里必煤矿3 号煤层顶底板工程地质特征分析

王瑛

（中国煤炭地质总局 第一水文地质队，河北 邯郸 056004）

0 引 言

里必井田位于晋城矿区西北部，沁水县东部龙港镇和郑庄镇，行政隶属沁水县龙港镇、郑庄镇管辖。矿井设计生产规模4.00 Mt/a，矿井采用主斜副立井混合开拓方式，移交时期分2 个场地布置4 条井筒。首采3101 工作面位于一盘区西侧，采煤方法为大采高一次采全厚综采采煤方法。井田内全区稳定可采煤层共2 层，分别为3 号煤层、15 号煤层。现井田主要开采煤层为3 号煤。

在煤矿建设及开采过程中，煤层顶底板事故是威胁煤矿安全生产的主要因素，因此需要对煤层顶底板的工程地质特征进行科学分析，对顶底板稳定性进行预测，为生产过程中顶底板的管理提供依据。

1 井田地层

井田位于沁水煤田南部，根据钻孔揭露，井田地层内由老至新有奥陶系中统上马家沟组（O2s）、奥陶系中统峰峰组（O2f）、石炭系中统本溪组（C2b）、石炭系上统太原组（C3t）、二叠系下统山西组（P1s）、二叠系下统下石盒子组（P1x）、二叠系上统上石盒子组（P2s）、二叠系上统石千峰组（P2sh）、三叠系（T）、第四系（Q），其中含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组。

3 号煤层赋存于二叠系山西组下部，山西组地层岩性以灰、灰黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和砂岩为主，含1、2、3 号煤层。石炭系太原组地层为大陆泥炭沼泽相沉积，岩性为砂岩、粉砂岩、煤、泥岩及海相灰岩交互沉积，呈韵律性，每个旋回中夹1～2 层煤层，煤层沉积于灰岩之下。

2 井田构造

井田总体构造形态为向北倾斜的单斜，在此基础上发育次级的宽缓褶曲6 个，地层倾角小于10°。据地质填图及三维地震资料，区内共发育大小断层34 条，地质填图发现断层1 条（F1），三维地震解释断层33 条，除F1、DF1、DF31 为逆断层外，其余均为正断层。其中落差＞20 m 的断层10条，断层落差10 m≤落差＜20 m 的断层7 条，断层落差＜10 m 的断层17 条。井田内大部分断层切割3、15 号煤层。可靠断层17 条，较可靠断层9条，控制较差断层4 条。根据三维地震成果资料分析，井田内陷落柱较为发育，三维地震共解释陷落柱28 个，其中解释为可靠、较可靠的陷落柱25个，控制程育较差陷落柱3 个。井田内发现的陷落柱均发育至3 号、15 号煤层（图1）。

图1 井田构造纲要图Fig. 1 Structural outline of mine field

3 煤层顶、底板工程地质特征分析

3 号煤层厚2.84～6.75 m，平均5.35 m，含夹矸0 ～3 层， 结构简单—复杂。 上距K8 砂岩9.68～65.46 m，平均38.13 m。顶板岩性多为泥岩、砂质泥岩，局部为炭质泥岩，底板岩性主要为泥岩、砂质泥岩，局部为炭质泥岩。井田中部煤层较厚，东西两侧煤层相变薄。由于井田内地质构造较为发育，对地层破坏程度较大、岩石裂隙较发育。为充分了解3 号煤层围岩的工程地质特征，根据以往见煤钻孔煤层直接顶底板岩石物理力学参数进行统计，对其物理力学性能进行了分析。

3 号煤层顶板的天然含水率0.4%～7.5%；极限抗拉强度0.46～3.53 MPa；泊松比0.11～0.37；饱和抗压强度为11.2- 53.3 MPa，其中BK2、BK6和BK12 钻孔大于30 MPa；软化系数0.26～0.86，除BK6 号孔其余均小于0.75，因此BK2、BK6 和BK12号孔3 号煤层顶板岩性为中硬岩层，其余钻孔均为软岩，3 号煤层顶板岩性总体属于软—中硬岩层。

3 号煤层底板的天然含水率0.7%～1.7%；极限抗拉强度0.14～5.4 MPa；泊松比0.18～0.3；饱和抗压强度为5.13- 51.23 MPa，其中BK6、BK10和BK11 钻孔大于30 MPa；软化系数0.26～0.85，除BK11 孔外均小于0.75，因此BK6、BK10 和BK11号孔3 号煤层底板岩性为中硬岩层，其余钻孔为软岩，3 号煤层底板岩性总体属于软—中硬岩层。

4 煤层顶、底板岩体质量评价

4.1 煤层顶底板岩体质量评价方法

煤层顶、底板岩体质量的好坏是岩体的完整程度、结构面特征及坚硬程度等因素共同决定的。本次评价以《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》 中的岩体质量系岩体质量系数法和岩体质量指标法，对煤层顶底板岩体质量进行评价。

（1） 岩体质量系数法。

计算公式：

式中：z 为岩体质量系数；I 为岩体完整系数(无资料时可用RQD 值代替)；f 为结构面摩擦系数；s 为岩块坚硬系数。

式中：Rc 为岩块饱和轴向抗压强度，MPa。

（2） 岩体质量指标法。

计算公式：

式中：Rc 为岩块饱和轴向抗压强度，MPa；RQD为岩石质量指标。

本次对3 号号煤层顶底板岩体质量系数和岩体质量指标的计算，主要是通过对各钻孔3 号煤层顶板以及底板岩块的RQD 值进行统计，用RQD 值代替岩体完整系数I；根据煤层顶底板岩石的内摩擦角，计算出结构面摩擦系数f （内摩擦角的正切值）；根据岩石饱和轴向抗压强度Rc 计算出岩块坚硬系数s。

通过式（1） 和式（3） 求得各钻孔主采煤层顶底板的岩体质量系数zi及岩体质量指标Mi，最后求得z 和M 的平均值，按照表1 和表2 评价标准对3 号煤层顶底板进行岩体质量等级划分和质量评价。

表1 岩体质量系数范围及其优劣分级Table 1 Range of rock mass quality coefficient and its advantages and disadvantages grading table

表2 岩体质量分级Table 2 Rock mass quality classification table

4.2 煤层直接顶底板岩体质量评价

根据部分钻孔的岩石物理力学实验资料，通过统计RQD、饱和抗压强度等参数，计算3 号煤层直接顶底板岩体质量系数和岩体质量指标。结果见表3。

表3 煤层直接顶底板岩体质量系数评价结果Table 3 Evaluation results of rock mass coefficient of direct roof and floor of coal seam

根据计算结果，3 号煤层直接顶板岩石质量为坏— 一般，岩体质量指标为中等；3 号煤层直接底板为岩石质量为坏— 一般，岩体质量指标为中等。

4.3 煤层顶板30 m、底板20 m 岩体质量评价

根据部钻孔的岩石物理力学实验资料，通过RQD、饱和抗压强度等参数，计算3 号煤层顶板30 m、底板20 m 范围内的岩体质量系数和岩体质量指标。评价结果见表4。

表4 煤层顶底板岩体质量系数评价结果Table 4 Evaluation results of rock mass coefficient of roof and floor of coal seam

所以综合评定结果为，勘查区内3 号煤层顶板30 m、底板20 m 范围内岩体质量等级为坏— 一般，岩体质量中等。

5 煤层顶、底板稳定性分析

煤层顶、底板的稳定性是由岩石的强度、结构面特征、水文地质条件及其岩石受力状态等因素决定的。煤层顶底板岩性和抗压强度划分稳定性标准（表5、表6）。

表5 顶板稳定性划分标准Table 5 Roof stability division standard table

表6 底板分类标准Table 6 Classification standard table of bottom plate

3 号煤层顶板30 m 范围内，岩性多为泥岩、砂质泥岩，其次为粉砂岩、细砂岩、中砂岩，抗压强度在2.7～123 MPa，平均为40.97 MPa，属于不稳定— 极稳定型顶板。

3 号煤层底板20 m 范围内，岩性多为岩、砂质泥岩、泥岩、粉砂岩，抗压强度在5.1～105.3 MPa，平均为34.56 MPa，遇水稳定，底板应属普通底板。

6 结 论

（1） 井田内构造较为发育，大部分断层切割了3 号煤层，所有的陷落柱均发育至3 号煤层。这些构造一方面会改变岩体的工程特征，使岩体的稳定性受到很大影响，同时也是地下水进入井巷的通道，在工程建设和采煤过程中具有很大的危害。因此在井田工作面开采过程中构造地段应按规定留设防隔水煤柱或注浆加固等措施，保证生产的安全。

（2） 井田内主要为宽缓褶曲，在背向斜轴部转折端等位置的应力场会改变，造成相应部位工程地质，水文地质条件复杂化，引起煤层顶、底板稳定性降低。

（3） 井田内3 号煤层顶板覆岩岩性主要以粉砂岩、细砂岩和砂质泥岩为主，岩石质量为坏—一般，岩体质量指标为中等，岩性总体属于软—中硬岩层，不稳定，易于垮落，所以在煤层开采过程中应该注意顶底板岩体的强度变化情况，防止顶板冒落现象的发生；3 号煤层底板岩性主要以砂岩、砂质泥岩、泥岩、粉砂岩为主，岩石质量为坏—一般，岩体质量指标为中等，岩性总体属于软—中硬岩层，不稳定，所以在煤层开采过程中应该注意底板岩体的强度变化情况，防止底鼓现象的发生。