鉆孔巖芯力學在煤層頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)評估上的應用

呂建祥

（山西省煤炭地質(zhì)148勘查院，山西 太原 030053）

太原西山煤田馬蘭煤礦位于西山煤田中南部的馬蘭向斜中南段，受其控制，井田地層走向近南北，往西則轉(zhuǎn)為北西—南東向，向斜西翼地層較陡，東翼地層較緩，傾角一般小于10°。在此基礎上伴隨著一些次級褶皺及斷層，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，僅在本區(qū)西部和東部發(fā)育有幾處斷裂，均為正斷層。煤系地層主要為碎屑巖及碎屑巖夾碳酸鹽巖沉積。為查明井田的工程地質(zhì)條件，了解主要可采煤層頂?shù)装宓墓こ痰刭|(zhì)特征，了解10號煤層至O2界面間隔水層特征，為帶壓開采提供工程地質(zhì)資料，對該礦MR-1、MR-4號鉆孔工程地質(zhì)編錄資料及176組巖石力學樣進行了系統(tǒng)分析。在主要可采煤層頂?shù)装迨苡绊懙姆秶鷥?nèi)巖石主要由細—粗粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖、石灰?guī)r等組成。巖石一般裂隙不發(fā)育，構(gòu)造破壞地段裂隙發(fā)育。在剖面上巖性變化較大，結(jié)構(gòu)主要為層狀。研究區(qū)位于太原西山煤田中部古交市西南，北部與鎮(zhèn)城底礦相鄰。區(qū)內(nèi)新生界松散沉積物，包括第三系上新統(tǒng)紅土、第四系中、上更新統(tǒng)黃土、第四系全新統(tǒng)近代沖積層，不整合于石炭系、二疊系基巖之上，厚度變化大，鉆孔所揭露的厚度最大為125.07m（535號孔）。第三系上新統(tǒng)、第四系中、上更新統(tǒng)廣泛分布于山頂、山坡，主要由粘土、砂質(zhì)粘土組成，黃土垂直節(jié)理發(fā)育。第四系全新統(tǒng)主要由砂、礫石等組成，僅分布于較大的溝谷中。

1 可采煤層頂?shù)装鍘r性及物理力學性質(zhì)

井田內(nèi)6層可采煤層，2+3號煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖，老頂為中—細粒砂巖，厚2m左右，底板多為泥巖、炭質(zhì)泥巖，井田內(nèi)2、3號煤層間距較小，巖性為炭質(zhì)泥巖，按合并對待，含1～3層夾石，多為1層。頂板綜合抗壓強度22.2MPa；底板綜合抗壓強度21.9MPa。4號煤層結(jié)構(gòu)簡單，一般含1層夾石。頂板為泥巖或細砂巖，底板為細砂巖或粉砂巖。頂板抗壓強度22.2MPa；底板抗壓強度10.1～21.9MPa。6號煤層頂板為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，底板為中、細砂巖，多含1層夾石，且上分層厚下分層薄。頂板抗壓強度10.1～27.0MPa；底板抗壓強度9.2～22.8MPa。8號煤頂板為厚2m左右的L1灰?guī)r或泥灰?guī)r，局部有泥巖或炭質(zhì)泥巖偽頂。底板為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，含1～4層夾石，結(jié)構(gòu)復雜，頂板抗壓強度6.5～23.2MPa；底板抗壓強度20.9MPa。9號煤頂板多為砂質(zhì)泥巖，老頂為厚5m左右的中—細粒砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖。頂板抗壓強度21.4MPa；底板抗壓強度8.1～14.1MPa。10號煤頂板為粉砂巖、粗砂巖，底板為泥巖、炭質(zhì)泥巖，結(jié)構(gòu)簡單，一般含1層夾石。頂板抗壓強度8.1～21.1MPa；底板抗壓強度 10.8～12.6MPa。10 號煤層底板至O2界面巖石由粉砂巖、細粒砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、鋁土泥巖、石灰?guī)r等組成，據(jù)本次勘探資料10號煤層底板至O2界面厚51.06～72.59m，平均64.86m。根據(jù)鉆孔簡易水文觀測記錄，粉砂巖、細粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、鋁土泥巖等巖性致密，裂隙不發(fā)育，鉆進時水文動態(tài)變化小，消耗量較小，可視為良好的隔水層。

據(jù)本次勘探采取MR-4號孔10號煤層底板至O2頂隔水層的巖石巖樣測試結(jié)果，石灰?guī)r強度最大，粗砂巖、中砂巖、粉砂巖次之。其中石灰?guī)r抗壓強度23.8～47.7MPa，整體抗壓強度25.3MPa。

2 頂?shù)装逋暾栽u價

據(jù)MR-1、4號鉆孔RQD值統(tǒng)計結(jié)果，對各可采煤層頂?shù)装暹M行完整性評價。其中2+3號煤層頂板RQD值15～56，質(zhì)量描述極劣～中等，完整性破碎～中等，2+3號煤層底板RQD值21～44，質(zhì)量描述極劣～劣等，完整性破碎～差等；4號煤層頂板RQD值21～56，質(zhì)量描述極劣～中等，完整性破碎～中等，4號煤層底板RQD值44～52，質(zhì)量描述劣～中等，完整性差～中等；6號煤層頂板RQD值52～44，質(zhì)量描述劣～中等，完整性差～中等，6號煤層底板RQD值46～74，質(zhì)量描述劣～中等，完整性差～中等；8號煤層頂板RQD值56～74，質(zhì)量描述中等，完整性中等，8號煤層底板RQD值40～48，質(zhì)量描述劣等，完整性差；9號煤層頂板RQD值34～45，質(zhì)量描述劣，完整性差，9號煤層底板RQD值53～58，質(zhì)量描述中等，完整性中等；10號煤層頂板RQD值47～53，質(zhì)量描述劣～中等，完整性差～中等，10號煤層底板RQD值57～79，質(zhì)量描述中等～好，完整性中等～較完整。總體來看，各可采煤層的頂?shù)装逋暾远驾^差，質(zhì)量低劣。

3 頂?shù)装鍘r體質(zhì)量評價

根據(jù)巖體質(zhì)量指標法，對井田內(nèi)主要可采煤層頂?shù)装弩w質(zhì)量等級等工程地質(zhì)指標進行了分級評價，各可采煤層頂?shù)装鍘r體質(zhì)量統(tǒng)計結(jié)果見表1、2、3。

表1 可采煤層頂?shù)装鍘r體質(zhì)量統(tǒng)計表

表2 MR-1號孔煤層頂?shù)装骞こ塘W成果表

表3 MR-4號孔煤層頂?shù)装骞こ塘W成果表

可以看到各可采煤層頂?shù)装蹇箟簭姸染^低，各可采煤層頂?shù)装鍘r體質(zhì)量等級均為Ⅲ級，即巖體質(zhì)量屬中等，較易于產(chǎn)生變形破壞，因此穩(wěn)定較差。巖組以軟弱～半堅硬巖石為主，堅硬巖石相對較少，構(gòu)成軟硬相間巖組，總體穩(wěn)固性較差，對礦床開采具有直接影響。巖體結(jié)構(gòu)面型式多為節(jié)理裂隙、層理或微小不發(fā)育的節(jié)理劈理、片理，除斷層地段外，即絕大部分結(jié)構(gòu)面級別為Ⅳ或Ⅴ級，巖體結(jié)構(gòu)類型多為層狀結(jié)構(gòu)Ⅱ1，少數(shù)為塊狀結(jié)構(gòu)Ⅰ2，層間結(jié)合力較差，結(jié)構(gòu)體形態(tài)多為長方體、塊體，地下水滲透壓力引起的問題及軟化泥化作用均較明顯，巖體變形受巖石組合、結(jié)構(gòu)面所控制，壓縮變形取決于巖性、巖層變位程度及結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況，剪切滑移受結(jié)構(gòu)面及軟弱夾層的抗剪強度及其方位所制約。

4 結(jié)論

井田地層巖性較復雜，煤層頂?shù)装逡詫訝顜r類為主，巖層軟硬相間，巖體各向異性，強度變化大，可采煤層的頂、底板穩(wěn)定性較差，井田內(nèi)斷層、陷落柱較發(fā)育，此地段易發(fā)生礦山工程地質(zhì)問題。根據(jù)本次勘探的工程地質(zhì)孔編錄計算的巖體質(zhì)量指標法計算結(jié)果，各可采煤層頂?shù)装鍘r體質(zhì)量等級均為Ⅲ級，即巖體質(zhì)量屬中等。據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價標準》（MT/T 1091-2008)，井田內(nèi)各可采煤層工程地質(zhì)條件復雜程度類型總體均應屬第三類中等型，即以層狀巖類為主的復雜程度中等型。