鸳鸯湖矿区2号煤层顶板岩性及物理力学性质关系研究

王 贝，马永祥*，黄 康，刘 晶，马 健，孙 迪，王宁杨

（1.宁夏回族自治区煤炭地质局，宁夏银川 750001；2.吉林大学，吉林长春 130026）

1 地质条件

鸳鸯湖矿区位于鄂尔多斯盆地西缘宁东煤田中北部，拥有5 座矿井，由南至北分别是清水营、梅花井、石槽村、红柳、麦垛山煤矿。矿区内地形低缓平坦，地表大部分被风成垄状及新月形流动沙丘掩盖［1-2］，发育地层由老至新依次是中生界三叠系上田组，侏罗系延安组、直罗组和安定组，白垩系，古近系和第四系。含煤地层为中生界侏罗系延安组，岩性主要由灰、灰白色长石石英粗－细粒砂岩，深灰色、灰黑色粉砂岩和泥岩，含少量铝质泥岩。粗粒砂岩多呈厚层状及块状，具大型板状、槽状交错层理，细粒砂岩多为薄层状及中厚层状，具波状、缓波状及混浊状层理，常含有煤屑及其透镜体和炭化植物茎干，局部含石英小砾石，以泥质胶结为主，少量钙质胶结。

矿区主体构造发育有近南北向的一系列背向斜和断裂及东西向的次一级压性断层。矿区自上而下可编号煤层18层，2号煤层全矿区分布，为含煤地层浅部稳定可采煤层，埋深120.16～222.52m，靠近露头位置较浅（图1），煤层厚度0.27～10.71m，平均4.91m（表1），顶板岩性主要为粉砂岩、泥岩、粗粒砂岩和细粒砂岩（图1）。

图1 2号煤埋深及顶板岩性Figure 1 Burial depth and roof lithology of No.2 coal seam

表1 煤层埋藏及顶板岩性特征Table 1 Coal seam burial and roof lithology characteristics in the mining area

从岩性及岩性组合分析，2 号煤层及上覆地层沉积时期以分流河道砂质沉积为主，反映了该时期湖水退出，沉积环境以三角洲平原为特点，煤层顶部自深向浅砂岩显著增厚，含砂率逐渐增高，其垂向层序表现为向上变细的特点，平面上由南向北变粗变厚的特征，表明该时期可能存在冲积河道和泛滥盆地的古沉积环境。

区内矿井多以缓坡斜井和立井为主的双翼开拓方式［3］，采煤方式均为现代长臂式综合机械化开采工艺，其特点是采煤工作面相对较长，为600～5 000m，推进速度极快［4］。伴随着煤矿生产形成大面积采空区，地面沉陷范围也逐年增多［5-6］。

2 研究方法

本文以地质学原理为基础，采用地质统计学，显微试验、岩石物理力学试验，选取岩性、真密度、抗压强度、抗拉强度、弹性模量等岩石物理力学性质指标［6-13］，研究不同岩性与真密度、不同真密度与力学性质之间的相关关系［7-8］，辅以矿区地表采煤沉陷调查进一步研究煤层顶板岩石物理力学性质、不同埋藏深度煤层在开采后对地表的变形影响，从而探讨鸳鸯湖矿区顶板岩性与物理力学性质之间的内生关系［9-12］。

试验选取了梅花井和麦垛山煤矿的9组具有代表性的岩石样品进行矿物显微试验，粗粒砂岩、粉砂岩和泥岩各分为3 组，矿物组分结果取均值。15组具有代表性的岩石样品进行了物理力学性质测试，从5 座煤矿近5 年的勘查工作中筛选出70 个代表性钻孔，113 件样品的物理力学测试数据加以补充。

3 结果分析

3.1 地质统计分析

对各煤矿2号煤层顶板岩性进行数学统计可以看出：矿区北部的清水营煤矿2 号煤层顶板泥岩不发育，粉砂岩岩性占比20%，粗粒砂岩和细粒砂岩总占比80%；梅花井煤矿泥岩占比8%，粉砂岩占比76%，泥岩粉砂岩总占比84%，粗粒砂岩和细粒砂岩总占比16%；石槽村煤矿泥岩占比13%，粉砂岩占比50%，泥岩和粉砂岩总占比63%，粗粒砂岩和细粒砂岩总占比38%；矿区南部的红柳煤矿泥岩占比12%，粉砂岩占比31%，泥岩粉砂岩总占比43%，粗粒砂岩和细粒砂岩总占比57%；麦垛山煤矿泥岩占比13%，粉砂岩占比75%，岩性以粗颗粒的粗粒砂岩和细粒砂岩为主，南部的梅花井、麦垛山、红柳煤矿2 号煤层顶板岩性以细颗粒的泥岩粉砂岩为主，二者比例均超过50%，前两煤矿泥岩粉砂岩岩性占比高达80%以上。

3.2 显微试验

2023 年1 月4—6 日在宁夏回族自治区煤炭质量检测中心实验室开展完成了岩心矿物成分显微试验，在显微镜下粗粒砂岩、粉砂岩和泥岩的矿物组分特征如下：

1）粗粒砂岩。矿物成分主要由石英、长石、云母、岩屑及重矿物组成。石英占72.84%，光滑洁净，含显微包体，波状消光；长石占16.97%，主要为正长石、斜长石和条纹长石；云母以黑云母居多，褪色，蚀变强烈；岩屑有云母石英片岩、泥岩、石英岩等；重矿物有电气石、石榴石、锆石、磷灰石、绿帘石和磁铁矿等。从矿物成分看出这是一种不稳定组合，是风化不彻底的产物。根据重矿物的种类及其组成，反映煤系延安组沉积源岩主要为酸性岩浆岩和变质岩。

2）粉砂岩和泥岩。粉砂岩多为灰和浅灰色长石石英、石英粉砂岩及泥质粉砂岩。矿物成分由云母、长石、石英、填隙物等组成。黑云母较多，大多容易水化；石英几乎全为单晶，表面模糊，边缘溶浊；填隙物占40%，主要是铁泥质、钙泥质和铝土质，少量菱铁质、绿泥石，普遍含有机质，含较多重矿物。泥岩主要为黑灰、黑色团块状高岭石质泥岩、高岭石－水云母质泥岩，矿物成分主要为高岭石、水云母、伊利石等铝土矿物，含少量矿物碎屑，多见黄铁矿球粒、结核、菱铁矿结核、植物叶片和根化石，可见锆石、电气石、绿帘石等重矿物。

3.3 物理力学试验

2022年9—12月与甘肃兰岩岩土建材检测实验室共同完成了对2号煤层顶板岩石物理力学性质的测试试验。试验结果表明，煤层顶板岩层岩性分布组合、矿物成分及胶结程度均体现在物理和力学性质方面。

1）物理力学性质特征。对2号煤层顶板岩石密度进行分类，相同岩性取算术平均值，发现泥岩岩性真密度最小，粗粒砂岩岩性真密度最大，如图2所示。

图2 真密度、抗压强度与岩性的关系Figure 2 Relationship between true density，compressive strength and lithology

由图2可以看出，随着颗粒变大，岩石真密度增大，抗压强度反而减小，这与岩石矿物成分、填充物及胶结程度有关。

2）物理力学性质相关性研究。鸳鸯湖矿区岩石真密度随着颗粒变大而增大，单项抗压强度反而减小（图3）。

图3 抗压强度与真密度的相关性Figure 3 Correlation between compressive strength and true density

泥岩天然抗压强度平均值17.15MPa，饱和抗压强度平均值7.94MPa，粗粒砂岩天然抗压强度平均值10.19MPa，饱和抗压强度平均值为5.83MPa，天然状态下抗压强度约是饱和状态的2 倍，真密度与饱和抗压强度呈现负相关关系，相关系数R2=0.419 7，说明相关性较好［13-16］。

2 号煤层顶板岩石矿物成分复杂，随着岩石颗粒增大，孔隙度增大，吸水率也增大。单轴抗压实验结果进一步表明：干燥抗压强度远大于天然抗压强度，天然抗压强度普遍高于饱和抗压强度，说明鸳鸯湖矿区岩石遇水后容易软化。在实际生产中，也表明有的矿区2 号煤层顶板为粗粒砂岩的地带，巷道顶部容易出现冒落，巷道壁容易出现片帮，巷道底部更容易出现底鼓等工程地质问题。

岩石抗拉强度与真密度关系不大。从图4 看出，岩石抗拉强度变化较小，相关系数R2=0.002 4，说明相关性较差。

图4 抗拉强度与真密度的相关性Figure 4 Correlation between tensile strength and true density

弹性模量与岩石真密度呈现正相关关系，泥岩、细粒砂岩真密度小，其弹性模量较小，泥岩平均值0.61MPa，细粒砂岩平均值0.40MPa。粉砂岩和粗粒砂岩真密度变大时，弹性模量随着变大，并且表现出明显的增量，粉砂岩平均值为2.26MPa，粗粒砂岩平均值1.59MPa，相关系数R2=0.517 8，说明相关性较好，如图5所示。

图5 弹性模量与真密度的相关性Figure 5 Correlation between elastic modulus and true density

4 结论

1）鸳鸯湖矿区2号煤层顶板岩性以灰和浅灰色长石石英、石英粉砂岩及泥质粉砂岩为主，含铝质黑灰、黑色泥岩，遇水容易软化，北部以不等粒长石石英粗粒砂岩为主。

2）鸳鸯湖矿区2号煤层岩石单项抗压强度总体很低，矿区地层属于缓倾斜，岩石饱和单项抗压强度基本都小于20MPa，平均饱和单项抗压强度均小于10MPa，多属于软弱、极软弱岩层的容易冒落顶板，现代化采煤方式加速了地面沉陷［17］。

3）鸳鸯湖矿区2 号煤层顶板岩石物理、力学性质关系密切，相关性强，真密度随着颗粒粒径变大而增大，与单项抗压强度呈现负相关关系，与弹性模量呈现正相关关系。