淮南潘集深部勘查区15-2孔工程地质岩组划分

2016-12-09吴基文王广涛

淮南职业技术学院学报 2016年5期

关键词：岩组块状工程地质

芮芳，吴基文，王广涛

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001)

淮南潘集深部勘查区15-2孔工程地质岩组划分

芮芳，吴基文，王广涛

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001)

基于淮南潘集深部勘查区的详查地质资料，以勘查区工程地质钻孔15-2孔为研究对象，统计分析了钻孔煤系地层岩性厚度特征，选择RQD值和单轴抗压强度两个指标对岩石质量进行了评价;在此基础上，确定工程地质岩组划分依据，将该孔煤系地层划分为以泥岩岩组为主的五大类工程地质岩组，并对比分析了主采煤层顶底板岩组划分结果。研究结果为潘集深部勘查区提供准确详细的地质资料。

潘集深部勘查区；煤系地层；工程地质特征；岩组划分

1 引言

淮南潘集深部勘查区位于安徽省北部淮南市与蚌埠市交界处淮南煤田东部，大部分位于淮南潘集区境内[1]。勘查区主采煤层深度均在800 m以下，区域地质条件较为复杂，大的构造在深部地区较为发育。当今很多矿井在生产过程中，安全生产事故接连不断,严重威胁了矿井的高效安全生产。大量的研究表明，煤系地层稳定性除了受到外力的作用外,也与其本身的工程地质性质有关。因此，开展研究区煤系地层工程地质勘探，钻孔的工程地质特征分析与评价以及岩组划分，对矿井采掘工程的合理布置和矿井的安全高效生产具有重要意义。本文从研究区的实际情况出发,并结合现有的勘探资料,分析了研究区15-2孔含煤地层工程地质特征，并进行了岩组划分，所划分出的岩组既能反映出影响岩体工程地质性能的各种因素，又能够更好地反映出岩体形成时,在地史时期所经受到的各种地质作用、多期次构造运动及其成因变化特征等[2]，为研究区在后期建井、开采决策方面提供详细的地质基础资料。

2 钻孔工程地质特征分析与评价

2.1 钻孔岩层岩性与厚度特征

根据对15-2工程地质钻孔资料的收集分析，在-200～-1 300 m深度范围内，该孔钻取的岩芯都属于二叠系含煤地层。选取研究范围为二叠系17-1煤(含17-1煤)以下至太原组第一层灰岩之上不同时期的含煤地层。研究段深度在-851.9～-1 315.10 m范围内，地层岩性主要为粉砂岩、砂岩和泥岩三类，其中砂岩包括细砂岩、中砂岩和粗砂岩；泥岩包含煤、炭质泥岩。岩性厚度统计结果见表1。

表1 岩性厚度统计分析

从表1中可以看出，15-2钻孔岩性以泥岩为主，分层数达到了97层，岩性厚度达到298 m，厚度占到钻孔地层总厚的65.19 %；砂岩次之，细砂岩，中砂岩，粗砂岩层数分别达到17层，8层和1层，厚度分别为35.7 m,65.4 m和10.9 m，厚度占比达到24.5 %；粉砂岩最少，分层数为21层，厚度为47.1 m，厚度占比仅为10.3 %。

2.2 岩石质量评价

煤系地层岩石质量评价是指通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把地质条件和岩体力学性质参数联系起来，并借鉴已建矿井设计、施工和处理等成功与失败方面的经验教训，对岩体进行归类评判[3]。

2.2.1 RQD指标

RQD质量指是指大于10 cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。作为裂隙间距核密度的函数，基本上反映了岩体连通性、渗透性、压缩性等物理力学性质，能够定量反映岩体完整程度[4]。15-2孔含煤段统计结果见表2。

总体上看，本钻孔中泥岩RQD值偏低，虽然单层泥岩RQD百分值范围在0～100之间，但泥岩整体上RQD加权平均值为50.28 %，岩石质量一般，为块状岩体；粉砂岩RQD值范围在0～100之间，RQD加权平均值为54.42 %，岩石为块状；相比之下，砂岩RQD较高，RQD百分值范围在20～89之间，RQD加权平均值61.5 %，岩石为块状，完整性更好。

表2 RQD统计结果

2.2.2 岩石单轴抗压强度

岩石的力学性质虽然不直接决定岩体的工程地质特征,但却是影响岩体稳定的主要影响因素，表征岩石的基本力学性质主要有弹塑性和强度等。岩石的抗压强度分为单轴抗压强度和三轴抗压强度，本文研究的抗压强度是单轴抗压强度，它指在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压力。15-2孔岩芯采样试验共计做了58组，岩性包含砂岩、粉砂岩和泥岩，分别统计各组试样试验数据结果，并计算各岩性岩石抗压强度加权平均值见表3。

表3 抗压强度统计结果

所研究的15-2钻孔进行岩芯取样测试的地层中有36组泥岩，岩石抗压强度值在10.93～54.63 MPa之间，平均值为23.91 MPa，绝大多数都在30 MPa以内，超过40 MPa的岩层只有3组，泥岩均以泥质胶结为主，钙质胶结次之，且大多发育垂直裂隙，研究表明泥质胶结的泥岩岩性脆弱，受力易断，强度较低，此类岩石多数属于软岩，钙质胶结的泥岩强度略高；粉砂岩共有11组，岩石抗压强度值在14.80～52.10 MPa之间，平均值为27.24 MPa，粉砂岩多呈粉砂状结构，多以泥质胶结为主，坚硬程度比泥岩略大；砂岩岩层岩石抗压强度值在44.90～88.10 MPa之间，平均值为62.35 MPa，呈细粒砂状结构，颗粒均匀，成分以石英长石为主，且胶结类型以钙质胶结为主，所以岩石强度较高，坚硬程度以硬质为主。

3 岩组划分

岩组是工程地质性质相似的岩体的组合，同一类岩组，应具有相同的工程地质性质，每一岩组都具有一定的岩石组合特征[5]。在煤矿工程地质勘探过程中，岩组的划分极为重要，合理的岩组划分对正确认识煤层段岩体结构和煤层段岩体工程稳定性具有极为重要的意义，岩组的名称一旦确定，就会给人们一个清晰而明确的工程地质性质概念。

3.1 岩组划分依据

在进行岩组划分时，首先应对岩组界线划分，就岩性而言要求每一岩组内岩性是相同的，主要指的是成因相同和岩石物质成分相类似；其次，要求每一岩组中的原生结构面性质是相同的，主要指成因相同、分布规律相同、密度相同、层厚一致及延展性相同等[4]。然后根据工程地质岩组分类。根据岩石类型，可以划分为砂岩、粉砂岩、泥页岩、石灰岩、岩浆岩五种类型；再依据岩体结构，进一步将其划分为完整、块状、碎裂、散体；然后根据岩石强度将其划分为硬质、中硬、次软、软质。最后对划分的岩组进行命名，命名格式统一为“岩石强度+岩体结构+岩石类型”。划分依据见表4。

表4 钻孔地层岩组划分依据

3.2 钻孔含煤段岩组划分结果

依据上述划分原则，按照岩石的岩性、厚度、物理力学指标，将15-2孔17煤至太原组1层灰岩煤层段岩体划分为以下5个岩组：

泥岩岩组。共有19组，根据结构和强度，可以细分为软质完整泥岩岩组、块状泥岩岩组、中硬块状泥岩岩组、散体泥岩岩组、破碎泥岩岩组和块状泥岩岩组。它们厚度范围在7.5～37.0 m，平均厚度为14.96 m。

砂岩岩组。共有7组，根据结构和强度，可以细分为硬质块状中砂岩岩组、中硬块状中砂岩岩组、块状粗砂岩岩组、破碎中砂岩岩组和完整细砂岩岩组。厚度范围在5.6～17.3 m，平均厚度为10.99 m。

互层状砂泥岩岩组。共有7组，厚度范围在4.97～15.8 m，平均厚度为11.43 m。岩组内部为薄层状砂岩、粉砂岩和泥岩岩层组合，单层岩石的抗压强度大小相差较大。

粉砂岩岩组。共有2组，厚度为14.8 m和6.5 m，薄层组抗压强度为24.5 MPa，发生在断层破碎带附近，抗压强度低。

灰岩岩组。厚度为2.4 m，结构为完整，强度为69.5 MPa，属于硬质岩体。

从岩组划分结果可以看出，总体上该孔煤系地层以泥岩岩组为主，其次为互层状砂泥岩岩组和砂岩岩组，粉砂岩岩组和灰岩岩组较少。从结构和强度上看，多以软质和块状岩组为主，与上述岩性结构特征和岩石质量特征较为一致。

3.3 主采煤层顶底板工程地质岩组特征对比

根据上述岩组划分结果，对15-2钻孔中主采煤层顶底板岩组划分进行对比分析如下：

1(3)煤。1煤和3煤之间只有0.77 m厚的块状泥岩层，3煤在上1煤在下煤厚分别为3.53 m和4.55 m，具体分析时把1(3)煤作为同一层煤。与3煤层顶部直接接触的是厚度为3.80 m的中硬块状泥岩岩组，其顶部发育12.20 m厚的互层状砂泥岩岩组，顶板稳定性较差；与1煤层底直接接触的是厚度为2.65 m的软质块状细砂岩岩组，其底部发育10.80 m中硬块状泥岩岩组，泥岩含量较高。

4-1煤。该煤层总厚5.08 m，位于第二含煤段下部，与煤层顶部直接接触的是厚度为3.62 m的块状泥岩岩组，紧接其上发育10.80 m的硬质块状中砂岩岩组；与煤层底部直接接触的是厚度为0.65 m的块状泥岩层，其底部发育15.80 m的互层状砂泥岩岩组，与1(3)煤相比，该煤层顶底板砂岩含量较高，顶底板稳定性也较好。

8煤。8煤层总厚3.43 m，处在第二含煤段上部，与煤层顶部直接接触的是厚度为5.87 m的软质块状泥岩岩组，其上发育有不可采煤层9煤和13.50 m的中硬块状泥岩岩组，顶板以泥岩岩组为主。第二含煤段沉积时间内由于海进与海退频繁交替出现，因此4煤顶底板和8煤底板砂岩含量最高。

13-1煤。煤层厚7.68 m，处在第四含煤段中下部，与煤层顶部直接接触的是厚度为4.87 m的软质块状泥岩岩组，其上发育12.75 m互层状砂泥岩岩组，顶板泥岩含量较高；与煤层底部直接接触的是厚度为0.65 m的块状泥岩层，其下发育有不可采煤层12煤和13.80 m的互层状砂泥岩岩组。由于该煤层沉积环境恢复稳定，煤层发育最后，顶底部含泥量增高，较之3煤，4-1煤和8煤顶底板稳定性较差。