潘集深部勘查区山西组煤层发育及顶底板工程地质特征

卜 军，沈书豪，谢 焰

(1.安徽省煤田地质局勘查研究院，安徽 合肥 230088； 2.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

潘集深部勘查区山西组煤层发育及顶底板工程地质特征

卜 军1，沈书豪2，谢 焰2

(1.安徽省煤田地质局勘查研究院，安徽 合肥 230088； 2.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

潘集深部勘查区作为淮南煤田资源接替基地现已进入详查阶段，为了查明山西组煤层赋存特征与工程地质条件，基于对勘查钻孔资料的统计分析，详细分析了1煤和3煤赋存以及夹层岩性、厚度发育特征。结果表明，山西组1煤和3煤区域平均厚度为3.5m；F66断层以北1煤受岩浆侵蚀，不可采范围集中分布，3煤不可采区域在F66断层两侧零星分布；1煤和3煤间夹层岩性以泥岩为主，平均厚度仅为1.25m。在此基础上，进一步探讨了1、3煤顶底板的岩石强度、岩性组成与结构组合工程地质特征，初步划分顶底板岩性组合类型，为深部矿井的设计和建设以及开采地质条件评价提供可靠的地质资料。

煤层发育；夹层特征；煤层顶底板；沉积组合；淮南潘集深部

0 引言

潘集深部勘查区位于安徽省淮南煤田东北部[1]，总体呈向西开口的弧状，北部为明龙山断层，西部紧邻朱集东、潘四东、潘二和潘一东等生产矿井，中部为潘集背斜核部而宽度较窄[2]，南部较宽，总面积约280km2。2013年底普查工作完成，区内-1 500m以浅共探获煤炭资源量约46亿t。该区域资源储量丰度高，是淮南矿区最重要的接替资源。矿区深部开采面临严重的安全隐患，且勘探程度低，因而，查清深层煤炭资源的赋存和发育，以及开采工程地质条件是首要任务[3]。本文结合深部勘查区探查工程和相关试验，对矿区山西组1、3煤层发育和夹层地质特征进行了分析，并初步划分了山西组煤层顶底板岩性类型和组合类型，为矿井的设计、建设和生产，提供可靠的地质资料。

1 山西组煤层发育特征

二叠系是淮南煤田主要含煤地层。根据潘集深部勘查区已有钻孔资料统计，完整揭露山西组地层的钻孔共计55个，区内二叠系平均发育厚度940m。山西组位于二叠系下统，是二叠系第一含煤段，地层厚度39～83m，平均68m，含可采煤层2层，即1煤和3煤，平均煤厚7.0m，含煤系数约为10.29%。

根据钻孔揭露统计结果做出1煤厚度分区(图1)。1煤层-1500m以浅含煤面积70.45km2，可采面积为54.20 km2，可采比例76.93%，属大部可采较稳定煤层。1煤厚度0～6.03m，平均煤厚3.51m。由图1可以看出，勘查区中部的F66断层将含煤区分为相差较大的南北两个区域，F66北部6号勘探线以北区域，1煤厚度大部分小于0.7m，为不可采区；而在F66断层以南，大部分煤厚大于3.5m。

图1 勘查区山西组1煤厚度分区Figure 1 Shanxi Formation coal No.1 thickness partitioning in exploration area

3煤层-1 500m以浅含煤面积76.81km2，可采面积为59.91km2，可采比例约79%，属大部可采较稳定煤层。深部勘查区内3煤厚度为0.49～5.68m，平均煤厚3.50m，其厚度分区见图2。由图2可知，山西组3煤厚度分布较为分散，厚度小于0.7m的不可采区在F66断层两侧零星分布，在4线与6线间以及18和24线北部区域受岩浆侵入影响，在18线和12线南部区域受沉积影响变薄。厚度大于3.5m区域约占40%，主要分布在勘查区中部和24线以西部分区域。

图2 勘查区山西组3煤厚度分区Figure 2 Shanxi Formation coal No.3 thickness partitioning in exploration area

2 3煤和1煤夹层地质特征

通过对比山西组1煤和3煤厚度分区图可以发现，以勘查区中部F66断层为分界，勘查区F66断层北部区域1煤受岩浆侵入影响范围较大，在F66断层以南3煤厚度受岩浆侵入影响较多，两者发育深度较为接近，煤层发育厚度和面积也相近，由此分别选取勘查区西部、中部和北部24-1、16-1、10-4、8-2和2-1孔做出山西组1、3煤与围岩柱状图，如图3所示。

由图3可以看出，3煤发育在1煤上部，1、3煤夹层间主要以泥岩为主，全区仅26-2和8-2两个钻孔夹层岩性为薄层粉砂岩，20-2和10-1为砂质泥岩夹层，其余全部为泥岩夹层。绘制出山西组1、3煤夹层厚度等值线图(图4)，由图4可以看出夹层厚度为0.2～3.0m，平均厚度仅为1.25m，图4中阴影部分为1、3煤受岩浆侵入的影响范围。在勘查阶段研究山西组1、3煤顶底板工程地质特征时将1煤和3煤合并研究，研究区域顶底板工程地质特征时，主要统计1煤底至下伏太原组第一层灰岩含水层(一灰)顶的厚度以及3煤顶板50m厚度范围内的数据。

3 1、3煤顶底板工程地质特征

煤系沉积岩的岩性对岩体的各种力学性质会造成较大的影响，因此，在勘查阶段研究煤层顶底板工程地质特征主要分析研究顶底板岩石强度、岩性厚度和组合特征的变化[4-5]。

3.1 岩性、厚度与岩石强度特征

在地下工程设计、施工前，首先应当知道工程所在区域的围岩强度及岩性、厚度变化情况。从岩性角度出发，煤层顶底板岩体可以分为砂岩(粗、中、细砂岩)、粉砂岩和泥岩(炭质、砂质和铝质泥岩)三种类型。分别统计3煤顶板和1煤底板岩体岩性厚度及百分含量如表1所示，并以此来分析1、3煤顶底板的岩性分布规律。

表1 山西组煤层顶底板岩性厚度分析

图3 勘查区山西组1、3煤与围岩柱状Figure 3 Shanxi Formation coal Nos.1 and 3 columnar section in exploration area

图4 1煤和3煤夹层厚度等值线Figure 4 Isopaches of partings in coal Nos.1 and 3

由表1统计数据，3煤顶板以细、中砂岩和泥岩、砂质泥岩为主。3煤顶板砂岩含量分布不均匀，含量为0～85.9%，平均含量达36.98%。砂岩空间分布范围：南部大部分区域砂岩厚度较大，仅在14线至12线之间砂岩厚度发育较小，北部由F66断层向北砂岩厚度逐渐减小。

勘查区山西组1煤底板厚度在10.33～37.20m，平均厚度仅为20.01m，在F66断层以南区域大部分钻孔揭露的1煤底板厚度小于平均值，北部区域底板厚度相对较大。根据表1数据可知，山西组1煤底板以泥岩为主，含量占整个底板厚度的73.45%左右，砂岩和粉砂岩含量均较低，只占11.98%和14.57%。山西组1煤层1煤底板泥岩的厚度变化范围较大，区域平均厚度在15m，区内存在多个极值点，以20线至22线为中心，泥岩厚度较大，最厚处达到23.55m，向四周沿近东西向环状递减。

勘探现场采取山西组煤层顶底板岩心样品后，经实验室加工、试验，分别统计了1、3煤顶底板砂岩、粉砂岩和泥岩的抗压和抗拉强度值，见表2。

表2 山西组煤层顶底板岩石强度统计

由表2可以看出，3煤顶板砂岩含量较高，砂岩和粉砂岩试验样本数均多于1煤底板，山西组1、3煤顶底板砂岩的抗压和抗拉强度最高，属硬质岩石，工程地质稳定性较好，粉砂岩属于中硬岩石，稳定性次之，泥岩的抗拉和抗压强度最小，属于软质岩石，稳定性相对最差。在统计顶底板岩石强度的基础上，以往在划分煤层顶底板岩性类型时，常用的K值法只能粗略的反应煤层顶底板坚硬岩、中硬和软质岩石类型含量的相对大小，本次采用的图4所示的三角分类法划分顶底板岩性类型能较为全面的表达顶板岩石强度和含量的分布情况。

图5 三角分类法示意Figure 5 Schematic diagram of trigonometric classification

依据三角分类法将3煤顶板岩性类型共计划分了5类，即砂岩型，泥岩-粉砂岩型，粉砂岩-泥岩型，砂岩-泥岩型和砂岩-粉砂岩型。泥岩型顶板主要分布在14线向西到16线附近；4线到8线条带状分布着泥岩-粉砂岩型；16线到22线依次分布着砂岩-泥岩型，砂岩-粉砂岩型，粉砂岩-泥岩型。

1煤底板岩性类型划分为泥岩型，泥岩-粉砂岩型，粉砂岩-泥岩型，粉砂岩型和砂岩-泥岩型等5种类型，强度较弱。勘查区范围内大部分底板岩性类型为泥岩型，仅在24线向西至26线处，分布着粉砂岩区；4线到8线以及10线到11线，分布着条带状的粉砂岩-泥岩区。

3.2 煤层顶底板沉积组合特征

含煤岩系受沉积环境的控制，顶底板岩体岩性和分层厚度在横向和垂向上都是发生变化的，煤层顶底板的沉积(岩性)组合特征是影响工程地质稳定性的重要因素。从工程地质角度，考虑岩体结构将勘查区主采煤层顶底板岩层划分为上软下硬型、上硬下软型、全软型和复杂型四种组合类型[6-7]。

3.2.1 3煤顶板

山西组3煤顶板以细、中砂岩为主，次为泥岩或砂质泥岩，在不同区域位置，3煤顶板沉积岩层具体组合特征上有一定的差异性。通过对全区钻孔柱状对比、分析，总结出3煤层的顶板岩性组合特征，共发育以下3种类型：

(1)上软下硬型顶板。上软下硬型顶板从下向上，由砂岩-粉砂岩(砂泥互层)-泥岩构成，岩性粒度自下而上由粗逐渐变细，下部岩层较硬，岩体强度由下向上迅速降低。此类顶板在开采过程中稳定性较好，是一种较好管理的组合类型。区内多数钻孔揭露的3煤顶板都表现为此种类型，占到统计总数的60.97%，如9-5，10-1，18-1，24-4，25-2等钻孔，F66断层以南区域较多。

(2)复杂型顶板。复杂型顶板由下向上硬度不同，岩性岩层在垂向上旋回变化，因此岩层内层理面发育，岩性类型丰富，分层厚度小或分层较多，不易管理。该类型顶板在3煤顶较为发育，占到统计钻孔的21.95%，如14-1，20-1，16-1，15-2等钻孔。

(3)上硬下软型顶板。上硬下软型顶板从下向上，由泥岩-砂泥互层-粉砂岩-砂岩构成，岩性粒度自下而上由细逐渐变粗，顶板岩体强度由下向上逐渐增加。此类顶板支护较困难，回采时老顶周期来压现象有可能发生。此种类型顶板在区内3煤顶发育较少。

全软型顶板类型在全区没有出现。

3.2.2 1煤底板

勘查区山西组1煤底板多发育砂质泥岩、泥岩或粉砂岩等软质岩石，通过对全区钻孔柱状数据统计、分析，概括了勘查区1煤层的底板岩性组合特征，共发育全软型和复杂型两种类型。

(1)全软型底板全部由泥岩、砂质泥岩、或砂泥岩互层等软质岩体组成，此类底板强度不高，但完整性和阻水能力相对较好，有利于阻隔1煤底板受太灰水的威胁。在F66断层南部区域，如24-1，25-2，20-3，14-1，12-3等钻孔都表现为全软型底板。

(2)复杂型底板岩层层数较多，分层厚度较薄，组合形式复杂。区内有15-1，10-4，9-2，11-2，10-1等钻孔表现为复杂型，占研究区钻孔总数的53.2%。复杂型底板岩性厚度组合特征差异变化较大，发育层间裂隙或其他不完整结构面较多，不利于底板的完整阻水，但相比于砂岩等岩石发育较多裂隙来说，相对复杂的底板在深部条件下也较完整，在区域断裂或构造导通下容易导通太灰水，致使1煤开采受到影响。

4 结论

(1)潘集深部勘查区山西组主采煤层埋深较大，1煤和3煤区域平均厚度都在3.5m，F66断层南北两侧发育规律不同，断层以北1煤受岩浆侵蚀不可采范围集中分布，3煤不可采区域在F66断层两侧零星分布，1煤和3煤间共同发育块段夹层岩性以泥岩等软质岩石为主，由西向东发育厚度逐渐增大，平均厚度仅为1.25m。

(2)3煤顶板以细、中砂岩和泥岩为主，1煤底板平均厚度约20m，泥岩平均含量达73.45%；在分析厚度和岩石强度的基础上，将顶底板划分为泥岩-粉砂岩等5种岩性类型；顶板强度较高，以上软下硬型沉积组合为主，底板强度较低但完整性较高，以全软和复杂型组合特征为主，划分结果可为深部矿井的设计和建设以及开采地质条件评价提供依据。

[1]卜军, 孙贵，邵军战，等. 安徽省淮南煤田潘集煤矿外围煤炭勘查(阶段)报告[R].合肥：安徽省煤田地质局勘查研究院, 2015.

[2]朱文伟, 张品刚, 张继坤,等. 安徽省两淮煤田控煤构造样式研究[J]. 中国煤炭地质, 2011, 23(8):49-52.

[3]张百禄. 靖远煤田中侏罗统龙凤山组沉积环境及赋煤规律研究[J]. 中国煤炭地质, 2016, 28(9):21-25.

[4]彭军. 潘集矿区深部13--1煤层顶板工程地质特征及其稳定性评价[D]. 合肥：安徽理工大学, 2015.

[5]王怀洪, 李增学, 吕大炜,等. 龙固井田主采煤层顶板特征及工程地质分区[J]. 山东科技大学学报(自然科学版), 2007, 26(2):5-8.

[6]魏振岱. 安徽省煤炭资源赋存规律与找煤预测[J]. 中国煤炭地质, 2013(4):6-6.

[7]周士荣, 邵军战, 张耐,等. 淮南煤田口孜集勘查区深部煤层顶、底板工程地质特征研究[J]. 中国煤炭地质, 2009, 21(3):42-44.

ShanxiFormationCoalSeamDevelopmentandRoof,FloorEngineeringGeologicalFeaturesinPanjiCoalmineDeepPartExplorationArea

Bu Jun1, Shen Shuhao2and Xie Yan2

(1.Exploration and Research Institute, Anhui Bureau of Coal Geological Exploration, Hefei, Anhui 230088;2.College of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001)

As a succeeding resource base in the Huainan coalfield, the Panji coalmine deep part exploration area has now entered into the general exploration stage. To identify coal hosting features and engineering geological condition in the Shanxi Formation, from exploratory borehole data statistics and analysis, coal seam Nos.1 and 3 hosting, parting lithological and thickness development features have been analyzed in detail. The result has shown that the regional thickness average of coal seam Nos.1 and 3 is 3.5m; the nonmineable regions of coal No.1 are concentrated to the north of fault F66 because of magmatic intrusion; while the nonmineable regions of coal No.3 scattered on both sides of fault F66. Lithology of partings in coal seam Nos.1 and 3 is mainly mudstone; average thickness only 1.25m. On this basis, rock strength of coal seam roof and floor, lithologic composition and structural grouping engineering geological features have been further discussed. The preliminary division of roof and floor lithologic composition types has provided reliable geological information for design and construction of deep part coalmine and mining geological condition assessment.

coal seam development; parting features; coal roof and floor; sedimentary association; deep part of Panji coalmine, Huainan coalfield

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.08.08

1674-1803(2017)08-0043-05

卜军(1966—)，男，高级工程师，长期从事煤田地质与勘查工作。

2017-01-19

A

责任编辑：樊小舟