新上海一號煤礦8 號、15 號煤層頂底板工程地質特性分析

孫宇

（中國煤炭地質總局 第一水文地質隊，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

新上海一號煤礦位于內蒙古自治區鄂托克前旗境內，處于內蒙古自治區與寧夏回族自治區接壤地帶，行政區劃屬鄂托克前旗上海廟鎮管轄。礦井設計生產能力400 萬t/a，采用多水平立井開拓。全礦井分兩個水平四個分區，主要可采煤層為2、2下、5、8、15、16、18、19、20、21 號等10 層，現主要開采煤層為8 號和15 號煤。現通過對8 號和15 號煤層頂底板的巖性特征、巖石物理力學性質、巖體質量及穩定性等予以分析和預測，為煤礦安全開采提供依據。

1 井田地層

井田內鉆孔揭露地層有：三疊系延長組（T3y）；侏羅系延安組（J2y）、侏羅系直羅組（J2z）；白堊系志丹群（K1zd）；古近系（E） 及第四系（Q）。含煤地層為侏羅系延安組，8 號煤位于延安組中部，煤層結構簡單，一般不含夾矸，局部含夾矸0～2 層，巖性為泥巖或泥砂質巖，為穩定煤層。15 號煤位于延安組中部，屬中含煤組下部煤層，煤層結構較簡單，一般不含夾矸，局部含1 層夾矸，巖性為粉砂巖或泥巖，局部為炭質泥巖，為穩定煤層。

2 井田構造

本井田主體構造形態為一向東傾伏的單斜構造，北部在此基礎上發育有寬緩的次級褶曲，區內巖層較為平緩，一般巖層傾角為3°～13°，除斷層附近，基本無突然傾斜變化，斷裂構造不發育。

井田內共發現斷層30 條，DF6 是普查階段二維地震發現，F2＇、FD19 為勘探階段二維地震發現，其余27 條斷層均為三維地震成果。除DF20和F2 這兩條逆斷層落差較大外，其他斷層落差都不大。井田內斷層以南北向、北北東、北北西及北東向斷層為主。井田范圍內共計發現落差大于20 m 的斷層9 條（圖1）。

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

3 煤層頂、底板工程地質特征分析

新上海一號煤礦含煤地層為侏羅系延安組，煤層頂板巖性以粉砂巖、細砂巖、砂質泥巖為主，其次為中砂巖、粗砂巖、泥巖、泥質砂巖，煤層底板巖性以粉砂巖、泥巖、砂質泥巖為主，局部含有少量泥質粉砂巖。井田內地質構造不發育。

根據以往施工鉆孔1102、1104、1702、2604、Z1 和B-8 號鉆孔煤層直接頂底板巖石物理力學參數進行統計（表1），對其工程地質特征進行了詳細評述。

根據表1 得知井田內8、15 號煤直接頂板與直接底板的各項物理力學性質有所差異。8 煤層頂底板的天然含水率0.30%～12.69%；飽和抗壓強度為7.20～67.53 MPa；天然抗拉強度0.20～6.91 MPa；泊松比0.09～0.56。15 煤層頂底板的天然含水率0.90%～25.87%；飽和抗壓強度為2.48～48.40 MPa；天然抗拉強度0.12～2.50 MPa；泊松比0.19～0.58。8、15 號煤直接頂板與直接底板軟化系數為0.10～0.74，多數小于0.75，屬于軟化巖層。

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。本次以《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》中巖體質量系數法和巖體質量指標法，對8、15 煤層直接頂底板巖體質量以及20 m 范圍內的巖體質量進行評價，評價標準見表2 和表3。

（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；Rc為巖塊飽和軸向抗壓強度。

（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；RQD為巖石質量指標。

表1 煤層頂底板巖石物理力學指標統計Table 1 Statistical table of physical and mechanical indexes of coal seam roof and floor rock

表2 巖體質量系數范圍及其優劣分級Table 2 The range of rock mass quality coefficient and its classification

表3 巖體質量分級Table 3 Rock mass quality classification

此次主要通過以往施工鉆孔對8、15 號煤層直接頂板30 m 范圍以及底板20 m 范圍內的巖塊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。

通過公式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，最后求得平均值z和M，按照表2 和表3 評價標準對8、15 煤層頂底板進行巖體質量等級劃分和質量評價。

4.2 煤層直接頂、底板巖體質量評價

采用B-8 號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8、15 號煤層頂底板巖體質量系數和巖體質量指標。結果見表4。

表4 煤層直接頂底板巖體質量評價結果Table 4 Rock mass quality evaluation results of coal seam direct roof and floor

通過巖體質量系數法和巖體質量指標法計算結果，井田內8 號煤層直接頂板均細砂巖，巖石質量指標（RQD） 為75%；巖塊飽和軸向抗壓強度（Rc） 為67.53 MPa，巖石質量為良；巖體質量指標為特好。15 號煤層直接底板為砂質泥巖，巖石質量指標（RQD） 為70%；抗壓強度（Rc） 為2.48 MPa，巖石質量為壞；巖體質量指標為差。

此次僅采用B-8 號孔巖石物理力學成果計算評價煤層直接頂底板巖體質量，資料較少，所以表4 中評價結果具有局限性。該孔8 號煤底板和15號煤頂板巖塊遇水崩解，從側面也反應出其巖體質量較差。

4.3 煤層頂板30 m、底板20 m 范圍內巖體質量評價

根據井田內B-8 號鉆孔的巖石物理力學實驗資料和RQD值，計算得出8、15 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5。

表5 煤層頂底板巖體質量評價結Table 5 Rock mass quality evaluation results of coal seam roof and floor

通過巖體質量系數法和巖體質量指標法計算結果，井田內8 號煤層頂板30 m 范圍及底板20 m 范圍內以細砂巖為主，中砂巖、泥巖、粗砂巖次之，頂板巖石質量指標（RQD） 75%左右，巖石質量為良，底板巖石遇水崩解。15 號煤頂板30 m 及底板20 m 范圍內巖體質量系數分別為1.06 和0.24，巖體質量等級分別為一般和壞；巖體質量指標分別為0.36 和0.07，巖體質量均為差。

綜合評定結果為：井田內8 號煤層頂板30 m范圍內巖體質量為良，巖體質量等級為特好；15號煤層頂板30 m 范圍及底板20 m 范圍內巖體質量為差，巖體質量等級為壞～一般。

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6、表7）。

表6 頂板穩定性劃分標準Table 6 Standard for roof stability classification

表7 底板分類標準表Table 7 Floor classification standard

8 號煤層頂板30 m 范圍內巖性為細砂巖、中砂巖、泥巖，巖石飽和抗壓強度為67.53 MPa。15號煤頂板30 m 范圍內巖性為細砂巖、粗砂巖、粉砂巖、砂質泥巖，巖石飽和抗壓強度為0.40 ~36.77 MPa，平均為12.68 MPa。因此，8 號煤層頂板巖石為極穩定型，穩定性類型劃分為Ⅰ。15 號煤層頂板巖石為較穩定~不穩定型，穩定性類型劃分為Ⅲ～Ⅳ。

8 號煤層底板20 m 范圍內巖性為細砂巖和粗砂巖，15 號煤層底板20 m 范圍內巖性為砂質泥巖、粉砂巖、泥巖，井田內巖石飽和抗壓強度在2.48～3.88 MPa，平均為3.05 MPa。綜上所述8、15 號煤層底板屬于軟弱破碎底板。

6 結 語

區域范圍內呈現典型的逆沖推覆構造，對本區煤系地層賦存和分布起到控制作用。井田內發育2條較大的逆斷層，東部為F2 逆斷層，落差大于500 m，西部為DF20，落差大于150 m，這些構造不僅改變巖體的工程特征，使其穩定性變差，而且是地下水進入井巷的導水通道，對工程建設和井下采煤具有一定影響。

井田內地層巖石飽和抗壓強度較低，軟化系數均小于0.75，均為軟化巖石，巖體質量整體較差，煤層頂底板穩定性較差。在掘進與煤層回采過程當中，應加強頂底板支護，防止頂板冒落和底鼓現象的發生。