淮南潘集深部勘查區(qū)15-2孔工程地質(zhì)巖組劃分

芮 芳，吳基文，王廣濤

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽淮南232001)

?

淮南潘集深部勘查區(qū)15-2孔工程地質(zhì)巖組劃分

芮 芳，吳基文，王廣濤

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽淮南232001)

基于淮南潘集深部勘查區(qū)的詳查地質(zhì)資料，以勘查區(qū)工程地質(zhì)鉆孔15-2孔為研究對象，統(tǒng)計分析了鉆孔煤系地層巖性厚度特征，選擇RQD值和單軸抗壓強度兩個指標(biāo)對巖石質(zhì)量進行了評價;在此基礎(chǔ)上，確定工程地質(zhì)巖組劃分依據(jù)，將該孔煤系地層劃分為以泥巖巖組為主的五大類工程地質(zhì)巖組，并對比分析了主采煤層頂?shù)装鍘r組劃分結(jié)果。研究結(jié)果為潘集深部勘查區(qū)提供準(zhǔn)確詳細(xì)的地質(zhì)資料。

潘集深部勘查區(qū)； 煤系地層； 工程地質(zhì)特征； 巖組劃分

1 引言

淮南潘集深部勘查區(qū)位于安徽省北部淮南市與蚌埠市交界處淮南煤田東部，大部分位于淮南潘集區(qū)境內(nèi)[1]?？辈閰^(qū)主采煤層深度均在800 m以下，區(qū)域地質(zhì)條件較為復(fù)雜，大的構(gòu)造在深部地區(qū)較為發(fā)育。當(dāng)今很多礦井在生產(chǎn)過程中，安全生產(chǎn)事故接連不斷,嚴(yán)重威脅了礦井的高效安全生產(chǎn)。大量的研究表明，煤系地層穩(wěn)定性除了受到外力的作用外,也與其本身的工程地質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。因此，開展研究區(qū)煤系地層工程地質(zhì)勘探，鉆孔的工程地質(zhì)特征分析與評價以及巖組劃分，對礦井采掘工程的合理布置和礦井的安全高效生產(chǎn)具有重要意義。本文從研究區(qū)的實際情況出發(fā),并結(jié)合現(xiàn)有的勘探資料,分析了研究區(qū)15-2孔含煤地層工程地質(zhì)特征，并進行了巖組劃分，所劃分出的巖組既能反映出影響巖體工程地質(zhì)性能的各種因素，又能夠更好地反映出巖體形成時,在地史時期所經(jīng)受到的各種地質(zhì)作用、多期次構(gòu)造運動及其成因變化特征等[2]，為研究區(qū)在后期建井、開采決策方面提供詳細(xì)的地質(zhì)基礎(chǔ)資料。

2 鉆孔工程地質(zhì)特征分析與評價

2.1 鉆孔巖層巖性與厚度特征

根據(jù)對15-2工程地質(zhì)鉆孔資料的收集分析，在-200～-1 300 m深度范圍內(nèi)，該孔鉆取的巖芯都屬于二疊系含煤地層。選取研究范圍為二疊系17-1煤(含17-1煤)以下至太原組第一層灰?guī)r之上不同時期的含煤地層。研究段深度在-851.9～-1 315.10 m范圍內(nèi)，地層巖性主要為粉砂巖、砂巖和泥巖三類，其中砂巖包括細(xì)砂巖、中砂巖和粗砂巖；泥巖包含煤、炭質(zhì)泥巖。巖性厚度統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 巖性厚度統(tǒng)計分析

從表1中可以看出，15-2鉆孔巖性以泥巖為主，分層數(shù)達到了97層，巖性厚度達到298 m，厚度占到鉆孔地層總厚的65.19 %；砂巖次之，細(xì)砂巖，中砂巖，粗砂巖層數(shù)分別達到17層，8層和1層，厚度分別為35.7 m,65.4 m和10.9 m，厚度占比達到24.5 %；粉砂巖最少，分層數(shù)為21層，厚度為47.1 m，厚度占比僅為10.3 %。

2.2 巖石質(zhì)量評價

煤系地層巖石質(zhì)量評價是指通過巖體的一些簡單和容易實測的指標(biāo)，把地質(zhì)條件和巖體力學(xué)性質(zhì)參數(shù)聯(lián)系起來，并借鑒已建礦井設(shè)計、施工和處理等成功與失敗方面的經(jīng)驗教訓(xùn)，對巖體進行歸類評判[3]。

2.2.1 RQD指標(biāo)

RQD質(zhì)量指是指大于10 cm的巖芯累計長度與鉆孔進尺長度之比的百分?jǐn)?shù)。作為裂隙間距核密度的函數(shù)，基本上反映了巖體連通性、滲透性、壓縮性等物理力學(xué)性質(zhì)，能夠定量反映巖體完整程度[4]。15-2孔含煤段統(tǒng)計結(jié)果見表2。

總體上看，本鉆孔中泥巖RQD值偏低，雖然單層泥巖RQD百分值范圍在0～100之間，但泥巖整體上RQD加權(quán)平均值為50.28 %，巖石質(zhì)量一般，為塊狀巖體；粉砂巖RQD值范圍在0～100之間，RQD加權(quán)平均值為54.42 %，巖石為塊狀；相比之下，砂巖RQD較高，RQD百分值范圍在20～89之間，RQD加權(quán)平均值61.5 %，巖石為塊狀，完整性更好。

表2 RQD統(tǒng)計結(jié)果

2.2.2 巖石單軸抗壓強度

巖石的力學(xué)性質(zhì)雖然不直接決定巖體的工程地質(zhì)特征,但卻是影響巖體穩(wěn)定的主要影響因素，表征巖石的基本力學(xué)性質(zhì)主要有彈塑性和強度等。巖石的抗壓強度分為單軸抗壓強度和三軸抗壓強度，本文研究的抗壓強度是單軸抗壓強度，它指在單向壓縮條件下，巖塊能承受的最大壓力。15-2孔巖芯采樣試驗共計做了58組，巖性包含砂巖、粉砂巖和泥巖，分別統(tǒng)計各組試樣試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，并計算各巖性巖石抗壓強度加權(quán)平均值見表3。

表3 抗壓強度統(tǒng)計結(jié)果

所研究的15-2鉆孔進行巖芯取樣測試的地層中有36組泥巖，巖石抗壓強度值在10.93～54.63 MPa之間，平均值為23.91 MPa，絕大多數(shù)都在30 MPa以內(nèi)，超過40 MPa的巖層只有3組，泥巖均以泥質(zhì)膠結(jié)為主，鈣質(zhì)膠結(jié)次之，且大多發(fā)育垂直裂隙，研究表明泥質(zhì)膠結(jié)的泥巖巖性脆弱，受力易斷，強度較低，此類巖石多數(shù)屬于軟巖，鈣質(zhì)膠結(jié)的泥巖強度略高；粉砂巖共有11組，巖石抗壓強度值在14.80～52.10 MPa之間，平均值為27.24 MPa，粉砂巖多呈粉砂狀結(jié)構(gòu)，多以泥質(zhì)膠結(jié)為主，堅硬程度比泥巖略大；砂巖巖層巖石抗壓強度值在44.90～88.10 MPa之間，平均值為62.35 MPa，呈細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，顆粒均勻，成分以石英長石為主，且膠結(jié)類型以鈣質(zhì)膠結(jié)為主，所以巖石強度較高，堅硬程度以硬質(zhì)為主。

3 巖組劃分

巖組是工程地質(zhì)性質(zhì)相似的巖體的組合，同一類巖組，應(yīng)具有相同的工程地質(zhì)性質(zhì)，每一巖組都具有一定的巖石組合特征[5]。在煤礦工程地質(zhì)勘探過程中，巖組的劃分極為重要，合理的巖組劃分對正確認(rèn)識煤層段巖體結(jié)構(gòu)和煤層段巖體工程穩(wěn)定性具有極為重要的意義，巖組的名稱一旦確定，就會給人們一個清晰而明確的工程地質(zhì)性質(zhì)概念。

3.1 巖組劃分依據(jù)

在進行巖組劃分時，首先應(yīng)對巖組界線劃分，就巖性而言要求每一巖組內(nèi)巖性是相同的，主要指的是成因相同和巖石物質(zhì)成分相類似；其次，要求每一巖組中的原生結(jié)構(gòu)面性質(zhì)是相同的，主要指成因相同、分布規(guī)律相同、密度相同、層厚一致及延展性相同等[4]。然后根據(jù)工程地質(zhì)巖組分類。根據(jù)巖石類型，可以劃分為砂巖、粉砂巖、泥頁巖、石灰?guī)r、巖漿巖五種類型；再依據(jù)巖體結(jié)構(gòu)，進一步將其劃分為完整、塊狀、碎裂、散體；然后根據(jù)巖石強度將其劃分為硬質(zhì)、中硬、次軟、軟質(zhì)。最后對劃分的巖組進行命名，命名格式統(tǒng)一為“巖石強度+巖體結(jié)構(gòu)+巖石類型”。劃分依據(jù)見表4。

表4 鉆孔地層巖組劃分依據(jù)

3.2 鉆孔含煤段巖組劃分結(jié)果

依據(jù)上述劃分原則，按照巖石的巖性、厚度、物理力學(xué)指標(biāo)，將15-2孔17煤至太原組1層灰?guī)r煤層段巖體劃分為以下5個巖組：

泥巖巖組。共有19組，根據(jù)結(jié)構(gòu)和強度，可以細(xì)分為軟質(zhì)完整泥巖巖組、塊狀泥巖巖組、中硬塊狀泥巖巖組、散體泥巖巖組、破碎泥巖巖組和塊狀泥巖巖組。它們厚度范圍在7.5～37.0 m，平均厚度為14.96 m。

砂巖巖組。共有7組，根據(jù)結(jié)構(gòu)和強度，可以細(xì)分為硬質(zhì)塊狀中砂巖巖組、中硬塊狀中砂巖巖組、塊狀粗砂巖巖組、破碎中砂巖巖組和完整細(xì)砂巖巖組。厚度范圍在5.6～17.3 m，平均厚度為10.99 m。

互層狀砂泥巖巖組。共有7組，厚度范圍在4.97～15.8 m，平均厚度為11.43 m。巖組內(nèi)部為薄層狀砂巖、粉砂巖和泥巖巖層組合，單層巖石的抗壓強度大小相差較大。

粉砂巖巖組。共有2組，厚度為14.8 m和6.5 m，薄層組抗壓強度為24.5 MPa，發(fā)生在斷層破碎帶附近，抗壓強度低。

灰?guī)r巖組。厚度為2.4 m，結(jié)構(gòu)為完整，強度為69.5 MPa，屬于硬質(zhì)巖體。

從巖組劃分結(jié)果可以看出，總體上該孔煤系地層以泥巖巖組為主，其次為互層狀砂泥巖巖組和砂巖巖組，粉砂巖巖組和灰?guī)r巖組較少。從結(jié)構(gòu)和強度上看，多以軟質(zhì)和塊狀巖組為主，與上述巖性結(jié)構(gòu)特征和巖石質(zhì)量特征較為一致。

3.3 主采煤層頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)巖組特征對比

根據(jù)上述巖組劃分結(jié)果，對15-2鉆孔中主采煤層頂?shù)装鍘r組劃分進行對比分析如下：

1(3)煤。1煤和3煤之間只有0.77 m厚的塊狀泥巖層，3煤在上1煤在下煤厚分別為3.53 m和4.55 m，具體分析時把1(3)煤作為同一層煤。與3煤層頂部直接接觸的是厚度為3.80 m的中硬塊狀泥巖巖組，其頂部發(fā)育12.20 m厚的互層狀砂泥巖巖組，頂板穩(wěn)定性較差；與1煤層底直接接觸的是厚度為2.65 m的軟質(zhì)塊狀細(xì)砂巖巖組，其底部發(fā)育10.80 m中硬塊狀泥巖巖組，泥巖含量較高。

4-1煤。該煤層總厚5.08 m，位于第二含煤段下部，與煤層頂部直接接觸的是厚度為3.62 m的塊狀泥巖巖組，緊接其上發(fā)育10.80 m的硬質(zhì)塊狀中砂巖巖組；與煤層底部直接接觸的是厚度為0.65 m的塊狀泥巖層，其底部發(fā)育15.80 m的互層狀砂泥巖巖組，與1(3)煤相比，該煤層頂?shù)装迳皫r含量較高，頂?shù)装宸€(wěn)定性也較好。

8煤。8煤層總厚3.43 m，處在第二含煤段上部，與煤層頂部直接接觸的是厚度為5.87 m的軟質(zhì)塊狀泥巖巖組，其上發(fā)育有不可采煤層9煤和13.50 m的中硬塊狀泥巖巖組，頂板以泥巖巖組為主。第二含煤段沉積時間內(nèi)由于海進與海退頻繁交替出現(xiàn)，因此4煤頂?shù)装搴?煤底板砂巖含量最高。

13-1煤。煤層厚7.68 m，處在第四含煤段中下部，與煤層頂部直接接觸的是厚度為4.87 m的軟質(zhì)塊狀泥巖巖組，其上發(fā)育12.75 m互層狀砂泥巖巖組，頂板泥巖含量較高；與煤層底部直接接觸的是厚度為0.65 m的塊狀泥巖層，其下發(fā)育有不可采煤層12煤和13.80 m的互層狀砂泥巖巖組。由于該煤層沉積環(huán)境恢復(fù)穩(wěn)定，煤層發(fā)育最后，頂?shù)撞亢嗔吭龈?，較之3煤，4-1煤和8煤頂?shù)装宸€(wěn)定性較差。

4 結(jié)論

根據(jù)巖性特征，RQD值，單軸抗壓強度等指標(biāo)，15-2鉆孔煤系地層工程地質(zhì)巖組主要劃分為泥巖巖組、互層狀砂泥巖巖組、粉砂巖巖組、砂巖巖組和灰?guī)r巖組5個巖組，其中以泥巖巖組為主，砂巖巖組次之。

通過對主采煤層頂?shù)装鍘r組劃分結(jié)果的對比，得出位于第二含煤段的4-1煤和8煤頂?shù)装迳皫r巖組含量較高，穩(wěn)定性較好，13-1煤頂?shù)装迥鄮r巖組含量最高，相對穩(wěn)定性較差。

[1] 李紅陽，朱耀武，易繼承．淮南礦區(qū)地溫變化規(guī)律及其異常因素分析[J]．煤礦安全，2007，20(11)：68-71．

[2] 馮松寶.任樓礦5_1-7_2煤層段巖體工程地質(zhì)力學(xué)特征及其穩(wěn)定性評價[D].淮南：安徽理工大學(xué), 2009.

[3] 蔣權(quán).基于改進RMR法及三維可視技術(shù)的巖體質(zhì)量分級分區(qū)[J].礦業(yè)工程研究,2013,28(2):56-61.

[4] 張新,馬婧.巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)在鉆孔巖石質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].西部探礦工程,2012,24(7):124-125.

[5] 胡夏嵩,趙法鎖, 馬雙科. 運用層序地層學(xué)劃分工程地質(zhì)巖組新方法探討[J].西安工程學(xué)院學(xué)報,2001,23(3):55-59.

2016-07-23

國家自然科學(xué)基金(項目編號：41272278)，2013年度安徽省地質(zhì)勘查基金第三批(續(xù)作)項目(項目編號：2013-3-18)

芮芳(1990- )，女，安徽安慶人，研究生，研究方向為煤礦工程地質(zhì)，電話：18755422681。

TD163

B

1671-4733(2016)05-0007-04

10.3969/j.issn.1671-4733.2016.05.003