱煤為主，尤其是17 煤層為鱗片狀、松散易碎同時煤層頂板為黑色破碎頂板、亦為鱗片狀，在井下工作面或巷道中該煤層頂板破碎難以支護、容易發(fā)生漏頂，導(dǎo)致多年的開采中尚不清楚煤層的厚度；下段各煤層以塊狀碎裂煤為主，煤體結(jié)構(gòu)較完整。

通過對16 層可采編號煤層鉆孔樣和井下刻槽樣60 個，進行顯微煤巖測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：各煤中有機組分含量較高，平均值在85%～90%，其中，鏡質(zhì)組含量最高，惰質(zhì)組含量次之，殼質(zhì)組含量最少；不同層段樹皮煤含量不同，其中，上段5 煤最高、中段12 煤最高、下段27 煤最高(圖5)；各煤層煤中無機礦物含量較低，1、3、5 煤層以氧化硅類礦物為主，黏土礦物和碳酸鹽礦物次之，硫化物類礦物極少；而24、24–1煤層以氧化硅類礦物為主，黏土礦物和硫化物類礦物次之，碳酸鹽礦物較少；其余各煤層均以黏土礦物為主，氧化硅類礦物次之，并含有少量硫化物類和碳酸鹽類礦物。而各煤層中含礦物基百分含量中黏土礦物含量具有明顯的特征表現(xiàn)為上段3 煤層最低、5 煤層最高，中段14 煤層最高、20 煤層最低，下段24–1煤層含量最低、向下隨著埋深的增加黏土礦物的含量逐漸增高；縱向上14 煤層最高、3 煤層最低，而其他礦物含量變化特征不明顯(圖6d、表2)。

圖5 顯微煤巖組分照片(500 倍油浸鏡下)Fig.5 Micrographs of macerals

表2 火燒鋪井田煤質(zhì)特征Table 2 Coal quality characteristics of Huoshaopu Coal Mine

圖6 煤層及其頂板工程地質(zhì)特征Fig.6 Engineering geological characteristics of coal seams and their roofs

3.2 煤質(zhì)特征

對1 216 個樣品進行煤質(zhì)測試，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)不同煤層、相鄰煤層間煤層的硫分、灰分、揮發(fā)分等指標具有明顯的差異性和規(guī)律性變化特征(表3)。

3.2.1全硫

經(jīng)統(tǒng)計，21 煤層以上的各煤層均為低硫或特低硫煤，原煤全硫質(zhì)量分數(shù)平均值均小于1%，21 煤層原煤全硫質(zhì)量分數(shù)為1.72%～7.74%，平均4.23%，22 煤層原煤全硫質(zhì)量分數(shù)0.15%～3.44%，平均0.62%；經(jīng)浮選后17 煤層硫分基本無降幅，難以脫硫，由此，可見原煤全硫質(zhì)量分數(shù)可作為17、21 煤層的對比特征之一。其次，自24 煤層開始，下段各可采煤層總體具有高硫特征，以平均值計，24 煤層原煤全硫質(zhì)量分數(shù)3.02%、24?1煤層為3.42%、26煤層為3.23%、27煤層為2.35%(表3、圖7a)。因此，原煤全硫特征可作為識別上、中煤組與下組煤層對比的手段之一。

圖7 煤質(zhì)特征對比Fig.7 Comparison of coal quality characteristics

表3 不同煤層瓦斯含量、瓦斯壓力參數(shù)測試結(jié)果回歸分析Table 3 Regression analysis of test results of gas content and gas pressure parameters in different coal seams

3.2.2揮發(fā)分

經(jīng)統(tǒng)計，縱向上各煤層原煤揮發(fā)分(Vdaf)逐漸降低，17 煤層以下(含17 煤層)，各煤層原煤揮發(fā)分總體在30%～35%，17 煤層以下各可采煤層揮發(fā)分總體低于30%。

3.2.3灰分、硫分綜合指標

井田最明顯的特征是12 煤層，以其低灰分、低硫為特征，灰分低于5%；硫分低于1%，一般為0.2%～0.5%；上段5 煤層高硫、高灰等，較3 煤層高，17 煤層的灰分高于18 煤(圖7b)。

綜上所述，本次結(jié)合煤層硫分、灰分綜合對比詳細查明了本區(qū)的煤層層數(shù)、主要煤層層位、厚度和分布范圍，實現(xiàn)了煤巖層對比的全區(qū)閉合(圖7b)。

3.3 煤巖層工程地質(zhì)特征

巖石力學(xué)參數(shù)是反映煤巖層工程地質(zhì)特征的物性指標，巖石力學(xué)特征受原始沉積、成巖控制，同時受后期強加和改造作用[28-29]?；馃伱旱V各煤巖層受沉積和后期改造雙重作用，因此，通過對煤礦井下煤層頂板巖石力學(xué)樣品采集測試、煤層巖體完整性、煤的堅固性系數(shù)測量、統(tǒng)計分析可以宏觀上確定其中幾層煤層的對比。

(1) 各煤層頂板巖石力學(xué)特征屬于破碎–較堅硬頂板，其中上段優(yōu)于中段、下段，其中中段煤層完整性最差，尤其是12?17 煤層間(圖6a)。

(2) 通過采用?95 mm 的金剛石繩索鉆具對地層、煤層全孔取心，結(jié)合井下巷道、硐室、工作面揭露，對巖體完整性統(tǒng)計分析表明：煤的完整性屬于差–中等，上段完整性優(yōu)于下段和中段，而中段尤其是12?17 煤層間巖體破碎，屬于完整性劣等巖體。

3.4 瓦斯地質(zhì)特征對比技術(shù)

通過對地面施工的15 個瓦斯補充勘探鉆孔、3 個煤層氣鉆孔和井下石門揭煤獲取的316 個合格的瓦斯及其煤層樣品測試結(jié)果以及煤礦井下不同位置不同編號煤層瓦斯參數(shù)測試所獲取的瓦斯壓力、瓦斯含量數(shù)據(jù)分析，對瓦斯壓力、瓦斯含量與煤層埋深、高程等相關(guān)性分析表明：

(1) 井田內(nèi)煤層瓦斯含量、瓦斯壓力參數(shù)與煤層的高程相關(guān)性差，而與煤層的埋深相關(guān)性顯著；說明煤層的瓦斯地質(zhì)參數(shù)受埋深和構(gòu)造控制。

(2) 不同編號的主要開采煤層瓦斯壓力、瓦斯含量與煤層埋深具有明顯的線性相關(guān)性，相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)R2>0.96(表3)。

因此，通過擬合回歸方程進行煤巖層對比，尤其是礦井進入深部開采范圍，瓦斯的壓力參數(shù)更為敏感(圖8)，該技術(shù)指標可以作為礦井生產(chǎn)階段煤巖層對比的輔助性標志。

圖8 煤層瓦斯含量及其壓力參數(shù)對比Fig.8 Contrast chart of gas content and pressure parameters in coal seam

3.5 煤巖光學(xué)特征對比技術(shù)

通過井下巷道、工作面可見光、熱紅外煤巖觀測與描述、成像分析發(fā)現(xiàn)：煤層及其夾矸在井下可見光、熱紅外成像圖上具有明顯的特征，表現(xiàn)為：

(1) 在地面地質(zhì)勘查鉆孔中揭露的3 煤層內(nèi)的夾矸為黑色、白色條痕、油脂光澤見節(jié)理構(gòu)造與煤層不易識別，但是在地球物理測井該夾矸表現(xiàn)為高放射性，可以通過條痕色和放射性測井進行識別，但是在煤礦井下不具備地球物理測井和條痕刮擦的條件；井下調(diào)查發(fā)現(xiàn)該夾矸巖性標志層在井下漆黑環(huán)境中，在可見光源照射下呈現(xiàn)為白色光亮油脂光澤與其上下煤層形成明顯的反差(圖9b、圖9c)，結(jié)合夾矸位置、煤層厚度、煤巖煤質(zhì)特征及煤層頂板化石層等特征可以作為井下煤巖層對比的標志層。

(2) 紅外熱成像儀圖像及其標志層標定提取(提取計算方法不再贅述)發(fā)現(xiàn)該標志層在工作面、巷道內(nèi)具有標識性和可追蹤性(圖9e、圖9f)，是煤層對比以及構(gòu)造復(fù)雜區(qū)煤層厚度識別或智能開采工作面煤巖識別的一種有效的技術(shù)途徑。

圖9 煤巖層井下光學(xué)特征對比Fig.9 Contrast map of underground optical characteristics of coal and rock layers

4 煤巖層精細化綜合對比技術(shù)體系構(gòu)建

4.1 總體思路

通過對火燒鋪井田地質(zhì)勘查階段和生產(chǎn)階段煤巖對比，剔除地球物理測井曲線、高位巖性及標志層、地球化學(xué)等，歸納總結(jié)煤礦多年生產(chǎn)揭露煤層及其頂?shù)装逄卣鳎釤捒梢杂糜诿旱V井下巷道、工作面生產(chǎn)階段的煤巖層快速、高效對比標志，重新構(gòu)建礦井生產(chǎn)階段煤巖層對比技術(shù)體系。

4.2 關(guān)鍵參數(shù)的選擇

4.2.1煤巖煤質(zhì)參數(shù)選擇

根據(jù)煤礦采集的1 568 個煤巖煤質(zhì)樣品的測試結(jié)果(表2)：不同編號煤層中，上段煤層均含有一定的樹皮，12 煤層樹皮體積分數(shù)最高20%～40%，無機物體積分數(shù)最低，低于5%；明顯與10、14、17 煤層差異較大，后者煤層中樹皮體積分數(shù)低于10%，無機物體積分數(shù)高于10%。

4.2.2微體古生物化石特征

根據(jù)煤層偽頂、直接頂板巖石內(nèi)植物、動物以及微體古生物化石采樣測試分析結(jié)果表明：井田范圍內(nèi)1 煤層頂板中特殊的穴面三縫孢，孢子的個數(shù)占比一般為3%～13%，是1 號煤層特有的成分，因此對比意義極大；3 煤層頂板的刺面單縫孢的相對含量高于鄰近煤層頂板，形成突出高峰，一般為20% 左右，最高達72%；12 煤層頂板的含三角光面三縫孢20%、圓形光面三面孢20%～40%、圓三角形刺面三縫孢含量較少為特征(圖10a)。

4.2.3煤巖光學(xué)特征參數(shù)特征

不同巖石的熱容比，對可見光、熱紅外的吸收、反射等性質(zhì)均各不相同，國內(nèi)外的學(xué)者通過煤巖光學(xué)特征進行了智能工作面的煤巖界面識別，取得了初步的效果[30-31](圖10b、圖10c)，本次用紅外熱成像儀獲得最佳效果的煤層及其夾矸圖像(圖9e)。

煤層的可見光亮度，井下工作面光照情況下，煤壁及其巷道內(nèi)夾矸與煤層的可見光特征明顯(圖10d、圖10e)，煤層與夾矸的亮度值灰度級差異顯著，易于識別和區(qū)分，夾矸的反射性較好(圖9b、圖9c)。

圖10 煤巖層精細化綜合對比參數(shù)特征Fig.10 Characteristics of comprehensive fine correlation parameters of coal and rock layers

光譜分析結(jié)果顯示：14 煤層之下出現(xiàn)Be 的高值，6 煤層以上V 的質(zhì)量百分數(shù)在0.007～0.010 ug/g。

4.2.4煤層頂板巖石力學(xué)特征

上組煤中3、5、7 煤的堅固性系數(shù)最高超過0.60，其中3 煤層堅固性系數(shù)最高于1.0；中組煤層中12、14、17 煤為碎裂煤層，煤層的堅固性系數(shù)不高于0.30，一般為0.12～0.30，其中17 煤層最小0.1 左右；12 煤層頂板巖層較14、17 煤層完整且?guī)r石力學(xué)強度較高，大于20 MPa，14、17 煤層頂板破碎、頂板巖石易崩解，完整性差(圖6)。

4.2.5瓦斯含量特征

礦井目前開采深度普遍大于500 m，各煤層中瓦斯壓力12 煤層最高、17 煤層次之、7 煤層再次之，1、3 煤層相差不大，5 煤層最低，其中12 煤層瓦斯壓力高于2.0 MPa，17 煤層1.2～1.80 MPa，5 煤低于1.0 MPa，1、3、5 煤層在1.00～1.30 MPa。不同煤層高壓容量瓦斯吸附等溫曲線測試結(jié)果表明，在同等條件下7 煤層的吸附能力最強，3 煤層最小，其他各煤層相差不大。

4.3 精細化綜合對比體系構(gòu)建

通過對火燒鋪煤礦煤巖煤質(zhì)測試分析、礦井生產(chǎn)階段瓦斯含量、瓦斯壓力參數(shù)等測試，煤層頂板完整性、煤體的宏觀結(jié)構(gòu)類型等綜合分析，構(gòu)建礦井生產(chǎn)階段煤巖層精細化綜合對比技術(shù)體系(圖11)。

圖11 礦井生產(chǎn)階段煤巖層精細化綜合對比技術(shù)體系Fig.11 Fine comprehensive correlation technology system of coal and rock layers in mine production stage

4.4 綜合對比結(jié)果

根據(jù)地質(zhì)勘查階段建立部分可以應(yīng)用的標志層，結(jié)合煤礦井下生產(chǎn)實踐重新建立的標志層，重新構(gòu)建火燒鋪煤礦礦井生產(chǎn)階段煤巖層精細化綜合對比技術(shù)體系，對比結(jié)果如圖12 所示。

圖12 煤巖層綜合對比Fig.12 Comprehensive correlation of coal and rock layers

(1) 14214 工作面雁列式正斷層導(dǎo)致該工作面區(qū)域內(nèi)14、17 煤層斷失，18 煤層頂板泥巖中的體積較大的腹足類動物化石的重復(fù)出現(xiàn)，判定18 煤層重復(fù)出現(xiàn)；主斜井24 煤層頂板動植物化石共生標志層為斜井煤層對比該煤層的重復(fù)出現(xiàn)，為中部地層破碎帶屬性的判識提供了依據(jù)。

(2) 14 采區(qū)10 煤層與12 煤層分叉合并，導(dǎo)致12 煤層在該區(qū)域煤層增厚，生產(chǎn)揭露亦證實了這一判斷，為該區(qū)域內(nèi)煤層開采、工作面的部署以及厚煤層瓦斯抽采、巷道的掘進等提供了有利的地質(zhì)依據(jù)。

4.5 適用性分析

本文的煤巖層對比是基于對煤田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造充分認識的基礎(chǔ)上，尤其是對斷裂構(gòu)造中斷距認知較清楚?；馃伨锇凑沾笮蛿嗔寻l(fā)育進行了煤礦的劃分，在礦井單位內(nèi)按照中等斷層進行盤區(qū)劃分，在采區(qū)、工作面尺度上斷層揭露的屬性以正斷層為主，逆斷層次之，斷層斷距0.50～10 m，斷層多發(fā)育于上段的3?5 煤層間、中段為12?17 煤層間，下段在24?26 煤層間，因此，正斷層煤層的缺失不會太多，1～2 個編號煤層范圍內(nèi)；逆斷層多出現(xiàn)同煤層及其鄰近的1～2 層煤層的重復(fù)；因此，煤層對比過程中多為鄰近煤層的對比，各煤層的煤巖煤質(zhì)、巖石力學(xué)、煤巖光學(xué)特征的差異性對比即可。

煤巖煤質(zhì)特征需要通過測試化驗，但是本文提出的煤巖煤質(zhì)特征主要是煤的宏觀煤體結(jié)構(gòu)特征，在火燒鋪井田該方法對12、14、17 煤層的對比非常直觀，特征顯著易于識別。

巖石光學(xué)特征其實是對煤層夾矸標志層在煤礦井下快速識別的光學(xué)特性科學(xué)表現(xiàn)，其本質(zhì)是煤層對比標志層，只是通過井下現(xiàn)場光學(xué)特征直觀、簡單、快速表達，對煤礦井下現(xiàn)場施工的適用性、指導(dǎo)性、操作性以及工人的學(xué)習(xí)接受更容易，無需專業(yè)技術(shù)人員或采樣后地面進行識別和辨識。只需要額外配備紅外光學(xué)成像儀或相機即可解決。

古生物化石、微體生物化石的識別需要專業(yè)的技術(shù)人員和專有的設(shè)備，同時，需要在地面實驗室內(nèi)進行，且工作的周期較長，因此，適應(yīng)性較差，但若是抓住了古生物的特征，在井下可以實現(xiàn)快速的對比和確定煤巖層位。

5 生產(chǎn)實踐的啟示與討論

5.1 煤巖層精細化對比思路

煤巖層對比的思路突破傳統(tǒng)的煤田地質(zhì)勘探中的煤巖層對比思路，煤巖層對比工作由地面探槽、鉆孔剖面的對比隨著地質(zhì)勘查、災(zāi)害探查、治理工作向井下石門、巷道、工作面方向拓展；同時煤層對比由資源儲量的計算向煤礦安全、高效、智能化開采方向方面拓展。

對比的精度向煤巖層、煤質(zhì)以及煤巖分層對比、分層顯微煤巖結(jié)構(gòu)以及煤層頂?shù)装逅?、礦壓顯現(xiàn)關(guān)鍵層、致災(zāi)層或保護層的對比；同時為了滿足煤礦高質(zhì)量發(fā)展、煤礦智能化對地質(zhì)透明化的需求，要求礦井生產(chǎn)階段的煤巖層對比必須對礦井頂板、水害、瓦斯、沖擊地壓等災(zāi)害地質(zhì)體、地質(zhì)構(gòu)造、煤層結(jié)構(gòu)等實現(xiàn)精細化對比，便于后期災(zāi)害治理、地質(zhì)屬性建模和智能開采設(shè)計。

5.2 智能開采的意義

在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)工作面智能開采對煤礦井下減人、增效具有非常重要的意義，而工作面內(nèi)煤層厚度、宏微觀煤巖結(jié)構(gòu)的精細對比對智能開采工作面開采設(shè)計、災(zāi)害防治具有重要意義。

目前針對智能開采工作面煤巖界面的識別尚未解決，通過對不同宏觀煤巖層在工作面的三維空間展布特征對比或煤層中某一層夾矸標志層的精細化對比，采用夾矸或某一煤巖小分層作為智能開采工作面標志層指導(dǎo)工作面煤層智能開采采煤機軌跡規(guī)劃，是構(gòu)造復(fù)雜區(qū)或火燒鋪煤礦智能開采的有效解決途徑。

5.3 煤炭提質(zhì)增效的意義

礦井進入生產(chǎn)階段，由于斷裂構(gòu)造、巖漿侵入、煤層夾矸及其厚度的變化導(dǎo)致煤層煤巖煤質(zhì)特征的變化，尤其是對于多煤層開采，如何實現(xiàn)不同編號煤層、同層煤層不同煤質(zhì)區(qū)域協(xié)調(diào)配采，實現(xiàn)不同編號煤層或同一編號煤層不同盤區(qū)幾個工作面煤層的科學(xué)配比，保障煤炭發(fā)熱量、灰分、水分等指標的前提下，降低煤矸石洗選、矸石處理，尤其是智能開采向深度發(fā)展，勢必向煤礦煤炭資源提質(zhì)增效方向發(fā)展。其中火燒鋪煤礦通過對優(yōu)質(zhì)的12、14、17 煤層與3、5、7 煤層的合理配采，實現(xiàn)了不同編號煤層配比后滿足精煤對灰分、硫分、發(fā)熱量的要求，大幅度降低了洗煤廠洗選的負擔(dān)，減少矸石泥煤處理的環(huán)保壓力，實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化，保證煤炭提質(zhì)增效。

6 結(jié)論

a.結(jié)合礦井深部瓦斯補充勘查工程系統(tǒng)地梳理了地面地質(zhì)勘查階段建立的標志層特征，并通過礦井生產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查評價上述標志層體系在礦井階段的有效性，在礦井內(nèi)開展了煤層頂板古生物、孢粉以及煤巖煤質(zhì)的系統(tǒng)分析，將其納入礦井生產(chǎn)階段煤巖層對比之中。

b.將礦井生產(chǎn)階段的沉積巖性組合的普遍性、巖性、古生物組合等特殊性地質(zhì)特征與煤、巖層工程地質(zhì)、瓦斯地質(zhì)等相關(guān)的開采技術(shù)條件等具有規(guī)律性、可對比性的一切特征引入到煤巖層的精細化、綜合化對比技術(shù)中。

c.智能化開采技術(shù)的發(fā)展需求，夾矸作為煤層及其煤巖界面識別的關(guān)鍵技術(shù)，雖然文中提出的利用煤層夾矸的光學(xué)特征識別煤巖層界面是個特殊的案例，但是這為煤礦井下智能化開采關(guān)鍵技術(shù)煤巖界面識別提供了新的思路和全新的嘗試，只要在煤礦井下工作面范圍內(nèi)抓住了對夾矸或某一煤巖小分層的識別和追蹤，就間接實現(xiàn)了對煤巖界面的識別。

d.煤巖層的對比技術(shù)是一門綜合性對比技術(shù)，本文立足以煤礦生產(chǎn)階段尤其是對于礦井盤區(qū)、工作面及其巷道尺度上的煤巖層對比技術(shù)，通過工程實踐表明，煤礦井下生產(chǎn)階段的煤巖物性、光學(xué)特征等可以應(yīng)用于煤礦井巷、工作面回采過程中，指導(dǎo)煤礦安全、高效開采。

e.將生產(chǎn)中的煤層頂板巖石力學(xué)特征、煤巖煤質(zhì)以及瓦斯地質(zhì)特征作為火燒鋪礦井生產(chǎn)階段煤巖層對比的標志層，取得了理想的效果，這種方法在盤縣煤田是否具有普遍性，還需要針對具體礦區(qū)構(gòu)建適應(yīng)各自礦井的煤巖層對比標志層。因此，在礦井生產(chǎn)階段地質(zhì)工作者可以根據(jù)礦井、盤區(qū)、工作面以及工作面開采區(qū)域的某個區(qū)段作為研究對象重新構(gòu)建井下煤巖層的對比標志層，以指導(dǎo)煤礦井下巷道的快速掘進、工作面部署以及順利回采。

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