甘肅省窯街深部擴大區(qū)主要煤層頂?shù)装鍘r體質量評價＊

沈樹龍

（甘肅煤炭地質勘查院，甘肅 蘭州 730000）

窯街礦區(qū)經過六十多年的開采，煤炭資源已接近枯竭。窯街深部擴大區(qū)勘探是由甘肅省發(fā)展改革委員會批準的補充地質勘探項目，目前已達到勘探階段，下一步即將進行開采。窯街深部地質條件更加復雜，開采難度大，煤層頂?shù)装迨鹿暑l發(fā)。因此，研究煤層頂?shù)装宓男再|具有十分重要的意義。

1 勘查區(qū)地質概況

勘查區(qū)位于甘肅省蘭州市西北300°直距94 km處的窯街礦區(qū)北部，行政區(qū)劃屬蘭州市紅古區(qū)和永登縣河橋鎮(zhèn)管轄。區(qū)內地表大多被第四系掩蓋，根據(jù)鉆探成果，主要發(fā)育地層有：中元古界（Chhn）變質巖系，侏羅系（J），下白堊統(tǒng)（K1）、古近系（E）以及第四系（Q）。

窯街礦區(qū)位于民和盆地的中部西緣，構造單元屬周家臺低隆起—海石灣斷鼻，其南北長約14 km，東西寬約4 km，呈北北西向的長條形。窯街礦區(qū)東界為走向北北西的F19斷層[1]，它是一條長期活動的斷層，既有逆斷層性質，而且在早中侏羅世時可能為同沉積斷層，但目前表現(xiàn)為西升東降的正斷層；礦區(qū)西界為含煤地層的沉積邊界，此沉積邊界和煤層的尖滅線均為近南北方向。窯街礦區(qū)具有軸向北北東略有彎曲的復向斜構造，區(qū)內發(fā)育有NE和NW向兩組近于共軛的次級逆斷層。

勘查區(qū)位于窯街礦區(qū)的北端，屬窯街礦區(qū)復背斜的東翼。勘查區(qū)內斷層發(fā)育，在靠近F19處有兩條南北向的逆斷層。構造復雜程度屬中等構造（偏復雜）類。

2 勘查區(qū)煤層分布特征

中侏羅統(tǒng)窯街組是區(qū)內唯一的含煤地層，共含煤5層，平均總厚度16.53 m。其中，煤2層是主要可采煤層，平均厚12.70 m，占煤層總厚度的89.66%。

煤2層位于窯街組第二段（J2y2）下部，據(jù)區(qū)內46個鉆孔統(tǒng)計，煤2層真厚0～48.60 m，平均12.70 m；其中44個鉆孔見到可采煤層，可采厚度0.99～48.60 m，平均13.21 m。

煤2層厚度總體呈東厚西薄的趨勢，勘查區(qū)東部F19斷層、F3斷層西側附近分布有南北向的厚煤帶，煤層厚度可達50 m以上。自東向西可明顯地分出特厚煤帶、厚煤帶、中厚煤帶和薄煤帶。其中3.50 m以上的厚煤層（含8 m以上的特厚煤區(qū)）賦存面積為8.09 km2，占含煤面積的80%以上，是區(qū)內的主要可采煤層。

3 煤層頂?shù)装鍘r體質量評價

3.1 煤層頂?shù)装鍘r性及巖石堅硬程度評價

本區(qū)東北、西南部等邊緣地帶存在偽頂，巖性為炭質泥巖、泥巖，其余大部與直接頂明顯接觸。煤2層直接頂板埋藏深度573～1 350 m，主要由泥質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖、砂質泥巖、油頁巖等，其中油頁巖和粉砂巖直接頂分布區(qū)最大，細砂巖、泥巖次之，見圖1。

圖1 煤2層直接頂板巖性分布圖

煤2底板板埋藏深度706～1 388 m，巖性變化大，可分為偽底和直接底兩種，偽底厚度小，以泥巖為主，直接底板以灰色、灰褐色粉砂—細砂巖為主，部分含礫，泥巖、炭質泥巖次之，見圖2。

圖2 煤2層直接底板巖性分布圖

對區(qū)內部分鉆孔煤2層頂板、底板巖石力學樣進 行物理力學性質試驗，測試結果見表1。

表1 煤2層頂?shù)装鍘r石力學樣測試成果統(tǒng)計表

由表1可知，煤2層老頂巖石抗壓強度21.30～22.20 MPa，飽和單軸抗壓強度為7.32～9.82 MPa，根據(jù)《工程巖體分級標準》（GB/T 50218—2014），屬軟巖類；煤2層直接頂板巖石抗壓強度6.40～54.80 MPa，飽和單軸抗壓強度為2.35～22.70 MPa，屬軟巖-較軟巖類，個別屬極軟巖；煤2層直接底板巖石抗壓強度4.56～53.40 MPa，飽和單軸抗壓強度為2.69～18.40 MPa，以軟巖類為主，少數(shù)為較軟巖、極軟巖；煤2層老底巖石抗壓強度4.05～45.50 MPa，飽和單軸抗壓強度為2.25～35.80 MPa，屬軟巖-較軟巖類，少量屬極軟巖、極硬巖。

3.2 煤2層頂?shù)装逋暾栽u價

利用聲波速度測井與地層密度測井相配合，可獲得巖層強度特性參數(shù)，從而為研究煤層頂?shù)装鍙姸忍卣骷爸贫ǖV井開采方案提供重要的資料[2]。目前，我國鐵路隧道及日本新奧法均以聲波縱波速度評價圍巖的完整性[3-4]。本研究收集了區(qū)內13個鉆孔的數(shù)字測井資料，統(tǒng)計分析了煤2層頂?shù)装鍣M波速度、縱波速度、縱橫波速比指標（表2）。

表2 煤2層及頂?shù)装鍦y井力學強度指標統(tǒng)計表

區(qū)內煤2層直接頂板縱波速度1.69～3.94 km/s，平均為2.63 km/s，巖石堅硬程度屬軟巖～較軟巖類。根據(jù)鐵路系統(tǒng)評價巖體完整性標準（表3），煤2層直接頂板圍巖完整程度屬Ⅳ級，較完整；煤2層底板縱波速度為1.10～4.38 km/s，平均為2.74 km/s，巖石堅硬程度以軟巖類為主，圍巖完整程度屬Ⅳ級，較完整。

表3 鐵路系統(tǒng)圍巖級別分級標準

3.3 煤2層頂?shù)装鍘r石質量評價

在煤礦開采過程中，煤層偽頂、偽底厚度很小，老頂、老底距離煤層開采位置較遠，均對安全生產影響小[5-8]。本研究僅對影響煤2層開采的直接頂?shù)装鍘r石質量進行評價。

根據(jù)巖體質量指標（M）法，可按下式粗略估算巖體質量指標M值：

煤2層直接頂板：飽和單軸抗壓強度（Rc）為2.35～22.70 MPa，RQD 60%～90%，M值為0.05～0.68，根據(jù)巖體質量評價標準（表4），巖體質量為Ⅲ～Ⅳ級，巖體質量中等-差。

表4 巖體質量評價

煤2層直接底板：飽和單軸抗壓強度為2.69～18.40 MPa，RQD 50%～80%，M值為0.045～0.49，巖體質量分級Ⅲ～Ⅳ級，巖體質量中等～差。

4 結論

（1）煤2層為窯街深部擴大區(qū)主要可采煤層，煤2層平均厚12.70 m，可采煤厚度0.99～48.60 m，平均13.21 m，為較穩(wěn)定煤層。

（2）煤2層直接頂板以油頁巖和粉砂巖為主，細砂巖、泥巖次之；巖石堅硬程度屬軟巖-較軟巖類；巖體完整性屬Ⅳ級，較完整；巖體質量中等～差。

（3）煤2層直接底板以粉砂～細砂巖為主，泥巖、炭質泥巖次之；巖石堅硬程度以軟巖類為主，少數(shù)為較軟巖、極軟巖；巖體完整性屬Ⅳ級，較完整；巖體質量中等～差。

（4）窯街深部擴大區(qū)為即將進行開采的井田，其主要煤層厚度大，但頂?shù)装鍘r體質量差，巖石堅硬程度以軟巖、較軟巖為主，易發(fā)生冒頂、底鼓等安全事故，在礦井設計、開采中應加強此類問題的防護措施。