钻孔岩芯力学在煤层顶底板工程地质评估上的应用

吕建祥

（山西省煤炭地质148勘查院，山西 太原 030053）

太原西山煤田马兰煤矿位于西山煤田中南部的马兰向斜中南段，受其控制，井田地层走向近南北，往西则转为北西—南东向，向斜西翼地层较陡，东翼地层较缓，倾角一般小于10°。在此基础上伴随着一些次级褶皱及断层，区内断裂构造不发育，仅在本区西部和东部发育有几处断裂，均为正断层。煤系地层主要为碎屑岩及碎屑岩夹碳酸盐岩沉积。为查明井田的工程地质条件，了解主要可采煤层顶底板的工程地质特征，了解10号煤层至O2界面间隔水层特征，为带压开采提供工程地质资料，对该矿MR-1、MR-4号钻孔工程地质编录资料及176组岩石力学样进行了系统分析。在主要可采煤层顶底板受影响的范围内岩石主要由细—粗粒砂岩、砂质泥岩、泥岩、粉砂岩、石灰岩等组成。岩石一般裂隙不发育，构造破坏地段裂隙发育。在剖面上岩性变化较大，结构主要为层状。研究区位于太原西山煤田中部古交市西南，北部与镇城底矿相邻。区内新生界松散沉积物，包括第三系上新统红土、第四系中、上更新统黄土、第四系全新统近代冲积层，不整合于石炭系、二叠系基岩之上，厚度变化大，钻孔所揭露的厚度最大为125.07m（535号孔）。第三系上新统、第四系中、上更新统广泛分布于山顶、山坡，主要由粘土、砂质粘土组成，黄土垂直节理发育。第四系全新统主要由砂、砾石等组成，仅分布于较大的沟谷中。

1 可采煤层顶底板岩性及物理力学性质

井田内6层可采煤层，2+3号煤层直接顶板为砂质泥岩，老顶为中—细粒砂岩，厚2m左右，底板多为泥岩、炭质泥岩，井田内2、3号煤层间距较小，岩性为炭质泥岩，按合并对待，含1～3层夹石，多为1层。顶板综合抗压强度22.2MPa；底板综合抗压强度21.9MPa。4号煤层结构简单，一般含1层夹石。顶板为泥岩或细砂岩，底板为细砂岩或粉砂岩。顶板抗压强度22.2MPa；底板抗压强度10.1～21.9MPa。6号煤层顶板为砂质泥岩或粉砂岩，底板为中、细砂岩，多含1层夹石，且上分层厚下分层薄。顶板抗压强度10.1～27.0MPa；底板抗压强度9.2～22.8MPa。8号煤顶板为厚2m左右的L1灰岩或泥灰岩，局部有泥岩或炭质泥岩伪顶。底板为砂质泥岩或粉砂岩，含1～4层夹石，结构复杂，顶板抗压强度6.5～23.2MPa；底板抗压强度20.9MPa。9号煤顶板多为砂质泥岩，老顶为厚5m左右的中—细粒砂岩，底板为砂质泥岩。顶板抗压强度21.4MPa；底板抗压强度8.1～14.1MPa。10号煤顶板为粉砂岩、粗砂岩，底板为泥岩、炭质泥岩，结构简单，一般含1层夹石。顶板抗压强度8.1～21.1MPa；底板抗压强度 10.8～12.6MPa。10 号煤层底板至O2界面岩石由粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩、砂质泥岩、泥岩、铝土泥岩、石灰岩等组成，据本次勘探资料10号煤层底板至O2界面厚51.06～72.59m，平均64.86m。根据钻孔简易水文观测记录，粉砂岩、细粒砂岩、砂质泥岩、泥岩、铝土泥岩等岩性致密，裂隙不发育，钻进时水文动态变化小，消耗量较小，可视为良好的隔水层。

据本次勘探采取MR-4号孔10号煤层底板至O2顶隔水层的岩石岩样测试结果，石灰岩强度最大，粗砂岩、中砂岩、粉砂岩次之。其中石灰岩抗压强度23.8～47.7MPa，整体抗压强度25.3MPa。

2 顶底板完整性评价

据MR-1、4号钻孔RQD值统计结果，对各可采煤层顶底板进行完整性评价。其中2+3号煤层顶板RQD值15～56，质量描述极劣～中等，完整性破碎～中等，2+3号煤层底板RQD值21～44，质量描述极劣～劣等，完整性破碎～差等；4号煤层顶板RQD值21～56，质量描述极劣～中等，完整性破碎～中等，4号煤层底板RQD值44～52，质量描述劣～中等，完整性差～中等；6号煤层顶板RQD值52～44，质量描述劣～中等，完整性差～中等，6号煤层底板RQD值46～74，质量描述劣～中等，完整性差～中等；8号煤层顶板RQD值56～74，质量描述中等，完整性中等，8号煤层底板RQD值40～48，质量描述劣等，完整性差；9号煤层顶板RQD值34～45，质量描述劣，完整性差，9号煤层底板RQD值53～58，质量描述中等，完整性中等；10号煤层顶板RQD值47～53，质量描述劣～中等，完整性差～中等，10号煤层底板RQD值57～79，质量描述中等～好，完整性中等～较完整。总体来看，各可采煤层的顶底板完整性都较差，质量低劣。

3 顶底板岩体质量评价

根据岩体质量指标法，对井田内主要可采煤层顶底板体质量等级等工程地质指标进行了分级评价，各可采煤层顶底板岩体质量统计结果见表1、2、3。

表1 可采煤层顶底板岩体质量统计表

表2 MR-1号孔煤层顶底板工程力学成果表

表3 MR-4号孔煤层顶底板工程力学成果表

可以看到各可采煤层顶底板抗压强度均较低，各可采煤层顶底板岩体质量等级均为Ⅲ级，即岩体质量属中等，较易于产生变形破坏，因此稳定较差。岩组以软弱～半坚硬岩石为主，坚硬岩石相对较少，构成软硬相间岩组，总体稳固性较差，对矿床开采具有直接影响。岩体结构面型式多为节理裂隙、层理或微小不发育的节理劈理、片理，除断层地段外，即绝大部分结构面级别为Ⅳ或Ⅴ级，岩体结构类型多为层状结构Ⅱ1，少数为块状结构Ⅰ2，层间结合力较差，结构体形态多为长方体、块体，地下水渗透压力引起的问题及软化泥化作用均较明显，岩体变形受岩石组合、结构面所控制，压缩变形取决于岩性、岩层变位程度及结构面发育情况，剪切滑移受结构面及软弱夹层的抗剪强度及其方位所制约。

4 结论

井田地层岩性较复杂，煤层顶底板以层状岩类为主，岩层软硬相间，岩体各向异性，强度变化大，可采煤层的顶、底板稳定性较差，井田内断层、陷落柱较发育，此地段易发生矿山工程地质问题。根据本次勘探的工程地质孔编录计算的岩体质量指标法计算结果，各可采煤层顶底板岩体质量等级均为Ⅲ级，即岩体质量属中等。据《矿区水文地质工程地质及环境地质勘查评价标准》（MT/T 1091-2008)，井田内各可采煤层工程地质条件复杂程度类型总体均应属第三类中等型，即以层状岩类为主的复杂程度中等型。