煤系巖石強度的影響因素分析

馮 強

（山西省煤炭工業廳煤炭資源地質局，山西 太原 030045）

·問題探討·

煤系巖石強度的影響因素分析

馮 強

（山西省煤炭工業廳煤炭資源地質局，山西 太原 030045）

分析了大同煤田南部水泉—南泉灣礦區煤系中形成于不同沉積環境的86組巖石樣品的沉積特征和強度；結果表明，巖石的強度與沉積環境有著密切的聯系。巖石強度的變化主要受控于巖性特征、沉積環境中水動力條件的強弱、變化幅度的大小及生物發育豐富程度等幾種因素。對煤系巖石力學性質強度的分析，在礦井設計、開采中巖石強度參數廣泛的應用具有十分重要的指導意義。

礦區；沉積特征；沉積環境；巖石強度；古地理沉積環境；分析

在煤炭資源勘查中，要求施工鉆機在鉆孔中采樣且在采樣中必須按照《煤炭地質勘探采樣規程》采取各類巖石樣品，樣品必須具有代表性。然而，任何一種巖石的力學性質都在很寬的范圍內變化。為了更客觀地評價巖石強度的影響因素，本文分析了來自不同古地理沉積環境的86組樣品的水動力條件強弱及巖石強度特征等。

1 礦區地質

1．1 地 層

本礦區屬半掩蓋區，局部有基巖出露；根據勘查揭露情況，地層由老到新依次為：奧陶系中統下馬家溝組（O2x），石炭系中統本溪組（C2b）、上統太原組（C3t），二疊系下統山西組（P1s）、下石盒子組（P1x），新近系上新統（N2），第四系中、上更新統（Q2+3）。

1）奧陶系中統下馬家溝組（O2x）：埋藏于礦區深部；巖性主要由深灰、灰、灰白色石灰巖、泥灰巖互層組成，中夾白云質灰巖和方解石脈，據礦區內202、602號鉆孔揭露，厚度平均130 m左右，與下伏亮甲山組呈整合接觸。

2）石炭系中統本溪組（C2b）：巖性為淺灰色粗、中、細粒砂巖，深灰色泥巖、砂質泥巖，灰白色鋁土質泥巖，間夾0～3層深灰色石灰巖；本組地層厚度26．60～41．30 m，平均32．15 m，與下伏奧陶系中統下馬家溝組呈平行不整合接觸。

3）石炭系上統太原組（C3t）：自K2砂巖底至K3砂巖底，為礦區內主要含煤地層，礦區內局部或零星出露于西北及西南部。巖性為深灰、黑灰色砂質泥巖、泥巖及灰、淺灰、黃灰色砂礫巖和粗、中、細粒砂巖夾3～9層煤層和石灰巖。本組地層厚度為91．20～145．30 m，平均105．02 m，與下伏本溪組呈整合接觸。

4）二疊系下統山西組（P1s）：自K3砂巖底至K4砂巖底，為礦區內含煤地層之一；巖性為黃灰、淺灰、灰、深灰色含礫粗砂巖，中細粒砂巖，砂質泥巖，泥巖。本組地層厚度38．30～73．40 m，平均厚度51．52 m，與下伏太原組呈整合接觸。

5）二疊系下統下石盒子組（P1x）：自K4砂巖底以上的地層，為一套陸相碎屑巖沉積，礦區內主要在北部及西北部有零星出露。

6）第四系中、上更新統（Q2+3）：廣泛分布于全礦區，上部以淺黃色亞砂土夾淺紅色亞黏土為主，較松散；下部為棕紅色亞黏土夾亞砂土，底部偶夾砂礫石層。亞黏土中常含鈣質結核，潮濕時具黏性、可塑性，干涸后較堅硬。厚度0～57．80 m，平均16．13 m，與下伏地層呈角度不整合接觸。

1．2 煤 系

本礦區煤系為石炭系上統太原組、二疊系下統山西組，最厚可達200多m，含可采煤層3～5層，石炭

系上統太原組以泥巖及砂泥巖、碎屑巖和煤層互層為特征，屬海陸交互相沉積，二疊系下統山西組發育4～7個由各粒級砂巖、泥巖和薄煤線構成的沉積旋回，為三角洲體系沉積。

1）石炭系上統太原組（C3t）。

自K2砂巖底至K3砂巖底，由海陸交互相、潮坪相逐漸過渡為三角洲相、湖泊相、河床相沉積，為礦區內主要含煤地層。本組厚度為91．20～145．30 m，平均105．02 m。巖性為深灰、黑灰色砂質泥巖、泥巖及灰、淺灰、黃灰色砂礫巖和粗、中、細粒砂巖夾3～9層煤層和石灰巖。所含煤層中，9、11號煤層為礦區內較穩定大部可采煤層，4、6、10號煤層為不穩定局部可采煤層，其余均為不穩定不可采煤層。本組地層與下伏本溪組地層呈整合接觸。根據其沉積特征及巖性、巖相組合特征可劃分為上、中、下三段：

a）下段（C3t1）：K2砂巖底至11號煤層底，厚度11．40～40．40 m，平均18．55 m。由一套砂巖、砂質泥巖、泥巖、夾不穩定薄煤層（線）組成；為海陸交互相的半咸水三角州前緣沉積。與下伏本溪組地層呈整合接觸。

b）中段（C3t2）：自11煤層底至9號煤層頂，厚度12．29～31．22 m，平均22．05 m。由一套砂巖、粉砂巖、泥巖、炭質泥巖、石灰巖和9、10、11號煤層組成的主要含煤層段，為三角州成煤環境的產物。

c）上段（C3t3）：自K3砂巖底至9號煤層頂，厚度50．20～93．80 m，平均64．42 m。由一套砂礫巖、砂巖、砂質泥巖、泥巖及4、5、6號煤層組成。為三角州分流河道沉積。

2）二疊系下統山西組（P1S）。

自K3砂巖底至K4砂巖底，，為一套陸相碎屑巖沉積，為礦區內含煤地層之一。本組地層厚度38．30～73．40 m，平均厚度51．52 m。巖性為砂巖、砂質泥巖、泥巖夾不穩定不可采的薄煤線。本組含煤性差，屬三角洲平原分流、河道、河漫灘及沼澤相，為主淡水沉積。

1．3 構 造

礦區位于大同向斜南西端南東翼，洪濤山隆起的北翼；受區域地質構造影響，礦區內總體為背斜、向斜相間的褶曲構造，地層傾角在3°～26°，平均10°左右；共發育8個褶曲，1個陷落柱。

1）S1背斜：位于礦區西南部-南部，軸向為SW -NE-NEE轉SEE-SSE-SE，平面上背斜軸基本呈向北凸出的弧形彎曲，兩翼基本對稱，傾角在3°～26°。

2）S2向斜：位于礦區西部-北部-東南部，S1背斜北翼，與S1背斜近平行，軸向為SW-NE-E轉SE-SEE-SE，平面上向斜軸基本呈向北凸出的弧形彎曲，兩翼基本對稱，傾角在3°～16°，屬次一級寬緩的向斜。

3）S3背斜：位于礦區東部，S2向斜東段東翼，該背斜軸向為NW-NNW-SSE，兩翼基本對稱，傾角在3°～15°，其西翼略陡，屬次一級寬緩的背斜。

4）S4背斜：位于礦區西部，與S1、S2軸部近垂直，軸向N-SW-SSW，兩翼基本對稱，傾角在4°～9°，屬次一級寬緩的背斜。

5）S5向斜：位于礦區北部，為S2向斜的分叉向斜，軸向為NE-SSW，兩翼基本對稱，傾角在9°～13°，屬次一級寬緩的向斜。

6）S6向斜：位于礦區西南部，S1背斜的南翼，軸向為N-SSE，兩翼基本對稱，傾角在6°～14°，屬次一級寬緩的向斜。

7）S7背斜：位于礦區南部，S1背斜的南西翼，與S1背斜軸部近垂直，為S1背斜的分叉背斜，軸向NE -SW，兩翼基本對稱，傾角在9°～19°，其北西翼略陡，屬次一級寬緩的背斜。

8）S8向斜：位于礦區南部，與S1、S2軸部近垂直，軸向為NE-SW，兩翼基本對稱，傾角在5°～14°，屬次一級寬緩的向斜。

2 巖石的沉積特征和強度分析

本文研究的86組巖石樣品中56組采自構造簡單的水泉礦區，30組取自構造較為復雜的南泉灣礦區，所取巖石樣品均具較好的代表性，巖樣依巖性分砂巖、泥巖、砂泥巖互層三大類。

2．1 砂巖類

2．1．1 沉積特征

河道相：是區內煤系的主要沉積單元之一，構成了三角洲沉積體的格局。其巖性特征主要由砂巖組成，底部常為含泥礫的中、粗粒砂巖，偶見閃星狀菱鐵礦。決口扇相：為砂質沉積物，具交錯層理、波狀層理，有時為塊狀，常含泥礫和較多植物碎屑。潮道相：是煤系下部最常見的沉積單元之一；巖性主要為灰和深灰色中、粗粒巖屑石英砂巖和細砂巖，為泥質巖屑、

粉砂質泥巖碎屑和炭屑。潮道沉積的底部為沖刷面。障壁島相：巖性以成熟度很高的中、細粒石英砂巖為主，分選性好，具有典型的向上變粗層序。

2．1．2 力學性質

砂巖強度的大幅度波動是明顯的（表1），但不難看出砂巖強度的變化與其沉積環境有直接聯系。

表1 煤系砂巖類巖石物理力學性質表

在細砂巖樣品中單向抗壓強度值以障壁島細砂巖最高，達98 MPa；決口扇細砂巖相對較低，介于60．5～106．0 MPa中；分流河道和潮道相細砂巖的單向抗壓強度值最低；中、粗砂巖比細砂巖的力學強度有更大的變化規律，按分流河道—潮道—決口扇的順序降低；分流河道砂巖的強度最大，潮道細砂巖次之；決口扇中、粗砂巖強度最低；分流河道和潮道沉積層序中，自下而上隨砂巖粒度的變細強度依次降低。

2．1．3 水動力條件分析

砂巖類形成于水動力較強的古地理沉積環境中，其中分流河道和潮道均以相對穩定的水道水流和逐漸減弱的水動力條件為特征，所以具有相近的向上變細層序。故從下到上砂巖的發育程度依次降低。決口扇相以變化較快的水流機制進行沉積為特征；在豐水期河水通過決口的瞬間水動力極強，可達到上部快速流動格局；在枯水期，水動力搬運物又裸露地面，古地理環境便于植物生長，原生沉積往往被破壞。障壁島相砂巖基本位于水動力強的沉積環境中。

2．2 泥巖及砂質泥巖類

2．2．1 沉積特征

分流間灣相：由灰色、淺灰色及黑色泥巖、粉砂質泥巖及粗、中、細粉砂巖組成，具水平層理，含完整的植物化石和菱鐵礦結核。工作區內微量元素的分析表明：B（2×10-9）、Ga（0．5×10-9～10-9）、Ni、Cr、B/Ca（2～4）、Sr/B（0．6～1）和V/Zr（0．6～0．8）均較高。瀉湖相：主要由深灰色、灰黑色粉砂質泥巖和泥巖組成，水平層理，層理由0．04～0．12 cm的灰色—灰黑色粉砂巖及砂質泥巖組成，含黃鐵礦結核及菱鐵礦結核，說明為比較平靜和相對閉塞的水體。泥炭沼澤相：巖性由深灰色、黑色粉砂巖、砂質泥巖組成，多見植物根化石，斜層理、微波狀層理。

2．2．2 力學性質

泥巖及砂質泥巖類的物理力學性質測試結果見表2，容易發現與水動力條件相對穩定的環境相對應。

分流間灣泥巖和瀉湖泥巖巖石強度相對較高，抗壓強度平均值穩定在40～50 MPa。沼澤泥巖與分流間灣和瀉湖相泥巖不同，其強度顯著較低，單向抗壓強度值低于20 MPa，僅為分流間灣相泥巖和瀉湖相泥巖的1/2。

2．2．3 水動力條件分析

分流間灣和瀉湖的共同特點：主體為水動力條件弱的環境；以懸浮載荷的沉積作用為主，沉積物均一致密，層理發育泥巖、砂質泥巖及粉砂巖。故其泥巖、砂質泥巖及粉砂巖的強度穩定且高。沼澤雖屬低能環境，但以發育豐富的植物而區別于分流間灣和瀉湖。

表2 煤系泥巖類巖石物理力學性質表

2．3 砂泥巖互層類

2．3．1 沉積特征

越岸相：為灰色、灰黑色及黑色粉砂巖和灰白色、灰色、灰黑色細砂巖，具互層層理和小型斜層理、波狀層理及小型交錯層理，偶見變形層理。

潮坪相：由灰色、深灰色細砂巖，灰色、灰黑色粉砂巖及深灰色、灰黑色粉砂質泥巖、泥巖組成。

2．3．2 力學性質

砂泥巖互層類巖石物理力學實驗的測試結果見表3。

表3 煤系砂泥巖互層類物理力學性質表

由表3可知，砂泥巖互層類的巖石強度較低，低于砂巖類，也低于泥巖類的大部分樣品。

2．3．3 水動力條件分析

砂泥巖互層的形成是由于水動力條件大小、強弱的交替變化，這種交替在沉積物成分和結構上產生的不均一性是該類巖石強度較低的原因。

3 影響巖石強度的因素分析

巖性的影響：巖性是影響巖石強度的主要因素之一；同一種巖石由于礦物成分種類及所含比例、結構、構造、孔隙、裂隙等不同，其巖石強度不同。不同種巖石其強度各不相同且存在較大差異。如果砂巖石英含量大，分選好，孔隙率低，裂隙不發育，其硬度就高。反之，硬度就小。泥巖及砂泥巖類基本成分多為泥質物，其力學性質明顯低于砂巖類。水動力條件強弱的影響：在巖性相似時，環境能量的強弱差異導致巖石的分選性、磨圓度、雜基含量和膠結類型呈規律性變化，進而引起巖石力學性質的波動。水動力條件變化幅度的影響：在相近的能量條件下，持續而穩定的水流、周期性變化的雙向或多向水流和急劇變化的瞬間水流常在砂巖的結構和構造方面有不同的反映。生物發育程度的影響：在低能環境中，植物的大量發育破壞了泥巖的原生沉積構造，增加了巖石內軟弱結構面的數量，造成沼澤泥巖強度的顯著降低。構造及埋深等多種因素影響：構造越發育，因巖石結構、構造受其破壞越嚴重，巖石強度就會降低。一般來說，隨著埋深的增大巖石強度亦會增大。巖石形成越久遠，其固結程度越高巖石強度越大，即早期巖石硬度大于晚期巖石硬度。如果巖石遭受風化，巖石強度會顯著降

低，且隨著風化程度的增大巖石強度隨之降低。

4 結 論

1）研究區內煤系巖石的強度主要受控于巖性、水動力條件的強弱、變化幅度和生物發育程度4種因素。其次還有構造的發育程度、埋深及風化程度等多種因素。

2）就巖性而言，巖石強度依砂巖—泥巖—砂泥巖互層的順序逐漸減弱，但每種類型巖石的強度均有很大的變化范圍。

3）相同類型的巖石，其強度隨水流能量的降低、水動力條件變化幅度的增大和生物發育程度的增強而降低。

4）影響煤系巖石強度的主要因素有4種，除此之外還與構造、埋深及風化程度等因素有關。

5）評價和預測煤層頂板及巷道圍巖的穩定性是指導煤礦安全生產、保證礦工人身安全和國家財產損失降到最低的一項必不可少工作，這項工作離不開巖石強度參數的確定。

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Analysis on Influencing Factors of the Rock Strength of Coal Measure

Feng Qiang

Analyses sedimentary characteristics and the strength of 86 groups of rock samples which formed in different sedimentary environment from Shuiquan-Nanquanwan mining area of the south of Datong coalfield．The results show that the strength of rocks closely relates to the depositional environments．The change of rocks strength is mainly dependent on several factors of lithologic character，hydraulic energy，fluctuating features of hydraulic conditions，and biological activity in the depositional environments．The analysis of the coal measures rock strength has a guiding significance of wide application of rock strength parameter in the design of mine and mining．

Mining area；Sedimentary characteristics；Sedimentary environment；Rock strength；Paleogeographical sedimentary environment；Analysis

TD313+．3

B

1672-0652（2013）08-0047-05

2013-05-21

馮 強（1961—），男，山西左云人，2012年畢業于太原理工大學，工程師，主要從事煤炭地質勘探與礦井地質的研究工作（E-mail）DHZX437＠163．com