里必煤礦3 號煤層頂底板工程地質特征分析

王瑛

（中國煤炭地質總局 第一水文地質隊，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

里必井田位于晉城礦區西北部，沁水縣東部龍港鎮和鄭莊鎮，行政隸屬沁水縣龍港鎮、鄭莊鎮管轄。礦井設計生產規模4.00 Mt/a，礦井采用主斜副立井混合開拓方式，移交時期分2 個場地布置4 條井筒。首采3101 工作面位于一盤區西側，采煤方法為大采高一次采全厚綜采采煤方法。井田內全區穩定可采煤層共2 層，分別為3 號煤層、15 號煤層。現井田主要開采煤層為3 號煤。

在煤礦建設及開采過程中，煤層頂底板事故是威脅煤礦安全生產的主要因素，因此需要對煤層頂底板的工程地質特征進行科學分析，對頂底板穩定性進行預測，為生產過程中頂底板的管理提供依據。

1 井田地層

井田位于沁水煤田南部，根據鉆孔揭露，井田地層內由老至新有奧陶系中統上馬家溝組（O2s）、奧陶系中統峰峰組（O2f）、石炭系中統本溪組（C2b）、石炭系上統太原組（C3t）、二疊系下統山西組（P1s）、二疊系下統下石盒子組（P1x）、二疊系上統上石盒子組（P2s）、二疊系上統石千峰組（P2sh）、三疊系（T）、第四系（Q），其中含煤地層為二疊系下統山西組和石炭系上統太原組。

3 號煤層賦存于二疊系山西組下部，山西組地層巖性以灰、灰黑色泥巖、砂質泥巖、粉砂巖和砂巖為主，含1、2、3 號煤層。石炭系太原組地層為大陸泥炭沼澤相沉積，巖性為砂巖、粉砂巖、煤、泥巖及海相灰巖交互沉積，呈韻律性，每個旋回中夾1～2 層煤層，煤層沉積于灰巖之下。

2 井田構造

井田總體構造形態為向北傾斜的單斜，在此基礎上發育次級的寬緩褶曲6 個，地層傾角小于10°。據地質填圖及三維地震資料，區內共發育大小斷層34 條，地質填圖發現斷層1 條（F1），三維地震解釋斷層33 條，除F1、DF1、DF31 為逆斷層外，其余均為正斷層。其中落差＞20 m 的斷層10條，斷層落差10 m≤落差＜20 m 的斷層7 條，斷層落差＜10 m 的斷層17 條。井田內大部分斷層切割3、15 號煤層。可靠斷層17 條，較可靠斷層9條，控制較差斷層4 條。根據三維地震成果資料分析，井田內陷落柱較為發育，三維地震共解釋陷落柱28 個，其中解釋為可靠、較可靠的陷落柱25個，控制程育較差陷落柱3 個。井田內發現的陷落柱均發育至3 號、15 號煤層（圖1）。

圖1 井田構造綱要圖Fig. 1 Structural outline of mine field

3 煤層頂、底板工程地質特征分析

3 號煤層厚2.84～6.75 m，平均5.35 m，含夾矸0 ～3 層， 結構簡單—復雜。 上距K8 砂巖9.68～65.46 m，平均38.13 m。頂板巖性多為泥巖、砂質泥巖，局部為炭質泥巖，底板巖性主要為泥巖、砂質泥巖，局部為炭質泥巖。井田中部煤層較厚，東西兩側煤層相變薄。由于井田內地質構造較為發育，對地層破壞程度較大、巖石裂隙較發育。為充分了解3 號煤層圍巖的工程地質特征，根據以往見煤鉆孔煤層直接頂底板巖石物理力學參數進行統計，對其物理力學性能進行了分析。

3 號煤層頂板的天然含水率0.4%～7.5%；極限抗拉強度0.46～3.53 MPa；泊松比0.11～0.37；飽和抗壓強度為11.2- 53.3 MPa，其中BK2、BK6和BK12 鉆孔大于30 MPa；軟化系數0.26～0.86，除BK6 號孔其余均小于0.75，因此BK2、BK6 和BK12號孔3 號煤層頂板巖性為中硬巖層，其余鉆孔均為軟巖，3 號煤層頂板巖性總體屬于軟—中硬巖層。

3 號煤層底板的天然含水率0.7%～1.7%；極限抗拉強度0.14～5.4 MPa；泊松比0.18～0.3；飽和抗壓強度為5.13- 51.23 MPa，其中BK6、BK10和BK11 鉆孔大于30 MPa；軟化系數0.26～0.85，除BK11 孔外均小于0.75，因此BK6、BK10 和BK11號孔3 號煤層底板巖性為中硬巖層，其余鉆孔為軟巖，3 號煤層底板巖性總體屬于軟—中硬巖層。

4 煤層頂、底板巖體質量評價

4.1 煤層頂底板巖體質量評價方法

煤層頂、底板巖體質量的好壞是巖體的完整程度、結構面特征及堅硬程度等因素共同決定的。本次評價以《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》 中的巖體質量系巖體質量系數法和巖體質量指標法，對煤層頂底板巖體質量進行評價。

（1） 巖體質量系數法。

計算公式：

式中：z 為巖體質量系數；I 為巖體完整系數(無資料時可用RQD 值代替)；f 為結構面摩擦系數；s 為巖塊堅硬系數。

式中：Rc 為巖塊飽和軸向抗壓強度，MPa。

（2） 巖體質量指標法。

計算公式：

式中：Rc 為巖塊飽和軸向抗壓強度，MPa；RQD為巖石質量指標。

本次對3 號號煤層頂底板巖體質量系數和巖體質量指標的計算，主要是通過對各鉆孔3 號煤層頂板以及底板巖塊的RQD 值進行統計，用RQD 值代替巖體完整系數I；根據煤層頂底板巖石的內摩擦角，計算出結構面摩擦系數f （內摩擦角的正切值）；根據巖石飽和軸向抗壓強度Rc 計算出巖塊堅硬系數s。

通過式（1） 和式（3） 求得各鉆孔主采煤層頂底板的巖體質量系數zi及巖體質量指標Mi，最后求得z 和M 的平均值，按照表1 和表2 評價標準對3 號煤層頂底板進行巖體質量等級劃分和質量評價。

表1 巖體質量系數范圍及其優劣分級Table 1 Range of rock mass quality coefficient and its advantages and disadvantages grading table

表2 巖體質量分級Table 2 Rock mass quality classification table

4.2 煤層直接頂底板巖體質量評價

根據部分鉆孔的巖石物理力學實驗資料，通過統計RQD、飽和抗壓強度等參數，計算3 號煤層直接頂底板巖體質量系數和巖體質量指標。結果見表3。

表3 煤層直接頂底板巖體質量系數評價結果Table 3 Evaluation results of rock mass coefficient of direct roof and floor of coal seam

根據計算結果，3 號煤層直接頂板巖石質量為壞— 一般，巖體質量指標為中等；3 號煤層直接底板為巖石質量為壞— 一般，巖體質量指標為中等。

4.3 煤層頂板30 m、底板20 m 巖體質量評價

根據部鉆孔的巖石物理力學實驗資料，通過RQD、飽和抗壓強度等參數，計算3 號煤層頂板30 m、底板20 m 范圍內的巖體質量系數和巖體質量指標。評價結果見表4。

表4 煤層頂底板巖體質量系數評價結果Table 4 Evaluation results of rock mass coefficient of roof and floor of coal seam

所以綜合評定結果為，勘查區內3 號煤層頂板30 m、底板20 m 范圍內巖體質量等級為壞— 一般，巖體質量中等。

5 煤層頂、底板穩定性分析

煤層頂、底板的穩定性是由巖石的強度、結構面特征、水文地質條件及其巖石受力狀態等因素決定的。煤層頂底板巖性和抗壓強度劃分穩定性標準（表5、表6）。

表5 頂板穩定性劃分標準Table 5 Roof stability division standard table

表6 底板分類標準Table 6 Classification standard table of bottom plate

3 號煤層頂板30 m 范圍內，巖性多為泥巖、砂質泥巖，其次為粉砂巖、細砂巖、中砂巖，抗壓強度在2.7～123 MPa，平均為40.97 MPa，屬于不穩定— 極穩定型頂板。

3 號煤層底板20 m 范圍內，巖性多為巖、砂質泥巖、泥巖、粉砂巖，抗壓強度在5.1～105.3 MPa，平均為34.56 MPa，遇水穩定，底板應屬普通底板。

6 結 論

（1） 井田內構造較為發育，大部分斷層切割了3 號煤層，所有的陷落柱均發育至3 號煤層。這些構造一方面會改變巖體的工程特征，使巖體的穩定性受到很大影響，同時也是地下水進入井巷的通道，在工程建設和采煤過程中具有很大的危害。因此在井田工作面開采過程中構造地段應按規定留設防隔水煤柱或注漿加固等措施，保證生產的安全。

（2） 井田內主要為寬緩褶曲，在背向斜軸部轉折端等位置的應力場會改變，造成相應部位工程地質，水文地質條件復雜化，引起煤層頂、底板穩定性降低。

（3） 井田內3 號煤層頂板覆巖巖性主要以粉砂巖、細砂巖和砂質泥巖為主，巖石質量為壞—一般，巖體質量指標為中等，巖性總體屬于軟—中硬巖層，不穩定，易于垮落，所以在煤層開采過程中應該注意頂底板巖體的強度變化情況，防止頂板冒落現象的發生；3 號煤層底板巖性主要以砂巖、砂質泥巖、泥巖、粉砂巖為主，巖石質量為壞—一般，巖體質量指標為中等，巖性總體屬于軟—中硬巖層，不穩定，所以在煤層開采過程中應該注意底板巖體的強度變化情況，防止底鼓現象的發生。