東周窯礦山4號煤頂板沉積特征與穩(wěn)定性分析

任志峰，高 遠

(1.大同煤礦集團 生產(chǎn)技術(shù)處，山西 大同 037003； 2.大同煤礦集團 東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

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·專題綜述·

東周窯礦山4號煤頂板沉積特征與穩(wěn)定性分析

任志峰1，高 遠2

(1.大同煤礦集團 生產(chǎn)技術(shù)處，山西 大同 037003； 2.大同煤礦集團 東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

通過鉆孔巖心精細觀察與巖性統(tǒng)計分析，認為東周窯礦山4號煤頂板發(fā)育曲流河道、漫溢與泛濫平原沉積微相，河道砂體多呈透鏡狀，泛濫平原泥巖、粉砂巖呈楔狀體。沉積構(gòu)造層理面、巖性接觸面、沖刷面和泥巖裂隙是巖體軟弱面，控制著頂板質(zhì)量。同時，劃分出4類頂板巖性組合類型，明確了其平面分布規(guī)律，探討了各類頂板的穩(wěn)定性特征，為礦井安全高效生產(chǎn)提供可靠地質(zhì)保障。

東周窯井田；山4號煤頂板；沉積特征；頂板巖性組合；頂板穩(wěn)定性

頂板穩(wěn)定性評價和預(yù)測是礦井安全生產(chǎn)中一項極為重要的基礎(chǔ)工作，是涉及到沉積環(huán)境、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖石力學(xué)、開采條件等諸多因素的復(fù)雜地質(zhì)問題。特別是現(xiàn)代化高產(chǎn)高效采煤技術(shù)的出現(xiàn)，礦井開拓系統(tǒng)向多開煤巷，少開巖巷的趨勢發(fā)展[1]，頂板管理顯得尤為重要。但隨著煤礦開采深度和地質(zhì)條件復(fù)雜程度不斷增加，冒頂事故仍時常發(fā)生，可占煤礦事故的30%以上，是制約安全高效生產(chǎn)的主要因素。造成頂板事故的主要原因是對其穩(wěn)定性預(yù)測時，忽略了巖體自身沉積特征的影響作用[2-3].因此，本次研究基于巖心精細描述和鉆孔資料，從巖性特征、沉積構(gòu)造、巖性組合等角度對山4號煤頂板沉積微相、頂板巖性組合類型進行分析，探討了各類頂板的穩(wěn)定性特征，為頂板綜合定量評價和預(yù)測奠定了基礎(chǔ)，也對后期采掘方式、支護形式的選擇及采掘設(shè)計和布置具有重要的指導(dǎo)意義。

1 井田概況

東周窯井田位于山西省左云縣城東，東起東周窯村，西至左云縣城東，北起西堡村，南至井兒溝村，東西長約15.8 km，南北寬約14.4 km，井田面積約119 km2.井田位于大同向斜西北翼，地層總體為寬緩的單斜構(gòu)造，地層走向185°～190°，傾向95°～100°，傾角2°～10°，一般3°～5°，石炭-二疊系成煤后主要經(jīng)歷燕山運動多向伸展-擠壓交替作用和喜山運動右旋剪切作用，形成井田內(nèi)部NW、NNE和近EW向正斷層和小型近NEE向褶皺，斷裂與褶皺組合使井田北部局部構(gòu)造復(fù)雜化，并伴生有陷落柱[4-6]. 井田內(nèi)太原組5號、8號和山西組山4號煤是主采煤層。根據(jù)井田鉆探和地震勘探情況，山4號煤在井田北部和東北部多被剝蝕，僅在井田南部和西部賦存，井田內(nèi)見煤點151個，可采見煤點142個，厚度分布在0.4～9.5 m，平均厚度為3.89 m，標(biāo)準差為2.1，整體呈東厚西薄的特征。向西部山4號煤一般分叉為山4上和山4下煤2個分層，煤間距逐漸增大，煤層連續(xù)性和穩(wěn)定性均較好，構(gòu)造起伏相對較小。

2 山4號煤沉積特征

沉積環(huán)境特征是判別頂板質(zhì)量好壞的主要因素，直接控制頂板的完整性與強度。由于沉積微相的變化，頂板巖性組合、厚度、巖石成分、結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造以及縱橫向差異較大，導(dǎo)致抗壓強度和破損程度截然不同，直接影響著頂板質(zhì)量，如厚層河道砂巖比泛濫平原砂泥互層頂板質(zhì)量好。通過對東周窯礦山4號煤系巖心觀察描述、沉積構(gòu)造、測井相和巖相組合分析，認為山4號煤頂板主要發(fā)育曲流河道、漫溢沉積和泛濫平原沉積微相，前者以粗-中砂巖為主，底部常見沖刷面，與細粒泥巖、泥質(zhì)粉砂巖突變接觸，并發(fā)育槽狀和板狀交錯層理，紋層可見暗色礦物、泥質(zhì)和碳屑沉積，河道砂體厚度較大，平面多呈條帶狀，垂向呈透鏡體，側(cè)向與泛濫平原和漫溢沉積突變接觸。漫溢沉積和泛濫平原沉積微相以粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖為主，泥巖內(nèi)多夾砂質(zhì)條帶，裂隙和平行層理發(fā)育，分布范圍廣，呈板狀幾何形態(tài)(圖1).由于沉積作用和沉積微相變遷的控制，沉積體結(jié)構(gòu)面，如巖性分界面和沉積構(gòu)造紋理面，通常是沉積軟弱面，特別是泛濫平原砂泥互層、水平層理和裂隙發(fā)育的區(qū)域，巖體黏聚力差，抗剪和抗壓低，受力容易破損，使頂板質(zhì)量和穩(wěn)定性表現(xiàn)為各向異性，采動過程中容易發(fā)生冒頂、底鼓或巖層脫落事故。

圖1 B57孔山4號煤頂板沉積微相圖

3 頂板巖性組合

巖層組合主要考慮不同巖性和不同厚度的巖層垂向組合，相同類型的組合與煤層距離不同，穩(wěn)定程度也不相同，頂板的分層厚度越大，直接頂越不易彎曲變形，穩(wěn)定性好。對研究區(qū)山4號煤頂板巖性組合進行統(tǒng)計，可劃分為：煤-厚層砂巖-泥巖(下硬上軟型)、煤層-泥巖(粉砂巖)-厚層砂巖(下軟上硬型)、煤層-泥巖-砂巖薄互層(復(fù)雜型)、煤層-厚層泥巖(軟弱型)4類頂板巖性組合類型。

3.1 煤-厚層砂巖-泥巖組合類型(下硬上軟型)

煤-厚層砂巖-泥巖組合類型反映了河道與漫溢沉積組合，頂板巖體強度由下往上逐漸降低，中間存在明顯的沉積弱面(圖2).由于S4頂板河道砂巖橫向上多呈透鏡狀，砂體兩側(cè)多為泥巖、粉砂巖細粒沉積，并隨砂巖變薄尖滅，泥巖厚度逐漸加厚。砂巖與泥巖交界面常發(fā)育滑面和縱向節(jié)理，從而使巖體強度有所降低。該類型頂板屬于下硬上軟型頂板，巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，強度大，是較優(yōu)質(zhì)的頂板，但在釆動過程中穩(wěn)定性較好，卻易造成大面積冒頂事故，需釆用特殊支護措施。

圖2 煤-厚層砂巖-泥巖組合類型圖

3.2 煤-泥巖/粉砂巖-厚層砂巖組合類型

煤層-泥巖-厚層砂巖和煤層-粉砂巖-厚層砂巖組合類型，反映了沼澤-泛濫平原-漫溢沉積-曲流河道的沉積序列，向上砂巖厚度增大，粒度變粗，巖體強度增強(圖3).該類型頂板屬于下軟上硬型頂板，符合巖層發(fā)育的一般規(guī)律，是采動過程中比較理想的組合形式，通常要根據(jù)頂板下部軟巖厚度即直接頂和采高來控制和管理頂板。

圖3 煤-泥巖-厚層砂巖組合類型圖

3.3 煤層-泥巖-砂巖薄互層組合類型

煤層-泥巖-砂巖薄互層組合類型，主要形成于漫溢間沉積環(huán)境，與曲流河道砂體伴生，分布于河道兩側(cè)。從下而上巖性為泥巖-粉砂巖-粉細砂巖-泥巖-粉細砂巖-砂巖或泥巖，厚度薄，反映了多期漫溢沉積疊置，發(fā)育規(guī)模較小的層理，如水平層理，砂紋層理等，形成時水動力條件整體偏弱，且強弱頻繁交替變化，使沉積物表現(xiàn)為互層性和不均一性，單層厚度薄，沉積軟弱面發(fā)育，巖體強度變化復(fù)雜(圖4).該類型頂板屬于復(fù)雜型頂板，巖體強度低，在采動過程中頂板易產(chǎn)生彎曲變形或沿薄煤層等軟弱層離層冒落，屬于頂板穩(wěn)定性差，管理困難的頂板。

圖4 煤-泥巖-砂巖薄互層組合類型圖

3.4 煤層-厚層泥巖型組合類型

煤層-厚層泥巖夾薄層砂巖組合類型，形成于曲流河泛濫平原沉積環(huán)境中，煤層之上巖性單一，多為厚層塊狀灰黑色泥巖、碳質(zhì)泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚度普遍大于5 m，水平層理發(fā)育，形成時水動力條件弱，且持續(xù)周期長，使沉積物表現(xiàn)為均一塊體(圖5).該軟弱型頂板，巖體強度整體偏低，在采動過程中容易彎曲變形，穩(wěn)定性較差，但其厚度大，完整性強，也易于管理。

圖5 厚層泥巖型組合類型圖

圖6 山4號煤頂板巖性組合類型平面分布圖

從山4號煤頂板巖性組合平面分區(qū)圖(圖6)可見，泥巖/粉砂巖-老頂砂巖組合型分布最廣，主要發(fā)育于中部和西部，東北部也有發(fā)育，呈連續(xù)條帶狀分布，約占山4煤賦存區(qū)60%，若泥巖很薄時，歸為偽頂，如果泥巖達到一定厚度時為直接頂，該類型頂板屬于不穩(wěn)定類型，直接頂泥巖工程性質(zhì)很低，通常隨采隨落，如果基本頂強度不夠大時，有可能隨直接頂泥巖失穩(wěn)冒落，造成整個頂板失穩(wěn)。其次為厚層砂巖基本頂類型，主要發(fā)育于井田中部，煤層直接與厚層砂巖接觸，較連續(xù)，條帶狀分布，約占20%，具有很高的力學(xué)強度，只有受到較強的動力作用時，頂板穩(wěn)定性才會受到影響。因此，該類頂板在工程地質(zhì)上屬于最穩(wěn)定頂板，但由于采后應(yīng)力集中，常發(fā)生大面積塌頂，需特殊的治理措施管理頂板。泥巖-粉砂巖-砂巖薄互層組合類型，

由于各巖層厚度薄，接觸面發(fā)育，且工程力學(xué)性質(zhì)差異大，導(dǎo)致巖體工程性質(zhì)較低，多屬于不穩(wěn)定頂板類型組合，難以管理。厚層泥巖頂板類型，指的是煤層之上發(fā)育厚層塊狀泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚度5～10 m，巖體力學(xué)性質(zhì)低，容易坍塌，但弱完整性好的條件下，可采取一定措施進行支護，管理難度小?；桶邘r頂板類型，零星發(fā)育，多位于井田東北區(qū)，穩(wěn)定性高，容易管理。

4 結(jié) 論

1) 東周窯山4號煤頂板發(fā)育曲流河道、漫溢沉積和泛濫平原沉積微相，其砂巖交錯層理、巖性接觸面、平行層理和泥巖裂隙是主要的結(jié)構(gòu)軟弱面，受力容易被破壞，發(fā)生塌落和層滑現(xiàn)象，在采動過程中需引起高度注意。

2) 劃分出煤-厚層砂巖-泥巖、煤層-泥巖(粉砂巖)-厚層砂巖、煤層-泥巖-砂巖薄互層、煤層-厚層泥巖4類頂板巖性組合類型，明確了各類型平面分布特征及頂板穩(wěn)定性程度，可為該礦后續(xù)頂板管理提供地質(zhì)依據(jù)。

[1] 劉少偉.煤層頂板穩(wěn)定性智能分區(qū)實現(xiàn)及工程應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報，2013，38(9):1531-1536.

[2] 劉衡秋，劉欽甫，孟召平.模糊綜合評判在煤層頂板穩(wěn)定性評價中的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探,2002,30(4):18-20.

[3] 劉海燕,伍法權(quán),李增學(xué),等.兗州煤田主采煤層頂板穩(wěn)定性特征分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006,25(7):1450-1456.

[4] 李彩峰.大同煤田東周窯井田石炭二疊系煤炭資源評價[J].華北國土資源,2009(4):7-9.

[5] 李祝平,李志君,王紫艷.山西省大同煤田左云縣同發(fā)東周窯井田補充勘探報告[R].太原：山西省地質(zhì)勘查局，2010:96-97.

[6] 孫殿宇，張彥宏.大同東周窯井田構(gòu)造演化與控煤作用研究[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年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，工程師，主要從事煤礦技術(shù)管理工作

(E-mail) cyhdd6204106@126.com

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1672-0652(2016)07-0042-04