河南禹州鴻暢煤炭礦區(qū)地質特征及開采技術條件分析

［關鍵詞］地質特征；開采技術條件；煤炭；河南禹州

煤炭是我國的主要能源之一[1]。在煤炭資源勘探開發(fā)領域，勘查階段的地質評價工作對于煤炭開采具有重要的意義，在很大程度上會影響開采方法的選擇[1-3]，選擇不同的支護材料與設備也會對礦井建設產生顯著的影響[2]。河南禹州鴻暢煤炭礦區(qū)位于禹州市西南部鴻暢鎮(zhèn)、郟縣北部安良鎮(zhèn)，為平禹煤田的后備資源勘探基地，臨近我國經濟發(fā)達地區(qū)，可以服務社會經濟的發(fā)展[3]。近年來，我國經濟發(fā)展對煤炭的需求持續(xù)增長，煤炭是我國主要能源的地位不會改變。因此，開展礦區(qū)地質特征及開采技術條件研究具有十分重要的意義。

1．地質特征

1.1 區(qū)域地質

鴻暢煤炭礦區(qū)位于禹州煤田的南部，根據華北石炭、二疊系地層單元劃分，屬華北地層。禹州煤田賦存地層由老至新依次為古生界寒武系（∈）、奧陶系中統(tǒng)馬家溝組（O₂m）、晚古生界石炭系（C）、二疊系（P）、中生界三疊系（T）、新生界新近系（N）、第四系（Q）。

禹州煤田位于華北古板塊板內區(qū)嵩箕構造區(qū)內的嵩箕斷隆小區(qū)[4]，整個煤田主體構造形態(tài)呈寬緩的北西走向的背、向斜狀。研究區(qū)位于禹州煤田東部，白沙向斜北、鳳后嶺背斜南西翼。北西向斷裂規(guī)模大，斷距大、延伸長，且具左行走滑性質。巖漿巖在本區(qū)不發(fā)育（圖1）。

1.2 礦區(qū)地質

研究區(qū)地層屬半隱伏型，在北部出露有二疊系上統(tǒng)石千峰組地層。根據本區(qū)及北部鄰區(qū)鉆孔揭露并結合區(qū)域地層資料，以地層沉積時序和接觸關系，區(qū)內賦存的地層由老至新有：寒武系長山組（∈₃ch）、石炭系太原組（C₂t）和本溪組（C₂b）、二疊系山西組（P₁s）、下石盒子組（P₁x）、上石盒子組（P₂s）和石千峰組（P₂sh）、三疊系劉家溝組（T₁l）、和尚溝組（T₁h）及第四系。含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組、下石盒子組和上二疊統(tǒng)上石盒子組。石炭系與二疊系及二疊系下統(tǒng)山西組與下石盒子組的對比均有標志層（L 11、平頂山砂巖等）。二疊系上統(tǒng)與下統(tǒng)的界線是從沉積旋回、巖性特征、化石組合等特征綜合考慮，并與鄰區(qū)對比后確定。本礦區(qū)為濱海和淺海沉積，在中奧陶世的風化殼上沉積了鋁土質泥巖、鐵質泥巖，因受古地形的影響，厚度變化較大。隨后，本區(qū)為大面積的陸棚淺海覆蓋，連續(xù)沉積了太原組。構造上，根據礦區(qū)地震資料和地質鉆孔揭露情況分析，本區(qū)位于禹州煤田景家洼向斜北東翼南東段，構造整體為單斜構造，傾向180°，傾角平均13°，東西走向。斷裂構造反映明顯[5]。根據區(qū)內地質資料分析，區(qū)內多斷層，斷層類型為正斷層，分為北東向和北西向，以北東向為主，因區(qū)內地層產狀平緩，為單斜構造，且發(fā)育有正斷層，本區(qū)構造復雜程度為中等。區(qū)內未見巖漿巖發(fā)育[5-8]。

2．煤層特征

2.1 煤層

本礦區(qū)含煤層位為山西組、下石盒子組和上石盒子組，含煤層6～9 組，煤層總厚度達12.13 m 以上，平均8.87 m，含煤系數1.3%，可采系數1.0%[6]。有經濟價值的為二疊系山西組和下石盒子組?？刹擅簩庸灿兴膶?，自上而下分別為七_２、六_２、四_２、二_１煤層，結構均比較簡單，大部分屬可采較穩(wěn)定煤層。礦區(qū)含煤層為三角洲平原沼沉積環(huán)境，支流水系發(fā)達，后期形成了聚煤場所[9]。

煤巖層巖性標志層主要是平頂山砂巖、田家溝砂巖、砂鍋窯砂巖與L 11石灰?guī)r?？刹擅簩雍穸炔灰?，七₂煤層上距平頂山砂巖標志層215～235 m，一般222 m；六₂煤層上距平頂山砂巖標志層305～323 m，一般313 m；四₂煤層上距平頂山砂巖標志層462～482 m，一般472 m；二₁煤層上距平頂山砂巖標志層640～665 m，一般655 m。各煤層特征如下：

七₂煤層為焦煤，不含夾矸石，位于平頂山砂巖標志層下約230 m，兩極厚度0.35～1.33 m，平均厚度0.87 m，屬薄煤層，可采厚度0.70～1.33 m，可采平均厚度1.13 m，通過13個穿過點分析，見煤點13個，可采點8個，可采率62%，可采面積26.70 km²，面積可采指數90%，可采連續(xù)性好。其頂底板巖性為粉砂巖和泥質粉砂巖。因此，七2煤層結構簡單，屬基本可采穩(wěn)定煤層（表1、圖2）。

六₂煤層焦煤，含1-2層夾矸石，位于平頂山砂巖標志層下約315 m，兩極厚度0.00～1.49 m，平均厚度0.78 m，煤層較薄，可采厚度0.70～1.49 m，可采平均厚度1.27 m。通過13 個穿過點分析，見煤點12 個，可采點9 個，可采率75%，可采面積23.46 km²，面積可采指數79%，煤層底板多為灰黑色泥巖及少量的細粉砂巖。因此，六2煤層結構較簡單，屬部分可采較穩(wěn)定煤層（表1、圖2）。

四₂煤層為焦煤，含少量夾矸石，位于平頂山砂巖標志層下約480 m，兩極厚度0.59～1.83 m，平均厚度0.93 m，屬薄煤層，可采厚度0.70～1.83 m，可采平均厚度1.17 m。通過13 個穿過點分析，見煤點13 個，可采點9 個，可采率69%，可采面積25.3 km²，面積可采指數89%，煤層厚度變異系數中等偏低，較穩(wěn)定。煤層頂板多為泥巖、個別為粉砂巖；煤層底板為灰黑色泥巖。因此，四2 煤層結構較簡單，屬大部分可采較穩(wěn)定煤層（表1、圖2）。

二_１煤層位于平頂山砂巖標志層下約653 m，L 11灰?guī)r上8.4 m左右，兩極厚度1.39～8.19 m，平均厚4.25 m，屬厚煤層，可采厚度0.80～8.19 m。通過13個穿過點分析，見煤點13個，見煤點13個，均可采，可采面積21.73 km²，屬全區(qū)可采煤層，煤層為穩(wěn)定煤層。煤質為瘦煤、貧瘦煤、貧煤，煤層頂板為泥巖、炭質泥巖、粉砂巖；底板多為粉砂巖、泥巖。因此，二_１煤層結構較簡單，屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層（表1、圖2）。

2.2 煤質

該區(qū)各煤層是在二疊世時濱海相—陸相的三角洲泥炭沼澤環(huán)境堆積而成，從上石盒子的九煤層（組）到山西組的二煤層，形成自上而下的可采煤層有七₂、六₂、四₂、二₁等4層煤和不可采的九、八、五₂等三層煤（組）[8]。物理性質，各煤層沉積環(huán)境相近，煤的物理特征相似，一般為黑色，條痕黑色；玻璃光澤～似金屬光澤；煤多為粉末—細粒狀（表2）。化學性質，各煤層揮發(fā)分產率變化不大，同一煤層無明顯變化規(guī)律。揮發(fā)分產率與煤的變質程度有關，二₁煤層為貧瘦煤揮發(fā)分產率低于上部煤層。據發(fā)熱量分析，二₁煤層屬高發(fā)熱量煤，其余煤層均屬中高發(fā)熱量煤。各煤層的精煤發(fā)熱量均大于原煤發(fā)熱量，灰分組成基本相近，相差不大，主要為酸性氧化物。除二₁層為貧瘦煤外，其他為焦煤（表3）。根據工業(yè)用煤的不同要求，礦區(qū)的二₁煤層可以作為動力用煤和民用煤。七₂、六₂、四₂三個煤層以焦煤為主，可以作為煉焦配煤和民用煤。

煤質上，區(qū)內煤質主要受區(qū)域變質作用影響，主要作用于不同煤層之間，同一煤層不同煤變質階段（煤類）煤的變質作用不太明顯。二₁煤層的變質程度比六₂、七₂煤層高，早期形成的煤層比中晚期形成的煤層變質程度高，出現貧煤、貧瘦煤—瘦煤—焦煤的變質階段。各煤層以區(qū)域變質作用為主，變質程度與其在現代構造中的埋藏深度有關。本區(qū)在縱向上煤變質作用有變化，而橫向上煤變質作用變化不明顯。北部埋藏淺，變質程度略低于南部，東、西部變質程度不明顯。

3．礦區(qū)開采技術條件

礦井直接充水含水層為煤層頂底板砂巖裂隙含水層，二疊系碎屑巖類裂隙水富水性較弱，影響較小。含水層水平徑流微弱，主要通過垂直滲透以層間徑流的方式補給，補給來源主要為松散層孔隙水和太原組巖溶裂隙水。

礦區(qū)含、隔水層（段）主要包括松散巖類含、隔水層（組）、二疊系上統(tǒng)石千峰組—下三疊系劉家溝組砂巖裂隙含水層、七₂—八煤二疊系上統(tǒng)上石盒子組隔水層、七₂煤頂板砂巖裂隙含水層、六₂—七₂煤二疊系下統(tǒng)下石盒子組頂段～上石盒子組底段隔水層、六₂煤頂板砂巖裂隙含水層、五₂—六₂煤二疊系下統(tǒng)下石盒子組中段隔水層、五₂煤頂板砂巖裂隙含水層、四₂—五₁煤二疊系下統(tǒng)下石盒子組下段隔水層、四2煤頂底、板含水層、二₁—四₂煤二疊系下統(tǒng)下石盒子組底段—山西組頂段隔水層、二₁煤層頂板直接充水含水層、二₁煤層底板間接充水含水層（太灰）與寒武系巖溶水。礦區(qū)充水主要來自賦存于裂隙發(fā)育砂巖中的地下水，富水程度主要取決于巖體裂隙發(fā)育程度、貫通程度和補給條件。區(qū)內斷層導水能力較差。但在斷層局部地段，由于其切割、錯動，造成二₁煤層與太原組灰?guī)r具斷層接觸關系，位于該地段以下易轉化為導水斷層，或滯后突水，使礦區(qū)的水文地質條件趨向復雜。綜上，本礦區(qū)礦床水文地質條件屬中等。

工程、環(huán)境地質方面，礦區(qū)煤層頂板和底板巖石均為泥巖、粉砂巖，屬堅硬—半堅硬、半堅硬巖組，煤層頂底板之泥巖多具有遇水軟化的現象，同時其力學強度明顯降低。砂巖屬中等穩(wěn)定型，粉砂巖屬中等—不穩(wěn)定型，泥巖屬不穩(wěn)定型。本礦區(qū)工程地質類型為堅硬、半堅硬巖層為主的層狀礦床，工程地質條件中等。礦區(qū)地處伏牛山向豫東南平原過渡地帶，主要河流為潁河，藍河。屬暖溫帶季風氣候，年均氣溫14.4 ℃，年均降水量680 mm。礦區(qū)及附近存在斷裂，但對礦區(qū)場地穩(wěn)定性不構成影響，不存在全新活動性斷裂，場地比較穩(wěn)定，區(qū)域環(huán)境地質現狀良好。本礦區(qū)煤層總體瓦斯含量不高，但礦區(qū)生產會產生采空區(qū)，造成地面塌陷，破壞地表建筑物和農田，同時煤矸石的堆放，經風吹雨水沖刷，會污染周邊環(huán)境。在發(fā)展生產的同時，加強對環(huán)境的保護治理，減少對環(huán)境的危害，初步可判定本礦區(qū)環(huán)境地質條件為中等。

4．結論

（1）因區(qū)內地層產狀平緩，為單斜構造，且發(fā)育有正斷層，礦區(qū)地質構造復雜程度為中等類型。

（2）煤層沉積環(huán)境為三角洲平原沼澤環(huán)境，含煤地層為二疊系山西組、下石盒子組和上石盒子組?？刹擅簩佑兴膶樱鲗咏Y構均比較簡單，屬大部分可采較穩(wěn)定煤層，標志層為L11（太原組最頂部一層薄層灰?guī)r）與平頂山砂巖。

（3）礦床的水文地質類型屬水文地質條件中等的裂隙充水礦床，充水主要來自賦存于裂隙發(fā)育砂巖中的地下水，富水程度主要取決于巖體裂隙發(fā)育程度、貫通程度和補給條件。工程地質條件中等，環(huán)境地質條件良好。但需要注意開采引起的地面沉降與塌陷隱患。