中煤平朔井工三矿一采区影响煤矿安全生产地质因素分析

史 勇 鲍 园 粱小伟 霍 振,

(1.同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司,朔州，山西036000 2.西安科技大学地质与环境学院,西安,陕西,中国,710054)

1 概述

平朔煤业有限公司井工三矿，位于中国山西北部的宁武煤田北端，含煤地层沉积在奥陶系古风化壳上[1-2]。地层沉积总厚达2 600 m～3 500 m以上，沉积中心位于煤田中南部宁武静乐一带，地层厚度在3 500 m以上，而北部井坪朔县一带仅几百米，中心出露地层为中生界侏罗系，向周围依次为中生界三叠系、古生界二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系，太古界五台群，新生界第三系、第四系在朔县平原厚度达200 m 以上[3-4]。断裂发育在煤田东西两侧，多为高角度的正断层，逆断层较少。特殊的地质环境造成断层、冲刷带、陷落柱发育[5]，给矿山开采带来了极大困难。

2 分析与讨论

2.1 断层样式

该区主要发育正断层，以下两种形式出现。

2.1.1 走向相反的正断层形成的相对隆起

如39110辅运巷所揭露的断层剖面所示（图1），该地垒由F24和F25两条高角度断层组成，断距分别为1.8 m 和2.4 m。因断距较小，煤层产状总体上较为平缓，对矿井掘进和煤层回采影响不大。井田范围内多见此类隆起，此类型断层约占40%。

图1 39110辅运巷剖面

2.1.2 单一的正断层

完整揭露于综采工作面，如发育在39101 工作面的正断层，F3断层产状为45°∠45～50°，断距3 m～4 m；F18断层产状为50°∠75°，断距3 m～5 m。由于断层在很小范围内发育密集，煤层底板倾角较大，液压架倾斜度最高达到35°，此类型断层约占50%，余者为逆断层。同时煤层顶板风氧化严重，易发生冒顶等事故，必须采用注浆、注胶等方法加固顶板，这也给煤层回采带来了巨大困难，最严重时不得不提前停采，造成煤炭产量损失104万吨（图2）。

图2 39101辅运巷剖面

图3 为F20断层，垂直断距20 m，倾角80°～85°，几乎直立。巷道12°下山掘进，但仍然位于煤层之上，造成煤炭储量损失350万吨。为减少资源浪费和经济损失，建议该煤层可以在煤层二次回采时再采出。

图3 39108辅运巷剖面

2.1.3 断层破碎带对开采影响

断层破碎带是由断面附近派生裂隙和断面充填物组成的地质体，表现为块状岩石和煤层混杂，岩石大小不一，大者100 cm～150 cm，岩石碎块没有任何磨圆，呈棱角状，呈不规则形态分布。在张应力作用下，岩石或煤层断开，上覆岩石充填到裂缝中，形成岩石碎块和煤屑共同充填。整体上煤层呈连续状，断裂带两侧煤层产状大致相同，它主要影响煤质和回采进度。

2.2 冲刷带类型

在煤层中发育泥石流沉积国外已见报道。众所周知，冲刷带对煤层的开采往往起到负面的影响作用。在井工三矿遇到的冲刷带角砾岩与煤层的接触关系中，归纳总结了三种类型，具体如下。

2.2.1 顺层侵入型

顺层侵入型的冲刷带类型表现为角砾岩顺煤层分布在煤层中，其展布与延伸基本与煤层一致（图4a）。

2.2.2 岩墙型

在生产现场中遇到的冲刷带角砾岩与煤层的第二种接触方式为切割煤层型，类似于岩墙的形式，这种角砾岩与煤层的夹角基本上大于60°，角砾岩中夹破碎煤线，称之为岩墙型（图4b）。它的形成可能与沼泽形成期间的构造活动或同沉积小断层有关。

2.2.3 沿断层充填型

在生产中遇到的冲刷带角砾岩与煤层的第三种接触关系为角砾岩沿断层面充填，这是一种后期充填的形式。如39107主运巷F20断层揭示的冲刷带沿断层充填的表现形式就是这种类型（图4c）。

图4 冲刷带三种类型

2.3 陷落柱（或陷落带）样式

陷落柱是煤层下伏可溶岩石被地下水溶蚀后引起上覆岩层冒落而形成的古岩溶塌陷体。根据物探结果及实际揭露分析，在一采区共存在3个陷落柱和1个陷落带（图5）。陷落柱大小100×100 m2左右，陷落带150×500 m2左右。陷落柱内裂隙发育，风氧化严重，充填岩石呈土黄色，或呈灰色，松散、硬度差，岩石碎块无规则。陷落柱造成了大面积的无煤区，在巷道掘进过程中发生多次冒顶事故，严重影响了掘进进度，也直接增加了工程成本等。

陷落柱有时导通上覆含水层，发生涌水事故。例如研究区的39110 辅运巷310 m 处，遇到陷落柱，每小时出水150 m3/h；放水10个月后，出水量由150 m3/h减少到50 m3/h 左右。水头从80 m 降到60 m，并且目前以每月2 m左右的速度衰减。

图5 一采区陷落柱发育位置

2.4 成因机理分析

井工三矿所揭露出的冲刷带角砾岩，按其形成机理，可归纳为三种模式（对应于与煤层的三种接触关系）。

第一种模式是由与煤层基本上平行或与煤层呈不平整接触关系时顺层侵入形成的，这种模式主要是在河流决口和洪水期沉积形成（如图6a所示）；第二种模式是由于干旱期在泥炭沼泽表面形成泥裂，这些裂缝大小不一，大者有10 多米深，小者几十公分。洪水期时，大量泥砂冲破天然堤，在河流决口形成冲刷带后重新接受沉积，就形成了这种类似于岩墙的冲刷带角砾岩，多成楔状条带。也可能是沼泽形成期间发生构造活动或同沉积断裂，冲刷带沿裂隙充填的产物（如图6b所示）；第三种模式是在泥炭沼泽形成后，因受燕山运动构造应力作用，形成一些张性断层，并形成破裂带，后期被冲刷带充填，并经成岩作用形成冲刷带角砾岩，这种角砾岩明显具有后生的特点（如图6c所示）。

图6 冲刷带成因模式

对煤系地层中陷落柱的成因机理目前还没有定论，但都认为与下伏地层存在可溶性岩层和活跃的水动力条件有关。研究区的陷落柱主要发育在煤层露头附近，远离露头区陷落柱减少或不发育。在露头区，海拔高程较高，下伏奥陶系灰岩处于岩溶斜坡地带，为地下水的径流通道；地下水沿地下断层流动，易形成串珠状的陷落柱，多个陷落柱组合就形成了陷落带。

3 结论

通过对井工三矿一采区巷道掘进和煤层回采过程中揭示的断层、冲刷带和陷落柱等构造特征和发育样式进行研究，并对其形成机理进行探讨。

(1)该区主要发育正断层，组成了小型隆起、断崖式等断层产状，是影响安全生产的主要因素，其中大断距正断层对巷道的掘进和煤层的回采均影响较大；

(2)冲刷带在煤层中的分布分为顺层侵入型、岩墙型和沿断层充填型三种类型，它们分别是同沉积、准同沉积和后期改造的结果，主要影响回采原煤质量，后期洗耗大；

(3)本区分布着3个陷落柱和1个陷落带，造成了煤层的缺失，是造成施工困难、冒顶事故和引发局部突水等事件的关键因素，是矿井掘进和煤层回采中最大的安全隐患。