郭森林

(1.中煤西北能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

鄂爾多斯盆地是世界級特大型多種能源盆地，礦產(chǎn)資源豐富，尤以煤炭資源含量最盛[1]，其中納林河二號煤礦就位于該盆地中北部。該礦于2008年8月開始基建，首采工作面于2014年8月27日開始試采，隨著礦井的進(jìn)一步采掘，強(qiáng)礦壓影響下的巷道變形問題逐漸顯現(xiàn)出來，如變形量大、變形速度快和變形形勢復(fù)雜等問題。長期以來，針對頂板穩(wěn)定性問題，眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，提出了眾多解決方案。例如韓玲[2]通過對五溝煤礦礦井工程地質(zhì)類型評價、礦井采掘工作難易程度分析基礎(chǔ)上，結(jié)合煤巖層物理力學(xué)性質(zhì)、鉆孔巖石RQD值等評價因子，綜合評價了五溝煤礦礦井工程地質(zhì)類型，為礦井的采掘工作提供了可靠保障。蔡夢雅等[3]針對潘謝礦區(qū)深部開采條件下，利用主采煤層頂?shù)装宓腞QD至和沖洗液消耗量，依據(jù)巖石質(zhì)量劃分規(guī)范，綜合評價、定量分析了頂、底板工程地質(zhì)條件。杜昌乾等[4]利用模糊綜合評判法，建立了煤層頂板穩(wěn)定性評價模型，對木康煤礦主采煤層頂板穩(wěn)定性進(jìn)行了評價。在此基礎(chǔ)上，以納林河二號煤礦工程地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，結(jié)合煤層頂板巖性、厚度、巖體質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)對頂板穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價，以期為煤礦的安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

納林河二號煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗境內(nèi)，納林河礦區(qū)的最南端，行政區(qū)劃屬于鄂爾多斯市烏審旗無定河鎮(zhèn)。井田內(nèi)含可采煤層5層，分別為3-1上、3-1、4-1、5-2和6-1上煤層，其中3-1上和3-1煤層為全區(qū)可采煤層。3-1上煤層位于延安組第2巖段頂部，埋深一般為501.17～657.91 m，平均為578.17 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，一般不含夾矸，與下伏的3-1煤間距為2.57～29.68 m，平均20.56 m，3-1上煤層頂板巖性主要為砂質(zhì)泥巖及粉砂巖，底板巖性主要為砂質(zhì)泥巖；3-1煤同樣位于延安組第2巖段頂部，埋深一般為529.57～688.84 m，平均為580.70 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層頂板巖性主要為砂質(zhì)泥巖，少數(shù)為粉砂巖，底板巖性主要為砂質(zhì)泥巖，如圖1所示。

圖1 主采煤層綜合柱狀圖

2 工程地質(zhì)及開采條件

2.1 煤層頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)特征

巖體類型：納林河二號煤礦在地質(zhì)勘探階段、建井階段對揭露的巖(土)體樣本進(jìn)行了大量的工程地質(zhì)特征和物理力學(xué)性質(zhì)分析，將礦井內(nèi)的巖(土)體劃分為極軟巖類、軟巖類和較軟巖類3大巖類[5-7]。

巖體質(zhì)量：利用巖石質(zhì)量指標(biāo)值(RQD)，巖體質(zhì)量系數(shù)法(Z值)和巖體質(zhì)量指標(biāo)法(M值)[8-9]，結(jié)合區(qū)內(nèi)各地層巖體結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行統(tǒng)計，將區(qū)內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)分為散體結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)及塊狀結(jié)構(gòu)。其中散體結(jié)構(gòu)由松散砂層組和土層組構(gòu)成，碎裂結(jié)構(gòu)由風(fēng)化巖組和煤巖組構(gòu)成，層狀結(jié)構(gòu)由粉砂巖、泥巖及互層巖組構(gòu)成，塊狀結(jié)構(gòu)由粉砂巖組構(gòu)成。依據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB/T 12719—1991)中的巖體質(zhì)量評價分級標(biāo)準(zhǔn)[10]，對研究區(qū)各地層的巖體質(zhì)量進(jìn)行評價分析，結(jié)果見表1。由表1可知，散體結(jié)構(gòu)巖體極破碎，巖體質(zhì)量為差；碎裂結(jié)構(gòu)巖體完整性中等，巖體質(zhì)量為中等；層狀結(jié)構(gòu)巖體完整性中等，巖體質(zhì)量為中等；塊狀結(jié)構(gòu)巖體完整性中等，巖體質(zhì)量為中等。

表1 巖體質(zhì)量等級定量評價

煤層頂?shù)装鍘r體物理力學(xué)性質(zhì)：納林河二號煤礦對可采煤層頂?shù)装鍘r石通過鉆探進(jìn)行了巖心取樣，并進(jìn)行了物理力學(xué)性質(zhì)試驗，其中主采3-1上和3-1煤層頂?shù)装鍘r體物理力學(xué)性質(zhì)見表2。由表2可知，3-1上煤層頂板巖性主要為砂質(zhì)泥巖，局部為泥巖、粉砂巖和中粒砂巖。砂質(zhì)泥巖單項飽和抗壓強(qiáng)度為10.7 MPa，屬于不穩(wěn)定型頂板；其底板主要為砂質(zhì)泥巖，巖石平均飽和抗壓強(qiáng)度為10.7 MPa，允許單項抗壓強(qiáng)度為8.03 MPa，屬于極軟-松軟(Ⅰ～Ⅱ)型底板。3-1煤層頂板巖性主要為砂質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖、泥巖。砂質(zhì)泥巖單項飽和抗壓強(qiáng)度9.3～11.0 MPa，屬不穩(wěn)定型頂板；其底板主要為砂質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖。砂質(zhì)泥巖巖石平均飽和抗壓強(qiáng)度為18.6～23.2 MPa，允許單向抗壓強(qiáng)度為13.95～17.4 MPa；粉砂巖巖石平均飽和抗壓強(qiáng)度為23.2 MPa，允許單向抗壓強(qiáng)度為17.4 MPa，屬較軟(Ⅲa)型底板。

2.2 開采地質(zhì)條件

煤塵爆炸危險性：納林河二號煤礦在建井期間就對3-1煤層進(jìn)行了煤塵爆炸性試驗，根據(jù)其試驗結(jié)果可知，煤層火焰長度大于400 mm，抑制煤塵爆炸最低巖粉用量在65%～90%之間，屬于具有爆炸性危險的煤層，表明煤塵有爆炸性危險。

煤的自燃傾向性：通過補(bǔ)勘期間施工的MDBS1、MDBS5號鉆孔及中央2號回風(fēng)大巷取樣，進(jìn)行了煤層自然發(fā)火性鑒定，根據(jù)《煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法》(GB/T 20104—2006)[11]，可知3-1煤層自燃等級為Ⅰ～Ⅱ級，自燃傾向性為容易自燃-自燃煤層。

地?zé)幔旱V井建井期間，在首采區(qū)選擇HB4、MDBS2這2個補(bǔ)勘鉆孔做了簡易測溫工作。其中MDBS2號鉆孔由于存在涌水現(xiàn)象，所以數(shù)據(jù)未予采納。HB4號孔恒溫點深度80 m，恒溫點溫度17 ℃，平均地溫梯度2.28 ℃/100 m，結(jié)合以往該地區(qū)地溫資料，認(rèn)為本區(qū)屬地溫梯度正常區(qū)。但由于可采煤層埋藏深度較大，在首采區(qū)可采煤層最大埋深處地溫超出了30 ℃，達(dá)到了31.39 ℃，進(jìn)入了一級熱害區(qū)。

沖擊地壓：納林河二號煤礦3-1上煤煤樣的動態(tài)破壞時間344 ms、彈性能量指數(shù)19.718、沖擊能量指數(shù)2.407、單軸抗壓強(qiáng)度26.019 MPa，判定其3-1上煤煤樣具有強(qiáng)沖擊傾向性；3-1下煤煤樣的動態(tài)破壞時間249 ms、彈性能量指數(shù)4.194、沖擊能量指數(shù)1.101、單軸抗壓強(qiáng)度14.623 MPa，判定3-1下煤煤樣具有弱沖擊傾向性。3-1煤的頂板巖層的彎曲能量指數(shù)為530.451 kJ，大于120 kJ，判定3-1煤頂板巖層具有強(qiáng)沖擊傾向性。3-1煤底板巖層的彎曲能量指數(shù)為112.267 kJ，大于15 kJ，小于120 kJ，判定3-1煤底板巖層具有弱沖擊傾向性。礦方在開采時應(yīng)謹(jǐn)防沖擊地壓給煤礦生產(chǎn)帶來的安全隱患。

2.3 開采條件評價

區(qū)內(nèi)3-1上煤層頂板屬于不穩(wěn)定型頂板；其底板屬于極軟-松軟(Ⅰ～Ⅱ)型底板。3-1煤層頂?shù)装遢^平整，裂隙不是很發(fā)育，巖層強(qiáng)度較低-中等，頂板以不穩(wěn)定型為主，局部為中等穩(wěn)定型頂板，底板屬較軟(Ⅲa)型底板，總體評價煤層頂?shù)装孱愋蛯儆谥械?。井田地層產(chǎn)狀平緩，地層傾角約1°～3°，大部分地段約1°～2°，小于8°以下，類型為簡單型。礦井內(nèi)無陷落柱和天窗等地質(zhì)危害，但煤層存在煤塵爆炸危險性、自然發(fā)火傾向性，具備沖擊傾向性，深部還存在一定的地?zé)嵛：?，其類型劃分為中等?/p>

3 結(jié)語

煤層頂?shù)装鍘r石的物理力學(xué)性質(zhì)是評價其穩(wěn)定性的主要因素，利用勘探和建井階段采取的巖心進(jìn)行了測試。結(jié)合以往的工程地質(zhì)資料對主采煤層頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)條件進(jìn)行了分析評價，為后續(xù)煤層回采時頂?shù)装逯ёo(hù)和安全生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。同時，也為條件類似的礦井進(jìn)行煤礦工程地質(zhì)條件類型評價提供了思路和評價方法。