纳林河二号煤矿工程地质特征及开采条件分析*

郭森林

(1.中煤西北能源有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017200；2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

0 引言

鄂尔多斯盆地是世界级特大型多种能源盆地，矿产资源丰富，尤以煤炭资源含量最盛[1]，其中纳林河二号煤矿就位于该盆地中北部。该矿于2008年8月开始基建，首采工作面于2014年8月27日开始试采，随着矿井的进一步采掘，强矿压影响下的巷道变形问题逐渐显现出来，如变形量大、变形速度快和变形形势复杂等问题。长期以来，针对顶板稳定性问题，众多学者进行了大量研究，提出了众多解决方案。例如韩玲[2]通过对五沟煤矿矿井工程地质类型评价、矿井采掘工作难易程度分析基础上，结合煤岩层物理力学性质、钻孔岩石RQD值等评价因子，综合评价了五沟煤矿矿井工程地质类型，为矿井的采掘工作提供了可靠保障。蔡梦雅等[3]针对潘谢矿区深部开采条件下，利用主采煤层顶底板的RQD至和冲洗液消耗量，依据岩石质量划分规范，综合评价、定量分析了顶、底板工程地质条件。杜昌乾等[4]利用模糊综合评判法，建立了煤层顶板稳定性评价模型，对木康煤矿主采煤层顶板稳定性进行了评价。在此基础上，以纳林河二号煤矿工程地质资料为基础，结合煤层顶板岩性、厚度、岩体质量、抗压强度等指标对顶板稳定性进行综合评价，以期为煤矿的安全生产提供科学依据。

1 研究区概况

纳林河二号煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗境内，纳林河矿区的最南端，行政区划属于鄂尔多斯市乌审旗无定河镇。井田内含可采煤层5层，分别为3-1上、3-1、4-1、5-2和6-1上煤层，其中3-1上和3-1煤层为全区可采煤层。3-1上煤层位于延安组第2岩段顶部，埋深一般为501.17～657.91 m，平均为578.17 m，煤层结构简单，一般不含夹矸，与下伏的3-1煤间距为2.57～29.68 m，平均20.56 m，3-1上煤层顶板岩性主要为砂质泥岩及粉砂岩，底板岩性主要为砂质泥岩；3-1煤同样位于延安组第2岩段顶部，埋深一般为529.57～688.84 m，平均为580.70 m，煤层结构简单，煤层顶板岩性主要为砂质泥岩，少数为粉砂岩，底板岩性主要为砂质泥岩，如图1所示。

图1 主采煤层综合柱状图

2 工程地质及开采条件

2.1 煤层顶底板工程地质特征

岩体类型：纳林河二号煤矿在地质勘探阶段、建井阶段对揭露的岩(土)体样本进行了大量的工程地质特征和物理力学性质分析，将矿井内的岩(土)体划分为极软岩类、软岩类和较软岩类3大岩类[5-7]。

岩体质量：利用岩石质量指标值(RQD)，岩体质量系数法(Z值)和岩体质量指标法(M值)[8-9]，结合区内各地层岩体结构类型进行统计，将区内岩体结构分为散体结构、碎裂结构、层状结构及块状结构。其中散体结构由松散砂层组和土层组构成，碎裂结构由风化岩组和煤岩组构成，层状结构由粉砂岩、泥岩及互层岩组构成，块状结构由粉砂岩组构成。依据《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB/T 12719—1991)中的岩体质量评价分级标准[10]，对研究区各地层的岩体质量进行评价分析，结果见表1。由表1可知，散体结构岩体极破碎，岩体质量为差；碎裂结构岩体完整性中等，岩体质量为中等；层状结构岩体完整性中等，岩体质量为中等；块状结构岩体完整性中等，岩体质量为中等。

表1 岩体质量等级定量评价

煤层顶底板岩体物理力学性质：纳林河二号煤矿对可采煤层顶底板岩石通过钻探进行了岩心取样，并进行了物理力学性质试验，其中主采3-1上和3-1煤层顶底板岩体物理力学性质见表2。由表2可知，3-1上煤层顶板岩性主要为砂质泥岩，局部为泥岩、粉砂岩和中粒砂岩。砂质泥岩单项饱和抗压强度为10.7 MPa，属于不稳定型顶板；其底板主要为砂质泥岩，岩石平均饱和抗压强度为10.7 MPa，允许单项抗压强度为8.03 MPa，属于极软-松软(Ⅰ～Ⅱ)型底板。3-1煤层顶板岩性主要为砂质泥岩，局部为粉砂岩、泥岩。砂质泥岩单项饱和抗压强度9.3～11.0 MPa，属不稳定型顶板；其底板主要为砂质泥岩，局部为粉砂岩。砂质泥岩岩石平均饱和抗压强度为18.6～23.2 MPa，允许单向抗压强度为13.95～17.4 MPa；粉砂岩岩石平均饱和抗压强度为23.2 MPa，允许单向抗压强度为17.4 MPa，属较软(Ⅲa)型底板。

2.2 开采地质条件

煤尘爆炸危险性：纳林河二号煤矿在建井期间就对3-1煤层进行了煤尘爆炸性试验，根据其试验结果可知，煤层火焰长度大于400 mm，抑制煤尘爆炸最低岩粉用量在65%～90%之间，属于具有爆炸性危险的煤层，表明煤尘有爆炸性危险。

煤的自燃倾向性：通过补勘期间施工的MDBS1、MDBS5号钻孔及中央2号回风大巷取样，进行了煤层自然发火性鉴定，根据《煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》(GB/T 20104—2006)[11]，可知3-1煤层自燃等级为Ⅰ～Ⅱ级，自燃倾向性为容易自燃-自燃煤层。

地热：矿井建井期间，在首采区选择HB4、MDBS2这2个补勘钻孔做了简易测温工作。其中MDBS2号钻孔由于存在涌水现象，所以数据未予采纳。HB4号孔恒温点深度80 m，恒温点温度17 ℃，平均地温梯度2.28 ℃/100 m，结合以往该地区地温资料，认为本区属地温梯度正常区。但由于可采煤层埋藏深度较大，在首采区可采煤层最大埋深处地温超出了30 ℃，达到了31.39 ℃，进入了一级热害区。

冲击地压：纳林河二号煤矿3-1上煤煤样的动态破坏时间344 ms、弹性能量指数19.718、冲击能量指数2.407、单轴抗压强度26.019 MPa，判定其3-1上煤煤样具有强冲击倾向性；3-1下煤煤样的动态破坏时间249 ms、弹性能量指数4.194、冲击能量指数1.101、单轴抗压强度14.623 MPa，判定3-1下煤煤样具有弱冲击倾向性。3-1煤的顶板岩层的弯曲能量指数为530.451 kJ，大于120 kJ，判定3-1煤顶板岩层具有强冲击倾向性。3-1煤底板岩层的弯曲能量指数为112.267 kJ，大于15 kJ，小于120 kJ，判定3-1煤底板岩层具有弱冲击倾向性。矿方在开采时应谨防冲击地压给煤矿生产带来的安全隐患。

2.3 开采条件评价

区内3-1上煤层顶板属于不稳定型顶板；其底板属于极软-松软(Ⅰ～Ⅱ)型底板。3-1煤层顶底板较平整，裂隙不是很发育，岩层强度较低-中等，顶板以不稳定型为主，局部为中等稳定型顶板，底板属较软(Ⅲa)型底板，总体评价煤层顶底板类型属于中等。井田地层产状平缓，地层倾角约1°～3°，大部分地段约1°～2°，小于8°以下，类型为简单型。矿井内无陷落柱和天窗等地质危害，但煤层存在煤尘爆炸危险性、自然发火倾向性，具备冲击倾向性，深部还存在一定的地热危害，其类型划分为中等。

3 结语

煤层顶底板岩石的物理力学性质是评价其稳定性的主要因素，利用勘探和建井阶段采取的岩心进行了测试。结合以往的工程地质资料对主采煤层顶底板工程地质条件进行了分析评价，为后续煤层回采时顶底板支护和安全生产提供了理论依据。同时，也为条件类似的矿井进行煤矿工程地质条件类型评价提供了思路和评价方法。