内蒙古鲁蒙能源鹰骏三号矿井工程地质特征

蒋旭辉

（中煤地华盛水文地质勘察有限公司，河北邯郸 056004）

上海庙矿区从南向北依次为鹰骏一、二、三、五号矿井。鹰骏三号矿井位于上海庙矿区的中部，西距盛鲁电厂约2.5km。设计生产能力6.00Mt/a，可采煤层为2 煤、2下煤、5 煤、8 煤、14 煤、15 煤、18 煤、19煤、20煤、21煤。矿井投产后首采煤层为二煤，开采方式为一次采全高综采采煤方法，立井开拓。

煤层围岩岩体质量和稳定性是中国西部煤炭安全开采的重要因素［1-3］，本矿井开采地质条件研究程度较低，特别是煤层顶板侏罗系矿井西南侧F1断层落差大于300m，断层将西侧的“宝塔山砂岩”强含水层向上抬升300 多米，使断层西侧强含水层与断层东侧可采煤层距离拉近，增大开采危险性［4］。为满足矿井建设和安全生产，需要查明直罗组和“宝塔山砂岩”含水层的水文地质工程地质特征。本文分析研究了影响主要煤层开采的白垩系、侏罗系工程地质特征和稳定性，为矿井建设及生产提供工程地质依据。

1 地质条件

1.1 地层

矿井内钻孔揭露地层由老至新主要有三叠系延长组，侏罗系延安组（J2y）、直罗组（J2z），白垩系志丹群（K1Zd），古近系及第四系。其中含煤地层为侏罗系延安组（J2y）。

1）延安组（J2y）。为本矿井主要含煤地层，上部为浅灰色、灰色泥质粉砂岩，见可采煤层2 层（2、2下），岩石较为坚硬；中部主要为灰色，灰黑色的细砂岩、粉砂岩、中粗砂岩，见可采煤层4 层（5、8、13、15）；下部为褐色，褐黄色等杂色薄层泥岩、泥质粉砂岩，底部以灰白色的细—中粗粒砂岩，即“宝塔山砂岩”（图1）。据勘查资料本组厚度159.69～496.45m，平均厚度322.44m。

图1 矿井煤岩关系示意Figure 1 Schematic diagram of coal-rock relationship in the mine

2）直罗组（J2z）。为一套河湖相沉积的砂岩、粉砂岩、砂质泥岩组成，颜色以灰绿、黄绿、蓝灰、灰褐色为特征。与下伏延安组含煤地层呈低角度不整合接触。本组厚度61.30～417.66m，平均厚度243.96m。底部为灰白色厚层状、局部杂褐色、黄色的粗粒石英长石砂岩，含石英成分的小砾石，即“七里镇砂岩”，该层砂岩较为松软，抗压强度低，遇水易崩解，软化系数小于0.75，为软弱或极软弱岩石。

3）白垩系志丹群（K1Zd）。上部为浅紫色、紫色、灰色、灰白色、灰绿色的泥质粉砂岩、泥岩，夹中粗砂岩、细砂岩、粉砂岩薄层，波状、交错层理。下部为灰白色的砂砾岩，砾石成分主要为石英岩、砂岩，少量为花岗岩、灰岩及中基性岩，砾石直径0.3～7cm，次棱角状，泥质、钙质胶结，局部砾石周围黄铁矿富集，常见绿泥石化、高岭土化，有少量黑云母。本层厚度78.35～345.90m，平均厚度250.38m。与下伏直罗组呈角度不整合接触。

1.2 矿井构造

本区构造形态为一个走向近SN，倾向近E 的单斜构造，次级褶曲多呈宽缓型，地层倾角为2°～25°，东南部断裂构造较为发育。

2 煤层围岩工程地质特征

本次勘查在5 个钻孔共采集岩石力学样284组。表1为B6孔的物理力学实验统计数据。

表1 B6钻孔地层岩石物理力学指标统计Table 1 Statistics of physical and mechanical indexes of rock in B6 borehole stratum

从表1 可以看出，各地层的岩石力学性质整体较差；不同地层、不同岩性的物理性质差别较大。白垩系中砂质泥岩各项物理力学指标平均值整体较砂岩、砾岩低，这也反映了砂岩的力学性质较砂质泥岩较好。而天然含水率则表现为砂质泥岩类略高，反映了砂质泥岩含水性要好，而砂岩、砾岩则含水性较差；侏罗系直罗组砂质泥岩的各力学指标较中、细砂岩要小，反映了砂岩类的力学性质较泥岩类要好，而天然含水率则表现为砂质泥岩类略高，反映了砂质泥岩含水性要好，而砂岩类则含水性较差。

3 煤层围岩岩体质量评价

煤层顶、底板岩体质量的好坏是岩体的完整程度、结构面特征及坚硬程度等因素共同决定的［5-7］。根据岩体质量系数法和岩体质量指标法，对煤层直接顶底板岩体质量进行评价［8-10］。

3.1 评价方法

1）岩体质量系数法。采用式（1）计算［11-13］。

式中：Z为岩体质量系数；I为岩体完整系数（无资料时可用RQD值代替）；f为结构面摩擦系数（内摩擦角的正切值）；s为岩块坚硬系数。s=Rc/10；Rc为岩块饱和轴向抗压强度。

2）岩体质量指标法。采用式（2）计算［14-16］。

式中：Rc为岩块饱和轴向抗压强度；RQD为岩石质量指标。

3.2 评价结果

根据5个钻孔的物理力学实验统计数据采用式（1）和式（2）对2煤、2下煤、5煤、8煤及15煤的围岩岩体质量进行了评价（表2）。

表2 2、2下、5、8、15煤层直接顶底板岩体质量评价结果Table 2 Quality evaluation results of the roof and floor rock of coal seams 2，2L，5，8，and 15

由表2 可以看出，各主采煤层直接顶底板岩性主要为砂质泥岩、中细砂岩，岩体较破碎，部分岩石遇水崩解，无法测得其饱和抗压强度，无法评价其岩体质量，但从侧面也反映了岩体质量较差。各主采煤层直接顶板岩体质量等级为极坏-坏，岩体质量为差，2煤直接顶板和8煤直接顶板个别地区岩体质量稍好，质量等级为一般，岩体质量为中等；各煤层直接底板岩体质量等级为极坏—坏，岩体质量为差。

4 煤层顶板30m、底板20m 范围内岩体质量评价

矿井内2煤与2下煤的距离为2.13～11.79m，距离较近，所以本次评价将2煤与2下煤合并为1层评价。根据岩石力学实验资料评价2 煤顶板、5 煤顶板、8煤顶板及15 煤顶板30m 范围内的岩石质量和2下煤底板、5 煤底板、8 煤底板及15 煤底板20m 范围内岩石质量（表3）。

表3 煤层顶板30m、底板20m范围内岩体质量评价结果Table 3 Quality evaluation results of rock within 30m of the coal seam roof and 20m of the floor

由表3 可以看出，各煤层顶板30m 范围内岩石力学强度较低，岩体质量等级为极坏—一般，岩体质量为差—中等；2 煤和15 煤底板20m 范围内岩体质量等级为极坏—一般，岩体质量为差—中等，5 煤和8 煤底板岩体质量较差，20m 范围内岩体质量等级为极坏—坏，岩体质量为差。

5 结语

矿井内构造较为发育，共发现断层168条，对矿井影响最大的时矿井中西部的F1断层和矿井东南部的FD1断层。断层构造破坏岩体的整体性，改变岩体的工程特征，使岩体的稳定性受到很大影响，同时也是地下水进入井巷的通道，在工程建设和采煤过程中具有很大的危害。

矿井内煤层顶板岩石力学强度低，抗压强度、抗拉强度低，为软弱—极软弱岩石，部分地区为中硬岩石。2 煤、5 煤、8 煤和15 煤顶板均为不稳定顶板，煤层掘进回采时要采取软弱岩层支护措施，防止顶板冒落事故的发生。煤层底板岩石抗压强度大多小于10MPa，稳定性差，为软弱破碎底板，在掘进回采时要密切注意煤层岩体质量变化情况，防止底鼓现象的发生。