煤系岩石强度的影响因素分析

冯 强

（山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局，山西 太原 030045）

·问题探讨·

煤系岩石强度的影响因素分析

冯 强

（山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局，山西 太原 030045）

分析了大同煤田南部水泉—南泉湾矿区煤系中形成于不同沉积环境的86组岩石样品的沉积特征和强度；结果表明，岩石的强度与沉积环境有着密切的联系。岩石强度的变化主要受控于岩性特征、沉积环境中水动力条件的强弱、变化幅度的大小及生物发育丰富程度等几种因素。对煤系岩石力学性质强度的分析，在矿井设计、开采中岩石强度参数广泛的应用具有十分重要的指导意义。

矿区；沉积特征；沉积环境；岩石强度；古地理沉积环境；分析

在煤炭资源勘查中，要求施工钻机在钻孔中采样且在采样中必须按照《煤炭地质勘探采样规程》采取各类岩石样品，样品必须具有代表性。然而，任何一种岩石的力学性质都在很宽的范围内变化。为了更客观地评价岩石强度的影响因素，本文分析了来自不同古地理沉积环境的86组样品的水动力条件强弱及岩石强度特征等。

1 矿区地质

1．1 地 层

本矿区属半掩盖区，局部有基岩出露；根据勘查揭露情况，地层由老到新依次为：奥陶系中统下马家沟组（O2x），石炭系中统本溪组（C2b）、上统太原组（C3t），二叠系下统山西组（P1s）、下石盒子组（P1x），新近系上新统（N2），第四系中、上更新统（Q2+3）。

1）奥陶系中统下马家沟组（O2x）：埋藏于矿区深部；岩性主要由深灰、灰、灰白色石灰岩、泥灰岩互层组成，中夹白云质灰岩和方解石脉，据矿区内202、602号钻孔揭露，厚度平均130 m左右，与下伏亮甲山组呈整合接触。

2）石炭系中统本溪组（C2b）：岩性为浅灰色粗、中、细粒砂岩，深灰色泥岩、砂质泥岩，灰白色铝土质泥岩，间夹0～3层深灰色石灰岩；本组地层厚度26．60～41．30 m，平均32．15 m，与下伏奥陶系中统下马家沟组呈平行不整合接触。

3）石炭系上统太原组（C3t）：自K2砂岩底至K3砂岩底，为矿区内主要含煤地层，矿区内局部或零星出露于西北及西南部。岩性为深灰、黑灰色砂质泥岩、泥岩及灰、浅灰、黄灰色砂砾岩和粗、中、细粒砂岩夹3～9层煤层和石灰岩。本组地层厚度为91．20～145．30 m，平均105．02 m，与下伏本溪组呈整合接触。

4）二叠系下统山西组（P1s）：自K3砂岩底至K4砂岩底，为矿区内含煤地层之一；岩性为黄灰、浅灰、灰、深灰色含砾粗砂岩，中细粒砂岩，砂质泥岩，泥岩。本组地层厚度38．30～73．40 m，平均厚度51．52 m，与下伏太原组呈整合接触。

5）二叠系下统下石盒子组（P1x）：自K4砂岩底以上的地层，为一套陆相碎屑岩沉积，矿区内主要在北部及西北部有零星出露。

6）第四系中、上更新统（Q2+3）：广泛分布于全矿区，上部以浅黄色亚砂土夹浅红色亚黏土为主，较松散；下部为棕红色亚黏土夹亚砂土，底部偶夹砂砾石层。亚黏土中常含钙质结核，潮湿时具黏性、可塑性，干涸后较坚硬。厚度0～57．80 m，平均16．13 m，与下伏地层呈角度不整合接触。

1．2 煤 系

本矿区煤系为石炭系上统太原组、二叠系下统山西组，最厚可达200多m，含可采煤层3～5层，石炭

系上统太原组以泥岩及砂泥岩、碎屑岩和煤层互层为特征，属海陆交互相沉积，二叠系下统山西组发育4～7个由各粒级砂岩、泥岩和薄煤线构成的沉积旋回，为三角洲体系沉积。

1）石炭系上统太原组（C3t）。

自K2砂岩底至K3砂岩底，由海陆交互相、潮坪相逐渐过渡为三角洲相、湖泊相、河床相沉积，为矿区内主要含煤地层。本组厚度为91．20～145．30 m，平均105．02 m。岩性为深灰、黑灰色砂质泥岩、泥岩及灰、浅灰、黄灰色砂砾岩和粗、中、细粒砂岩夹3～9层煤层和石灰岩。所含煤层中，9、11号煤层为矿区内较稳定大部可采煤层，4、6、10号煤层为不稳定局部可采煤层，其余均为不稳定不可采煤层。本组地层与下伏本溪组地层呈整合接触。根据其沉积特征及岩性、岩相组合特征可划分为上、中、下三段：

a）下段（C3t1）：K2砂岩底至11号煤层底，厚度11．40～40．40 m，平均18．55 m。由一套砂岩、砂质泥岩、泥岩、夹不稳定薄煤层（线）组成；为海陆交互相的半咸水三角州前缘沉积。与下伏本溪组地层呈整合接触。

b）中段（C3t2）：自11煤层底至9号煤层顶，厚度12．29～31．22 m，平均22．05 m。由一套砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩、石灰岩和9、10、11号煤层组成的主要含煤层段，为三角州成煤环境的产物。

c）上段（C3t3）：自K3砂岩底至9号煤层顶，厚度50．20～93．80 m，平均64．42 m。由一套砂砾岩、砂岩、砂质泥岩、泥岩及4、5、6号煤层组成。为三角州分流河道沉积。

2）二叠系下统山西组（P1S）。

自K3砂岩底至K4砂岩底，，为一套陆相碎屑岩沉积，为矿区内含煤地层之一。本组地层厚度38．30～73．40 m，平均厚度51．52 m。岩性为砂岩、砂质泥岩、泥岩夹不稳定不可采的薄煤线。本组含煤性差，属三角洲平原分流、河道、河漫滩及沼泽相，为主淡水沉积。

1．3 构 造

矿区位于大同向斜南西端南东翼，洪涛山隆起的北翼；受区域地质构造影响，矿区内总体为背斜、向斜相间的褶曲构造，地层倾角在3°～26°，平均10°左右；共发育8个褶曲，1个陷落柱。

1）S1背斜：位于矿区西南部-南部，轴向为SW -NE-NEE转SEE-SSE-SE，平面上背斜轴基本呈向北凸出的弧形弯曲，两翼基本对称，倾角在3°～26°。

2）S2向斜：位于矿区西部-北部-东南部，S1背斜北翼，与S1背斜近平行，轴向为SW-NE-E转SE-SEE-SE，平面上向斜轴基本呈向北凸出的弧形弯曲，两翼基本对称，倾角在3°～16°，属次一级宽缓的向斜。

3）S3背斜：位于矿区东部，S2向斜东段东翼，该背斜轴向为NW-NNW-SSE，两翼基本对称，倾角在3°～15°，其西翼略陡，属次一级宽缓的背斜。

4）S4背斜：位于矿区西部，与S1、S2轴部近垂直，轴向N-SW-SSW，两翼基本对称，倾角在4°～9°，属次一级宽缓的背斜。

5）S5向斜：位于矿区北部，为S2向斜的分叉向斜，轴向为NE-SSW，两翼基本对称，倾角在9°～13°，属次一级宽缓的向斜。

6）S6向斜：位于矿区西南部，S1背斜的南翼，轴向为N-SSE，两翼基本对称，倾角在6°～14°，属次一级宽缓的向斜。

7）S7背斜：位于矿区南部，S1背斜的南西翼，与S1背斜轴部近垂直，为S1背斜的分叉背斜，轴向NE -SW，两翼基本对称，倾角在9°～19°，其北西翼略陡，属次一级宽缓的背斜。

8）S8向斜：位于矿区南部，与S1、S2轴部近垂直，轴向为NE-SW，两翼基本对称，倾角在5°～14°，属次一级宽缓的向斜。

2 岩石的沉积特征和强度分析

本文研究的86组岩石样品中56组采自构造简单的水泉矿区，30组取自构造较为复杂的南泉湾矿区，所取岩石样品均具较好的代表性，岩样依岩性分砂岩、泥岩、砂泥岩互层三大类。

2．1 砂岩类

2．1．1 沉积特征

河道相：是区内煤系的主要沉积单元之一，构成了三角洲沉积体的格局。其岩性特征主要由砂岩组成，底部常为含泥砾的中、粗粒砂岩，偶见闪星状菱铁矿。决口扇相：为砂质沉积物，具交错层理、波状层理，有时为块状，常含泥砾和较多植物碎屑。潮道相：是煤系下部最常见的沉积单元之一；岩性主要为灰和深灰色中、粗粒岩屑石英砂岩和细砂岩，为泥质岩屑、

粉砂质泥岩碎屑和炭屑。潮道沉积的底部为冲刷面。障壁岛相：岩性以成熟度很高的中、细粒石英砂岩为主，分选性好，具有典型的向上变粗层序。

2．1．2 力学性质

砂岩强度的大幅度波动是明显的（表1），但不难看出砂岩强度的变化与其沉积环境有直接联系。

表1 煤系砂岩类岩石物理力学性质表

在细砂岩样品中单向抗压强度值以障壁岛细砂岩最高，达98 MPa；决口扇细砂岩相对较低，介于60．5～106．0 MPa中；分流河道和潮道相细砂岩的单向抗压强度值最低；中、粗砂岩比细砂岩的力学强度有更大的变化规律，按分流河道—潮道—决口扇的顺序降低；分流河道砂岩的强度最大，潮道细砂岩次之；决口扇中、粗砂岩强度最低；分流河道和潮道沉积层序中，自下而上随砂岩粒度的变细强度依次降低。

2．1．3 水动力条件分析

砂岩类形成于水动力较强的古地理沉积环境中，其中分流河道和潮道均以相对稳定的水道水流和逐渐减弱的水动力条件为特征，所以具有相近的向上变细层序。故从下到上砂岩的发育程度依次降低。决口扇相以变化较快的水流机制进行沉积为特征；在丰水期河水通过决口的瞬间水动力极强，可达到上部快速流动格局；在枯水期，水动力搬运物又裸露地面，古地理环境便于植物生长，原生沉积往往被破坏。障壁岛相砂岩基本位于水动力强的沉积环境中。

2．2 泥岩及砂质泥岩类

2．2．1 沉积特征

分流间湾相：由灰色、浅灰色及黑色泥岩、粉砂质泥岩及粗、中、细粉砂岩组成，具水平层理，含完整的植物化石和菱铁矿结核。工作区内微量元素的分析表明：B（2×10-9）、Ga（0．5×10-9～10-9）、Ni、Cr、B/Ca（2～4）、Sr/B（0．6～1）和V/Zr（0．6～0．8）均较高。泻湖相：主要由深灰色、灰黑色粉砂质泥岩和泥岩组成，水平层理，层理由0．04～0．12 cm的灰色—灰黑色粉砂岩及砂质泥岩组成，含黄铁矿结核及菱铁矿结核，说明为比较平静和相对闭塞的水体。泥炭沼泽相：岩性由深灰色、黑色粉砂岩、砂质泥岩组成，多见植物根化石，斜层理、微波状层理。

2．2．2 力学性质

泥岩及砂质泥岩类的物理力学性质测试结果见表2，容易发现与水动力条件相对稳定的环境相对应。

分流间湾泥岩和泻湖泥岩岩石强度相对较高，抗压强度平均值稳定在40～50 MPa。沼泽泥岩与分流间湾和泻湖相泥岩不同，其强度显著较低，单向抗压强度值低于20 MPa，仅为分流间湾相泥岩和泻湖相泥岩的1/2。

2．2．3 水动力条件分析

分流间湾和泻湖的共同特点：主体为水动力条件弱的环境；以悬浮载荷的沉积作用为主，沉积物均一致密，层理发育泥岩、砂质泥岩及粉砂岩。故其泥岩、砂质泥岩及粉砂岩的强度稳定且高。沼泽虽属低能环境，但以发育丰富的植物而区别于分流间湾和泻湖。

表2 煤系泥岩类岩石物理力学性质表

2．3 砂泥岩互层类

2．3．1 沉积特征

越岸相：为灰色、灰黑色及黑色粉砂岩和灰白色、灰色、灰黑色细砂岩，具互层层理和小型斜层理、波状层理及小型交错层理，偶见变形层理。

潮坪相：由灰色、深灰色细砂岩，灰色、灰黑色粉砂岩及深灰色、灰黑色粉砂质泥岩、泥岩组成。

2．3．2 力学性质

砂泥岩互层类岩石物理力学实验的测试结果见表3。

表3 煤系砂泥岩互层类物理力学性质表

由表3可知，砂泥岩互层类的岩石强度较低，低于砂岩类，也低于泥岩类的大部分样品。

2．3．3 水动力条件分析

砂泥岩互层的形成是由于水动力条件大小、强弱的交替变化，这种交替在沉积物成分和结构上产生的不均一性是该类岩石强度较低的原因。

3 影响岩石强度的因素分析

岩性的影响：岩性是影响岩石强度的主要因素之一；同一种岩石由于矿物成分种类及所含比例、结构、构造、孔隙、裂隙等不同，其岩石强度不同。不同种岩石其强度各不相同且存在较大差异。如果砂岩石英含量大，分选好，孔隙率低，裂隙不发育，其硬度就高。反之，硬度就小。泥岩及砂泥岩类基本成分多为泥质物，其力学性质明显低于砂岩类。水动力条件强弱的影响：在岩性相似时，环境能量的强弱差异导致岩石的分选性、磨圆度、杂基含量和胶结类型呈规律性变化，进而引起岩石力学性质的波动。水动力条件变化幅度的影响：在相近的能量条件下，持续而稳定的水流、周期性变化的双向或多向水流和急剧变化的瞬间水流常在砂岩的结构和构造方面有不同的反映。生物发育程度的影响：在低能环境中，植物的大量发育破坏了泥岩的原生沉积构造，增加了岩石内软弱结构面的数量，造成沼泽泥岩强度的显著降低。构造及埋深等多种因素影响：构造越发育，因岩石结构、构造受其破坏越严重，岩石强度就会降低。一般来说，随着埋深的增大岩石强度亦会增大。岩石形成越久远，其固结程度越高岩石强度越大，即早期岩石硬度大于晚期岩石硬度。如果岩石遭受风化，岩石强度会显著降

低，且随着风化程度的增大岩石强度随之降低。

4 结 论

1）研究区内煤系岩石的强度主要受控于岩性、水动力条件的强弱、变化幅度和生物发育程度4种因素。其次还有构造的发育程度、埋深及风化程度等多种因素。

2）就岩性而言，岩石强度依砂岩—泥岩—砂泥岩互层的顺序逐渐减弱，但每种类型岩石的强度均有很大的变化范围。

3）相同类型的岩石，其强度随水流能量的降低、水动力条件变化幅度的增大和生物发育程度的增强而降低。

4）影响煤系岩石强度的主要因素有4种，除此之外还与构造、埋深及风化程度等因素有关。

5）评价和预测煤层顶板及巷道围岩的稳定性是指导煤矿安全生产、保证矿工人身安全和国家财产损失降到最低的一项必不可少工作，这项工作离不开岩石强度参数的确定。

［1］王 强，李震林，王计堂．矿井地质［M］．北京：煤炭工业出版社，2008：103-118．

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Analysis on Influencing Factors of the Rock Strength of Coal Measure

Feng Qiang

Analyses sedimentary characteristics and the strength of 86 groups of rock samples which formed in different sedimentary environment from Shuiquan-Nanquanwan mining area of the south of Datong coalfield．The results show that the strength of rocks closely relates to the depositional environments．The change of rocks strength is mainly dependent on several factors of lithologic character，hydraulic energy，fluctuating features of hydraulic conditions，and biological activity in the depositional environments．The analysis of the coal measures rock strength has a guiding significance of wide application of rock strength parameter in the design of mine and mining．

Mining area；Sedimentary characteristics；Sedimentary environment；Rock strength；Paleogeographical sedimentary environment；Analysis

TD313+．3

B

1672-0652（2013）08-0047-05

2013-05-21

冯 强（1961—），男，山西左云人，2012年毕业于太原理工大学，工程师，主要从事煤炭地质勘探与矿井地质的研究工作（E-mail）DHZX437＠163．com