甘肃省窑街深部扩大区主要煤层顶底板岩体质量评价＊

沈树龙

（甘肃煤炭地质勘查院，甘肃 兰州 730000）

窑街矿区经过六十多年的开采，煤炭资源已接近枯竭。窑街深部扩大区勘探是由甘肃省发展改革委员会批准的补充地质勘探项目，目前已达到勘探阶段，下一步即将进行开采。窑街深部地质条件更加复杂，开采难度大，煤层顶底板事故频发。因此，研究煤层顶底板的性质具有十分重要的意义。

1 勘查区地质概况

勘查区位于甘肃省兰州市西北300°直距94 km处的窑街矿区北部，行政区划属兰州市红古区和永登县河桥镇管辖。区内地表大多被第四系掩盖，根据钻探成果，主要发育地层有：中元古界（Chhn）变质岩系，侏罗系（J），下白垩统（K1）、古近系（E）以及第四系（Q）。

窑街矿区位于民和盆地的中部西缘，构造单元属周家台低隆起—海石湾断鼻，其南北长约14 km，东西宽约4 km，呈北北西向的长条形。窑街矿区东界为走向北北西的F19断层[1]，它是一条长期活动的断层，既有逆断层性质，而且在早中侏罗世时可能为同沉积断层，但目前表现为西升东降的正断层；矿区西界为含煤地层的沉积边界，此沉积边界和煤层的尖灭线均为近南北方向。窑街矿区具有轴向北北东略有弯曲的复向斜构造，区内发育有NE和NW向两组近于共轭的次级逆断层。

勘查区位于窑街矿区的北端，属窑街矿区复背斜的东翼。勘查区内断层发育，在靠近F19处有两条南北向的逆断层。构造复杂程度属中等构造（偏复杂）类。

2 勘查区煤层分布特征

中侏罗统窑街组是区内唯一的含煤地层，共含煤5层，平均总厚度16.53 m。其中，煤2层是主要可采煤层，平均厚12.70 m，占煤层总厚度的89.66%。

煤2层位于窑街组第二段（J2y2）下部，据区内46个钻孔统计，煤2层真厚0～48.60 m，平均12.70 m；其中44个钻孔见到可采煤层，可采厚度0.99～48.60 m，平均13.21 m。

煤2层厚度总体呈东厚西薄的趋势，勘查区东部F19断层、F3断层西侧附近分布有南北向的厚煤带，煤层厚度可达50 m以上。自东向西可明显地分出特厚煤带、厚煤带、中厚煤带和薄煤带。其中3.50 m以上的厚煤层（含8 m以上的特厚煤区）赋存面积为8.09 km2，占含煤面积的80%以上，是区内的主要可采煤层。

3 煤层顶底板岩体质量评价

3.1 煤层顶底板岩性及岩石坚硬程度评价

本区东北、西南部等边缘地带存在伪顶，岩性为炭质泥岩、泥岩，其余大部与直接顶明显接触。煤2层直接顶板埋藏深度573～1 350 m，主要由泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩、油页岩等，其中油页岩和粉砂岩直接顶分布区最大，细砂岩、泥岩次之，见图1。

图1 煤2层直接顶板岩性分布图

煤2底板板埋藏深度706～1 388 m，岩性变化大，可分为伪底和直接底两种，伪底厚度小，以泥岩为主，直接底板以灰色、灰褐色粉砂—细砂岩为主，部分含砾，泥岩、炭质泥岩次之，见图2。

图2 煤2层直接底板岩性分布图

对区内部分钻孔煤2层顶板、底板岩石力学样进 行物理力学性质试验，测试结果见表1。

表1 煤2层顶底板岩石力学样测试成果统计表

由表1可知，煤2层老顶岩石抗压强度21.30～22.20 MPa，饱和单轴抗压强度为7.32～9.82 MPa，根据《工程岩体分级标准》（GB/T 50218—2014），属软岩类；煤2层直接顶板岩石抗压强度6.40～54.80 MPa，饱和单轴抗压强度为2.35～22.70 MPa，属软岩-较软岩类，个别属极软岩；煤2层直接底板岩石抗压强度4.56～53.40 MPa，饱和单轴抗压强度为2.69～18.40 MPa，以软岩类为主，少数为较软岩、极软岩；煤2层老底岩石抗压强度4.05～45.50 MPa，饱和单轴抗压强度为2.25～35.80 MPa，属软岩-较软岩类，少量属极软岩、极硬岩。

3.2 煤2层顶底板完整性评价

利用声波速度测井与地层密度测井相配合，可获得岩层强度特性参数，从而为研究煤层顶底板强度特征及制定矿井开采方案提供重要的资料[2]。目前，我国铁路隧道及日本新奥法均以声波纵波速度评价围岩的完整性[3-4]。本研究收集了区内13个钻孔的数字测井资料，统计分析了煤2层顶底板横波速度、纵波速度、纵横波速比指标（表2）。

表2 煤2层及顶底板测井力学强度指标统计表

区内煤2层直接顶板纵波速度1.69～3.94 km/s，平均为2.63 km/s，岩石坚硬程度属软岩～较软岩类。根据铁路系统评价岩体完整性标准（表3），煤2层直接顶板围岩完整程度属Ⅳ级，较完整；煤2层底板纵波速度为1.10～4.38 km/s，平均为2.74 km/s，岩石坚硬程度以软岩类为主，围岩完整程度属Ⅳ级，较完整。

表3 铁路系统围岩级别分级标准

3.3 煤2层顶底板岩石质量评价

在煤矿开采过程中，煤层伪顶、伪底厚度很小，老顶、老底距离煤层开采位置较远，均对安全生产影响小[5-8]。本研究仅对影响煤2层开采的直接顶底板岩石质量进行评价。

根据岩体质量指标（M）法，可按下式粗略估算岩体质量指标M值：

煤2层直接顶板：饱和单轴抗压强度（Rc）为2.35～22.70 MPa，RQD 60%～90%，M值为0.05～0.68，根据岩体质量评价标准（表4），岩体质量为Ⅲ～Ⅳ级，岩体质量中等-差。

表4 岩体质量评价

煤2层直接底板：饱和单轴抗压强度为2.69～18.40 MPa，RQD 50%～80%，M值为0.045～0.49，岩体质量分级Ⅲ～Ⅳ级，岩体质量中等～差。

4 结论

（1）煤2层为窑街深部扩大区主要可采煤层，煤2层平均厚12.70 m，可采煤厚度0.99～48.60 m，平均13.21 m，为较稳定煤层。

（2）煤2层直接顶板以油页岩和粉砂岩为主，细砂岩、泥岩次之；岩石坚硬程度属软岩-较软岩类；岩体完整性属Ⅳ级，较完整；岩体质量中等～差。

（3）煤2层直接底板以粉砂～细砂岩为主，泥岩、炭质泥岩次之；岩石坚硬程度以软岩类为主，少数为较软岩、极软岩；岩体完整性属Ⅳ级，较完整；岩体质量中等～差。

（4）窑街深部扩大区为即将进行开采的井田，其主要煤层厚度大，但顶底板岩体质量差，岩石坚硬程度以软岩、较软岩为主，易发生冒顶、底鼓等安全事故，在矿井设计、开采中应加强此类问题的防护措施。