贵州省土城煤矿矿区工程地质特征及评价

王辉迎

[摘要]本文以贵州省土城煤矿为研究对象，通过收集利用土城煤矿勘查工作中所取得的实验数据以及相关工程地质资料进行综合分析，从岩石及煤层顶、底板工程地质特征、断层破碎带和各类结构面工程地质特征、老窖及老矿井工程地质特征三个层面进行阐述，从而探究其稳定性影响因素并进行评价，为矿山开采和地质环境的保护提供参考依据。

[关键词]工程地质特征；稳定性评价；结构面；节理；裂隙

矿井建设以及生产过程中，矿区的稳定性是比较关键的影响因素，许多矿区灾害事故都是由于岩石、顶、底板以及各种构造影响所致，所以做好矿区-程地质特征及稳定性的分析工作就显得尤为重要。目前大量的生产实践和研究表明，地质因素会影响煤矿矿区的稳定性，加强煤矿矿区工程地质特征及稳定性研究，能够为客观反映矿区稳定性提供相应参考，这对矿井建设生产工作的良好开展起到积极促进作用。保障矿区工程地质的稳定性，要先了解工程地质的特征状况，准确掌握矿区工程的地质特征状况，并要做好相应稳定性分析工作，在这一基础上才能有助于各项工作安全有序地开展。

目前已有大量学者对工程地质特征及稳定性进行了研究，黄宇等通过介绍了垃圾填埋场作为地质体的概念，从垃圾的工程性质、填埋场体的结构特征以及地震、降雨、人类工程活动等动态工程地质过程出发，讨论了影响垃圾填埋场稳定性的因素，并概述了影响填埋场不稳定的因素。PaulIrikefe Edigbue等通过对沙特阿拉伯西部建设工程场地特征的地质和地球物理调查，着重调查了研究点两河对岸桥台的地质特征和基岩条件，从而避免流道和薄弱区域的不明确可能导致施工过程中的严重危险。大量研究多集中于邊坡工程地质特征及稳定性评价，主要是对边坡工程地质特征、岩体结构类型及工程岩体质量进行研究，从而探讨其控制因素、破坏模式等，并对其进行稳定性评价。部分学者对煤层顶板的工程地质特征及稳定性进行了研究，但是，对煤矿矿区的工程地质特征及稳定性评价的研究较少，且以往的研究结论对于土城煤矿来说并不太适用。因此本文开展土城煤矿矿区工程地质特征及评价，从岩石及煤层顶、底板工程地质特征、断层破碎带和各类结构面工程地质特征和老窖及老矿井工程地质特征三个层面进行阐述，从而探究其稳定性影响因素并进行评价，进一步了解矿区工程地质具体特征和稳定性状况，为工程施工活动的开展提供相应参考依据。

1 研究区地质背景

土城矿位于贵州省盘州市正北0°方位，属亚热带夏湿春干温暖气候。年均气温15.2℃。年平均降雨量1393.3 mm，年最大降雨量2105.5 mm，年最小降雨量791.5 mm，降雨量和季节性变化明显，全年无霜期260多天。主要灾害性天气有春旱、暴雨、冰雹、倒春寒、秋绵雨、凝冻等。

1.1 地形地貌

矿区地处云贵高原中部过渡地带，为中低山地形，山形和地层走向基本一致，矿区北部为玄武岩形成的缓坡山，煤组下段多成沟谷，中上段形成反向坡，上覆地层组成陡峻的高山。全区地势为中部高两端低，最高点位于矿区中部磨盘石梁子山顶，海拔标高+2262.98 m；最低点位于矿区北西部拖长江河床，海拔标高+1480.40 m，为当地最低侵蚀基准面，最大高差782.58m。

1.2 地层岩性

本区域出露地层由老至新有：石炭系、二叠系、三叠系、第三系和第四系。缺失侏罗系、白垩系。早、晚二叠世之间有基性岩浆喷溢，形成大面积分布的峨眉山玄武岩。矿区范围内及周边岩石按岩性主要分为碳酸盐岩、碎屑岩、火成岩及第四系，前三个主要由灰岩、泥灰岩、细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、煤层、泥质灰岩及粉砂质泥岩等组成，第四系主要由粘土、亚粘土、砂质土及含砾砂土等组成。

1.3 水文地质条件

本区域属于珠江流域，北盘江水系，属长江支流汇水区。矿区内无湖泊、水库等大型常年地表水体。地表水主要为河流、沟溪及井泉。矿体大部位于当地最低侵蚀基准面（+1480.40m）以下，不利于地表及地下水的排泄。矿区内地下水类型按岩性、赋水空间分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和可溶岩岩溶裂隙水三种类型。区域内可溶性岩层有二叠系中统柄霞茅口组，三叠系下统永宁镇组，中统关岭组中、上段。可溶性岩层含裂隙溶洞水，富水性强，是重要的含水层。二叠系上统峨眉山玄武岩组、龙潭组、三叠系下统飞仙关组，属非可溶性岩层。其充水空间不发育，含水性和透水性均弱，是含水层之间的相对隔水层。

第四系含孔隙水，因厚度小且分布零星，泉点少，流量小，无供水意义。关岭组中、上段含裂隙溶洞水，暗河发育，常见大泉，富水性强。水质为重碳酸钙型水；下段泉点稀少，含水性弱，有隔水作用。永宁镇组第二段含水性弱，有隔水作用。其余各段岩溶发育，含裂隙溶洞水，泉点及暗河多见，流量大，富水性强。水质为重碳酸钙（钙镁）型水。飞仙关组含裂隙水，泉流量随季节性变化，富水性弱，为一相对隔水层。水质为重碳酸钠型水。龙潭组既是相对隔水层又是直接充水含水层。含裂隙水，富水性弱。玄武岩组为P1q、P1m与P3l之间相对隔水层。一般含水性弱，有时含裂隙水。茅口组为区域主要岩溶含水层之一，赋存碳酸盐岩溶洞水，岩溶管道发育，含水性极不均一。富水性强。水质为碳酸钙型水。

区内位于北盘江上游支流汇水型水文地质单元的补给区，地下水的补给来源以大气降水为主，地表水补给为辅。地下水的径流在可溶岩地层中，以管道流为主，脉状流为辅；在非可溶岩地层中，以隙流为主。地下水的排泄在非可溶岩层中多以泉的形式近源排泄于地形低凹处；而在可溶岩层中地下水多以岩溶大泉及暗河的形式沿河谷地带集中排泄。

1.4 地质构造与地震

盘县煤田地处贵州高原西部边缘，处于扬子准地台（Ⅰ）上扬子台褶皱带（Ⅱ）黔西南迭陷褶断束（Ⅲ）的西部。区域构造上属黔西南迭陷褶皱断束的一部，褶皱平缓，断裂与溶岩较发育，构造大致分北西向和北东向两组（图1）。本区新构造运动微弱，地震震级低，区域稳定性较好，地壳活动对矿井开采和地质环境的影响不大。

2 研究区工程地质特征分析

2.1 矿区岩石及煤层顶、底板工程地质特征分析

2.1.1 岩石工程地质特征分析

根据勘探工作所采取的含煤地层的岩样进行物理力学性质试验，各种岩性饱和单轴抗压强度（表1）。根据矿区范围各岩类的出露情况及不同岩性的饱和单轴抗压强度指标，并结合岩石坚硬程度分类指标，可将矿区工程地质岩组划分为碳酸盐岩坚硬岩工程岩组、碎屑岩较软岩—较硬岩工程地质岩组、火成岩坚硬岩—较硬岩工程地质岩组、第四系松散岩工程地质岩组（表2）。

2.1.2 煤层顶、底板工程地质特征分析

龙潭组含煤地层中本次算量煤层共17层，直接及间接顶、底板以粉砂质泥岩及泥质粉砂岩、泥岩、粉砂岩、细砂岩等组成，煤层一般有0.10～0.50m的泥岩为顶。由于各可采煤层间距较小，大部分既是底板又是顶板。据在钻孔中采煤层顶板30m及底板20 m范围内岩石物理力学试验样，同时结合勘探工程钻孔岩芯工程地质编录资料、各煤层顶底板岩石物理力学试验数据和各开采煤层井巷顶底板调查成果，上述各可采煤层顶、底板工程地质特征如表3所示。

2.2 断层破碎带和各类结构面工程地质特征分析

2.2.1 断层破碎带

矿区范围内发现的断层共有96条，多数以北东向为主，少数为北西走向。落差大于100 m的有8条；落差50～100 m的有9条；落差30～50 m的有11条；落差20～30 m的有9条；其余断层落差在5～20 m，多数为钻孔和巷道揭露的隐伏断层，部分为地表断裂。矿区内断层主要以泥质、钙质胶结为主，岩石裂隙发育，充填大量方解石，岩石工程力学强度低；矿井在巷道生产过程中，也揭露部分小断层，主要以泥岩、钙质胶结，方解石充填。

2.2.2 节理、裂隙

本区裂隙T1yn1、T1f、P3l地层中均有发育，裂隙性质以斜交细裂隙为主，且大部分被方解石脉充填，使得岩体保持岩体原有的完整性，但岩石的力学强度尤其是抗拉、抗剪強度有所降低。

2.2.3 层理、层面

岩石根据成因、成分差异性，其层理、层面有所不同，本区分三类：碳酸盐岩层面，岩层呈薄层状、中厚层状构造，层间无胶结，但层面摩擦系数大；碎屑岩层理，岩层薄至厚层状，有波状、微波状、水平及平行层理，发育于不同岩石中，总的来说，砂岩类岩石层理间以钙质、菱铁质胶结为主，胶结程度好，不易发生遇水崩解现象，力学性能好，泥岩类岩石层理间以泥质胶结为主，遇水易发生崩解，其力学强度较低；火成岩，由喷出凝固而成，具少量气孔构造，无层理、层面。

2.3 老窖及老矿井工程地质特征分析

区内老窑及老矿井较多，主要分布于西北部及北部溪沟煤层露头线附近及地势低洼的沟谷处。老窑采用坑木支护，开采深度一般50～100 m，水平距离约200 m，因井口垮塌、排水、通风困难及政策性等原因而关闭。说明老窑的工程地质条件较复杂。

老矿井开采方式以地下开采，采用斜井开拓，平硐上山布置方式，矿井采煤方法采用微倾斜柔性掩护式支架法回采，开采方式为走向长壁式开采。矿井采用全部垮落法管理顶板，顶板及围岩的稳固性中等至差，易于放顶。

3 矿区稳定性评价

3.1 稳定性影响因素分析

对煤矿矿区稳定性构成威胁的因素多样且复杂，在进行相应评价-作前需明确其影响因素，评价的客观准确度才会更加可靠。由于煤矿工程的特殊性，传统的单一化评价方法，目前已经难以用于煤矿工程稳定性分析评价，因此分析稳定性影响因素就变得尤为重要，影响该矿区稳固性的因素主要有岩石特性、地质构造、水和岩溶作用。

3.1.1 岩石特性

坚硬完整的岩石一般对围岩稳固性影响较小，而软弱岩石则由于强度低，抗水性差，受力容易变形和破坏，对围岩稳固性影响较大。而矿区内碎屑岩地层的岩性主要由细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩、煤岩等组成，其中细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩多为半坚硬岩石，岩体完整性相对较好，围岩稳固性较好；而泥岩、炭质泥岩、煤岩等多为软弱岩石，岩体完整性差，围岩稳固性差。岩石特性会直接影响着煤矿的稳定性，因此在评价时需充分考虑该因素。

3.1.2 地质构造

由于地质构造的影响，围岩通常是强度不等的坚硬和软弱岩层相间的岩体，软弱岩层强度低，容易变形破坏。构造变动中，常沿坚硬和软弱岩层接触带错动，形成厚度不等的层间破碎带，大大破坏了岩体完整性。构造应力具有明显的方向性，对地下井巷围岩的变形和破坏起控制作用。矿区内断层发育，形成断层破碎带，井巷通过断层时，由于岩石破碎及地下水的影响使围岩的稳固性很差。

3.1.3 地下水和岩溶作用

井巷通过含水层，便成为排水通道，改变了原来地下水动力条件，裂隙含水层水常以脉状方式汇入井巷，灰岩地区由于岩溶发育，岩溶含水层水则以地下暗河或其他集中水流突然涌入井巷，造成突水事故。而地下水通过断层、裂隙、破碎带等流向井巷，由于水力坡度会较大，因此可能产生机械潜蚀，严重者可形成流砂、水带泥石一起涌向井巷，造成事故。地下水还使软弱夹层软化或泥化，降低强度，不同程度地影响围岩的稳固性。

3.2 综合评价

根据前面分析结果可知，土城煤矿矿区第四系松散岩工程地质岩组结构较松散，岩土工程地质性质较差，且碳酸盐岩坚硬岩工程岩组岩溶发育，富水性强，涌水、突泥等问题需重视。可采煤层的顶、底板的稳固性均属中等稳定。部分小断层主要以泥岩、钙质胶结，方解石充填，工程地质条件稳定性差，故矿井在今后巷道掘进、采矿时应对该部位进行水泥浆锚喷加固，避免安全事故发生。井巷穿切断层时岩石的完整性相对较差，稳定性较差，断层带附近，煤层的顶板较破，难于支护，围岩稳固性差。

4 结论

本文开展土城煤矿矿区工程地质特征及评价，从岩石及煤层顶、底板工程地质特征、断层破碎带和各类结构面工程地质特征和老窖及老矿井工程地质特征三个层面进行阐述，从而探究其稳定性影响因素并进行评价，得出结论如下：

（1）矿区工程地质岩组划分为碳酸盐岩坚硬岩工程岩组、碎屑岩较软岩—较硬岩工程地质岩组、火成岩坚硬岩—较硬岩工程地质岩组、第四系松散岩工程地质岩组。直接及间接顶、底板以粉砂质泥岩及泥质粉砂岩、泥岩、粉砂岩、细砂岩等组成，由于各可采煤层间距较小，大部分既是底板又是顶板。

（2）矿区范围内断层多数以北东向为主，少数为北西走向。主要以泥质、钙质胶结为主，岩石裂隙发育，力学强度低；裂隙T1yn1、T1f、P3l地层中均有发育，以斜交细裂隙为主。岩石根据成因、成分差异性，其层理、层面有所不同，区分三类：碳酸盐岩层面、碎屑岩层理、火成岩无层理、层面。

（3）区内老窑及老井主要分布于西北部及北部溪沟煤层露头线附近及地势低洼的沟谷处，工程地质条件较复杂。

（4）影响该矿区稳固性的因素主要有岩石特性、地质构造、水和岩溶作用。土城煤矿矿区第四系松散岩工程地质岩组结构较松散，岩土工程地质性质较差，且碳酸盐岩坚硬岩工程岩组岩溶发育，富水性强，涌水、突泥等问题需重视。可采煤层的顶、底板的稳固性均属中等稳定。部分小断层工程地质条件稳定性差。井巷穿切断层时岩石的完整性相对较差，稳定性较差，断层带附近，煤层的顶板较破，难以支护，围岩稳固性差。