永陇矿区LYL井田2号煤层顶板沉积环境及其稳定性评价_王海军.pdf

第 44 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 44 No.6 2016 年 12 月COALGEOLOGY 2. Department of Geology sedimentary environment; the characteristics of engineering geological; hydrogeological characteristics; roof stability 层顶板稳定性，前人研究表明[1-10]矿井围岩的稳定 性不仅受岩石矿物成分、黏土矿物含量、沉积构造结构 面、 孔隙度等岩石力学性质的影响， 而且受含水饱和度、 软化系数等岩石的水理性质的影响，而这些因素根本上 ChaoXing 第 6 期王海军 永陇矿区 LYL 井田 2 号煤层顶板沉积环境及其稳定性评价39 是由其形成的沉积环境决定的。因此，本文从沉积环境 入手， 以鄂尔斯盆地永陇矿区 LYL 井田为例， 研究沉积 环境对煤层顶板工程地质、水文地质特征的影响。 1地质概况 研究区位于鄂尔多斯盆地南缘渭北隆起西南部 的永陇矿区， 西邻青龙山云雾山褶皱带，南邻渭河 断陷， 北于天环凹陷和陕北斜坡相接， 区内总体上构 造简单为宽缓的向斜和背斜相间组成[11-12]图 1。 图 1研究区构造位置图 Fig.1The tectonic location in the study area 在印支运动晚期 NNE 向挤压作用下， 盆地西南 缘翘起，造成中上三叠统地层的剥蚀，同时也形成 了区内南高北低、东高西低，隆起凹陷相间，总体 上以隆起为主体凹陷分布于隆起之间的狭小地带， 由南向北隆起减弱的基底构造格局。因此，区内缺 失上三叠统地层，中三叠统地层部分残留，在此基 底上沉积了富县组和延安组地层。进入中侏罗世晚 期，燕山运动造成区内不均匀抬升和延安组地层遭 受不同程度的剥蚀，从而形成了与直罗组之间的平 行不整合接触界面[13]。 区内煤系发育延安组一、二、3 段三个岩性段， 其中一段、二段含煤，而三段遭受不同程度的剥蚀， 残留厚度较薄[14]。区内发育 2 号、3 号煤层组，其中 2 号煤层主要赋存于延安组中段，厚度为 012.54 m， 平均 5.36 m，属中厚煤层，具有厚度变化大，煤 层顶板岩性变化快的特点； 3 号煤层赋存于延安组 一段。 22 号煤层顶板沉积环境特征 2.1顶板沉积组合特征 延安组属于河流相沉积环境、曲流河沉积[14]。 以 2 号煤层为辅助标志层，按照沉积旋回性将二段 细划为上下两个小层图 2， 其中下段以河道沉积为 图 22 号煤层顶板沉积微相组合类型 Fig.2The sedimentary microfacies of NO. 2 seam roof combination type 主图 3b，上段以泛滥平原泥炭沼泽化为主图 3a。发育有河漫滩、天然堤、决口扇、河漫沼泽、边滩、 ChaoXing 40煤田地质与勘探第 44 卷 河床滞留沉积 6 个微相。进一步将 2 号煤层顶板进 行精细旋回划分对比图 3a，在纵向上顶板自下而 上由 13 个正旋回组成，顶板沉积微相组合类型主 要有以下几种河漫滩型、边滩–河漫滩型、多期河 道叠置型图 2，在横向上主要发育泛滥平原，而点 砂坝、决口扇零星分布。 a. 河漫滩型图 2a、图 2f该组合由 1 个正旋 回组成，即下部由粗粒的河床滞留沉积、边滩沉积 微相组成，中部由中细粒的河漫滩沉积组成，顶部 由细粒的河漫沼泽沉积微相组成。煤层在河漫沼泽 沉积环境中形成后，顶板河漫滩沉积覆盖其上，以 一套厚层状–巨厚层状的泥岩沉积为主， 泥岩的底部 为黑色、灰色厚层状泥岩夹粉砂岩条带，发育水平 层理，见黄铁矿结核、炭屑和植物化石。泥岩的顶 部为杂色厚层状泥岩，见泥裂和植物碎片化石，水 平层理。 b. 边滩–河漫滩型图 2b该组合由 1 个正旋 回组成，煤层形成后进入河道边滩沉积阶段，形成 了中厚层状砂岩。砂岩底部见冲刷面和粗粒物质， 如细砾岩、含砾粗砂岩等不显层理；中部发育平行 层理；中上部发育斜层理；顶部见波状层理、小型 交错层理夹粉砂岩薄层。之后进入漫滩沉积形成巨 厚层状泥岩。 c. 多期河道叠置型图 2c图 2e该组合由 23 个较完整的正旋回组成，以河道砂岩为主，最终 顶部河漫滩杂色泥岩的出现标志着成煤环境的结束。 发育边滩、天然堤、决口扇、河漫滩等沉积微相。 2.2顶板沉积相分布特征 根据煤层顶板岩性组合、测井曲线特征、沉积 构造特征、粒度分析、煤岩测试分析及生物化石组 合等综合分析，煤层顶板以天然堤与河漫滩形成的 泛滥平原沉积为主体、零星发育有点砂坝、决口扇 沉积图 3b。通过对比煤层底板沉积相特征图 3a 不难发现， 在煤层形成之前以曲流河河道沉积为主， 之后河流进入了平原沼泽化阶段，从而形成煤层及 其顶板。不同沉积环境下的顶板特征如下。 图 3煤层顶板沉积相剖面与平面展布图 Fig.3The sedimentary facies of roof profile and floor plan a. 泛滥平原沉积区内大面积分布，为顶板的 主体沉积环境。该环境以泥岩为主体，夹砂岩透镜 体、植物化石和碎片化石。 b. 点砂坝沉积零星的分布于河道中央，平面 上呈点状分布，剖面上呈厚层砂岩透镜状分布。 c. 决口扇沉积分布在曲流河道弯曲较大的地 段，形态上呈扇形、椭圆状垂直河道分布。底部发 育天然堤，上部多沉积河道边滩、点砂坝。 3沉积环境与工程地质水文地质关系 3.1顶板沉积环境与工程地质关系 对煤层顶板不同岩性进行编录、采样和测试分 析，将采集样品归属相应沉积环境，对样品测试结 果按照沉积环境，分类统计岩石力学特征，主要选 取饱和抗压强度、内摩擦角、凝聚力、弹性模量及 摩擦角 5 个参数进行对比分析表 1，其特征如下。 ChaoXing 第 6 期王海军 永陇矿区 LYL 井田 2 号煤层顶板沉积环境及其稳定性评价41 a. 顶板岩石饱和抗压强度测试结果表明，中砂 岩、细砂岩属于较软岩类，粗粒砂岩、粉砂质泥岩、 炭质泥岩属于软岩类，而泥岩、铝质泥岩为极软岩类； 饱和抗压强度细砂岩中砂岩粉砂岩粉砂质泥岩粗 粒砂岩炭质泥岩泥岩铝质泥岩。 b. 不同沉积环境中的岩石饱和抗压强度为边 滩决口扇天然堤河床滞留河漫滩；各类岩石的 内摩擦角相差不大，一般 0.680.74，相比之下河 床滞留沉积形成的粗粒砂岩较小，河漫滩沉积的泥 岩类较大；凝聚力、弹性模量边滩沉积最大，河漫 滩沉积最小。 c. 不同沉积环境下形成的粉砂岩饱和抗压强 度具有天然堤边滩决口扇河漫滩微相的特征。 d. 相同的沉积环境不同部位同种岩性的岩石， 由于其受水动力条件、沉积构造等影响，导致岩石 力学性质存在差异性。 表 1煤层顶板不同岩性岩石工程地质特征统计表 Table 1The statistics of coal seam roof rock engineering geological characteristics 沉积环境岩性组数饱和抗压强度 Rc/MPa内摩擦角φ/凝聚力 c/MPa弹性模量 E/104MPa 摩擦系数 f 河漫滩沉积 铝质泥岩5 6.5035.823.031.690.72 炭质泥岩6 9.8438.621.921.140.80 泥岩20 6.5935.062.721.200.70 粉砂岩4 10.9136.253.201.310.72 平均值8.4636.442.721.340.74 天然堤 沉积 粉砂质泥岩812.00 35.513.591.620.72 粉砂岩12 12.4136.003.221.310.72 平均值12.2135.763.411.470.72 决口扇沉积 粉砂岩5 13.8236.303.501.420.73 细砂岩5 15.9135.953.651.450.71 平均值14.8736.133.581.440.72 边滩沉积 粉砂岩9 12.9136.253.501.310.73 细砂岩7上部16.0934.424.411.680.69 细砂岩10下部20.0934.223.411.600.72 平均值16.3634.963.771.530.71 河床滞留沉积 中砂岩12 14.7635.623.401.440.72 粗砂岩9 10.0834.153.811.200.68 平均值12.4234.893.611.320.70 3.2顶板沉积环境与水文地质特征关系 3.2.1顶板水文地质特征 井田内含水层主要由第四系黄土潜水含水层、 白垩系洛河组、宜君组砂砾岩含水层以及侏罗系直 罗组、延安组砂岩孔隙–裂隙含水层组成。区内抽水 试验及周边生产矿井资料表明，洛河组、宜君组砂 砾岩含水层厚度较大，富水性弱–中等，是井田的间 接含水层；直罗组、延安组含水层岩性以细粒粒径 以上的砂岩为主，是直接充水含水层，但富水性弱 且不均一表 2。 表 2煤层顶板含水层抽水试验成果表 Table 2The results of coal seam roof aquifer pumping test 含水层时代含水层厚度/m降深 S/m水位标高/m单位涌水量 q/L sm-1渗透率 K/md–1 K1l K1y22.89330.137.9680.021 207.931 344.520.001 80.057 70.003 60.429 J2z9.3660.3332.28125.811 015.351 349.870.000 020.002 60.000 0730.016 5 J2y11.1180.5810.0140.771 019.041 277.750.000 780.003 410.000 0150.006 6 分析岩心编录、常规测井、专门水文测井含水 层解释成果，结合煤层顶板抽水试验，生产矿井探 放水资料表明区内煤层顶板延安组含水层以决口 扇、点砂坝沉积微相形成的砂岩含水层为主体，决 口扇多呈扇状、椭圆状垂直河道分布。点砂坝多呈 点状、似圆状分布于弯曲河道的对岸；直罗组含水 层以河道砂岩沉积为主， 尤其是其底部厚层–巨厚层 状的砂岩含水层， 形成于多期河道砂岩的纵向叠置， 其中以“七里镇砂岩”为典型代表，也是地层划分对 比的标志层图 2。 3.2.2导水裂隙带特征 针对永陇矿区煤层顶板导水裂缝带发育高度的研 ChaoXing 42煤田地质与勘探第 44 卷 究，不同单位开展了多次专项探查工作，但是研究结 果相差较大。 郭家河煤矿实测裂采比为 11.1526.98 倍， 大佛寺、亭南煤矿的实际突水资料分析，裂采比最大 可达 3035 倍。区内 2 号煤层平均厚度 5.45 m，距离 延安组顶界的距离 2.7137.48 m， 按照 三下采煤规程 中冒裂带的高度计算[10]，冒落带的高度 2.2050.52 m， 导水裂隙带的最大高度 12.85182.99 m， 平均 73.91 m。 距离安定组底界 24.30101.32 m，平均 58.15 m；距离 宜君组底界 101.15284.08 m，平均 198.32 m。因此， 井田内大部分区域内煤层采空后形成的导水裂隙带将 波及直罗组，但是不会波及上部的安定组和宜君组底 部，即安定组上段厚层状–巨厚层状的湖湘泥岩将是良 好的隔水层，正常情况下排除隐伏性断裂、封闭不良 钻孔等可以阻挡白垩系砂砾岩含水层直接涌入矿坑。 表 3永陇矿区各煤矿裂采比结果统计 Table 3Statistics of the crack height and mining thickness ratio of Yonlong coalfield 矿井工作面采厚/m裂采比瞬时涌水量/m3h-1突水水源 郭家河煤矿130311.262028 900直罗组 崔木煤矿 首采区141520 1 100洛河组 21301/2130210.0015.70 亭南煤矿 2049.1013.30 2 000地表水、洛河组 1065.2525 大佛寺煤矿 40106/4010810.5026.98 500地表水、洛河组 411044.0030 胡家河煤矿4010112.0020140洛河组 按照周边矿井裂采比 11.5035 倍计算，当裂采 比大于 23 倍时， 局部地段导水裂隙带可以达到砾岩 底部，存在砾岩水通过透水“天窗”直接涌入矿坑， 这一点在崔木煤矿得到了印证[15-18]。 4顶板稳定性评价 煤层顶板稳定性不仅影响顶板支护管理而且也 影响顶板水文地质特征。顶板稳定性评价一般按照 RQD、Z 值和 M 值等指标法进行评价。本次评价同 时结合煤层顶板岩性特征、沉积环境、顶板面积占 比、顶板岩层厚度，同时考虑了煤层开采后的顶板 工程地质和水文地质特征等因素进行综合评价表 4，并将稳定性分为差、差–中等、中等、稳定 5 个 等级图 4。 表 4煤层直接顶板稳定性评价表 Table 4The uation to direct roof of coal seam stability 岩性泥岩炭质泥岩粉砂岩细砂岩中、粗砂岩 岩性特征描述 黑色、 灰黑色顶部紫杂色厚 层状泥岩水平层理发育、 见 植物化石碎片、夹煤线 灰色、浅灰–灰黑色，薄层状泥 岩条带，波状、平行层理、小型 槽状交错层理，见植物碎片化石 灰白色–灰色中厚层状平 行、透镜及粒序层理，见 黄铁矿结核，见煤屑 灰白色薄层状、底部多见冲 刷构造，块状层理，夹镜煤 条带，多见黄铁矿结核 沉积环境河漫滩、泛滥平原决口扇天然堤、点砂坝边滩、河床滞留沉积 面积占比/ 48.022.714.513.1 厚度/m 0.8220.46/6.490.746.51/2.610.644.25/2.100.622.51/1.82 Rc/MPa9.666.3513.6610.08 软化系数K 0.540.350.570.45 坚硬系数S 0.970.641.371.01 摩擦系数f 0.730.740.710.68 岩石质量 分级 RQD/32602749 岩石质量劣的中等的劣的劣的 完整性差中等完整差差 岩体质量 系数 Z 值 0.230.280.260.34 等级坏坏坏一般 岩体质量 指标 M 值 0.100.130.120.30 岩体分类IVIIIIIIIII 岩体质量差中等差中等中等 注0.8220.46/6.49 表示地层厚度最小值最大值/平均值。 ChaoXing 第 6 期王海军 永陇矿区 LYL 井田 2 号煤层顶板沉积环境及其稳定性评价43 图 4煤层顶板稳定性评价结果图 Fig.4The results of coal seam roof stability uatio 从图 4 可以看出，泛滥平原沉积微相形成的顶 板以泥岩为主，稳定性综合评价为差；点砂坝、决 口扇沉积微相形成的顶板评价为差–中等；边滩，天 然堤沉积微相形成的顶板评价为中等。在 1 和 2 区 范围内煤层顶板以厚层状泥岩为主，直罗组底部的 河道相砂岩含水层直接覆盖其上，在煤层顶板泥岩 与直罗组底部砂岩之间存在离层水害的可能性；当 裂采比大于 23 倍时，白垩系洛河组、宜君组砾岩水 通过透水“天窗”涌入矿井；在周边区域的保护层薄 弱的 I、 II 区存在产生次生离层水害的可能性图 4。 5结 论 a. 煤层顶板沉积相纵向组合有河漫滩型、边滩 –河漫滩型和多期河道叠置型 3 种类型； 横向上以多 期的河漫滩与天然堤形成的泛滥平原沉积为主，零 星见点砂坝、决口扇沉积微相。顶板稳定性受沉积 微相的影响， 表现为泛滥平原沉积顶板以稳定性差， 点砂坝、 决口扇沉积微的顶板稳定性差–中等； 边滩， 天然堤沉积的顶板稳定性中等。 b. 沉积环境不仅控制区内煤层顶板岩性组合 类型而且控制煤层顶板岩石力学特征。不同沉积环 境形成的岩石力学性质不同，相同岩性的岩石由于 沉积环境不同导致岩石力学特征不同，相同沉积环 境下同一种岩性在不同的部位由于水动力条件等因 素导致岩石力学性质也存在差异。 c. 煤层顶板延安组砂岩含水层形成于点砂坝、 决口扇沉积微相，直罗组即“七里镇”砂岩含水层形 成于多期河道砂岩纵向叠置的厚层–巨厚层状砂岩， 富水性弱，二者是矿井的直接充水含水层。 d. 河漫滩形成的巨厚层状泥岩顶板与其上部 的直罗组厚层状河道砂岩含水层直接相接触地段1 区和 2 区，客观上具备形成离层水的条件，二者之 间具有产生离层水害的可能性。 e. 经理论计算区内导水裂隙带不会波及白垩 系砾岩段含水层，但是由于煤层顶板以泥岩为主， 同时直罗组砂岩岩石胶结差， 具有遇水崩解的特性， 导致未来矿井掘进过程中煤层顶板冒落带高度要比 理论计算高度大，这一点在周边矿井如郭家河、崔 木、大佛寺、胡家河煤矿等生产资料探明裂采比普 遍大于 20 倍。因此，当裂采比大于 23 倍时，区内 ChaoXing 44煤田地质与勘探第 44 卷 导水裂隙带将直接沟通白垩系砾岩含水层，该段含 水层将通过导水裂隙带涌入矿井。同时在保护层厚 度薄弱的地段即在安定组泥岩段与洛河组、宜君组 砾岩段底部之间将次生离层空间，存在次生离层水 害I 和 II 区的危险。因此，在矿井设计时选择合理 的开采工艺使得裂采比控制在 23 倍之内。 参考文献 [1] 葛宝勋， 刘祖发. 沉积环境与影响矿井设计的顶板稳定性因素 的探讨[J]. 岩相古地理，1990435–40. 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