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        陜北侏羅紀(jì)煤田三角洲平原沉積環(huán)境及其巖石力學(xué)特征

        2019-07-02 05:54:44王海軍
        煤田地質(zhì)與勘探 2019年3期
        關(guān)鍵詞:沉積環(huán)境巖性泥巖

        王海軍,馬 良

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        陜北侏羅紀(jì)煤田三角洲平原沉積環(huán)境及其巖石力學(xué)特征

        王海軍1,2,3,馬 良1

        (1. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077;2. 西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系,陜西 西安 710069;3. 西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室,陜西 西安 710069)

        三角洲平原沉積環(huán)境是陜北侏羅紀(jì)煤田煤炭資源的主要形成環(huán)境之一,為獲得不同環(huán)境煤層頂板巖石力學(xué)參數(shù)特征,進(jìn)一步探究沉積環(huán)境與巖石力學(xué)特征之間的關(guān)系,首先從區(qū)域沉積環(huán)境分析入手,然后運用巖心精細(xì)描述、沉積構(gòu)造分析、地球物理測井分析等技術(shù),識別微相、劃分頂板沉積微相類型及其組合特征;之后對不同沉積環(huán)境中不同位置、不同巖性的巖石進(jìn)行系統(tǒng)地分層采樣和測試分析;最后綜合分析煤層頂板各沉積微相的巖石力學(xué)特征。結(jié)果表明,煤層直接頂板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主,形成于三角洲平原亞相中的沼澤、湖泊沉積微相,局部見粉砂巖、細(xì)粒砂巖形成于分流河道和天然堤微相;基本頂主要以中–細(xì)粒砂巖為主,形成于分流河道沉積微相;沉積環(huán)境不僅控制煤層頂板巖性分布而且控制巖石力學(xué)參數(shù)及其含水層富水性的分布,其中,湖泊、沼澤相泥巖頂板區(qū)是頂板支護(hù)的重點部位,多期分流河道砂巖疊置頂板區(qū)是未來礦井防治水以及探放水的重點區(qū)域。

        煤層頂板;巖石力學(xué)特征;巖心測試;工程地質(zhì)編錄;沉積環(huán)境;陜北侏羅紀(jì)煤田

        陜北侏羅紀(jì)煤田作為我國重要的煤炭資源供應(yīng)基地,其主要形成于三角洲平原沉積環(huán)境中的泥炭沼澤和湖泊沉積環(huán)境[1-8],而煤層頂板多為多期分流河道、分流間灣等沉積微相中形成的粉砂巖、細(xì)粒砂巖及泥巖的疊置組合體。經(jīng)過多年的地質(zhì)勘探鉆孔取心、井下煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)測試及分析發(fā)現(xiàn),在陜北侏羅紀(jì)煤田相對簡單煤層頂板巖性單一的情況下,同一種巖性的巖石力學(xué)參數(shù)相差較大,而巖石力學(xué)特征是進(jìn)行煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性評價、礦井開拓設(shè)計、井巷圍巖支護(hù)的重要依據(jù)。研究表明,巖石力學(xué)特征決定煤層頂板的穩(wěn)定性,而巖石力學(xué)特征受巖石巖性、成分、膠結(jié)物、填充物等多種因素影響[9-12]。巖石力學(xué)特征中巖石的抗壓強度與煤層頂板的質(zhì)量取決于各種巖石類型的內(nèi)在聯(lián)系、沉積早期的壓實作用、同沉積構(gòu)造和后期構(gòu)造特征等因素,其中頂板主要特征與沉積作用或早期壓實過程有關(guān),后期的構(gòu)造運動起著強化早期特征的作用[6-9]。因此,究其根本,煤層頂板巖石力學(xué)特征受沉積環(huán)境的影響。筆者以陜北侏羅紀(jì)煤田某礦井3號煤層為例,從煤層頂板各沉積微相巖石力學(xué)特征入手進(jìn)行研究,對煤層頂板不同沉積環(huán)境、不同巖性、不同位置的巖石進(jìn)行系統(tǒng)的樣品采集和室內(nèi)測試分析,以期為陜北侏羅紀(jì)煤田同類沉積環(huán)境下形成的煤層頂板穩(wěn)定性評價、礦井設(shè)計、井巷圍巖支護(hù)等提供參考。

        1 地質(zhì)概況

        研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡構(gòu)造單元,總體為西傾單斜,局部發(fā)育一系列鼻狀構(gòu)造,屬于榆橫礦區(qū)侏羅紀(jì)煤田范疇。煤系為侏羅系延安組,地層發(fā)育有侏羅系延安組、直羅組、安定組、白堊系洛河組、第四系黃土、風(fēng)積沙及薩拉烏蘇組;目前礦區(qū)內(nèi)主力煤層延安組四段的2、3號煤組,煤層厚度1.1~8.90 m,平均2.56 m。礦井直接充水含水層為煤層頂板砂巖含水層,在2號煤層和3號煤層厚度較大的區(qū)域?qū)严稁Ц叨炔爸绷_組底部的七里鎮(zhèn)砂巖含水層,頂板砂巖含水層單位涌水量0.068~0.43 L/(s·m),屬于弱—中等富水性含水層。延安組四段和直羅組底部七里鎮(zhèn)孔隙裂隙型砂巖含水層是目前礦區(qū)內(nèi)威脅礦井安全生產(chǎn)的主要充水水源。區(qū)內(nèi)延安組屬于河流–三角洲沉積環(huán)境,延安組四段屬于三角洲平原亞相沉積環(huán)境[8]。

        2 煤層頂板沉積環(huán)境特征

        煤層直接頂板巖性以泥巖為主,厚度0.54~12.77 m,平均3.02 m(圖1e),薄層—中厚層狀粉砂巖次之,局部地段發(fā)育層狀粉砂巖與泥巖互層以及塊狀細(xì)粒砂巖(圖1c);基本頂以厚層—巨厚層狀中粗粒砂巖為主,細(xì)粒砂巖、粉砂巖次之,局部地段發(fā)育的煤層與基本頂巨厚層狀中、粗粒砂巖直接接觸(圖1a、圖1b)。根據(jù)區(qū)域沉積環(huán)境背景,結(jié)合研究區(qū)鉆孔地質(zhì)鉆探、地球物理測井、沉積旋回性、巖心沉積構(gòu)造特征等,從“點–線–面”三位一體的沉積環(huán)境多資料綜合研究分析表明,3號煤層頂板主要由3個正旋回構(gòu)成,按照煤層頂板3個旋回和3號煤層形成進(jìn)行沉積環(huán)境及其演化分析,研究區(qū)經(jīng)歷了成煤期的湖泊–泥炭沼澤沉積環(huán)境,成煤后頂板由分流河道沉積為主體向分流河道、天然堤、分流間灣三分鼎立的沉積景觀演化(圖2)。

        圖1 煤層頂板沉積組合典型特征

        圖2 煤層頂板沉積環(huán)境演化過程及其微相分布特征

        冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與采厚、頂板巖石力學(xué)性質(zhì)、采煤方法、工作面形狀和規(guī)模等因素密切相關(guān)。通過分析研究區(qū)地層、煤層特征及頂板巖石力學(xué)特征,按照MT/T 1091—2008《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價標(biāo)準(zhǔn)》附錄D公式2進(jìn)行計算。經(jīng)計算冒落帶高度為7.52~12.20 m,平均10.19 m,冒落帶范圍內(nèi)含水層厚度為0~11.40 m,平均6.54 m;導(dǎo)水裂隙帶最大高度為31.58~47.64 m,平均40.99 m;穿過含水層厚度為8.24~42.98 m,平均27.56 m。

        3 煤層頂板巖石力學(xué)特征

        根據(jù)地層對比劃分結(jié)果,對煤層頂板各個旋回中的不同沉積環(huán)境中的巖石按照巖性在頂部、中部、底部3個位置采集巖石力學(xué)樣品并測試。根據(jù)測試結(jié)果分析能夠反映煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù),按照不同巖性、不同沉積環(huán)境、相同沉積環(huán)境下形成的不同巖性以及同一種巖性巖石在相同沉積環(huán)境下在不同部位(頂部、中部、底部)的巖石力學(xué)特征分類統(tǒng)計。

        在巖心取出巖心管后進(jìn)行巖石力學(xué)樣品的采集,同時進(jìn)行巖性、沉積構(gòu)造的描述、照相和包裹(防止風(fēng)化、失水),每組采集10~12塊樣品,每塊心長大于等于10 cm,共計61組670塊。及時送入室內(nèi)進(jìn)行巖石力學(xué)測試,同時對區(qū)內(nèi)21個鉆孔進(jìn)行了工程地質(zhì)編錄。

        3.1 煤層頂板巖石力學(xué)特征

        為了系統(tǒng)地分析煤層頂板巖石力學(xué)特征,按照巖性統(tǒng)計泥巖、粉砂巖質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖和中粗粒砂巖5類巖石力學(xué)特征(表1、圖3)。

        ②頂板巖石質(zhì)量(RQD)總體上為中等—好,巖體完整性中等—較完整,具有細(xì)粒砂巖>粉砂巖>中、粗粒砂巖>粉砂質(zhì)泥巖>泥巖的特征。

        3.2 不同沉積環(huán)境巖石力學(xué)特征

        按照區(qū)內(nèi)主要沉積微相分類,統(tǒng)計湖泊、沼澤、天然堤和分流河道4種環(huán)境形成的巖石力學(xué)特征,結(jié)果顯示(表2、圖4)如下。

        ①在4類沉積微相環(huán)境中形成的煤層頂板,其巖石力學(xué)參數(shù)中,飽和抗壓強度、抗剪強度、強度指數(shù)和巖石密度具有天然堤>分流河道>沼澤>湖泊的特征;彈性模量、巖石的孔隙度具有:分流河道>天然堤>沼澤>湖泊的特征,而巖石的內(nèi)摩擦角、泊松比相差不大,相比之下泥巖最大、粉砂巖最小。

        表1 巖心巖石力學(xué)測試成果表

        注:表中分?jǐn)?shù)線上部數(shù)據(jù)表示最小~最大值,分?jǐn)?shù)線下部表示平均值,表2—表4中相同。

        表2 煤層直接頂板主要沉積微相巖石力學(xué)參數(shù)表

        圖3 不同巖性巖石力學(xué)參數(shù)特征

        圖4 不同沉積環(huán)境巖石力學(xué)特征

        ②分流河道微相以中粗粒砂巖為主,少量細(xì)砂巖、粉砂巖;天然堤微相以細(xì)砂巖為主,少量粉砂巖,沼澤以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主,而湖泊以泥巖、煤層等細(xì)粒巖性為主。由河道中心向河道兩側(cè)水動力條件由強逐漸變?nèi)?,沉積物顆粒物由粗變細(xì),礦物成分石英含量由多變少而泥質(zhì)含量由少逐漸變多,導(dǎo)致巖石的膠結(jié)程度逐漸變差。

        3.3 相同巖性不同沉積環(huán)境下的巖石力學(xué)特征

        統(tǒng)計分析研究區(qū)內(nèi)不同沉積環(huán)境形成的相同巖性的巖石力學(xué)特征,結(jié)果顯示(表3、圖5—圖7):

        ①沼澤微相泥巖的飽和抗壓強度、抗剪強度、彈性模量、巖石密度、強度指數(shù)等參數(shù)優(yōu)于湖泊微相,而內(nèi)摩擦角湖泊相大于沼澤相。

        圖5 不同沉積環(huán)境下泥巖巖石力學(xué)特征

        表3 煤層直接頂板不同沉積環(huán)境同一巖性巖石力學(xué)特征

        ②粉砂巖的飽和抗壓強度、內(nèi)摩擦角、抗剪強度、彈性模量、強度指數(shù)、孔隙度等參數(shù),其分流河道微相>天然堤微相,泊松比、巖石密度則相反。

        ③細(xì)粒砂巖飽和抗壓強度、內(nèi)摩擦角、抗剪強度、彈性模量、強度指數(shù)、巖石密度等參數(shù),其天然堤沉積微相>分流河道沉積,而孔隙度、泊松比則相反。

        綱要在調(diào)研基礎(chǔ)上,對全省水利旅游資源、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、水源水工程建設(shè)、水文化歷史傳承、水利風(fēng)景區(qū)建設(shè)現(xiàn)狀等進(jìn)行了深入對比分析;研究提出了“十二五”全省水利風(fēng)景區(qū)建設(shè)的指導(dǎo)思想、基本原則、目標(biāo)任務(wù)、建設(shè)總體構(gòu)想,突出區(qū)域特點明確了11個市(區(qū))建設(shè)發(fā)展重點;按水利風(fēng)景區(qū)建設(shè)任務(wù)估算投資19億元,研究明確了資金籌措辦法;從6個方面明確了保障措施。

        3.4 相同沉積環(huán)境不同位置同一巖性的巖石力學(xué)特征

        按沉積微相統(tǒng)計同一巖性在頂部、中部、底部3個不同層位泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖、中、粗粒砂巖的巖石力學(xué)特征,結(jié)果顯示(表4、圖8)如下。

        ① 在湖泊、沼澤、天然堤沉積微相環(huán)境中形成的各類巖石,總體上具有由底部到頂部其巖石力學(xué)性質(zhì)逐漸變強的特征。這是由于同一水動力環(huán)境中,底部沉積的泥巖顆粒細(xì),泥質(zhì)含量多,砂質(zhì)含量少,因此,巖石膠結(jié)性差,巖石力學(xué)性質(zhì)較差;向上泥質(zhì)顆粒逐漸變粗,泥質(zhì)含量變少,砂質(zhì)含量增多,泥巖中見粉砂巖薄層,透鏡體增多,故巖石力學(xué)性質(zhì)變強。

        ②分流河道中形成的粉砂巖,底部巖石力學(xué)特征優(yōu)于頂部,這是由于在分流河道沉積環(huán)境下,整體上沉積序列為正旋回位置,底部沉積顆粒較粗,向上逐步變細(xì)。在該區(qū)粉砂巖巖層中底部顆粒較頂部粗,泥質(zhì)含量較頂部少,因此,巖石力學(xué)特征優(yōu)于頂部。

        圖6 不同沉積環(huán)境下細(xì)粒砂巖巖石力學(xué)參數(shù)特征

        圖7 不同沉積環(huán)境下粉砂巖巖石力學(xué)特征

        表4 相同沉積環(huán)境不同位置相同巖性巖石力學(xué)特征

        圖8 同一沉積環(huán)境下不同位置同一巖性巖石力學(xué)參數(shù)特征

        ③分流河道沉積微相中形成的中粗粒砂巖,中部巖石力學(xué)特征最好,底部次之,頂部最差。這是由于在河道的中部水動力條件最強,底部次之而頂部相對較弱。在河流底部大多沉積粗粒巖石,且一般形成于上一期河道頂部較細(xì)粒巖層之上,往往可見泥礫物質(zhì),由于底部河床摩擦作用導(dǎo)致水動力條件變?nèi)?,巖石力學(xué)特征變?nèi)酰恢胁亢恿鞫酁閷恿?,水流速度最快,水動力條件最強,因此,形成的巖石成分相對單一,巖石力學(xué)特征較強,區(qū)內(nèi)河道砂體中部發(fā)育的石英砂巖得以印證這一觀點。

        4 綜合評價

        通過對不同沉積環(huán)境、不同巖性、不同位置巖層巖石力學(xué)特征分析,結(jié)合礦井開采設(shè)計、煤層開采形成的冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶高度計算,將3個旋回的沉積相圖從下向上依次疊置,按照不同沉積環(huán)境疊置區(qū)進(jìn)行分區(qū)綜合評價,分析未來礦井井筒及巷道開拓掘進(jìn)過程中,不同沉積環(huán)境下煤層頂板存在的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)問題(圖9)。

        a. 湖泊、沼澤沉積環(huán)境及其疊置區(qū) 當(dāng)井筒煤層頂板波及此區(qū)域時,煤層頂板以泥巖為主體,巖性單一、厚度大、分布范圍廣,巖石力學(xué)性質(zhì)差,頂板穩(wěn)定性差,屬于易于垮落頂板,頂板含水性差,礦井涌水量小,頂板多無水或滲水,該區(qū)域是頂板支護(hù)管理的重點區(qū)域。尤其是湖泊與沼澤疊置區(qū)域是頂板冒落及頂板事故的頻發(fā)區(qū)域,是工程地質(zhì)災(zāi)害和頂板支護(hù)管理的重點區(qū)域。

        b. 沼澤與天然堤沉積環(huán)境疊置區(qū) 當(dāng)掘進(jìn)至天然堤沉積區(qū)域時,頂板巖性以細(xì)砂巖、粉砂巖為主,或細(xì)砂巖與粉砂巖互層,巖層厚度變化大,巖石力學(xué)性質(zhì)較好,頂板穩(wěn)定且不易垮落,頂板富水性較湖泊沼澤強,頂板多以滲水或小滴水等方式出水。

        c. 分流河道、天然堤及其疊置區(qū) 頂板巖性相變?yōu)橹楔C粗粒砂巖,巖層厚度大且較穩(wěn)定,由河道兩側(cè)向河道中心頂板厚度逐漸變大,巖性顆粒變粗,細(xì)粒砂巖夾層變少變薄。頂板穩(wěn)定性較湖泊、沼澤好但較天然堤差,頂板砂巖含水性變強,礦井涌水量變大,工作面煤層頂板多以滴水或小股出水,頂板水壓、涌水量較大,勢必會造成礦井突水。當(dāng)井筒揭露該段時井筒涌水量較大,做好井筒凍結(jié)或壁厚注漿,預(yù)防井筒水淹沒。

        因此,多期河道的疊置區(qū)域中心部位和分流河道與天然堤疊置區(qū)域是礦井探放水和防治水的重點區(qū)域。在礦井開拓、生產(chǎn)過程中根據(jù)沉積環(huán)境特征分類管理及區(qū)別對待,加強以上區(qū)域的管理,是解決好煤層頂板事故和頂板水害預(yù)防控制的關(guān)鍵。

        圖9 煤層頂板分區(qū)綜合評價圖

        5 結(jié)論

        a. 煤層頂板巖石飽和抗壓強度、抗剪強度、彈性模量、強度指數(shù)等主要巖石力學(xué)參數(shù)具有:細(xì)砂巖>粉砂巖>中、粗砂巖>粉砂質(zhì)泥巖>泥巖的特征;而各類巖石的孔隙度具有中、粗砂巖>細(xì)砂巖>粉砂巖>粉砂質(zhì)泥巖>泥巖的特征。

        b. 由于不同沉積微相水動力條件的差異性,形成巖石巖性類型、成分含量、顆粒大小及4類微相環(huán)境中煤層頂板巖石力學(xué)各項指標(biāo)的差異性,具有天然堤、分流河道>沼澤、湖泊的特征。

        c. 同一巖性在不同沉積環(huán)境中形成的巖石力學(xué)特征具有沼澤微相泥巖的巖石力學(xué)特征明顯優(yōu)于湖泊微相沉積的泥巖巖石力學(xué)特征;分流河道微相沉積的粉砂巖>天然堤微相沉積>沼澤微相;天然堤沉積微相沉積的細(xì)砂巖>分流河道沉積微相的特征。

        d.在湖泊、沼澤、天然堤沉積微相環(huán)境中,相同環(huán)境不同位置中形成的各類巖性巖石,其巖石力學(xué)特征具有由底部到頂部逐漸變強的特征。

        e. 在井田勘探階段應(yīng)加強頂板沉積環(huán)境與巖石力學(xué)參數(shù)的精細(xì)分析,進(jìn)行頂板的分區(qū)劃分與評價,以用于礦井設(shè)計;開采過程中針對評價中存在的工程地質(zhì)問題和水文地質(zhì)問題分類管理。其中,湖泊、沼澤相泥巖頂板區(qū)是頂板支護(hù)的重點部位;分流河道砂巖區(qū)尤其是多期分流河道疊置區(qū)是未來礦井防治水以及探放水的重點區(qū)域,其次是分流河道與天然堤疊置區(qū)域。

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        Study on sediment environment and rock mechanics characteristics of the delta plain of Jurassic coalfield in northern Shaanxi

        WANG Haijun1,2,3, MA Liang1

        (1.Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an710077, China; 2. Department of Geology & State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi’an 710069, China; 3.State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi’an 710069, China)

        Delta plain sedimentary environment is one of the coal-forming environments of the coal resources of Jurassic coalfield in northern Shaanxi. In order to get the rock mechanics parameters and characteristics of coal seam roof in different environments and to further investigate the relationship between the sedimentary environments and the rock mechanics characteristics, firstly from the analysis of the regional sedimentary environments, then by using techniques such as accurate core description, sedimentary structural analysis, facies analysis of geophysical logging, the microfacies were recognized, the sedimentary microfacies types of roof and their combination characteristics were classified. Later, rock samples of different lithology at different position were collected by layer, tested and analyzed. Finally, the rock mechanics characteristics of different microfacies of seam roof were analyzes comprehensively. The results show that sedimentary environment not only controlled coal seam roof lithologic distribution but also controlled the rock mechanics parameters and the distribution of water yield properties of aquifer.Direct roof of coal seam in the study area dominated by mudstone and silty mudstone, was formed in the delta plain sub-facies of swamps, locally siltstone and fine-grained sandstone were formed in shunt rivers and natural embankment microfacies. The basic roof lithology is dominated by medium and fine-grained sandstone formed in the branch river and onshore natural levee sedimentary microfacies,coal seam roof stability is medium,the main roof sandstone aquifer is the major risk for mine production in the future, among them, lake and swamp mudstone roof area is the key part of roof support, multi-stage distributary channel sandstone overlapping top plate area is the key area for mine water prevention and drainage in the future.

        coal seam roof; rock mechanics characteristic; core test; engineering geological record; sedimentary environment;Jurassic coalfield in northern Shaanxi

        Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2013XAYQN002);National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-002-001)

        王海軍,1985年生,男,陜西榆林人,助理研究員,從事煤田地質(zhì)勘探工作. E-mail:wanghaijun10000@163.com

        王海軍,馬良. 陜北侏羅紀(jì)煤田三角洲平原沉積環(huán)境及其巖石力學(xué)特征[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2019,47(3):61–69.

        WANG Haijun,MA Liang. Study on sediment environment and rock mechanics characteristics of the delta plain of Jurassic coalfield in northern Shaanxi[J]. Coal Geology & Exploration,2019,47(3):61–69.

        1001-1986(2019)03-0061-09

        P642.3

        A

        10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.011

        2018-05-30

        中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項目(2013XAYQN002);國家科技重大專項任務(wù)(2016ZX05045-002-001)

        (責(zé)任編輯 范章群)

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