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1、1榆阳煤矿保水开采的工程地质条件 1蒋泽泉 1，吕文宏 2（1 陕西省煤田地质局一八五队，陕西 榆林 719000；2 陕西中能榆阳煤田有限公司，陕西 榆林 719000）摘 要：榆阳煤矿岩体划分为散体结构、碎裂结构、层状结构和块状结构四大岩体结构类型。覆岩工程地质体分为土体、岩体类两大组，土体包括松散沙层组和土层组，岩体类分为两大岩类五大岩组。研究了关键隔水层（午城黄土）的隔水性，午城黄土粘土矿物成分中蒙皂石含量 17%，说明其遇水有一定膨胀性，天然渗透系数 0.051m/d，在煤层综采后，进行了钻孔原位注水试验显示午城黄土渗透系数 0.042m/d，现有的煤炭开采强度下对午城黄土能够保持隔
2、水性，在地表边缘拉伸裂隙区域午城黄土不能保持其隔水性。基岩在卸载未破坏的过程中渗透性有一定的提高，导水裂隙带及地表拉伸裂隙带之间的基岩体即使没有到达强度极限其渗透性亦有一定的增大，使得上覆潜水越流进入矿井。关键词：保水采煤（保水开采） ；工程地质条件；岩土体类型；榆神矿区1 前言榆 阳 煤 矿 位 于 毛 乌 素 沙 漠 南 缘 ， 区 内 以 沙 漠 滩 地 及 半 固 定 沙 丘 地 貌 为 主 ， 仅 东 南 隅 麻界 、 大 墩 梁 见 黄 土 梁 岗 地 形 地 貌 ， 沙 漠 覆 盖 率 在 70%以 上 。 区 内 地 势 平 坦 ， 地 形 起 伏 不 大 。海 拔 高 程 大
3、 墩 梁 一 带 最 高 ， 可 达 1219.8m， 白 家 伙 场 东 侧 芹 河 河 谷 最 低 ， 为 1102.7m， 相 对高 差 100m 左 右 。 该风沙区大多地表干旱，缺乏水分，植被稀疏，但风沙滩地的潜水位较浅，以第四系冲积物为主，区内有疏密不等的短小冲沟，植被稀少，水土流失较重。榆阳煤矿 3 煤开采，实测的综采条件下导水裂隙带发育高度为 84.896.3m，为采厚的24.227.5 倍，冒落带高度为 14.217.2m，为采厚的 4.064.91 倍，研究煤层顶板隔水岩组厚度、物理力学性质，是煤炭科学开采、保水开采的基础性工作1-8，为此，我们详细划分了 3 号煤层顶板岩
4、组类型及厚度、性质，编绘了煤层与含水层之间的隔水层厚度等值线，为煤矿保水开采提供了设计参数和依据。2 主采煤层厚度井田主采 3 号煤层呈简单的层状于延安组第三段顶部或上部产出，层位稳定，除东部被冲刷缺失外，井田其他地段均有分布（图 1） 。煤层产状受区域构造和古地形条件的控制，向北西西微倾，倾向 301，降深幅度平均4.2mkm，平均倾角 0.28；底板标高最高约 1023m，最低约 895m，一般变化在930980m 之间；区域埋深最浅约 70m（井田东南部芹河河道） ，最深约 310m（ZK16161基金项目：陕西省科学技术推广计划（2011TG-01）作者简介：蒋泽泉（1967-） ，男
5、，陕西临潼人，高级工程师，从事煤矿水文地质工程地质环境地质工作。图 1 榆阳煤矿 3 号煤层等厚线图2钻孔西北井田边界附近） ，一般在 180270m 之间。区内所有施工钻孔中，除井田东部的部分钻孔 3 号煤层被冲刷缺失未见煤以外，其余钻孔均见及该煤层，煤层厚度 0.074.08m ，平均 2.37m，极差 4.01m，标准差 1.40，变异系数 59.07%。煤层厚度总体由南、西、东向中部、北部增大，变化规律明显。目前开采区域厚度为 2.43.6m，煤层厚度多集中于 3.23.6m 。3 煤层覆岩结构、工程地质性质及顶板类型3.1 煤层覆岩结构根据组成岩体的结构面和岩石性质，从煤矿生产应用的
6、角度出发，把区内岩体划分为散体结构、碎裂结构、层状结构和块状结构四大岩体结构类型。散体结构（图 2a） 。主要指土体类，亦包括基岩的强烈风化带。沙土体多呈松散状，局部为半固结松散状态，无强度或强度极弱，是工程地质性能最差的岩体结构。强烈风化岩中的节理、裂隙大量发育且呈无序状排列，多数岩石遇水崩解，岩体强度很低，变形明显，近似松散介质，在煤矿开拓过程中易引起较多的工程地质问题发生。碎裂结构（图 2b） 。本区构造简单，无大的断层存在，碎裂结构主要为基岩弱风化带组成，此类岩体结构面间距 2040cm，且互相切割，结构体为大小不一，形状各异的岩块，且呈不规则状，强度较低。作为井巷围岩容易失稳破坏，为
7、巷道顶板时易大面积切顶垮落。层状结构（图 2c） 。层状结构是煤系地层中泥岩组的典型结构，为薄-中- 厚层状，夹泥岩、煤、炭质泥岩等软弱夹层，局部夹有中厚层砂岩、粉砂岩。该岩体结构特点是岩体分层多，软硬相间。受沉积因素影响，剖面上厚度和平面上分布变化大。受各种结构面的影响，结构体形态以长方体，板状体为主。在煤系地层为相对隔水层，易受地下水对岩石的软化、崩解、离析等。在煤层顶板多以复合结构产出，失去原岩压力平衡状态后，以离层或沿滑面滑脱失稳为主要表现形式。块状结构（图 2c） 。主要指直罗组及延安组砂岩的岩体结构，亦包括以钙质胶结为主的且厚度相对较大的粉砂岩。岩体分层厚度一般大于 0.5m，大部
8、分为中厚厚层状。结构面较层状结构岩体为少，层理特征是不连续的交错层理或波状层理，平行层理，多以煤层的基本顶板出现，是区内各种结构中完整性和稳定性最好的。（a） （b）3（c ）图 2 榆阳煤矿岩土结构特征3.2 覆岩工程地质性质根据本勘查区 1:10000 工程地质填图，钻孔工程地质编录及周边工程地质资料的收集，可将井田内分为土体和岩体两大部分：土体类分为两大组，即松散沙层组和土层组；岩体类分为两大岩类五大岩组（表 1） 。3.2.1 土体类包括松散沙层组及土层组。松散沙层组全区分布，包括第四系全新统风积沙及上更新统萨拉乌苏组冲湖积沙层。第四系全新统风积沙除滩地和黄土出露外，其余地段均有分布。
9、该沙层极为松散，透水性强，压缩大，强度低。第四系上更新统萨拉乌苏组，主要分布于北部和西南部，岩性以细砂、粉细砂为主，其中夹粉土及淤泥质粘土。该层孔隙率大，承载力低，稳定性差。表 1 岩土体工程地质分类表 工程地质分类大类 岩类RQD（%） 岩石质量岩层组饱合单轴抗压强度（MPa）空间分布 岩体结构松散沙层组 基本全区分布，风积成 因及冲湖积成因。土体极软弱 0 极劣的 土层组 均隐伏于萨拉乌苏组松散沙层以下。散体结构44.2 劣的 基岩风化组 3.2 基岩顶部 20m 左右 碎裂结构劣的 煤岩组 12.94 可采煤层和不可采煤层 层状结构软弱63.0 中等的 泥岩、泥质粉砂岩 11.3 煤系地
10、层 层状结构67.8 好的 钙质硅质泥岩 38.3 煤系地层 块状结构岩体半坚硬 67.4 好的 砂岩 36.1 煤层基本顶板 块状结构土层组主要为中更新统离石黄土，基本全井田分布，多隐伏于风积沙及萨拉乌苏组之下，出露于井田的南部。从临区小纪汉井田土工试验资料，黄土物理性质的主要特征为：密度一般为 1.872.07g/cm 3，干密度 1.511.72g/cm 3；孔隙比为 0.5840.807；天然含水量低，20.124.8%。原状饱合黄土的压缩系数多为 0.20.3MPa -1，属中等压缩性土；个别压缩系数较大为 0.08，属高压缩性土；抗剪强度较大。由表 6-2 可见，原状黄土内摩擦角
11、值在23.126.6 之间，粘聚力 c 值为 22.079.0，数值均较大，故在天然状态下具有较高的抗剪层状块状4强度。区内黄土湿陷性系数多为 0.001，故绝大多数黄土为非湿陷性黄土。综上所述，黄土土质较紧密坚硬，颗粒均匀，承载力较高，稳定性较好。3.2.2 岩体类包括两大岩类：即软弱岩类和半坚硬岩类。五大岩组：即风化岩组、煤岩组、泥岩组、钙硅质泥岩组及砂岩组。软弱岩类，包括风化岩组、煤岩组及泥岩组。风化岩组。指基岩顶部 2030m 深度范围内具有已风化特点的岩石，其发育厚度系根据野外岩心鉴定，地球物理测井曲线特征及岩心采取率共同确定的。风化岩层内部由上到下风化程度逐渐减弱，强风化原岩结构破
12、坏，疏松破碎，孔隙度大，含水率增高，岩石强度降低。该区基岩顶面靠西部为侏罗系安定组，岩性主要为紫红色、紫杂色中细粒长石砂岩夹紫红色、灰紫色粉砂岩、泥岩，顶部常夹有泥灰岩薄层，风化程度较低，其厚度约20m 左右；靠东部为直罗组，岩性为中、细粒长石砂岩，以泥质胶结为主，风化强烈，其厚度约 30m 左右。据临区小纪汉井田勘探基岩风化裂隙带采样试验结果，风化裂隙带基岩干燥抗压强度 10.023.3MPa，平均为 17.6 MPa，饱水抗压强度 0.36.3MPa，平均为 2.32 MPa，软化系数为 0.010.29，平均为 0.12。RQD 值为 44.2%，属劣质的软弱岩石，强度小，稳定性差。煤岩
13、组。区内对 3、4 -1、4 -2、7 号煤层采取了力学样进行了测试分析。其各煤层的物理力学性质见表 2。从表中可见， 各煤层干燥抗压强度 15.921.4MPa，平均 18. 4MPa；饱抗压强度 11.615.1MPa，平均 12.94MPa。软化系数 0.540.95，平均 0.72。可见各煤层整体上属劣质的软弱岩石，强度相对较小，稳定性较差。但抗水、抗风化及抗冻性较强。表 2 煤的物理力学性质统计表块体密度 单轴抗压强度 抗剪断强度 （饱水）天然 干燥吸水率干燥 饱水 c 煤层 比重(g/cm3) % (MPa)软化系数(MPa) （ ）3 1.44 1.32 1.42 8.33 20
14、.1 13.0 0.65 / /4-1 1.43 1.20 1.29 8.23 15.9 15.1 0.95 / /4-2 1.43 1.20 1.32 10.33 21.4 11.6 0.54 1.68 39.57 1.42 1.13 1.26 11.54 16.1 12.0 0.75 / /泥岩组。由泥岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩等组成。具有重大影响的是与煤层开采有直接关系的泥岩类，多出现于煤层直接顶板及底板。岩石含有较高的粘土矿物和有机物，以发育较多的水平层理、节理裂隙和滑面等结构面为特征。根据本次岩石实验资料，一般单轴干燥抗压强度 66.197.8MPa，平均抗压强度 75. 3MPa；
15、饱水抗压强度3.217.8MPa，平均 11.3MPa；软化系数 0.050.26，平均 0.15，可见泥岩类的的工程地质性质差。RQD 值为 63.0%，充分表现出稳定性差的特点。本次研究实施了两个钻孔对其中的泥岩组进行了物理及力学指标测试，相关结果如表 3 所示，可以看出基本与勘探阶段的测试结果相当。表 3 泥岩的物理力学性质测试结果容重，g/cm3抗压强度，MPa钻孔编号岩石名称 天然 干燥比重干燥 饱和软化系数弹性模量，104MPa泊松比内聚力，MPa内摩擦角，抗拉强度，MPa5ZP1 砂质泥岩 2.52 2.45 2.68 52.78 24.64 0.47 1.84 0.21 1.4
16、4 49.52 1.17粉质泥岩 2.84 2.58 2.68 52.66 19.42 0.37 1.89 0.17 2.01 51.34 1.61ZP2砂质泥岩 2.48 2.32 2.67 48.57 18.02 0.37 2.03 0.17 1.36 41.79 0.93半坚硬岩类，包括钙硅质泥岩组、砂岩组：钙硅质泥岩组。由钙质泥岩及硅质、粉砂质泥岩等组成。岩心致密坚硬，完整，多以长柱状为主。单轴干燥抗压强度 65.985.8MPa，平均为 75.9 MPa；饱水抗压强度35.640.9MPa，平均为 38.3 MPa；软化系数 0.480.54 ，平均为 0.51。表现出工程地质较好的的特点，稳定性较好。RQD 值 67.8%，岩石质量为中等的，岩体中等完整。砂岩组。本岩组以中粒砂岩、细粒砂岩为主，泥质、钙质胶结，多形成煤层的基本顶板。尤以延安组第四段底“真武洞砂岩” 和直罗组底“七里镇
