（地质工程专业论文）许疃煤矿8lt2gt煤层顶板工程地质特性及其稳定性评价.pdf

摘要 摘要 本文着重对许疃煤矿8 2 煤层顶板稳定性进行分析，应用沉积岩石学、构造地 质学、岩体力学、分形等理论方法，对影响煤层顶板稳定性的主要因素如沉积特 征、岩体结构特征进行了系统研究。本文根据井田钻探资料对顶板沉积特征进行 了分析；利用钻探、物探和生产揭露资料，对研究区的断裂构造的复杂程度进行 了量化研究；对煤层顶板岩石的物理力学性质进行了室内测试。 利用层次分析一模糊综合评判的方法对顶板稳定性进行了评价，先确定影响 顶板稳定性的因素，再运用层次分析法确定影响因素的权重系数，然后把研究区 划分为若干单元，确定每个单元在每个因素下对每个稳定性评价等级的隶属度， 最后运用模糊综合评价的方法，根据最大隶属度原则确定每个单元顶板的稳定性 等级。 利用f l a c 3 d 建立了8 2 2 3 工作面的三维有限差分地质模型，模拟了8 2 2 3 工 作面的采动效应，准确地反映了回采过程中岩体的应力场变化和位移变化，分析 了工作面的覆岩破坏特征，通过与实测结果比较，数值模拟取得了良好的效果。 其结论为煤矿的顶板管理提供了科学依据。 图【6 3 】表 2 5 】参 5 0 】 关键词：许疃煤矿；沉积特征；岩体结构：构造复杂程度；分形；层次分析一模 糊综合评价；数值模拟 分类号：( t d l 6 3 ) 安徽理t ：大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l em a i n l ya n a l y s e dt h es t a b i l i t yo f8 2c o a ls e a mr o o f , t h es e d i m e n t a r y p e t r o l o g y , s t r u c t u r a lg e o l o g y , r o c km e c h a n i c sa n df r a c t a lt h e o r yw e r eu s e dt od ot h i s w o r k t h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h ec o a ls e a m sr o o fs t a b i l i t ys u c ha ss e d i m e n t a r y c h a r a c t e r i s t i c s ，r o c ks t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sw e r es t u d y e d a c c o r d i n gt ot h ex u t u a n c o a lm i n e sd r i l l i n gd a t a , g e o p h y s i c a ld a t a , t h es t u d ya r e a sf r a c t u r ec o m p l e x i t yw e r e s t u d i e d ；t h er o c k s p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r et e s t e di n d o o r f i r s t l y , t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h er o o f ss t a b i l i t yw e r ed e t e r m i n e d ，t h ea h p m e t h o dw a su s et od e t e r m i n et h ew e i g h to ft h ef a c t o r s ；s e c o n d l y , t h es t u d ya r e aw a s d i v i d e di n t os e v e r a lu n i t s ，t h em e m b e r s h i po fe a c hu n i tt oe a c he v a l u a t i o ng r a d eu n d e r e a c hf a c t o rw a sd e t e r m i n e d f i n a l l y , t h ef u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o na n dt h e m a x i m u mm e m b e r s h i pd e g r e el a ww e r eu s e dt od e t e r m i n et h es t a b i l i t yl e v e lo fe a c h u n i t at h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t e - d i f f e r e n c eg e o l o g i c a lm o d e lo f8 2 2 3 7 2 2 3 712 3w o r k f a c ew a ss e t e du p ，t h em i n i n ge f f e c t so ft h ew o r kf a c e sw e r es i m u l a t e d ，a n dt h e c h a n g e s o fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ti nt h er o c kw e r e a c c u r a t e l yr e f l e c t e d t h e d e s t r u c t i o nc h a r a c t e r i s t i co fo v e r b u r d e nr o c ki nt h ew o r kf a c ew a s a n a l y z e d c o m p a r e d 、析t l la c t u a lm e a s u r e m e n tr e s u l t s ；t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea c c u r a t e s oi tc a n p r o v i d e s as c i e n t i f i cb a s i sf o rr o o fm a n a g e m e n t f i g u r e 【6 3 】t a b l e 【2 5 】r e f e r e n c e s 【5 0 】 k 呵w o r d s ：x u t u a nc o a lm i n e ；s e d i m e n t a r yf e a t u r e s ；r o c ks t r u c t u r e ；s t r u c t u r a l c o m p l e x i t y ；f r a c t a l ；a h p - f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：( t d16 3 ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀理王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：惑童聋 日期：趁早年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徵理王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徼理王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：肖蔻砗 导师签名：享! i乏书 签字日期：刎7 年6 月可日 签字日期：7 年6 月心日 i 绪论 1绪论 1 1 选题背景和意义 在我国能源结构中，煤炭资源占7 0 以上，预计到2 0 5 0 年还将占5 0 以上。 因此，煤炭在相当长的时间内仍将是我国的主要能源。当前我国经济快速增长， 能源需求也迅速增长，对煤炭工业提出了更高的要求。为此，加强安全生产，确 保煤炭工业持续、稳定、健康发展，是煤矿生产的基本方针。 煤层顶板的工程地质特性，直接影响到煤层的回采效率、回采方法、工作面 管理和生产环境安全条件等多个方面。项板稳定性是造成工作面系统不可靠的主 要因素。在煤矿灾害中，无论是发生次数还是导致死亡人数，顶板事故都占很大 比重。据统计，近8 0 的矿井灾害来自顶板，顶板事故死亡人数占总死亡人数 的平均比例为3 6 4 2 t 2 j ；随着煤炭开采深度的增加，煤层顶板稳定性问题越趋严 重。煤层项板稳定性研究是煤矿确保安全、高效生产的基本条件。无论是煤田勘 探阶段，还是在煤矿生产阶段，对煤层顶板稳定性的研究都不可或缺，需要工程 技术人员对其进行深入研究和探索【3 1 。 项板岩层的稳定性是其完整性、变形特性、强度及受力状态的综合反映，其 影响因素繁多，影响机理复杂，使顶板岩层具有结构的不连续性、力学性质的离 散性及受力荷载的不确定性等特征。因此，顶板稳定性评价是一项极为复杂的研 究，须考虑诸多因素。 许疃煤矿地处淮北平原中部蒙城县境内。是临涣矿区重要的煤炭生产基地， 始建于1 9 9 7 年1 2 月，年设计生产能力1 5 0 万吨，并于2 0 0 4 年1 1 投产。但井田 地质构造复杂，断层发育。顶板不稳定，存在顶板灾害的危险性，并影响了煤矿 安全生产。此前未对区内顶板稳定性做详细深入研究。为此，本选题以许疃井田 8 2 煤层为例，开展顶板稳定性研究。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 项板沉积特征方面 2 0 世纪7 0 年代，e l l i o t t ( 1 9 7 4 ) 、f e r m ( 1 9 7 8 ) 、h o m e 、h y l b e r t ( 1 9 7 7 ) 等学者注 意到沉积作用与顶板稳定性的必然联系，开始将沉积学理论引入到顶板稳定性的 研究中，着重分析了河道作用和决口扇沉积对项板稳定性的影响1 4 】。2 0 世纪8 0 年代初，h o u s e k n e c h t ( 1 9 8 2 ) 等则进一步将沉积条件与煤瓦斯突出和煤层变化相联 安徽理工大学硕士学文论文 系，t r u m a n 和h o m e ( 1 9 8 2 ) 已开始尝试将此类研究成果用于指导生产，查明了影 响煤矿项板岩层稳定性的主要沉积地质因素有冲刷与凸顶、滑面、擦痕、夹薄煤 层的砂页岩互层等，并发现煤层顶板岩层在垂向上和横向上的厚度和岩性变化很 大，在矿井煤炭开采过程中顶板冒落、老顶来压和岩煤层突出往往发生在老顶砂 岩与页岩的过渡部位。p e t r a n o f f t v ( 1 9 8 0 ) 和d a m b e r g e rh h - ( 1 9 8 0 ) 指出，井下 回采时，煤层顶板的质量取决于各种岩石类型的内在联系、沉积早期的压实作用、 同沉积构造和后期构造特征等因素。其中顶板的大部分特征可能与沉积作用或早 期压实过程有关，后期的构造运动起着强化这些早期特征的作用【5 】。九十年代， s h e a r - a l b i nv r ( 1 9 9 3 ) 总结认为煤矿井下遇到的大多数顶板控制性问题可归因 于开采煤层围岩的沉积特征和构造特征两方面 6 1 。 国内一些学者从含煤地层沉积环境入手，在分析煤层及其顶板形成，顶板岩 体沉积条件的基础上，按不同沉积模式建立了区域性沉积模式与顶板稳定性关系， 对顶板稳定性进行了成功预测。彭苏萍、孟召平、葛道凯1 1 7 8 】等人就沉积层序和 顶板砂体厚度变化诸方面对顶板冒落性影响进行相似模拟试验研究，提出了顶板 稳定性地质模型，并指出煤层顶板性质基本上取决于沉积建造亚相特征，顶底板 原始沉积环境的空间分布控制了采场顶板整体质量；提出从影响顶板稳定性的地 质因素入手，结合岩石力学和采矿工程学的研究方法对煤层顶板稳定性进行较详 细的研究。 1 2 2 顶板岩体结构和构造发育特征方面 在岩体结构方面国内外学者进行了大量的研究，取得了显著的进展和成效。 岩石( 体) 力学是在上世纪5 0 年代后期形成，以法国j t a l o b r e 的岩石力学著作的 出版为标志。意大利的l b r o i l i ( 1 9 7 4 ) 曾提出过五条岩体力学地质定理，强调岩体 结构对岩体力学性质的影响大于岩石性质的影响；岩体强度和变形取决于岩体结 构特征等。在大量的实验和实践基础上，在7 0 年代末和8 0 年代初，孙广忠等明 确地提出“岩体结构控制论 是岩体力学的基础理论【9 1 0 1 ，推动了岩体力学进入 岩体结构力学的研究阶段。 结构面和结构体是岩体结构的两个基本单元，是岩体力学规律形成的基础， 结构面是岩体研究的重要内容，它包括所有地质界面如裂纹、裂隙、节理、断层 和层面等不连续面阻1 1 1 。按结构面的自然规模将岩体分为五级。一般认为i 、i i 和i i i 级结构面为不同规模的断层和断裂带，目前主要根据地质力学传统理论和物 探方法来研究，其中应用三维地震勘探技术，能查清5 m 以上落差的断层和破裂 2 i 绪论 带。近年来，用分形理论来研究岩体结构面的几何形态和力学性质，并建立了一 定的分形模型，从而形成了研究岩体结构的一种新的理论和方法【l 。8 0 年代开始， 分形理论不断完善，为断裂构造的定量研究丌辟了一条新的途径。在岩体力学计 算中，除了将结构面单独处理外，采用降低弹模的方法，建立节理岩体等效模型 和等效本构关系进行模拟，均取得了良好的效果。沉积岩体为不同岩性的层状岩 体，岩体强度与其中每一岩层的变形强度特性、几何参数以及层与层间的相互作 用有关。许兵针对目前分类方案的不统一，从结构面入手，提出了以软弱结构面 为主线的岩体结构分类统一标准。邓喀中通过现场实测、相似模拟试验和计算机 模拟，获得了层面滑移规律，分析了层面对岩层及地表移动的影响【1 2 】。 矿压理论中多采用结构力学的原理和方法，将煤层上覆岩层简化为一定结构 的矿压模型。在我国较有影响的是钱鸣高教授提出的砌体梁理论1 1 3 】和宋振骐教授 提出的传递梁理论【l4 1 ，这些理论是当代矿山压力及其控制研究领域中具有代表性 的学术成果，特别是使采场矿压研究从假说和模型逐步进入定量化。目前，在考 虑较大位移情况下，把数学模型技术和物理模型技术结合赶来模拟巷道开挖，并 将取得的模型成果数据能够较准确地预测实际岩石压力的大小和规律。除此之外， 在矿山压力控制方面，迸一步改善了工作面和巷道支护技术。从沉积地质条件入 手，研究项板沉积岩体结构及其与顶板稳定性的关系，将使项板控制与管理更趋 于合理与可靠。 1 2 3 顶板稳定性评价方法 李增学等( 1 9 8 9 ，1 9 9 2 ) 提出的应用构造一地层分析法对矿井小构造进行研 究【1 5 1 。于双忠( 1 9 9 4 ) 和彭向峰( 1 9 9 7 ) 掣1 6 l 从工程地质分析方法入手提出了煤 矿巷道围岩稳定性评价新方法。首先选定四个主要的影响因素：即岩石强度、结 构面、水对岩体的影响以及原岩地应力状态，然后把这四个指标综合成一张分类 图表。丁述理等i l7 j 进行的单因素分析，综合评判的研究方法：根据能反映某地区 某段岩石( 体) 工程稳定性的一些独立的因素或变数，如岩石的单向抗压强度、 分层厚度、裂隙发育程度、岩性、岩石的形成环境、岩芯完整性、岩芯采取率等 钻孔资料获得的信息，然后分析这些单因素的评价结果，去粗取精，去伪存真， 综合评判，从而有效地削弱各种技术因素、自然因素和人为因素的影响，使最终 分析结果能更准确地反应顶板岩石工程稳定性的实际情况。 涂敏【l8 】运用模糊聚类法对煤层顶板稳定性进行了综合预测及分类，通过对两 淮及徐州矿区部分采煤工作面顶板的观测与分析，证明了预测的准确性和科学性。 3 安徽理工人学硕十学文论文 刘衡秋等f 1 9 j ，通过对淮南煤田潘三矿的顶板条件进行分析和研究，提出了一套行 之有效的评价指标体系，运用模糊综合评判方法对煤层项板稳定性进行定量评价 和预测，结果表明潘三矿煤层顶板稳定性中等，北部比南部稳定性差，东部比西 部差，这可以为采煤工作面项板安全管理提供科学依据。曹庆奎f 2 0 】针对现有灰色 关联度计算模型存在的缺陷，提出了主观赋权法和客观赋权法相结合的灰色加权 关联度综合评价方法。经实例分析，该方法可较好地反映出煤层顶板地质条件的 灰色性特征，使评价结果客观合理。另外，其它使用过的研究方法还有层次分析 法、神经网络、物理模拟和数值模拟等方法。 本文将层次分析与模糊综合评价的方法结合起来应用于煤层项板稳定性评 价，先运用层次分析法确定影响煤层顶板稳定性各因素的权重系数，然后运用两 级模糊综合评价的方法研究许疃煤矿8 2 煤层顶板的稳定性。 1 3 课题研究的主要内容与方法 1 3 1 研究内容 1 煤层顶板沉积特征研究 研究8 2 煤层顶板沉积条件主要包括主体岩性、岩性组合、砂泥比值、胶结类 型以及沉积环境变化等方面。 2 煤层顶板岩体结构特征研究 分析研究区沉积结构面、构造结构面和工程结构面特征，主要研究断裂构造 的复杂程度，包括断层密度、断层强度、断裂分维值等因素，绘制评价因素的等 值线图。 3 煤层顶板岩石物理力学性质研究 取岩样进行物理力学性质试验，分析顶板岩石的抗拉强度、抗压强度、变形 特征及岩石力学性质的影响因素。 4 煤层顶板稳定性综合评价 本次研究将运用层次分析模糊综合评价的方法来研究煤层顶板稳定性。运 用层次分析法确定影响煤层项板稳定性各因素的权重系数，然后把研究区划分为 若干单元，运用模糊综合评价的方法确定每个单元顶板的稳定性等级。最终得出 稳定性分区图。 5 煤层采动效应的数值模拟 根据试验所得岩石物理力学参数和工作面的岩层组合特征，应用f l a c 3 d 技 4 1 绪论 术对工作面采动效应进行数值模拟，分析围岩变形和破坏特征。 1 3 2 研究方法 1 按研究厚度，分别计算出泥岩、粘土岩、砂质泥岩及煤线的厚度总和；粉 砂岩和细砂岩、粉细砂岩互层的厚度总和；中砂岩和粗砂岩的厚度总和；比较三 个数值大小，记录最大者，依此作为每个钻孔的项板岩性主体，绘制项板岩性分 区图；按钻孔统计的岩性组合不同，绘制顶板岩性组合分区图。 2 用网格把研究区分为若干块段，对每块段的断层密度、断层强度、断裂分 维值进行分析，绘制各评价指标等值线图。 3 顶板岩石物理力学性质试验研究：主要煤层之上5 0 米内顶板岩体的物理力 学特性，具体包括岩石密度、容重，岩块的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、 泊松比等。 4 用层次分析模糊综合评价的方法研究煤层顶板稳定性问题，首先运用层 次分析法确定影响煤层顶板稳定性各因素的权重系数，然后对研究区划分为若干 单元，确定每个单元在每个因素下对每个稳定性评价等级的隶属度，最后运用模 糊综合评价的方法确定每个单元顶板的稳定性等级。 5 收集地质地形资料，选取岩石物理力学参数，建立三维有限差分模型，对 工作面的采动效应进行数值模拟，分析围岩的变形特征和破坏特征及应力分布规 律。 5 安徽理工人学硕十学文论文 1 3 3 技术路线 本文的技术路线见图1 。 i 葙骊历蔽习 图1 技术路线图 f i g1t e c h n i c a lr o u t eo ft h et h e s i s 6 2 研究区概况 2 1 自然地理及交通 2 研究区概况 许疃煤矿位于安徽省蒙城县境内，东北距宿州市约3 7 k m ，西南距蒙城县城 2 8 k m 。井田北部与皖北煤电集团任楼煤矿相邻，西北与宿州市界沟煤矿相邻。该 矿井交通极为方便。青芦铁路支线从矿井北部通过，与此支线相连接的矿井专线 铁路已建成通车。矿井东部有宿蒙公路经过，可直接接通省内公路网络。矿井南 部有北淝河穿过，乘小船只可进入淮河及洪泽湖等地( 见图2 ) 。 井田浅部止于二叠系山西组1 0 煤层露头，深部以3 2 煤层一8 0 0 m 水平地面投 影及f 5 断层为界。走向长9 1 2 k m ，宽3 - 7 k r n ，井田面积5 2 5 9 k i n 2 。区内地势 平坦，北部略高于南部，地表自然标高在+ 2 4 5 乱+ 2 6 5 0 m 之间，一般在+ 2 5 5 0m 左右。无基岩出露，均为巨厚新生界松散层所覆盖。 2 2 地层 图2 矿井交通位置图 f i g2t r a f f i cp o s i t i o no fx u t u a nc o a lm i n e 许疃井田属华北型地层，石炭、二叠系含煤地层覆盖于奥陶系灰岩之上，被 第四系松散层覆盖。地层层序自下而上分别为奥陶系中统马家沟组、老虎山组， 7 安敬理j ：人学硕1 学位论文 石炭系中、上统，二叠系及第三、第四系，其中缺失奥陶系上统、志留系、泥笳 系、石炭系下统、中生代地层。地层的发育情况见许琏井田综合柱状图( 图3 ) 。 些幂缱目( m ) 蝉m 粤掣 ：” m ，1 犁* 岩性艟述 j ! 篓型! 辑刨理塑型舅墼塑墅型哟些塑缈 1 # 恸q 霜“# 赔盼 j4 峨，犏 麟 挑糌* 自0 端，# 口# 五* 口嗍4 # m 1 i * * m m r t w j m ； 圈3 许睦井田地层综合柱状国 f i g3r e g i o n a ls t r a t i g r a p h yo f x u t m i n i n g a r e a 口h u u m*i鞋黎。 2 研究区概况 1 石炭系上统太原组( c 3 t ) 本组地层厚度1 3 3 4 9 m ，岩性由石灰岩、碎屑岩和薄煤层组成。共含8 层灰 岩，总厚6 1 8 7 m ，占本组地层厚度的4 6 3 。灰至x 狄缺失，由厚层中细砂岩 等碎屑岩替代。各层灰岩中均含有动物化石碎屑，尤以i 灰更甚。含薄煤五层， 总厚2 7 0 m 。按岩性组合特征分为上、中、下三段。本组地层属浅海相、滨海相、 潮坪相及过渡相沉积。 2 二叠系下统山西组( p l s ) 位于骆驼脖子砂岩底板至太原组i 灰项界之间，厚度9 5 1 3 0 m ，平均l l l m 。 由海陆交互相沉积的砂岩，砂泥岩互层，粉砂岩，泥岩和煤层组成。砂岩段主要 分布在1 0 煤层上，井田南部厚于北部，具大型交错斜层理。1 0 1 1 煤层间主要由 砂泥岩互层及由其相交的粗细碎屑岩组成。1 1 煤下由粉砂岩或粉砂质泥岩组成。 含1 0 、l l 两个煤层( 组) 。1 0 煤层在南部出现大面积沉积缺失。 3 二叠系下统下石盒子组( p l x s ) 位于k 3 砂岩底板至骆驼脖子砂岩( 底部分界砂岩) 底板之间，厚度2 2 0 - - - 2 6 0 m ， 平均2 4 5 m ，地层由过渡相砂岩、砂泥岩互层、粉砂岩、铝质泥岩、泥岩和煤组 成。8 煤层下的骆驼砂岩为青灰色含砾粗砂岩，其上的铝质泥岩为本区中部地层 重要标志层。7 8 煤层层间以砂泥岩互层为主。7 煤层上厚层砂岩以具菱铁鲕粒 形成的槽状斜层理为其特征。含4 、5 、7 、8 四个煤层( 组) 。其中5 、7 、8 煤层 各具分叉合并现象。尤以7 煤层为最。 4 二叠系上统上石盒子组( p 2 s s ) 位于k 3 砂岩底板之上，井田内揭露的最大厚度为6 6 4 m 。地层由过渡相陆相 砂岩、粉砂岩、泥岩和煤层组成、由下而上，紫红色、花斑状岩性逐渐增加，含 煤性也随之变差。k 3 砂岩砂岩为灰白色厚层石英砂岩，特征明显，为本区上部地 层重要标志。含l 、2 、3 三个煤层( 组) ，3 2 煤层为本井田主采煤层。 5 下第三系( e ) 矿井内揭露最大厚度4 9 2 5 9 m 。岩性分为南部砾岩层和北部粉砂岩层。南部 砾岩层：以灰色砾岩为主，成分复杂，主要由灰岩、石英砂岩、燧石等砾石组成， 由紫红色粉砂质胶结。北部粉砂层：砖红色，含云母、粗砂和少量细砾。局部具 灰绿色花斑，泥质胶结，较疏松。与下伏二叠系呈不整合接触。 6 上第三系上新统( n 2 ) 与下伏二叠系不整合接触，厚度1 2 2 0 0 - , 315 0 0 m 。平均厚度2 4 5 0 0 m 。底部 以残积坡积物和洪积物为主，厚度0 - - - 6 3 m ，平均厚2 0 m 左右。主要岩性为砾石、 9 安徽理工人学硕十学位论文 粘土砾石、砂砾、砂及粘土质砂，夹薄层粘土。中下部以湖相沉积的灰绿色、棕 红色粘土和砂质粘土为主，夹2 3 层砂或粘土质砂。含泥灰岩2 3 层，厚2 5m ， 呈透镜状。中上部多为河湖相沉积的棕黄色、浅红色及灰白色细砂、中砂，其问 有2 5 层粘土或砂质粘土，并夹有2 3 层透镜状薄层砂岩，钙质胶结。顶部以棕 黄色、棕红色及灰绿色粘土和砂质粘土为主，夹有2 3 层薄层状砂，分布稳定。 顶部含有较多的钙质结核和铁锰质结核，是第三系与第四系地层的分界标志。 7 第四系( q ) 第四系地层为更新统和全新统，假整合于上第三系地层之上，厚度6 4 - 11 6 m ， 平均厚度9 0 m 左右。 更新统( q l - 3 ) 下部砂层与粘土或砂质粘土呈互层状，以河间阶地沉积物为 主，砂层不发育，以姜黄色粉砂、细粉砂为主，粘土质砂次之，构成3 4 个沉积 旋迥，砂层具有水平层理，厚度2 2 5 2 m ，平均厚度3 7 m 左右。上部以土黄色、 棕黄色粘土和砂质粘土为主，夹有2 3 层透镜状薄层粉砂或粘土质砂，厚度 1 2 3 0 m ，平均厚2 2 m 左右。 全新统( q 4 ) 厚3 0 - 一3 5 m ，平均厚度3 1 m 左右，与更新统假整合接触。下部 以细粉砂、粉砂为主，并夹有薄层粘土和砂质粘土3 4 层。中部在垂深2 0 - 3 3 m 普遍含有一层厚1 2 m 的灰黑色富含腐植质的砂质粘土。上部在垂深3 - 5 m 为砂 质粘土，富含钙质结核及铁锰质结核，为近代淮北平原的剥蚀面。 2 3 主采煤层 本矿井主要可采煤层有3 2 煤、7 l 煤、7 2 煤、8 2 煤共4 层。 1 3 2 煤层：距2 4 煤层平均1 1 5 m ，煤厚o 7 7 4 2 7 m ，平均2 2 2 m 。煤层结构较 简单，以含一层薄夹矸为主，个别孔夹矸增厚而分叉为二层独立煤层。该煤层为 矿井主采煤层，全区可采，变异系数为2 8 。煤层顶板以泥岩为主，次为粉砂岩 和砂岩。属较稳定煤层。 2 7 l 煤层：距5 2 煤层平均5 8 m ，煤厚肛3 4 6m ，平均1 6 9 m 。7 煤组在分岔 区为二层( 7 l 、7 2 ) ，东侧合并为一层。故7 l 煤层仅位于矿井北部和南部西侧。煤 层结构较简单，无夹矸及具一层夹矸者占绝大多数，西部露头区有长条状不可采 区，可采范围占全区8 9 4 ，变异系数为3 9 。煤层项板以砂岩，泥岩为主，属 较稳定煤层。 3 7 2 煤层：距7 l 煤层平均1 3 m ，煤厚m 8 2 m ，平均2 7 4 m 。分岔区煤层薄 且结构简单，合并区煤层厚且结构复杂。露头处有条带状不可采区，北部有片状 1 0 2 研究区概况 不可采区，可采范围占全区8 5 1 ，变异系数为2 9 。煤层顶板以砂岩为主，次 为粉砂岩和泥岩。属较稳定煤层。 4 8 2 煤层：距7 2 煤层平均1 9 r n ，煤厚嘶1 4 m ，平均2 2 4 m 。煤层结构较简 单。当煤层具薄央矸时，一般为8 3 与8 2 煤层合并，当夹矸增厚时则为分岔，导致 8 3 成为独立煤层。合并后煤层厚，具一层夹矸，反之则薄或无央矸。在矿井南部， 8 2 煤层有一条带状不可采区。可采范围占全区9 3 5 ，变异系数为2 8 。煤层项 板以砂岩为主，次为泥岩和粉砂岩，属较稳定煤层。 2 4 区域构造背景 许疃煤矿位于章亭背斜西南部，为走向近南北、向东倾斜的单斜构造，局部 发育有次级褶曲，导致煤层和地层波状起伏。地层倾角北部为8 1 8 0 ，南部为 1 f f - - 2 5 0 。断裂构造较发育，已查出落差大于1 0 m 断层2 3 条。 根据矿井构造组合，结合区域构造应力场分析，矿井构造形成主要为临涣背 斜形成时的构造应力以及后期近东西向剪切力综合构造作用的结果。 2 4 1 褶曲构造 矿井内褶曲构造不甚 发育，仅局部沿走向呈波 状起伏。如张家背斜位于 井田北部到许疃断层附 近。南北向挤压和许疃断 层牵引共同作用的结果， 表现为该段地层沿走向发 生强烈扭曲，在6 5 - - 6 6 勘 探线间呈明显的背斜形 态，轴向n w 4 5 0 ，两翼倾 角l8 2 5 0 。褶皱构造关系 见图4 。 图4 褶皱构造关系示意图 f i g4m a p o fx u t u a nc o a lm i n ef o l dr e l a t i o n s 安徽理，r 大学硕+ 学位论文 2 4 2 断裂构造 本矿井断裂构造较为发育，落差大于l o m 的断层有2 3 条，断层走向以北北 东和北西西一东西向为主，其次为北西向和北东东向。其中：正断层l o 条，逆断 层1 3 条；断层走向为北东向1 0 条，北西向9 条，近南北向2 条，近东西向2 条； 落差大于l o m 而小于2 0 m 的1 0 条，等于或大于2 0 m 而小于3 0 m 的2 条，等于 或大于3 0 m 以上的1 1 条。井f 只内断层分布情况见图5 。 图5 许疃井田地质构造简图 f i g5s t r u c t u r a lo u t l i n em a p o fx u t u a nc o a lm i n e 1 2 3 煤层顶板沉积特征研究 3 8 2 煤层顶板沉积特征研究 3 1影响煤层顶板稳定性的沉积学因素 影响顶板稳定性的主要沉积学因素主要包括顶板岩性差异，胶结类型，岩层 组合方式，以及古河流的冲刷侵蚀作用【5 j 。 1 顶板岩性：主要有砂岩( 包括粗砂岩、中砂岩、细砂岩等) 、泥岩( 包括粉 砂岩，粉砂质泥岩、炭质泥岩、粘土岩、页岩等) 。砂岩具有刚性特征，一般不易 变形和破坏，所以由砂岩组成的岩层是相对稳定的部分，但刚性岩体受到强载荷 作用时容易产生脆性断裂和剪切破坏。而且砂岩在研究区内存在不同的胶结方式， 表现为不同的力学强度。泥岩具有塑性，受力后容易变形产生塑性流动，易形成 不同的几何形态，有些粘土岩类还有遇水膨胀的性质，不仅使自身的稳定性降低， 而且会影响上下岩层的稳定性。 2 胶结类型：可以分为基底式胶结、孔隙式胶结、接触式胶结和溶蚀胶结。基 底式胶结最坚实，孔隙式和接触式胶结唪固性较差。按胶结物成分分为：硅质胶 结、泥质胶结、铁质胶结、钙质胶结、粘土质胶结等。硅质胶结、铁质胶结的碎 屑岩强度最高，抗水性强；钙质胶结的碎屑岩，强度高，但易被水溶解：泥质粘 土质胶结的碎屑岩强度最低，抗水性弱，易泥化和软化。研究顶板岩层的胶结类 型主要有硅质胶结，泥质胶结和钙质胶结型式。硅质胶结的砂岩表现出高强度的 性质，块状、致密坚硬。泥质胶结的砂岩强度稍低，常含泥质包裹体，发育各种 层理。 3 岩层组合方式：主要考虑砂岩与泥岩的相对比例关系，并进行定量评价。岩 层组合既有不同岩性的岩层组合、又有不同厚度的岩层组合。相同类型的组合， 距煤层距离不同，稳定程度也不相同。顶板的分层厚度越大，直接顶越不易弯曲 变形，稳定性越好。 4 层理发育与否、发育类型影响着岩体的稳定性。当层理特别发育时，岩体及 层间结合力要弱得多。交错层理，波状层理，水平层理等对岩层的稳定性也有不 同程度的影响。 5 古河流的冲刷作用常使顶板岩层与煤层的接触面变的凹凸不平，上覆岩层常 含有下伏岩层的包裹体，与正常的项板岩层相比降低了稳定程度。由于各地冲刷 程度不同，煤层呈条带状、乃至岛孤状分布。冲刷带边缘，由于岩性差异较大， 在受到构造力作用下易形成应力集中，产生与冲刷面同向的正断层构造，破坏了 岩体的完整性。 1 3 安徽理工人学硕士学位论文 3 2 煤层顶板的沉积岩石学特征 8 2 煤层顶板以砂岩为主，一般发育水平层理和薄层状斜层理，胶结类型为孔 隙式、基底式，胶结物有泥质、钙质、硅质等。砂岩厚度两极值为0 6 1 - 3 0 3 8 m ， 变化较大，一般厚度大于5 m 。泥质区呈北西南东向的不规则条带状分布，层厚 一般1 0 - 1 5 m ，少见伪顶。底板以块状、团块状泥岩为主，夹粉砂岩，层厚一般 大于1 5 m ，偶见伪底。 砂岩的发育要求一定的水动力条件，其组构和成分能反映形成时的环境条件， 常被视为研究沉积地层的骨架岩性。砂岩在整个含煤地层中约占3 0 - - 3 5 ，其中细 砂岩占2 3 ，中粗粒砂岩占l 3 ，在主要煤层的顶底板中都有一些厚度大、横向相 对较稳定的砂岩体。这些砂岩体一般既是沉积岩体中的骨架沉积，又是煤矿开采 岩层控制的关健层，研究这些砂岩体的沉积特征具有重要意义。 3 2 1砂岩类型与碎屑组分特征 研究区8 2 煤层顶底板砂岩的主要类型有石英砂岩、岩屑石英砂岩、长石石英 砂岩和岩屑砂岩等。 石英砂岩：一般为浅灰灰白色。其中石英含量一般在9 0 - - - 9 5 ，以花岗岩型 单晶石英为主，部分燧石岩屑含量小于1 0 。石英次生加大现象普遍，复晶石英 含量少于5 ，长石及岩屑含量较少。碎屑颗粒多呈圆状次圆状，分选较好。胶 结物以硅质石英次生加大胶结为主，部分钙质胶结和菱铁矿胶结少量零星分布。 岩石颗粒支撑，孔隙式胶结，成分成熟度和结构成熟度均较高。 岩屑石英砂岩：一般为灰绿色、灰深灰色。石英占7 5 8 0 ，长石含量约5 ， 岩屑含量在1 0 - , 1 5 。碎屑颗粒的形态多为次圆状次棱角状，分选性中等较好。 岩屑的成分多为泥质岩屑、粉砂岩岩屑及碎屑云母等。填隙物以泥质原杂基为主， 含量在8 1 2 。 长石石英砂岩：为灰浅灰色、灰白色，石英占7 5 8 5 ，长石含量在1 0 - - 1 5 ， 主要为酸性斜长石及微斜长石和少量的正长石、复晶石英等。长石大部分发生绢 云母化和高岭石化，少量被方解石交代。岩屑含量少于1 0 ，填隙物多为泥质杂 基，少量硅质胶结及钙质胶结物含量少于1 0 。 岩屑砂岩：多为灰深灰色。石英含量在6 0 , - - 7 5 ，岩屑含量为2 0 - 3 0 ，长石 为5 - 1 5 。碎屑颗粒的形态多为棱角状次棱角状，分选性中等差，填隙物以泥 质原杂基为主，含量1 0 , - - 3 0 。孔隙式基底式胶结类型，部分岩屑砂岩属杂砂岩 1 4 3 煤层项板沉积特征研究 类。 掘研究区内大量薄片镜下鉴定，其主要组分为石英、长石和岩屑。 石英为砂岩中最主要的矿物组分，含量一般在7 3 8 6 ，主要以单晶石英为主， 常见者呈次棱角状次园状，表面干净，无色透明，主要来自花岗岩和片麻岩的风 化产物。微晶石英组成的燧石岩岩屑、放射状结构的结晶质玉髓以及不规则嵌晶 组成的花岗岩型复晶石英也有一定分布。 长石含量一般为5 1 5 ，常见类型为酸性斜长石、微斜长石、正长石。多呈 短柱状、宽板状或碎片状，一组解理发育。大多数发生高岭土化、绢云母化或碳 酸盐化，而使长石表面浑浊不清。 岩屑在砂岩中的含量一般在5 1 5 ，最高可达3 5 。岩屑类型以泥质岩屑居 多，少量的粉砂岩、花岗岩、片麻岩岩屑等。白云母在砂岩中也有少量分布，多 为细小片状，杂乱或定向排列。 砂岩中的碎屑重矿物有锆石、磷灰石、石榴子石、榍石、金红石等，其中以 锆石和磷灰石最为常见。从重矿物的组合特征看，属于不稳定的组合形式。煤系 地层中的砂岩多属于母岩风化不彻底的产物。 3 2 2 粉砂岩和泥岩的组分特征 淮北地区二叠系地层的物质组成由陆源碎屑岩夹煤层组成。地层的岩性丰度 为砂岩3 0 - - - 3 5 ，粉砂岩2 0 - 2 5 ，泥岩4 0 , - 4 5 及煤组成。 煤系地层中的粉砂岩多富含泥质，以与泥质岩间的过渡类型居多，即以含泥 粉砂岩和泥质粉砂岩为主。碎屑组分以石英为主，岩屑、白云母含量次之。岩石 类型有石英粉砂岩、岩屑石英粉砂岩、岩屑粉砂岩等。岩石中常含菱铁矿，部分 粉砂岩中钙质含量高，为钙质粉砂岩。 泥岩在本区含煤地层中的丰度最高，大部分泥岩中含有粉砂，为含粉砂泥岩 或粉砂质泥岩。同时，泥岩是煤层顶底板中最常见的岩石类型，也直接控制着煤 炭开采项底板的稳定性。 通过对泥岩的物质成分分析可知，泥岩中矿物成分主要为粘土矿物，其次为 石英。有时含部分炭屑，菱铁矿在泥岩中常见，多呈鲕状，含量不一。泥岩的粘 土矿物成分中以高岭石为主，约占6 0 - - , 8 5 ，平均含量约7 0 。其次为伊利石，含 量为1 5 - 4 0 ，平均含量约3 0 。蒙脱石以及其它混层粘土矿物的含量少于l 。 本区二叠系煤系地层在垂向上，自下而上粘土矿物组分中高岭石的含量逐渐增加， 伊利石的含量相应减少，反映了二叠纪时淮北地区的成煤古地理环境由海陆交互 1 5 安徽理工大学硕士学位论文 地带逐渐向陆相的转变过程。 3 2 3 井田岩性分区 岩性是影响煤层顶板稳定性最基本的也是最重要的因素之一。岩性不同，抗 压强度就截然不同。同一岩层的抗压强度变化范围也很大。例如同是细砂岩，由 于矿物成分比例、胶结物成分、胶结类型不同，发育层理与否，其抗压强度明显 不同。一般地，硅质胶结的石英砂岩强度最大。岩性在煤层顶板分类中起着至关 重要的作用。生产实践表明，一般砂岩顶板稳定性高，初次垮落步距大，而泥岩 顶板稳定性差，初次垮落步距较小。据不完全统计，泥岩、页岩为不稳定顶板的 占6 7 ，而砂岩、石灰岩几乎都为稳定顶板。粉砂岩和砂质泥岩类则多为中等稳 定顶板。不稳定顶板的岩性往往是薄层泥质岩。有的煤层顶板岩层含丰富的植物 根化石，稳定性变差。 研究区下石盒子组8 2 煤层及其顶底板岩层均形成于河控浅水三角洲的平原环 境，沉积岩性主要由陆源碎屑岩的砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩及煤层组成。 根据钻孔统计数据，每个钻孔按顶板研究厚度( 5 0 - - 5 5 m ) 分别计算出泥岩、 粘土岩、砂质泥岩以及煤线的厚度总和；粉砂岩和细砂岩、粉细砂岩互层的厚度 总和；中砂岩和粗砂岩的厚度总和；然后比较三个数据大小，记录其中最大者， 以此作为每个钻孔的顶板岩性主体。划分顶板岩性分区图( 见图6 ) 。 图6 反映了8 2 煤层顶板岩性分布特点，可以看出顶板以中粗砂岩为主的区域 呈零星状或条带状分布，面积较小，全区均有出现；以泥岩为主的区域在井田西 翼和中段有较大面积的条带状分布；其余面积顶板以细砂岩和粉砂岩为主体，占 全区的5 0 左右。 1 6 ， 3 煤层顶板沉积特征研究 3 9 4 7 1 0 0 03 9 4 7 2 0 0 03 9 4 7 3 0 0 03 9 4 7 4 0 0 0 i n 蕊n 惑众瀚瓢 萝 磁心溢燃 盟叨 i j 。乙 厶 弱 趔 2 ： 呖獭辩褫獬 、，- 坳 泥岩区 测 粉细岩区 钐钐么驳姣n 怂n y 陵矮逸辽戮 ，一。 麓竣黼 中粗岩区 图6 顶板主体岩性类型分区图 f i g6z o n i n gm a p o fl i t h o l o g yt y p e s 1 7 安徽理 二大学硕士学位论文 3 3 顶板沉积相组合及横向对比 3 3 1煤层顶板沉积相组合特征 根据研究区实际，对于三角洲平原沉积的含煤岩系，项板岩层的沉积层序可 概化为向上变细层序，向上变粗层序和粗细相间层序；顶板岩体沉积组合结构相 应地分为下硬上软型、下软上硬型和复杂型三类l z 。 1 下硬上软型顶板： 主要为河流作用为主的三角洲平原环境下形成的沉积层序田】。从下向上，这 种层序由砂岩一粉砂岩一砂泥岩互层一泥岩组成。项板岩体力学强度由下往上迅 速降低，中间存在明显的沉积弱面。由于分流河道砂岩体在横向上呈透镜状，在 砂体下两侧大都为泥岩，并随砂岩的变薄、尖灭，泥岩的厚度逐渐加厚。砂岩与 泥岩交界面常常由于在成岩后生作用过程中的差异压实作用而产生滑面和纵向节 理，从而使岩体强度降低，给支护带来一定困难。 岩体力学性质的变化是由沉积环境所决定的，下部分流河道细砂岩体形成于 较高能量的沉积环境，因此，总体上其岩石的粘土含量较少，粒度以砂级为主， 经成岩胶结后具有相当高的力学强度。同时在分流河道沉积环境中，不同的河道 深度上，水动力条件也有差异，即由下向上水动力条件逐渐减弱，底部堆积了含 泥质包体、植物茎干和粒度较粗的沉积物，粘土质较少，原生孔隙较为发育，在 成岩过程中往往化学胶结物难以完全充填胶结这些原生孔隙，成岩后尚存在较大 的孔隙度，因此，在分流河道层序中相对上部的砂岩而言，底部砂岩力学强度有 所降低；而在分流河道的中上部，水动力条件较强，粘土杂质较少，并且具有较 好的分选性，原生孔隙度适中，在成岩过程中化学胶结物较好地胶结充填这些孔 隙，因此，分流河道相的中上部砂岩具有较高的力学强度，向上至顶部，由于水 动力减弱，水位变化等影响，以悬浮载荷沉积作用为主，因此，岩体力学强度低。 2 下软上硬型顶板： 主要形成于三角洲沉积环境，如河口坝沉积和大型决i 1 扇中部的沉积瞰l 。发 育较好的三角洲沉积从下向上多为海退层序，因而沉积物的岩性及结构在垂直层 序上与河流沉积不同，一般具下细上粗的特征；而河流相则下粗且不含海相化石。 由于沼泽沉积中有大量的植物根茎，炭质含量高，破坏了沉积物的原始结构， 定向排列的植物碎片、碎屑化石及镜煤条带，形成大量的沉积软弱结构面，使岩 体力学强度大大降低。沼泽相之上为泥岩、粉砂岩，均形成于较弱的水动力条件， 一般为低能静水环境，以悬浮载荷的沉积作用为主，发育水平层理或沙纹层理， 1 8 3 煤层顶板沉积特征研究 因此岩体力学强度亦低；向上为分流河道相砂岩，岩体力学强度迅速增高。顶板 为下软上硬型沉积组合结构，是顶板管理条件较