內(nèi)蒙古魯蒙能源鷹駿三號礦井工程地質(zhì)特征

蔣旭輝

（中煤地華盛水文地質(zhì)勘察有限公司，河北邯鄲 056004）

上海廟礦區(qū)從南向北依次為鷹駿一、二、三、五號礦井。鷹駿三號礦井位于上海廟礦區(qū)的中部，西距盛魯電廠約2.5km。設(shè)計生產(chǎn)能力6.00Mt/a，可采煤層為2 煤、2下煤、5 煤、8 煤、14 煤、15 煤、18 煤、19煤、20煤、21煤。礦井投產(chǎn)后首采煤層為二煤，開采方式為一次采全高綜采采煤方法，立井開拓。

煤層圍巖巖體質(zhì)量和穩(wěn)定性是中國西部煤炭安全開采的重要因素［1-3］，本礦井開采地質(zhì)條件研究程度較低，特別是煤層頂板侏羅系礦井西南側(cè)F1斷層落差大于300m，斷層將西側(cè)的“寶塔山砂巖”強含水層向上抬升300 多米，使斷層西側(cè)強含水層與斷層東側(cè)可采煤層距離拉近，增大開采危險性［4］。為滿足礦井建設(shè)和安全生產(chǎn)，需要查明直羅組和“寶塔山砂巖”含水層的水文地質(zhì)工程地質(zhì)特征。本文分析研究了影響主要煤層開采的白堊系、侏羅系工程地質(zhì)特征和穩(wěn)定性，為礦井建設(shè)及生產(chǎn)提供工程地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)條件

1.1 地層

礦井內(nèi)鉆孔揭露地層由老至新主要有三疊系延長組，侏羅系延安組（J2y）、直羅組（J2z），白堊系志丹群（K1Zd），古近系及第四系。其中含煤地層為侏羅系延安組（J2y）。

1）延安組（J2y）。為本礦井主要含煤地層，上部為淺灰色、灰色泥質(zhì)粉砂巖，見可采煤層2 層（2、2下），巖石較為堅硬；中部主要為灰色，灰黑色的細砂巖、粉砂巖、中粗砂巖，見可采煤層4 層（5、8、13、15）；下部為褐色，褐黃色等雜色薄層泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，底部以灰白色的細—中粗粒砂巖，即“寶塔山砂巖”（圖1）。據(jù)勘查資料本組厚度159.69～496.45m，平均厚度322.44m。

圖1 礦井煤巖關(guān)系示意Figure 1 Schematic diagram of coal-rock relationship in the mine

2）直羅組（J2z）。為一套河湖相沉積的砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖組成，顏色以灰綠、黃綠、藍灰、灰褐色為特征。與下伏延安組含煤地層呈低角度不整合接觸。本組厚度61.30～417.66m，平均厚度243.96m。底部為灰白色厚層狀、局部雜褐色、黃色的粗粒石英長石砂巖，含石英成分的小礫石，即“七里鎮(zhèn)砂巖”，該層砂巖較為松軟，抗壓強度低，遇水易崩解，軟化系數(shù)小于0.75，為軟弱或極軟弱巖石。

3）白堊系志丹群（K1Zd）。上部為淺紫色、紫色、灰色、灰白色、灰綠色的泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，夾中粗砂巖、細砂巖、粉砂巖薄層，波狀、交錯層理。下部為灰白色的砂礫巖，礫石成分主要為石英巖、砂巖，少量為花崗巖、灰?guī)r及中基性巖，礫石直徑0.3～7cm，次棱角狀，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，局部礫石周圍黃鐵礦富集，常見綠泥石化、高嶺土化，有少量黑云母。本層厚度78.35～345.90m，平均厚度250.38m。與下伏直羅組呈角度不整合接觸。

1.2 礦井構(gòu)造

本區(qū)構(gòu)造形態(tài)為一個走向近SN，傾向近E 的單斜構(gòu)造，次級褶曲多呈寬緩型，地層傾角為2°～25°，東南部斷裂構(gòu)造較為發(fā)育。

2 煤層圍巖工程地質(zhì)特征

本次勘查在5 個鉆孔共采集巖石力學樣284組。表1為B6孔的物理力學實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

表1 B6鉆孔地層巖石物理力學指標統(tǒng)計Table 1 Statistics of physical and mechanical indexes of rock in B6 borehole stratum

從表1 可以看出，各地層的巖石力學性質(zhì)整體較差；不同地層、不同巖性的物理性質(zhì)差別較大。白堊系中砂質(zhì)泥巖各項物理力學指標平均值整體較砂巖、礫巖低，這也反映了砂巖的力學性質(zhì)較砂質(zhì)泥巖較好。而天然含水率則表現(xiàn)為砂質(zhì)泥巖類略高，反映了砂質(zhì)泥巖含水性要好，而砂巖、礫巖則含水性較差；侏羅系直羅組砂質(zhì)泥巖的各力學指標較中、細砂巖要小，反映了砂巖類的力學性質(zhì)較泥巖類要好，而天然含水率則表現(xiàn)為砂質(zhì)泥巖類略高，反映了砂質(zhì)泥巖含水性要好，而砂巖類則含水性較差。

3 煤層圍巖巖體質(zhì)量評價

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)面特征及堅硬程度等因素共同決定的［5-7］。根據(jù)巖體質(zhì)量系數(shù)法和巖體質(zhì)量指標法，對煤層直接頂?shù)装鍘r體質(zhì)量進行評價［8-10］。

3.1 評價方法

1）巖體質(zhì)量系數(shù)法。采用式（1）計算［11-13］。

式中：Z為巖體質(zhì)量系數(shù)；I為巖體完整系數(shù)（無資料時可用RQD值代替）；f為結(jié)構(gòu)面摩擦系數(shù)（內(nèi)摩擦角的正切值）；s為巖塊堅硬系數(shù)。s=Rc/10；Rc為巖塊飽和軸向抗壓強度。

2）巖體質(zhì)量指標法。采用式（2）計算［14-16］。

式中：Rc為巖塊飽和軸向抗壓強度；RQD為巖石質(zhì)量指標。

3.2 評價結(jié)果

根據(jù)5個鉆孔的物理力學實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)采用式（1）和式（2）對2煤、2下煤、5煤、8煤及15煤的圍巖巖體質(zhì)量進行了評價（表2）。

表2 2、2下、5、8、15煤層直接頂?shù)装鍘r體質(zhì)量評價結(jié)果Table 2 Quality evaluation results of the roof and floor rock of coal seams 2，2L，5，8，and 15

由表2 可以看出，各主采煤層直接頂?shù)装鍘r性主要為砂質(zhì)泥巖、中細砂巖，巖體較破碎，部分巖石遇水崩解，無法測得其飽和抗壓強度，無法評價其巖體質(zhì)量，但從側(cè)面也反映了巖體質(zhì)量較差。各主采煤層直接頂板巖體質(zhì)量等級為極壞-壞，巖體質(zhì)量為差，2煤直接頂板和8煤直接頂板個別地區(qū)巖體質(zhì)量稍好，質(zhì)量等級為一般，巖體質(zhì)量為中等；各煤層直接底板巖體質(zhì)量等級為極壞—壞，巖體質(zhì)量為差。

4 煤層頂板30m、底板20m 范圍內(nèi)巖體質(zhì)量評價

礦井內(nèi)2煤與2下煤的距離為2.13～11.79m，距離較近，所以本次評價將2煤與2下煤合并為1層評價。根據(jù)巖石力學實驗資料評價2 煤頂板、5 煤頂板、8煤頂板及15 煤頂板30m 范圍內(nèi)的巖石質(zhì)量和2下煤底板、5 煤底板、8 煤底板及15 煤底板20m 范圍內(nèi)巖石質(zhì)量（表3）。

表3 煤層頂板30m、底板20m范圍內(nèi)巖體質(zhì)量評價結(jié)果Table 3 Quality evaluation results of rock within 30m of the coal seam roof and 20m of the floor

由表3 可以看出，各煤層頂板30m 范圍內(nèi)巖石力學強度較低，巖體質(zhì)量等級為極壞—一般，巖體質(zhì)量為差—中等；2 煤和15 煤底板20m 范圍內(nèi)巖體質(zhì)量等級為極壞—一般，巖體質(zhì)量為差—中等，5 煤和8 煤底板巖體質(zhì)量較差，20m 范圍內(nèi)巖體質(zhì)量等級為極壞—壞，巖體質(zhì)量為差。

5 結(jié)語

礦井內(nèi)構(gòu)造較為發(fā)育，共發(fā)現(xiàn)斷層168條，對礦井影響最大的時礦井中西部的F1斷層和礦井東南部的FD1斷層。斷層構(gòu)造破壞巖體的整體性，改變巖體的工程特征，使巖體的穩(wěn)定性受到很大影響，同時也是地下水進入井巷的通道，在工程建設(shè)和采煤過程中具有很大的危害。

礦井內(nèi)煤層頂板巖石力學強度低，抗壓強度、抗拉強度低，為軟弱—極軟弱巖石，部分地區(qū)為中硬巖石。2 煤、5 煤、8 煤和15 煤頂板均為不穩(wěn)定頂板，煤層掘進回采時要采取軟弱巖層支護措施，防止頂板冒落事故的發(fā)生。煤層底板巖石抗壓強度大多小于10MPa，穩(wěn)定性差，為軟弱破碎底板，在掘進回采時要密切注意煤層巖體質(zhì)量變化情況，防止底鼓現(xiàn)象的發(fā)生。