山西省文水縣靛頭煤炭勘查區開采技術條件評價

劉大偉

（中煤地質工程總公司 北京大地高科煤層氣工程技術研究院，中國 北京100000）

0 前言

2012 年3 月至12 月，中煤大地技術開發公司在本區開展了煤炭詳查工作，探獲煤炭資源儲量（332+333）42028 萬噸，均為焦煤。 國土資部儲量司以國土資儲備字[2013]176 號同意予以備案。 目前勘探工作正在實施。 與本區相鄰的赤峪井田已經建成240 萬噸/a 的大型礦井，下一步擬擴建為300 萬噸/a。

本文依據詳查報告，擬對影響煤礦建設、生產與安全的主要開采技術條件加以評價，包括地層、構造、煤層的厚度、結構、煤層的產狀及其變化;煤層頂底板及工程地質條件;瓦斯、煤塵、煤的自燃性等。 隨著煤礦機械化程度的不斷提高,對煤礦開采技術條件及其研究程度的要求也越來越高,因此,加強開采技術條件的綜合研究，非常必要。

1 地層及構造

1.1 地層

本區屬半祼露區，出露地層有奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系，新近系及第四系，第四系覆蓋在不同時代地層之上。地層總體由西向東，由老到新依次出露。 其中含煤地層為太原組和山西組，其上覆地層厚度較大，有利于含煤地層固結成巖，巖石力學強度應該較好，有利于井工開采。

1.2 構造

本區為一走向近NNE 的不對稱向斜（東社向斜），主體位于該向斜的西翼。地層傾角變化較大，F2斷層以西的淺部地層傾角30～40°，F2斷層以東地層傾角一般為10～15°，向斜核部傾角5～10°，沿走向發育次級褶皺和走向正斷層。 未發現巖漿巖和陷落柱，屬中等構造（如圖1）。由此可以看出，地層傾角小于25 度，斷層走向單一，有利于采區劃分和布置。

圖1 勘查區構造圖

2 煤層厚度

含煤地層為山西組和太原組，含可采煤層共4 層，山西組2 號和3 號、4 號煤層為較穩定的大部可采的中厚-厚煤層， 太原組8+9 號為穩定的全區可采的厚煤層， 主要參數如表1。 2、3、4 號煤層間距小于20m, 可以劃分為一個水平進行聯合開采，4 號煤層距離8+9 號煤層48.12-59.03m，平均55.38m，可單獨作為一個水平開采。

由此，從煤層賦存狀況看來有利于礦井開拓布置，有利于大型機械化開采。

表1 可采煤層情況

3 工程地質條件

3.1 本區為半掩蓋區， 出露地層為石炭系上統太原組及二疊系下統山西組含煤巖系及其上覆的二疊系上統及三疊系下統多種巖性的沉積巖組合體。 一般砂巖、石灰巖力學強度較高，穩定性較好，泥巖力學強度較低，穩定性較差。

3.2 區內總體為一不對稱的向斜，斷層較發育，構造方向單一。 在斷層附近巖體的穩定性明顯降低。

3.3 主要可采煤層2 號煤層老頂以中、粗粒砂巖為主，強度高，硬度大，穩定性較好；3、4 號煤層老頂以中、細粒砂巖為主，厚度較薄，橫向變化大，強度較高，硬度中等，穩定性較好，局部較差；8+9 號煤層頂板為炭質泥巖夾薄煤（8上），局部為泥巖、砂質泥巖，穩定性差，老頂為薄～中厚層狀中細粒砂巖，穩定性較好；8+9 號煤層底板為泥巖、砂質泥巖、炭質泥巖，局部為細粒砂巖，其中泥巖、炭質泥巖遇水易軟化，局部有底鼓的可能。

3.4 本區奧陶系石灰巖巖溶發育不均一， 各可采煤層大多在奧灰水位以下，處于帶壓狀態，上組煤（2、3、4 號煤層）距奧陶系中統石灰巖頂界面間距大于100m，且以細碎屑巖為主，正常情況下底板突水的可能性較小；下組煤（8+9 號煤層）距奧灰頂界面為50m±，雖然巖性以泥質巖為主，但由于奧灰巖溶發育的不均一，當條件具備時，突水系數多大于0.10MPa/m，存在底板突水的可能。

綜上所述，本區礦體圍巖主要為層狀巖類的碎屑巖，工程地質條件中等，工程地質勘探類型為三類中等。

由此看來，開采2、3、4 號煤層時主要大巷宜布置在煤層底板圍巖中（同時考慮煤層有瓦斯突出危險）。

4 水文地質條件

4.1 上部含煤組

上組2、3、4 號煤層，主要充水含水層為2 號煤層頂板砂巖裂隙含水層，富水性弱；另外該含煤組2、3、4 號煤層底板標高均低于中奧陶統石灰巖巖溶水靜止水位標高，煤層處于帶壓狀態。 4 號煤層距中奧陶統峰峰組巖溶含水層頂界一般為100m±，巖性以細碎屑巖及泥質巖為主，隔水性能較好；本區多為走向正斷層，施工鉆孔揭露的斷層未發現涌漏水現象，因此，未受構造破壞地段一般不會造成奧灰巖溶水進入礦井。因此，上部含煤組水文地質勘查類型為二類一型，即水文地質條件簡單的裂隙充水礦床。

4.2 下部含煤組

下組煤為8+9 號煤，直接充水含水層煤層頂板K2石灰巖，富水性弱。間接充水含水層為下伏中奧陶統峰峰組及上馬家溝組巖溶裂隙含水層。 區內及鄰區勘探資料表明，該區中奧陶統石灰巖巖溶裂隙欠發育，富水性較差，但水位較高，8+9 號煤層多處于奧灰水位以下，下部含煤組9 號煤層底板距峰峰組巖溶裂隙含水層為32.63～64.91m，巖性以泥質巖及含鋁質巖為主，隔水性能較好，峰峰組一段可視為相對隔水層，因此8+9 號煤層勘探類型為三類一型，即水文地質條件中等的以頂板進水為主的巖溶裂隙充水礦床。 由于區內構造發育，隔水層厚度小，部分地段水文地質條件復雜，存在底板突水的危險。

4.3 奧灰水對礦井開采的影響

根據區內抽水試驗資料， 本區奧陶系中統石灰巖水位標高在+792.57m，區內可采煤層多位于奧陶系石灰巖巖溶水位標高以下，處于帶壓狀態。 根據《煤礦防治水規定》（底板受構造破壞的塊段突水系數一般不大于0.06MPa/m， 正常塊段突水系數一般不大于0.10MPa/m，）計算4 號和8+9 號煤層的突水系數，結果顯示，勘查區內F5、F18斷層以西，4 號煤層底板突水系數小于0.06MPa/m，為相對安全區，F5、F18斷層以東4 號煤層底板突水系數間于0.06～0.10MPa/m， 處于突水臨界區；8+9 西部煤層底板突水系數在0.06～0.10MPa/m 之間， 為突水臨界區，東部煤層底板層突水系數大于0.10MPa/m，存在突水的危險。

由此看來上組煤受奧灰水影響較小，在可控范圍，下組沒受奧灰水影響較大，突水危險性較大，若要開采需要做大量防治水工作。

5 瓦斯、煤塵、煤層自燃傾向性、地溫

5.1 在普查和詳查階段在鉆孔中分別采取2、3、4、8+9 號煤層煤芯樣，由山西省煤炭煤炭地質研究所測定了堅固性系數、瓦斯放散初速度及突出危險性綜合指標，結果顯示各煤層均有瓦斯突出危險。

5.2 本區各煤層均有煤塵爆炸危險， 最大火焰長度為10～160mm，抑制煤塵爆炸最低巖粉用量為40%～85%，測試結果表明，各煤層均有煤塵爆炸危險。

5.3 根據本區西側煤礦調查資料，煤自燃傾向性為Ⅱ類，自然發火期4～6 個月，對鉆孔中2、3、4、6、8+9 號煤層煤的自燃傾向性測試結果表明，各煤層吸氧量0.57～0.78cm3/g，自然傾向性判定等級為Ⅰ類、Ⅱ類屬自燃～容易自燃煤層。

5.4 本區在11 個鉆孔中進行了簡易測溫，引用鄰區赤峪礦井恒溫帶深度為30m，恒溫帶溫度為14℃±，計算本區地溫梯度為1.14～2.45℃/100m，屬地溫梯度正常區，從地溫梯度的平面分布情況分析，以北部較高，南部較低。 當煤層埋藏深度超過895m 時出現以地溫梯度為正常背景的一級熱害， 當煤層埋藏深度超過1100m 時出現以地溫梯度為正常背景的二級熱害。本區擬建主井最大深度767m，上組煤大部分處于26 度以下，處于相對安全區，受地溫影響較小。 下組煤開采深度大部分也未超過895m，地溫影響也不大。

6 涌水量

本區主要含水層涌水量：

（1）奧陶系中統石灰巖巖溶裂隙含水巖組

本區鉆孔施工過程中未發現涌（漏）水現象。峰峰組與上馬家溝組混合抽水試驗，單位涌水量為0.236×10-3L/s·m，水位標高+792.57m。富水性差。

（2）太原組（C3t）石灰巖夾砂巖巖溶裂隙含水巖組

區內DT901 孔太原組石灰巖抽水試驗，單位涌水量為0.73×10-2L/s·m，水位標高+923.12m，富水性差。 據赤峪勘查區704 等3 個鉆孔的抽水資料，單位涌水量為7.06×10-5～6.77×10-3L/s·m，水位標高+766.16～789.98m，富水性差。本組在西部裸露地表，巖溶裂隙欠發育，鉆孔簡易水文觀測未見涌、漏水現象。

（3）山西組（P1s）砂巖裂隙含水巖組

巖性以粉砂巖砂質泥巖為主，僅含少量中、細粒砂巖，含水層厚7.10～26.66m 中厚層狀，均勻層理，少見裂隙，鉆孔簡易水文觀測無異常。 區內DT901 孔抽水試驗，單位涌水量為0.22×10-2l/s·m，水位標高+959.58m,赤峪勘查區3-103 孔等三個鉆孔的抽水資料，單位涌水量為1.34×10-4～4.3×10-3L/s·m，水位標高+767.12～847.82m，富水性差。

由此看來本區各含水層，涌水量不大，對礦井開采影響較小。

7 結論及建議

結論：本區煤炭資源優良，但開采技術條件一般，總綜合評價本區煤炭資源條件屬于中等。 參照鄰區，可以建設大型機械化礦井。

（1）本區可采煤層為中厚-厚煤煤層，2、3 號為大部可采，4、8+9 號為全區可采，煤質屬低～中灰、低～中高硫、低磷、具較高熱值和強～特強粘結性的焦煤，煤質較好，是良好的煉焦用煤，備案儲量4.2 億噸。 所以，本區煤炭資源賦存較好，適合建設大型礦井；

（2）本區為一走向NNE 的向斜，主體位于向斜西冀，沿走向發育正斷層和次級背向斜，F2斷層以東地層傾角一般為10～15°，向斜核部傾角5～10°，未發現巖漿巖和陷落柱，屬中等構造。 由此可以看出，地層傾角小于25 度，斷層走向單一，有利于采區劃分和布置，有利于綜合機械化采煤；

（3）本區礦體圍巖主要為層狀巖類的碎屑巖，工程地質條件中等，工程地質勘探類型為三類中等，應該做好頂底板維護管理工作；

（4）各煤層均具瓦斯突出危險性，煤塵具有爆炸危險性，各煤層具自燃傾向性，對礦井開采有一定的影響，應該嚴格按照煤礦安全規程要求進行瓦斯抽排放、防塵、防自燃工作；

（5） 區內各可采煤層多位于奧陶系石灰巖巖溶水位標高以下，處于帶壓狀態。 所以應按照《煤礦防治水規定》要求，勘探階段和建井階段需進一步做好礦區水文地質工作，詳細查明和評價奧灰水對礦井開采的影響；

（6）詳查資料顯示各主要含水層涌水量不大，但不排除局部因構造導水而發生突水事件，所以后期還應該做好水文地質補勘工作。

（7）建議在首采區做三維地震工作。

［1］ 北京中煤大地技術開發公司. 山西省文水縣靛頭煤炭勘查區煤炭詳查報告[R].2013.

［2］GB 50215-2005 煤炭工業礦井設計規范[S].中國計劃出版社,2006.

［3］ 國家安全生產監督管理總局 國家煤礦安全監察局.GB 50215-2005 煤礦生產安全規程[S].煤炭工業出版社,2011-2.

［4］國家安全生產監督管理總局.煤礦防治水規定(第28 號令)[S].煤炭工業出版社,2009-12-1.

［5］趙利安.采煤概論[M].徐州:中國礦業大學出版社,2011.

［6］國土資儲備字[2013]176 號.山西省文水縣靛頭煤炭勘查區煤炭詳查報告[R].礦產資源儲量評審備案證明,2013-7-9.