鴛鴦湖礦區(qū)2號(hào)煤層頂板巖性及物理力學(xué)性質(zhì)關(guān)系研究

王 貝，馬永祥*，黃 康，劉 晶，馬 健，孫 迪，王寧楊

（1.寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)局，寧夏銀川 750001；2.吉林大學(xué)，吉林長(zhǎng)春 130026）

1 地質(zhì)條件

鴛鴦湖礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地西緣寧東煤田中北部，擁有5 座礦井，由南至北分別是清水營(yíng)、梅花井、石槽村、紅柳、麥垛山煤礦。礦區(qū)內(nèi)地形低緩平坦，地表大部分被風(fēng)成壟狀及新月形流動(dòng)沙丘掩蓋［1-2］，發(fā)育地層由老至新依次是中生界三疊系上田組，侏羅系延安組、直羅組和安定組，白堊系，古近系和第四系。含煤地層為中生界侏羅系延安組，巖性主要由灰、灰白色長(zhǎng)石石英粗－細(xì)粒砂巖，深灰色、灰黑色粉砂巖和泥巖，含少量鋁質(zhì)泥巖。粗粒砂巖多呈厚層狀及塊狀，具大型板狀、槽狀交錯(cuò)層理，細(xì)粒砂巖多為薄層狀及中厚層狀，具波狀、緩波狀及混濁狀層理，常含有煤屑及其透鏡體和炭化植物莖干，局部含石英小礫石，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，少量鈣質(zhì)膠結(jié)。

礦區(qū)主體構(gòu)造發(fā)育有近南北向的一系列背向斜和斷裂及東西向的次一級(jí)壓性斷層。礦區(qū)自上而下可編號(hào)煤層18層，2號(hào)煤層全礦區(qū)分布，為含煤地層淺部穩(wěn)定可采煤層，埋深120.16～222.52m，靠近露頭位置較淺（圖1），煤層厚度0.27～10.71m，平均4.91m（表1），頂板巖性主要為粉砂巖、泥巖、粗粒砂巖和細(xì)粒砂巖（圖1）。

圖1 2號(hào)煤埋深及頂板巖性Figure 1 Burial depth and roof lithology of No.2 coal seam

表1 煤層埋藏及頂板巖性特征Table 1 Coal seam burial and roof lithology characteristics in the mining area

從巖性及巖性組合分析，2 號(hào)煤層及上覆地層沉積時(shí)期以分流河道砂質(zhì)沉積為主，反映了該時(shí)期湖水退出，沉積環(huán)境以三角洲平原為特點(diǎn)，煤層頂部自深向淺砂巖顯著增厚，含砂率逐漸增高，其垂向?qū)有虮憩F(xiàn)為向上變細(xì)的特點(diǎn)，平面上由南向北變粗變厚的特征，表明該時(shí)期可能存在沖積河道和泛濫盆地的古沉積環(huán)境。

區(qū)內(nèi)礦井多以緩坡斜井和立井為主的雙翼開(kāi)拓方式［3］，采煤方式均為現(xiàn)代長(zhǎng)臂式綜合機(jī)械化開(kāi)采工藝，其特點(diǎn)是采煤工作面相對(duì)較長(zhǎng)，為600～5 000m，推進(jìn)速度極快［4］。伴隨著煤礦生產(chǎn)形成大面積采空區(qū)，地面沉陷范圍也逐年增多［5-6］。

2 研究方法

本文以地質(zhì)學(xué)原理為基礎(chǔ)，采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)，顯微試驗(yàn)、巖石物理力學(xué)試驗(yàn)，選取巖性、真密度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)［6-13］，研究不同巖性與真密度、不同真密度與力學(xué)性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系［7-8］，輔以礦區(qū)地表采煤沉陷調(diào)查進(jìn)一步研究煤層頂板巖石物理力學(xué)性質(zhì)、不同埋藏深度煤層在開(kāi)采后對(duì)地表的變形影響，從而探討鴛鴦湖礦區(qū)頂板巖性與物理力學(xué)性質(zhì)之間的內(nèi)生關(guān)系［9-12］。

試驗(yàn)選取了梅花井和麥垛山煤礦的9組具有代表性的巖石樣品進(jìn)行礦物顯微試驗(yàn)，粗粒砂巖、粉砂巖和泥巖各分為3 組，礦物組分結(jié)果取均值。15組具有代表性的巖石樣品進(jìn)行了物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，從5 座煤礦近5 年的勘查工作中篩選出70 個(gè)代表性鉆孔，113 件樣品的物理力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)加以補(bǔ)充。

3 結(jié)果分析

3.1 地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)各煤礦2號(hào)煤層頂板巖性進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)可以看出：礦區(qū)北部的清水營(yíng)煤礦2 號(hào)煤層頂板泥巖不發(fā)育，粉砂巖巖性占比20%，粗粒砂巖和細(xì)粒砂巖總占比80%；梅花井煤礦泥巖占比8%，粉砂巖占比76%，泥巖粉砂巖總占比84%，粗粒砂巖和細(xì)粒砂巖總占比16%；石槽村煤礦泥巖占比13%，粉砂巖占比50%，泥巖和粉砂巖總占比63%，粗粒砂巖和細(xì)粒砂巖總占比38%；礦區(qū)南部的紅柳煤礦泥巖占比12%，粉砂巖占比31%，泥巖粉砂巖總占比43%，粗粒砂巖和細(xì)粒砂巖總占比57%；麥垛山煤礦泥巖占比13%，粉砂巖占比75%，巖性以粗顆粒的粗粒砂巖和細(xì)粒砂巖為主，南部的梅花井、麥垛山、紅柳煤礦2 號(hào)煤層頂板巖性以細(xì)顆粒的泥巖粉砂巖為主，二者比例均超過(guò)50%，前兩煤礦泥巖粉砂巖巖性占比高達(dá)80%以上。

3.2 顯微試驗(yàn)

2023 年1 月4—6 日在寧夏回族自治區(qū)煤炭質(zhì)量檢測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展完成了巖心礦物成分顯微試驗(yàn)，在顯微鏡下粗粒砂巖、粉砂巖和泥巖的礦物組分特征如下：

1）粗粒砂巖。礦物成分主要由石英、長(zhǎng)石、云母、巖屑及重礦物組成。石英占72.84%，光滑潔凈，含顯微包體，波狀消光；長(zhǎng)石占16.97%，主要為正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石和條紋長(zhǎng)石；云母以黑云母居多，褪色，蝕變強(qiáng)烈；巖屑有云母石英片巖、泥巖、石英巖等；重礦物有電氣石、石榴石、鋯石、磷灰石、綠簾石和磁鐵礦等。從礦物成分看出這是一種不穩(wěn)定組合，是風(fēng)化不徹底的產(chǎn)物。根據(jù)重礦物的種類(lèi)及其組成，反映煤系延安組沉積源巖主要為酸性巖漿巖和變質(zhì)巖。

2）粉砂巖和泥巖。粉砂巖多為灰和淺灰色長(zhǎng)石石英、石英粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖。礦物成分由云母、長(zhǎng)石、石英、填隙物等組成。黑云母較多，大多容易水化；石英幾乎全為單晶，表面模糊，邊緣溶濁；填隙物占40%，主要是鐵泥質(zhì)、鈣泥質(zhì)和鋁土質(zhì)，少量菱鐵質(zhì)、綠泥石，普遍含有機(jī)質(zhì)，含較多重礦物。泥巖主要為黑灰、黑色團(tuán)塊狀高嶺石質(zhì)泥巖、高嶺石－水云母質(zhì)泥巖，礦物成分主要為高嶺石、水云母、伊利石等鋁土礦物，含少量礦物碎屑，多見(jiàn)黃鐵礦球粒、結(jié)核、菱鐵礦結(jié)核、植物葉片和根化石，可見(jiàn)鋯石、電氣石、綠簾石等重礦物。

3.3 物理力學(xué)試驗(yàn)

2022年9—12月與甘肅蘭巖巖土建材檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室共同完成了對(duì)2號(hào)煤層頂板巖石物理力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，煤層頂板巖層巖性分布組合、礦物成分及膠結(jié)程度均體現(xiàn)在物理和力學(xué)性質(zhì)方面。

1）物理力學(xué)性質(zhì)特征。對(duì)2號(hào)煤層頂板巖石密度進(jìn)行分類(lèi)，相同巖性取算術(shù)平均值，發(fā)現(xiàn)泥巖巖性真密度最小，粗粒砂巖巖性真密度最大，如圖2所示。

圖2 真密度、抗壓強(qiáng)度與巖性的關(guān)系Figure 2 Relationship between true density，compressive strength and lithology

由圖2可以看出，隨著顆粒變大，巖石真密度增大，抗壓強(qiáng)度反而減小，這與巖石礦物成分、填充物及膠結(jié)程度有關(guān)。

2）物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān)性研究。鴛鴦湖礦區(qū)巖石真密度隨著顆粒變大而增大，單項(xiàng)抗壓強(qiáng)度反而減?。▓D3）。

圖3 抗壓強(qiáng)度與真密度的相關(guān)性Figure 3 Correlation between compressive strength and true density

泥巖天然抗壓強(qiáng)度平均值17.15MPa，飽和抗壓強(qiáng)度平均值7.94MPa，粗粒砂巖天然抗壓強(qiáng)度平均值10.19MPa，飽和抗壓強(qiáng)度平均值為5.83MPa，天然狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度約是飽和狀態(tài)的2 倍，真密度與飽和抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.419 7，說(shuō)明相關(guān)性較好［13-16］。

2 號(hào)煤層頂板巖石礦物成分復(fù)雜，隨著巖石顆粒增大，孔隙度增大，吸水率也增大。單軸抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明：干燥抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于天然抗壓強(qiáng)度，天然抗壓強(qiáng)度普遍高于飽和抗壓強(qiáng)度，說(shuō)明鴛鴦湖礦區(qū)巖石遇水后容易軟化。在實(shí)際生產(chǎn)中，也表明有的礦區(qū)2 號(hào)煤層頂板為粗粒砂巖的地帶，巷道頂部容易出現(xiàn)冒落，巷道壁容易出現(xiàn)片幫，巷道底部更容易出現(xiàn)底鼓等工程地質(zhì)問(wèn)題。

巖石抗拉強(qiáng)度與真密度關(guān)系不大。從圖4 看出，巖石抗拉強(qiáng)度變化較小，相關(guān)系數(shù)R2=0.002 4，說(shuō)明相關(guān)性較差。

圖4 抗拉強(qiáng)度與真密度的相關(guān)性Figure 4 Correlation between tensile strength and true density

彈性模量與巖石真密度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，泥巖、細(xì)粒砂巖真密度小，其彈性模量較小，泥巖平均值0.61MPa，細(xì)粒砂巖平均值0.40MPa。粉砂巖和粗粒砂巖真密度變大時(shí)，彈性模量隨著變大，并且表現(xiàn)出明顯的增量，粉砂巖平均值為2.26MPa，粗粒砂巖平均值1.59MPa，相關(guān)系數(shù)R2=0.517 8，說(shuō)明相關(guān)性較好，如圖5所示。

圖5 彈性模量與真密度的相關(guān)性Figure 5 Correlation between elastic modulus and true density

4 結(jié)論

1）鴛鴦湖礦區(qū)2號(hào)煤層頂板巖性以灰和淺灰色長(zhǎng)石石英、石英粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖為主，含鋁質(zhì)黑灰、黑色泥巖，遇水容易軟化，北部以不等粒長(zhǎng)石石英粗粒砂巖為主。

2）鴛鴦湖礦區(qū)2號(hào)煤層巖石單項(xiàng)抗壓強(qiáng)度總體很低，礦區(qū)地層屬于緩傾斜，巖石飽和單項(xiàng)抗壓強(qiáng)度基本都小于20MPa，平均飽和單項(xiàng)抗壓強(qiáng)度均小于10MPa，多屬于軟弱、極軟弱巖層的容易冒落頂板，現(xiàn)代化采煤方式加速了地面沉陷［17］。

3）鴛鴦湖礦區(qū)2 號(hào)煤層頂板巖石物理、力學(xué)性質(zhì)關(guān)系密切，相關(guān)性強(qiáng)，真密度隨著顆粒粒徑變大而增大，與單項(xiàng)抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，與彈性模量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。