焦作中站工业规划集聚区采空区冒落带分布特征及影响因素研究

2012-10-21河南省煤田地质局一队李红伟

河南科技 2012年8期

河南省煤田地质局一队李红伟

河南省煤田地质局一队李红伟

焦作中站工业规划集聚区位于焦作市西部中站区。该地区是一个开发历史悠久的老煤矿工业基地，希望通过综合治理在此建造一个新型现代化工业集聚区。该区主要的大型矿井有李封矿和王封矿，主要开采二煤和一煤。李封矿已有70多年的开采历史，于1988年进行回采；王封矿主要在20世纪50—60年代开采，于1993年进行回采。另外，该区还有多个小矿，主要开采二1煤及硫铁矿。本文，笔者简述了该地区的地形地貌和底层探测构成，并以此为基础，综合考虑影响冒落带高度的各种因素，得出了该地区的冒落带分布情况，为该地区的规划建设提供了依据。

一、探测区地质特征

1.地形地貌。探测区位于太行山南麓，北为寒武系、震旦系地层出露构成的高山，偶见峭壁，山呈东西走向，从太行山往南地势逐渐降低，再向南过渡为冲击平原。

2.地层。根据探测，该区完全被新生界第四系地层覆盖，钻孔揭露的地层为古生界奥陶系、石炭系、二叠系及新生界的第四系。

（1）奥陶系地层。该地层呈青灰色，隐晶质结构，有致密的石灰岩；揭露厚度6.99 m。

（2）石炭系地层。本溪组地层由铁矿层、铝土质泥岩层、砂质泥岩构成，厚度约20.0 m。太原组地层由砂岩、砂质泥岩、泥岩、石灰岩互层构成，夹薄煤层。此次探测主要揭露的是中上段地层，揭露厚度为21.33 ～ 62.31 m，主要由L5，L8，L9灰岩及砂岩、泥岩和砂质泥岩组成，一5煤层局部采空。

（3）二叠系地层。山西组地层由砂岩、泥岩互层构成；底部含巨厚煤层（二1煤），煤层厚2.7 ～ 9.0 m，普遍发育且均被采空；该层煤为亮煤，性酥脆，具金属光泽，具微割理，断口呈阶梯形；其中，灰色中细粒砂岩富含炭质及白云母片，污手，砂岩层厚6 ～ 12 m；山西组地层为二1煤层顶板标志层。该组揭露厚度为17.79 ～ 90.07 m。下石盒子组：由灰白色石英砂岩、风化色砂岩、泥岩互层构成；此次揭露的最大厚度为242.06 m。

（4）第四系地层。该层以黄土沙层、砾石及红色黏土为主，含各种矿物碎屑、钙质结核与较圆滑的砾石，偶有底砾石存在，揭露厚度为6.96 ～ 70.12 m。

3.地质构造。该区位于太行山大背斜南翼，岩层走向为北东–南西向，倾角为8° ～ 20°（一般为13°），构造以高角度正断层为主，且以走向正断层最为发育，偶见褶皱。

（1）褶皱。凤凰岭背斜位于焦作以北，为奥陶系石灰岩组成的山岭，东部岩层倾向东南，西部岩层倾向西南，背斜轴北高南低，渐次倾没于平原。受凤凰岭背斜的影响，凤凰岭以西的山岭呈东西走向，以凤凰岭为转折点向东的山岭则变为北东–南西走向。

（2）断层。断层是该区的主要构造特征，以高角度走向正断层为主，倾角为65° ～ 75°，以70°度最常见。因此，该地区井田被一组一级或一组多级的断裂作用分割为不同水平的自然采区。大断层伴生有锐夹角的支断层分叉伸展于该区，但规模较小，呈尖灭状。支断层在大断层上盘分布广且密度大，在下盘少而稀疏；在相对条件下，地堑区多，地垒区少；在大断层交汇区和大断层尖灭方向发育。

二、探测区冒落带分布特征

1.影响冒落带高度的主要因素。影响冒落带高度的因素主要有以下几个。

（1）煤层开采高度及面积。煤层开采高度计算公式如下：

式（1）中，hi为矿层厚度，r为顶板岩石完整岩块的容重，rk为塌陷的顶板岩石整体容重。

在煤层开采区探测施工中，钻速变快，并伴有掉钻，掉钻厚度0.3 ～ 3.10 m，注水试验中全泵量（0.233 m3/min）不返水，冒落带岩芯极破碎且成分复杂，测井曲线异常反应明显。经探测，得出二1煤顶板岩性分布与冒落带高度等值线如图1所示。

（2）煤层顶板岩性。探测区二1煤层伪顶为薄层炭质页岩，厚0.3 ～ 1.2 m，对冒落带高度的影响较小；老顶多为坚硬、抗压强度较大的中细粒砂岩，且距开采煤层较远，对冒落带高度的影响也较小；直接顶由于距采空区较近且厚度变化较大，因而其岩性对冒落带高度的影响最大。探测得知，该煤层直接顶的岩性主要为砂岩、砂质泥岩、泥岩，现分述如下。

①砂岩。砂岩在顶板中常表现为斜层理和缓波状层理，裂隙多为高角度闭合型，属坚硬完整岩石，为稳定区，在探测区内分布较少。

②砂质泥岩。砂质泥岩在顶板中呈水平层理发育，常夹泥质条带，属半坚硬岩石，为较稳定区，分布较广，占探测区面积的80%左右。

③泥岩。泥岩顶板由于长期受地下水的影响，因而较为软弱，为不稳定区，分布较少。

在此次探测中，GY–19探孔冒落带岩芯组成如图2所示。

顶板岩层的稳定性对冒落带的高度有重要影响。冒落带高度较小区主要分布在砂岩稳定区，即图1中的A区；冒落带高度较大区主要分布在泥岩不稳定区，即图1中的C区；其余为分布最广泛的砂质泥岩较稳定区，即图1中的B区。在这三类顶板岩性中，砂岩的极限抗压强度最大，易形成梁式平衡结构，不易发生冒落或局部空洞现象；泥岩的极限抗压强度最小，难以形成稳定的梁式平衡结构，再加上地下水的泥化和水解，因而易发生冒落；砂质泥岩的特性介于以上两者之间。总之，冒落带高度与顶板岩性密切相关。

在此次探测中，GY–9探孔的冒落带井下电视图像如图3所示，GY–29探孔的冒落带井下电视图像如图4所示。

（3）煤柱的相对位置及大小。一般来说，距防水或防护煤柱越近，该区域的冒落带高度就越小，最终完全尖灭。如在此次探测中，ZZ–2钻孔因在防护煤柱附近，虽然此处的煤层高度为9.0 m，但开采厚度仅有1.60 m，钻进至194.94 ～ 195.64 m时掉钻，而194.94 m以上岩芯均比较完整，钻进时水的消耗量也比较小。因此，该点的冒落带高度就为0.7 m。

（4）煤层开采年限。总体来说，煤层开采年代越早则顶板岩石塌陷就越严重，岩芯破碎程度也越高，冒落带高度相对也就越大，反之冒落带高度就越小。

（5）断层。受断层影响，煤层上的覆岩层一般具有以下特征：岩石强度降低，则黏结力和内摩擦角变小；塑性能力增强，则自身承载能力变差；亲水能力强，软化系数低；岩石多趋于泥化，裂缝易于弥合，隔水能力增强。

2.冒落带的分布。根据探测结果和综合分析可知，该区冒落带分布异常复杂，但大体上仍遵循以下两点：在开采面积比较大的区域，冒落带高度主要与煤层开采厚度有关，一般是采厚的2 ～ 6倍；在防水煤柱和防护煤柱附近，冒落带高度往往急剧减小，至其边界处则变为0。

在该地区，冒落带高度以此次探测中的GY–4孔为中心向四周减小，北边到王封断层附近尖灭，向南和向东又分别出现2个较高点，这3个高点中间形成一条冒落带的薄带。从图1可以看出，这3个高点的顶板均为硬度较小、相对不稳定的泥岩，且这3个点的采高均比较大；而冒落带较薄地区的顶板主要为硬度大的砂岩，并且保留有防水煤柱，采高也较小。

在该规划区的安置小区，冒落带南到中站断层尖灭，断层以北冒落带以此次探测的ZZ–3孔为高点向北递减。另外，由于该区均是1990年左右回采，因而冒落带高度主要受采高的影响，冒落带的分布在一定程度上也是该区煤层开采高度的反映。