甘肅省窯街深部擴大區主要煤層頂底板巖體質量評價＊

沈樹龍

（甘肅煤炭地質勘查院，甘肅 蘭州 730000）

窯街礦區經過六十多年的開采，煤炭資源已接近枯竭。窯街深部擴大區勘探是由甘肅省發展改革委員會批準的補充地質勘探項目，目前已達到勘探階段，下一步即將進行開采。窯街深部地質條件更加復雜，開采難度大，煤層頂底板事故頻發。因此，研究煤層頂底板的性質具有十分重要的意義。

1 勘查區地質概況

勘查區位于甘肅省蘭州市西北300°直距94 km處的窯街礦區北部，行政區劃屬蘭州市紅古區和永登縣河橋鎮管轄。區內地表大多被第四系掩蓋，根據鉆探成果，主要發育地層有：中元古界（Chhn）變質巖系，侏羅系（J），下白堊統（K1）、古近系（E）以及第四系（Q）。

窯街礦區位于民和盆地的中部西緣，構造單元屬周家臺低隆起—海石灣斷鼻，其南北長約14 km，東西寬約4 km，呈北北西向的長條形。窯街礦區東界為走向北北西的F19斷層[1]，它是一條長期活動的斷層，既有逆斷層性質，而且在早中侏羅世時可能為同沉積斷層，但目前表現為西升東降的正斷層；礦區西界為含煤地層的沉積邊界，此沉積邊界和煤層的尖滅線均為近南北方向。窯街礦區具有軸向北北東略有彎曲的復向斜構造，區內發育有NE和NW向兩組近于共軛的次級逆斷層。

勘查區位于窯街礦區的北端，屬窯街礦區復背斜的東翼。勘查區內斷層發育，在靠近F19處有兩條南北向的逆斷層。構造復雜程度屬中等構造（偏復雜）類。

2 勘查區煤層分布特征

中侏羅統窯街組是區內唯一的含煤地層，共含煤5層，平均總厚度16.53 m。其中，煤2層是主要可采煤層，平均厚12.70 m，占煤層總厚度的89.66%。

煤2層位于窯街組第二段（J2y2）下部，據區內46個鉆孔統計，煤2層真厚0～48.60 m，平均12.70 m；其中44個鉆孔見到可采煤層，可采厚度0.99～48.60 m，平均13.21 m。

煤2層厚度總體呈東厚西薄的趨勢，勘查區東部F19斷層、F3斷層西側附近分布有南北向的厚煤帶，煤層厚度可達50 m以上。自東向西可明顯地分出特厚煤帶、厚煤帶、中厚煤帶和薄煤帶。其中3.50 m以上的厚煤層（含8 m以上的特厚煤區）賦存面積為8.09 km2，占含煤面積的80%以上，是區內的主要可采煤層。

3 煤層頂底板巖體質量評價

3.1 煤層頂底板巖性及巖石堅硬程度評價

本區東北、西南部等邊緣地帶存在偽頂，巖性為炭質泥巖、泥巖，其余大部與直接頂明顯接觸。煤2層直接頂板埋藏深度573～1 350 m，主要由泥質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖、砂質泥巖、油頁巖等，其中油頁巖和粉砂巖直接頂分布區最大，細砂巖、泥巖次之，見圖1。

圖1 煤2層直接頂板巖性分布圖

煤2底板板埋藏深度706～1 388 m，巖性變化大，可分為偽底和直接底兩種，偽底厚度小，以泥巖為主，直接底板以灰色、灰褐色粉砂—細砂巖為主，部分含礫，泥巖、炭質泥巖次之，見圖2。

圖2 煤2層直接底板巖性分布圖

對區內部分鉆孔煤2層頂板、底板巖石力學樣進 行物理力學性質試驗，測試結果見表1。

表1 煤2層頂底板巖石力學樣測試成果統計表

由表1可知，煤2層老頂巖石抗壓強度21.30～22.20 MPa，飽和單軸抗壓強度為7.32～9.82 MPa，根據《工程巖體分級標準》（GB/T 50218—2014），屬軟巖類；煤2層直接頂板巖石抗壓強度6.40～54.80 MPa，飽和單軸抗壓強度為2.35～22.70 MPa，屬軟巖-較軟巖類，個別屬極軟巖；煤2層直接底板巖石抗壓強度4.56～53.40 MPa，飽和單軸抗壓強度為2.69～18.40 MPa，以軟巖類為主，少數為較軟巖、極軟巖；煤2層老底巖石抗壓強度4.05～45.50 MPa，飽和單軸抗壓強度為2.25～35.80 MPa，屬軟巖-較軟巖類，少量屬極軟巖、極硬巖。

3.2 煤2層頂底板完整性評價

利用聲波速度測井與地層密度測井相配合，可獲得巖層強度特性參數，從而為研究煤層頂底板強度特征及制定礦井開采方案提供重要的資料[2]。目前，我國鐵路隧道及日本新奧法均以聲波縱波速度評價圍巖的完整性[3-4]。本研究收集了區內13個鉆孔的數字測井資料，統計分析了煤2層頂底板橫波速度、縱波速度、縱橫波速比指標（表2）。

表2 煤2層及頂底板測井力學強度指標統計表

區內煤2層直接頂板縱波速度1.69～3.94 km/s，平均為2.63 km/s，巖石堅硬程度屬軟巖～較軟巖類。根據鐵路系統評價巖體完整性標準（表3），煤2層直接頂板圍巖完整程度屬Ⅳ級，較完整；煤2層底板縱波速度為1.10～4.38 km/s，平均為2.74 km/s，巖石堅硬程度以軟巖類為主，圍巖完整程度屬Ⅳ級，較完整。

表3 鐵路系統圍巖級別分級標準

3.3 煤2層頂底板巖石質量評價

在煤礦開采過程中，煤層偽頂、偽底厚度很小，老頂、老底距離煤層開采位置較遠，均對安全生產影響小[5-8]。本研究僅對影響煤2層開采的直接頂底板巖石質量進行評價。

根據巖體質量指標（M）法，可按下式粗略估算巖體質量指標M值：

煤2層直接頂板：飽和單軸抗壓強度（Rc）為2.35～22.70 MPa，RQD 60%～90%，M值為0.05～0.68，根據巖體質量評價標準（表4），巖體質量為Ⅲ～Ⅳ級，巖體質量中等-差。

表4 巖體質量評價

煤2層直接底板：飽和單軸抗壓強度為2.69～18.40 MPa，RQD 50%～80%，M值為0.045～0.49，巖體質量分級Ⅲ～Ⅳ級，巖體質量中等～差。

4 結論

（1）煤2層為窯街深部擴大區主要可采煤層，煤2層平均厚12.70 m，可采煤厚度0.99～48.60 m，平均13.21 m，為較穩定煤層。

（2）煤2層直接頂板以油頁巖和粉砂巖為主，細砂巖、泥巖次之；巖石堅硬程度屬軟巖-較軟巖類；巖體完整性屬Ⅳ級，較完整；巖體質量中等～差。

（3）煤2層直接底板以粉砂～細砂巖為主，泥巖、炭質泥巖次之；巖石堅硬程度以軟巖類為主，少數為較軟巖、極軟巖；巖體完整性屬Ⅳ級，較完整；巖體質量中等～差。

（4）窯街深部擴大區為即將進行開采的井田，其主要煤層厚度大，但頂底板巖體質量差，巖石堅硬程度以軟巖、較軟巖為主，易發生冒頂、底鼓等安全事故，在礦井設計、開采中應加強此類問題的防護措施。