黄陇侏罗纪煤田李家河勘查区煤层顶底板稳定性评价

2018-03-27田拴来

中国煤炭地质 2018年2期

田拴来

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

0 引言

煤层顶底板稳定性是矿井建设和安全生产的重要因素之一，已引起了越来越多的重视。据国家煤矿安全监察局统计，近90%的矿井地质灾害来自于煤层顶底板。煤层顶底板的稳定性是确保煤矿安全、高效的基本条件，是矿井综采工作面顺利推进的基本保证。

李家河勘查区是进一步落实国家西部大开发战略，满足宝鸡市国民经济高速发展的需要，由国投陕西李家河矿业有限公司进行勘探工作的。勘查区煤层埋藏较深，无生产矿井及小窑开采。勘查区南部的戚家坡煤矿，邻近甘肃省境内的净石沟煤矿、新安煤矿、新窑煤矿、大柳煤矿等矿井，在生产过程中均有煤层顶底板事故的报道。因此，研究勘查区主采煤层的顶底板稳定性，对于未来煤矿建设和生产具有重要的现实意义。

1 地质背景

李家河勘查区位于陕西省宝鸡市陇县西北部，行政区划隶属宝鸡市陇县李家河镇。勘查区南北长约10km，东西宽约6.9km，面积67.3km2。

勘查区属于渭北黄土高原与陇东高原结合部的侵蚀地貌。西邻陇山，向东、北则属渭北黄土高原。区内侵蚀性沟谷发育，地形破碎，属黄土梁、塬、沟壑区，植被相对稀少，水土流失较严重，坡面支离破碎，梁高谷深，坡谷陡峻，地形条件较差。地势总体呈北高南低，东高西低之势态。一般海拔高程为1 100～1 300m，最大为1 427.80m(北端土地殿疙瘩北)，最低为1 100m(李家河河谷)，为当地侵蚀基准面，即储量计算埋深基点。最大相对高差327.80m。

勘查区地层由老到新有：中生界三叠系中统铜川组，侏罗系下统富县组、中统延安组、直罗组、安定组，白垩系下统宜君组、洛河组、华池组、罗汉洞组，古近系，新近系及第四系中上更新统黄土。第四系中上更新统风成黄土广泛分布于梁塬之上，白垩系基岩出露于谷底及谷坡处，以下基岩全部掩盖。

含煤地层为侏罗系中统延安组，依据岩性、岩相、旋回结构及煤层特征划分为三段，自下而上依次为第一段、第二段、第三段。第一段、第二段各发育1个煤组，共含煤7层，自上而下编号依次为21、22、2、2下、31、32和3煤层。各煤组在平面上均有不同程度的分岔与合并，煤层结构均为简单或较简单。第三段未见煤。

2 煤层发育及顶底板特征

勘查区主要发育延安组第一段和第二段。第二段发育2煤组，第一段发育3煤组。2煤层、3煤层为区内主要可采煤层，21煤层、32煤层为次要可采煤层，其余为不可采煤层。现将区内主要可采煤层的特征分析如下。

2.1 2煤层

位于第二段中上部，与3煤层间距平均31.47m。在区内分布广、沉积连续，东部含煤性较西部、中南部好，基本为厚煤区。中北部隆起区煤层沉积薄或无煤沉积。

区内2煤层见煤点共54个，煤层自然厚度0～9.18m，平均3.03m；可采厚度0.82～9.18m，平均3.68m。煤层厚度大于3.50m的见煤点24个，占44%，其中厚度大于8.00m的见煤点1个，为中厚-厚煤层，大部分可采且较为稳定，是本区主要可采煤层之一。煤层底板标高-58.96～640.79m，埋深459.21～1 131.33m(从当地最低侵蚀基准面起算)。可采面积26.84km2，占勘探面积的73.5%。

2煤层顶板一般为深灰色泥岩、砂质泥岩，厚度为2.00～3.00m。上距22煤底板变化较大，为0.80～9.28m，平均2.69m。底板为泥岩、砂质泥岩，厚度2.00～3.00m(图1)。

2.2 3煤层

位于第一段中下部，下距延安组底面0.60～51.53m，平均11.83m，与32煤层间距平均2.38m。在区内东部南北向分布着3个巨厚含煤区(煤层厚度>8m)；北部由56-4孔、5506孔、55-4孔3个见煤点形成，中部由63-5孔、63-4孔、5302孔3个见煤点形成，南部5001孔周围形成；本区西部巨厚煤层呈北西向展布；区内中部古隆起区少数见煤点3煤层沉积很薄，多数钻孔无煤层沉积区内3煤层见煤点共44个，煤层自然厚度0～17.65m，平均5.07m；可采厚度1.00～17.65m，平均6.93m。煤层厚度大于3.50m的见煤点25个，占57%，其中>8.00m见煤点13个，占30%，为厚-巨厚煤层。为大部可采的较稳定煤层，是本区主要可采煤层之一。底板标高-114.37～585.05m，埋深514.95～1 212.95m(从当地最低侵蚀基准面起算)。可采面积22.59km2，占勘探区面积的61.9%。

3煤层顶板为深灰色泥岩、砂质泥岩，一般厚度1.00～2.00m，个别钻孔为粉-细砂岩。底板多为灰褐色铝土质泥岩或铝土质粉砂岩，一般厚度2.00～3.00m(图2)。

2.3 力学性质

据本次LC-1孔煤层物理力学试验资料(表1)可知：区内煤层的抗压强度普遍较低，2煤顶板的抗压强度也低，2煤层的底板、3煤的顶底板相对较高，达到中等抗压强度。因此，研究煤层顶底板及其稳定性，对于煤层的开采有着重要的现实意义。

3 煤层顶底板岩石的稳定性评价

3.1 划分标准

影响煤层顶底板稳定性的主要因素有岩石强度、坚固性等物理力学性质及岩性、层厚、层理、节理裂隙等地质因素。根据勘查区特点，对煤层顶底板稳定性评价主要依据岩石抗压强度、坚固系数，并参考岩层厚度、层理、裂隙等地质特征综合分析评价。所选择的顶底板稳定性划分标准如表2。

3.2 评价结果

3.2.1 煤层顶板

3.2.1.1 2煤层

2煤伪顶与直接顶普遍发育(图1)，伪顶厚度一般小于1.0m，为炭质泥岩、砂质泥岩、泥岩。直接顶厚度在1.40～5.90m，一般在2.0m左右，为砂岩和中等厚度的泥岩。

图1 2号煤层顶板类型及厚度Figure 1 Coal No.2 roof types and thicknesses

图2 3号煤层顶板类型及厚度Figure 2 Coal No.3 roof types and thicknesses

岩层干燥抗压强度/MPa饱和抗压强度/MPa软化系数弹性模量/MPa泊松比内聚力/MPa内摩擦角/(°)抗拉强度/MPa2煤顶板14.643.270.221.2730.253.1227.280.682煤层15.119.040.600.5680.263.0829.040.732煤底板31.4219.560.621.5740.204.9534.261.593煤顶板37.7222.190.591.8650.235.2435.641.863煤层14.949.060.610.6230.252.9627.810.723煤底板35.4119.850.561.6410.214.3636.491.69

表2 煤层顶底板稳定性分类标准Table 2 Coal roof and floor stability classification criteria

2煤层顶板抗压强度为14.64MPa，饱和抗压强度为3.27MPa，根据煤层顶底板稳定性分类标准，综合顶板岩性特征，认为勘查区2煤层顶板属于不稳定的岩体。

3.2.1.2 3煤层

3煤层伪顶零星分布，厚度一般小于1.0m，为炭质泥岩、砂质泥岩、泥岩。勘查区局部地段，煤层直接与砂岩老顶接触，直接顶砂泥岩则普遍发育(图2)。

3煤层顶板抗压强度为37.72MPa，饱和抗压强度为22.19MPa，根据煤层顶底板稳定性分类标准，综合顶板岩性特征，认为勘查区3煤层顶板属于稳定性较差的岩体。

伪顶厚度薄，稳定性差，随着煤层开采而冒落，属不稳定岩体。直接顶砂泥岩呈互层状产出，属稳定性较差的岩体。老顶砂岩一般为中等稳定岩体。

3.2.2 煤层底板

3.2.2.1 2煤层

2号煤层伪底为泥岩及砂质泥岩，呈孤岛状零散分布，厚度为1.0m左右。直接底砂泥岩及铝质泥岩普遍发育，厚度在1.80～15.07m(图3)。

图3 2号煤层底板类型及厚度Figure 3 Coal No.2 floor types and thicknesses

图4 3号煤层底板类型及厚度Figure 4 Coal No.3 floor types and thicknesses

2煤层底板抗压强度为31.42MPa，饱和抗压强度为19.56MPa，根据煤层顶底板稳定性分类标准，综合顶板岩性特征，认为勘查区2煤层底板属于稳定性较差的岩体。

3.2.2.2 3煤层

3号煤层伪底为泥岩及砂质泥岩，呈孤岛状零散分布，厚度为0.5m左右。勘查区局部地段，煤层直接与老底砂岩接触。直接底砂泥岩及铝质泥岩普遍发育，其局部地段厚度可达15m，其余地段一般小于5m(图4)。

3.3 综合评价

勘查区煤层围岩为各粒级砂岩及砂泥岩，岩性变化较大，岩体以层状-薄层状结构为主，具各向异性，强度较低且变化较大，其稳定性主要取决于岩性及其结构。区内岩石属质量劣完整性差-岩石质量中等岩体中等完整。岩体质量坏-一般。煤层伪顶泥岩、炭质泥岩为不稳定岩体，直接顶砂泥岩属不稳定-稳定性较差的岩体，老顶砂岩一般为中等稳定岩体。煤层底板泥岩、铝质泥岩及粉砂岩为不稳定-稳定性较差岩体。临区生产矿井资料显示，随矿井开拓，局部地段出现地面塌陷，地裂缝及底鼓等矿山工程地质问题。