宁武煤田西南部赵家沟煤矿地质条件评价

2013-08-15高少华

地下水 2013年6期

高少华

(西北大学地质学系，陕西西安710069)

赵家沟煤矿位于宁武县西南方向约60 km处赵家沟村一带，行政区划属宁武县新堡乡管辖。井田呈长条形，南北长约3.76 km，东西宽约0.64 km，面积2.1 km2。井田可采煤层为2、3、5号煤层，总资源量为9750万 t，准采深度(标高)1790～1 350m，区内煤层顶底板稳定性较差，孔裂隙水较发育，采空区积水、积气，已成为制约煤矿开采的重要问题，因此对井田开采地质条件进行评价是非常必要的[1]。

1 区域地质及矿井地质

1.1 区域地质

宁武煤田位于山西省中北部宁武至静乐一带，长约160 km，宽20 km，面积3000 km2，西侧为吕梁山隆起和芦芽山复背斜，东侧为五台山隆起带。煤田由南往北略呈平缓抬起，为北北东向的向斜，东西两翼产状较陡，向内产状逐渐变缓，核部水平，正断层发育，为晚古生代成煤期后受构造运动挤压抬升形成的古、中生代煤田[2－6]。石炭二叠纪煤系地层煤层总厚20～30m，中侏罗世煤系地层位于煤田中南部，煤层总厚1～2.5m[2]。轴部主要出露石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系地层，两翼由奥陶系地层组成，为对称开阔向斜。

1.2 矿井地质

本井田位于宁武煤田西南边缘，地层总体呈一单斜构造，走向北北东，倾向南东东，地层倾角60°～75°，靠近西翼可达80°，往地下深部倾角略有减小。区内南部地表地层倒转，倾向北西，倾角80°～85°。井田构造简单，地表未发现断裂构造。区内主要含煤地层为石炭系，可采煤层为太原组2、3、5号煤层。井田采用斜井开拓，建有主斜井、副斜井和回风斜井，目前开采煤层为5号煤层，采煤方法为走向长壁后退式采煤法[1]。

2 井田含煤地层及煤层

2.1 煤层形成古地理条件

宁武煤田在晚古生代太原期为海退背景下滨、浅海三角洲平原亚相的低位沼泽，物源主要来自大同以北的内蒙古隆起，早期植物生长繁盛，泥炭堆积厚度大，沉积了厚度较大的9号煤层;中、后期海水向南退出，成煤环境变差，在太原组中上部仅发育一些分布不连续的薄煤层和滨浅海相泥岩泥灰岩;太原组由南向北随着时间的变化，海相沉积范围逐渐变小，聚煤作用则由南向北逐渐增强。山西期海水退出，初期沉积环境较稳定，处于河流亚相的沼泽沉积微相区，形成了山西组下段较厚的4号煤层;中、后期沼泽相带收缩，成煤条件变差，沉积了1～3层横向分布不稳定的薄煤层[2－4]。

2.2 地层及煤层概况

煤矿地处宁武煤田西南边缘，属于晚古生代煤田。地层出露有奥陶系中统上马家沟组(O2s)，石炭系中统本溪组(C2b)、上统太原组(C3t)，二叠系下统山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)和第四系。其中太原组(C3t)为海陆交互相的含煤地层，岩性为灰白色粗、中、细砂岩，灰色、黑色砂质泥岩、泥岩，含2、3、5号煤层，地层厚度约85m。

2、3号煤层位于太原组上部，厚1～3m，无夹矸;5号煤层位于太原组下部，厚度约10m，含2层夹矸，厚度0.10～0.20m。区内煤层结构简单，全区稳定可采，煤质较软;煤层多呈黑色，粉末略带棕色，光泽多呈沥青－玻璃光泽，断口呈参差状，节理不发育，内生裂隙较发育，一般20～30条/cm;结构以宽条带状为主，硬度3.5，性脆易碎，质轻污手;宏观煤岩类型以半暗型煤为主，少量半亮型煤;露头风化后呈粉沫状。通过煤质化验分析，为中灰、中硫、高发热量煤层。显微煤岩特征:有机组分以镜质体最高，其次见胶镜质体，丝质体以全丝质体为主，矿物以粘土矿物为主，另有少量黄铁矿。依据浮煤挥发分、粘结指数、胶质层指数确定煤类为气煤(QM45)[1]。

2.3 井田水文条件

区内无常年流水性河流，发育的冲沟均为季节性排水通道，雨季沟谷有水汇集流出，注入井田东南汾河。马家沟组岩溶裂隙较为发育，在井田的西部出露，直接接受大气降水的补给，下渗形成地下水，对煤层开采影响较大。石炭－二叠系含砂岩孔裂隙水。地表风化裂隙发育，导水性良好，地下水主要向深部径流，在地表无泉水出露。矿区内地下水主要接受大气降水的补给，径流方向由西北向南东方向。

3 井田煤层开采地质条件评价

3.1 开采水文地质条件

3.1.1 岩层因素

本区富水岩层按含水介质划分为三种类型:松散岩类、碎屑岩类和灰岩类。松散岩类主要由第四系亚砂土、细砂土、砾石层组成，在地势低的地方含有一定的地下水，含水性弱。碎屑岩类为石炭、二叠系多层砂岩，属孔裂隙含水类型，各层之间有砂质泥岩、泥岩和煤层，这些岩层隔水性强，在无断层和裂隙沟通的情况下，各含水层之间水力联系弱，形成多层裂隙承压含水层。灰岩类层位稳定，属于埋藏型岩溶裂隙含水岩组，以网状溶蚀裂隙含水为主，溶洞次之。本溪组泥岩、铝土岩，是奥陶系岩溶水与上覆煤层之间良好的隔水层。石炭二叠系泥岩、砂质泥岩均为含水层间良好的隔水层。

3.1.2 构造因素

本井田为急倾斜单斜构造，由于受燕山期以来芦芽山和云中山造山运动的影响，地层孔裂隙较发育，常引起矿井淋水、涌水或突水。尤其是构造破碎带，沟通上下含水层或地表水体时，会导致突水事故的发生。矿区内未发现断裂构造，开采时应注意对隐伏构造的发现和研究。

3.1.3 充水因素

本区沟谷纵横，新生界蓄水层、太原组、山西组、奥陶系地层出露地表，雨季地表水会通过地表松散层、风化带、裂隙缝隙渗入地下，所以大气降水是影响矿井充水的一个重要因素。井田内5号煤层已形成采空区及古空区，经调查积水量较大，因此在煤层开采时，谨防采空区、古空区积水对煤层开采的影响，并建立健全防排水设备。奥灰水位标高为1 678m，煤层底板标高均低于奥灰水位标高，煤矿处于承压开采状态，开采时防止突水。在生产过程中开拓至钻孔附近时，注意涌水情况。

3.2 工程地质条件

3.2.1 岩土工程地质条件

第四系残积坡物具可塑性，厚度较大，分布于煤层露头区与缓坡地带，土体疏松，透水性较好，雨季易发生滑坡、坍塌等，应采取加固措施以防地质灾害发生。矿井掘进巷道主要在砂泥岩内，因岩石胶结较弱，岩体分层较多，结构碎裂，属软弱岩层，易发生顶部塌陷及底鼓等工程地质问题。

煤层开采后形成采空区，顶、底部岩层失去支撑，在自重及上覆岩石压力的作用下，开始弯曲－变形－冒落。因此，采空区上部的岩层，根据破坏和变形情况的不同，自下而上易形成冒落带、裂隙带和弯曲带，地面则形成沉降和裂缝。

3.2.2 顶底板稳定性评价

本区煤层顶板底板岩性为砂质泥岩、泥岩、粉砂岩等，厚度1～2m，粉砂岩抗压强度57.2 MPa，抗拉强度43.8 MPa，为中等坚硬岩石，不易冒落;泥岩和砂质泥岩为斜层状，抗压强度为44～49.8 MPa，抗拉强度2.08～4.27 MPa，为不坚固岩石，易跨帮、冒落，且泥岩遇水易泥化，会出现底鼓、支架下陷等不良工程地质问题[1]。

3.3 瓦斯、煤尘、煤的自燃

3.3.1 瓦斯

区内5号煤层瓦斯绝对涌出量为0.44m3/min，相对瓦斯涌出量为1.98m3/t，属低瓦斯矿井;2、3号煤层位于5号煤层上方，埋藏浅于5号煤层，瓦斯含量小于5号煤层。由于矿区煤层为急倾斜煤层，随着开采面积的增大和深度的加深，瓦斯含量可能增加，应随时对瓦斯涌出量进行监测，确保安全生产。另外区内存在大面积密闭采空区，内有二氧化碳、沼气、硫化氢等有害气体，由于长时间不通风造成浓度很大，开采时应注意泄露[1]。

3.3.2 煤尘爆炸性及煤自燃趋势

对2、3、5号煤层所作的煤尘爆炸定性分析表明:各煤层火焰长度＞400 mm，扑灭火焰的岩粉量为75%～80%，因此，各煤层均有煤尘爆炸危险性。因此采煤时应对煤层注水、洒水，掘进工作面必须采用湿式钻眼，定期清扫巷道和进行冲洗煤尘以减少巷道中堆积的煤尘，加强通风管理，控制巷道风速，防止煤尘飞扬，相邻的采掘工作面和采区用水幕、水栅隔开，杜绝非生产热源，严格控制生产热源[1]。

2、3、5 号煤层的自燃倾向性测试结果:全硫两极值0.35%～2.91%、煤层吸氧量为0.62～0.71 cm3/g，自燃等级为Ⅰ、Ⅱ级，属自燃、容易自燃煤层。在今后生产中应注意制定防灭火措施，及时清理浮煤、易燃物质，做好密闭工作，以防发生自燃现象[1]。

3.3.3 地温、地压

据本矿及邻矿开采情况，地温未见异常现象;从矿井生产巷道维护与采空区冒落情况看，该井田地压显现不大。本井田属地温地压正常区。