东周窑矿山4号煤顶板沉积特征与稳定性分析

任志峰，高 远

(1.大同煤矿集团 生产技术处，山西 大同 037003； 2.大同煤矿集团 东周窑煤业有限公司，山西 大同 037000)



·专题综述·

东周窑矿山4号煤顶板沉积特征与稳定性分析

任志峰1，高 远2

(1.大同煤矿集团 生产技术处，山西 大同 037003； 2.大同煤矿集团 东周窑煤业有限公司，山西 大同 037000)

通过钻孔岩心精细观察与岩性统计分析，认为东周窑矿山4号煤顶板发育曲流河道、漫溢与泛滥平原沉积微相，河道砂体多呈透镜状，泛滥平原泥岩、粉砂岩呈楔状体。沉积构造层理面、岩性接触面、冲刷面和泥岩裂隙是岩体软弱面，控制着顶板质量。同时，划分出4类顶板岩性组合类型，明确了其平面分布规律，探讨了各类顶板的稳定性特征，为矿井安全高效生产提供可靠地质保障。

东周窑井田；山4号煤顶板；沉积特征；顶板岩性组合；顶板稳定性

顶板稳定性评价和预测是矿井安全生产中一项极为重要的基础工作，是涉及到沉积环境、岩体结构特征、岩石力学、开采条件等诸多因素的复杂地质问题。特别是现代化高产高效采煤技术的出现，矿井开拓系统向多开煤巷，少开岩巷的趋势发展[1]，顶板管理显得尤为重要。但随着煤矿开采深度和地质条件复杂程度不断增加，冒顶事故仍时常发生，可占煤矿事故的30%以上，是制约安全高效生产的主要因素。造成顶板事故的主要原因是对其稳定性预测时，忽略了岩体自身沉积特征的影响作用[2-3].因此，本次研究基于岩心精细描述和钻孔资料，从岩性特征、沉积构造、岩性组合等角度对山4号煤顶板沉积微相、顶板岩性组合类型进行分析，探讨了各类顶板的稳定性特征，为顶板综合定量评价和预测奠定了基础，也对后期采掘方式、支护形式的选择及采掘设计和布置具有重要的指导意义。

1 井田概况

东周窑井田位于山西省左云县城东，东起东周窑村，西至左云县城东，北起西堡村，南至井儿沟村，东西长约15.8 km，南北宽约14.4 km，井田面积约119 km2.井田位于大同向斜西北翼，地层总体为宽缓的单斜构造，地层走向185°～190°，倾向95°～100°，倾角2°～10°，一般3°～5°，石炭-二叠系成煤后主要经历燕山运动多向伸展-挤压交替作用和喜山运动右旋剪切作用，形成井田内部NW、NNE和近EW向正断层和小型近NEE向褶皱，断裂与褶皱组合使井田北部局部构造复杂化，并伴生有陷落柱[4-6]. 井田内太原组5号、8号和山西组山4号煤是主采煤层。根据井田钻探和地震勘探情况，山4号煤在井田北部和东北部多被剥蚀，仅在井田南部和西部赋存，井田内见煤点151个，可采见煤点142个，厚度分布在0.4～9.5 m，平均厚度为3.89 m，标准差为2.1，整体呈东厚西薄的特征。向西部山4号煤一般分叉为山4上和山4下煤2个分层，煤间距逐渐增大，煤层连续性和稳定性均较好，构造起伏相对较小。

2 山4号煤沉积特征

沉积环境特征是判别顶板质量好坏的主要因素，直接控制顶板的完整性与强度。由于沉积微相的变化，顶板岩性组合、厚度、岩石成分、结构、沉积构造以及纵横向差异较大，导致抗压强度和破损程度截然不同，直接影响着顶板质量，如厚层河道砂岩比泛滥平原砂泥互层顶板质量好。通过对东周窑矿山4号煤系岩心观察描述、沉积构造、测井相和岩相组合分析，认为山4号煤顶板主要发育曲流河道、漫溢沉积和泛滥平原沉积微相，前者以粗-中砂岩为主，底部常见冲刷面，与细粒泥岩、泥质粉砂岩突变接触，并发育槽状和板状交错层理，纹层可见暗色矿物、泥质和碳屑沉积，河道砂体厚度较大，平面多呈条带状，垂向呈透镜体，侧向与泛滥平原和漫溢沉积突变接触。漫溢沉积和泛滥平原沉积微相以粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩为主，泥岩内多夹砂质条带，裂隙和平行层理发育，分布范围广，呈板状几何形态(图1).由于沉积作用和沉积微相变迁的控制，沉积体结构面，如岩性分界面和沉积构造纹理面，通常是沉积软弱面，特别是泛滥平原砂泥互层、水平层理和裂隙发育的区域，岩体黏聚力差，抗剪和抗压低，受力容易破损，使顶板质量和稳定性表现为各向异性，采动过程中容易发生冒顶、底鼓或岩层脱落事故。

图1 B57孔山4号煤顶板沉积微相图

3 顶板岩性组合

岩层组合主要考虑不同岩性和不同厚度的岩层垂向组合，相同类型的组合与煤层距离不同，稳定程度也不相同，顶板的分层厚度越大，直接顶越不易弯曲变形，稳定性好。对研究区山4号煤顶板岩性组合进行统计，可划分为：煤-厚层砂岩-泥岩(下硬上软型)、煤层-泥岩(粉砂岩)-厚层砂岩(下软上硬型)、煤层-泥岩-砂岩薄互层(复杂型)、煤层-厚层泥岩(软弱型)4类顶板岩性组合类型。

3.1 煤-厚层砂岩-泥岩组合类型(下硬上软型)

煤-厚层砂岩-泥岩组合类型反映了河道与漫溢沉积组合，顶板岩体强度由下往上逐渐降低，中间存在明显的沉积弱面(图2).由于S4顶板河道砂岩横向上多呈透镜状，砂体两侧多为泥岩、粉砂岩细粒沉积，并随砂岩变薄尖灭，泥岩厚度逐渐加厚。砂岩与泥岩交界面常发育滑面和纵向节理，从而使岩体强度有所降低。该类型顶板属于下硬上软型顶板，岩体结构稳定，强度大，是较优质的顶板，但在釆动过程中稳定性较好，却易造成大面积冒顶事故，需釆用特殊支护措施。

图2 煤-厚层砂岩-泥岩组合类型图

3.2 煤-泥岩/粉砂岩-厚层砂岩组合类型

煤层-泥岩-厚层砂岩和煤层-粉砂岩-厚层砂岩组合类型，反映了沼泽-泛滥平原-漫溢沉积-曲流河道的沉积序列，向上砂岩厚度增大，粒度变粗，岩体强度增强(图3).该类型顶板属于下软上硬型顶板，符合岩层发育的一般规律，是采动过程中比较理想的组合形式，通常要根据顶板下部软岩厚度即直接顶和采高来控制和管理顶板。

图3 煤-泥岩-厚层砂岩组合类型图

3.3 煤层-泥岩-砂岩薄互层组合类型

煤层-泥岩-砂岩薄互层组合类型，主要形成于漫溢间沉积环境，与曲流河道砂体伴生，分布于河道两侧。从下而上岩性为泥岩-粉砂岩-粉细砂岩-泥岩-粉细砂岩-砂岩或泥岩，厚度薄，反映了多期漫溢沉积叠置，发育规模较小的层理，如水平层理，砂纹层理等，形成时水动力条件整体偏弱，且强弱频繁交替变化，使沉积物表现为互层性和不均一性，单层厚度薄，沉积软弱面发育，岩体强度变化复杂(图4).该类型顶板属于复杂型顶板，岩体强度低，在采动过程中顶板易产生弯曲变形或沿薄煤层等软弱层离层冒落，属于顶板稳定性差，管理困难的顶板。

图4 煤-泥岩-砂岩薄互层组合类型图

3.4 煤层-厚层泥岩型组合类型

煤层-厚层泥岩夹薄层砂岩组合类型，形成于曲流河泛滥平原沉积环境中，煤层之上岩性单一，多为厚层块状灰黑色泥岩、碳质泥岩或砂质泥岩，厚度普遍大于5 m，水平层理发育，形成时水动力条件弱，且持续周期长，使沉积物表现为均一块体(图5).该软弱型顶板，岩体强度整体偏低，在采动过程中容易弯曲变形，稳定性较差，但其厚度大，完整性强，也易于管理。

图5 厚层泥岩型组合类型图

图6 山4号煤顶板岩性组合类型平面分布图

从山4号煤顶板岩性组合平面分区图(图6)可见，泥岩/粉砂岩-老顶砂岩组合型分布最广，主要发育于中部和西部，东北部也有发育，呈连续条带状分布，约占山4煤赋存区60%，若泥岩很薄时，归为伪顶，如果泥岩达到一定厚度时为直接顶，该类型顶板属于不稳定类型，直接顶泥岩工程性质很低，通常随采随落，如果基本顶强度不够大时，有可能随直接顶泥岩失稳冒落，造成整个顶板失稳。其次为厚层砂岩基本顶类型，主要发育于井田中部，煤层直接与厚层砂岩接触，较连续，条带状分布，约占20%，具有很高的力学强度，只有受到较强的动力作用时，顶板稳定性才会受到影响。因此，该类顶板在工程地质上属于最稳定顶板，但由于采后应力集中，常发生大面积塌顶，需特殊的治理措施管理顶板。泥岩-粉砂岩-砂岩薄互层组合类型，

由于各岩层厚度薄，接触面发育，且工程力学性质差异大，导致岩体工程性质较低，多属于不稳定顶板类型组合，难以管理。厚层泥岩顶板类型，指的是煤层之上发育厚层块状泥岩或砂质泥岩，厚度5～10 m，岩体力学性质低，容易坍塌，但弱完整性好的条件下，可采取一定措施进行支护，管理难度小。煌斑岩顶板类型，零星发育，多位于井田东北区，稳定性高，容易管理。

4 结 论

1) 东周窑山4号煤顶板发育曲流河道、漫溢沉积和泛滥平原沉积微相，其砂岩交错层理、岩性接触面、平行层理和泥岩裂隙是主要的结构软弱面，受力容易被破坏，发生塌落和层滑现象，在采动过程中需引起高度注意。

2) 划分出煤-厚层砂岩-泥岩、煤层-泥岩(粉砂岩)-厚层砂岩、煤层-泥岩-砂岩薄互层、煤层-厚层泥岩4类顶板岩性组合类型，明确了各类型平面分布特征及顶板稳定性程度，可为该矿后续顶板管理提供地质依据。

[1] 刘少伟.煤层顶板稳定性智能分区实现及工程应用[J].煤炭学报，2013，38(9):1531-1536.

[2] 刘衡秋，刘钦甫，孟召平.模糊综合评判在煤层顶板稳定性评价中的应用[J].煤田地质与勘探,2002,30(4):18-20.

[3] 刘海燕,伍法权,李增学,等.兖州煤田主采煤层顶板稳定性特征分析[J].岩石力学与工程学报,2006,25(7):1450-1456.

[4] 李彩峰.大同煤田东周窑井田石炭二叠系煤炭资源评价[J].华北国土资源,2009(4):7-9.

[5] 李祝平,李志君,王紫艳.山西省大同煤田左云县同发东周窑井田补充勘探报告[R].太原：山西省地质勘查局，2010:96-97.

[6] 孙殿宇，张彦宏.大同东周窑井田构造演化与控煤作用研究[J].煤，2015(4):26-29.

Sedimentary Characteristics and Stability Analysis of No.4 Coal Roof in DongzhouYao Coalmine

REN Zhifeng, GAO Yuan

Based on drill core observation and lithology statistical analysis, it is considers that No.4 coal roof develops meandering stream, overflowing and floodplain sedimentary microfacies, channel sand body is lenticular, while floodplain mudstone and siltstone present wedge shape. Sedimentary tectonics bedding plane, lithology contact surface, erosion surface and mudstone fractures are all fragile side, which constitute the character of roof. At the same time, four roof rock combination types are identified, and the plane distribution rule also clarified. The stability characteristics of various types of roof are discussed, which provide protection geologically for safe and efficient production of the coalmine.

DongzhouYao coal field; No.4 coal roof; Sedimentary characteristics; Group of roof lithology; Roof stability

2016-05-17

任志峰(1976—)，男，山西大同人，2007年毕业于中国矿业大学，工程师，主要从事煤矿技术管理工作

(E-mail) cyhdd6204106@126.com

TD163

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1672-0652(2016)07-0042-04