新上海一号煤矿8 号、15 号煤层顶底板工程地质特性分析

孙宇

（中国煤炭地质总局 第一水文地质队，河北 邯郸 056004）

0 引 言

新上海一号煤矿位于内蒙古自治区鄂托克前旗境内，处于内蒙古自治区与宁夏回族自治区接壤地带，行政区划属鄂托克前旗上海庙镇管辖。矿井设计生产能力400 万t/a，采用多水平立井开拓。全矿井分两个水平四个分区，主要可采煤层为2、2下、5、8、15、16、18、19、20、21 号等10 层，现主要开采煤层为8 号和15 号煤。现通过对8 号和15 号煤层顶底板的岩性特征、岩石物理力学性质、岩体质量及稳定性等予以分析和预测，为煤矿安全开采提供依据。

1 井田地层

井田内钻孔揭露地层有：三叠系延长组（T3y）；侏罗系延安组（J2y）、侏罗系直罗组（J2z）；白垩系志丹群（K1zd）；古近系（E） 及第四系（Q）。含煤地层为侏罗系延安组，8 号煤位于延安组中部，煤层结构简单，一般不含夹矸，局部含夹矸0～2 层，岩性为泥岩或泥砂质岩，为稳定煤层。15 号煤位于延安组中部，属中含煤组下部煤层，煤层结构较简单，一般不含夹矸，局部含1 层夹矸，岩性为粉砂岩或泥岩，局部为炭质泥岩，为稳定煤层。

2 井田构造

本井田主体构造形态为一向东倾伏的单斜构造，北部在此基础上发育有宽缓的次级褶曲，区内岩层较为平缓，一般岩层倾角为3°～13°，除断层附近，基本无突然倾斜变化，断裂构造不发育。

井田内共发现断层30 条，DF6 是普查阶段二维地震发现，F2＇、FD19 为勘探阶段二维地震发现，其余27 条断层均为三维地震成果。除DF20和F2 这两条逆断层落差较大外，其他断层落差都不大。井田内断层以南北向、北北东、北北西及北东向断层为主。井田范围内共计发现落差大于20 m 的断层9 条（图1）。

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

3 煤层顶、底板工程地质特征分析

新上海一号煤矿含煤地层为侏罗系延安组，煤层顶板岩性以粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩为主，其次为中砂岩、粗砂岩、泥岩、泥质砂岩，煤层底板岩性以粉砂岩、泥岩、砂质泥岩为主，局部含有少量泥质粉砂岩。井田内地质构造不发育。

根据以往施工钻孔1102、1104、1702、2604、Z1 和B-8 号钻孔煤层直接顶底板岩石物理力学参数进行统计（表1），对其工程地质特征进行了详细评述。

根据表1 得知井田内8、15 号煤直接顶板与直接底板的各项物理力学性质有所差异。8 煤层顶底板的天然含水率0.30%～12.69%；饱和抗压强度为7.20～67.53 MPa；天然抗拉强度0.20～6.91 MPa；泊松比0.09～0.56。15 煤层顶底板的天然含水率0.90%～25.87%；饱和抗压强度为2.48～48.40 MPa；天然抗拉强度0.12～2.50 MPa；泊松比0.19～0.58。8、15 号煤直接顶板与直接底板软化系数为0.10～0.74，多数小于0.75，属于软化岩层。

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。本次以《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》中岩体质量系数法和岩体质量指标法，对8、15 煤层直接顶底板岩体质量以及20 m 范围内的岩体质量进行评价，评价标准见表2 和表3。

（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；Rc为岩块饱和轴向抗压强度。

（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；RQD为岩石质量指标。

表1 煤层顶底板岩石物理力学指标统计Table 1 Statistical table of physical and mechanical indexes of coal seam roof and floor rock

表2 岩体质量系数范围及其优劣分级Table 2 The range of rock mass quality coefficient and its classification

表3 岩体质量分级Table 3 Rock mass quality classification

此次主要通过以往施工钻孔对8、15 号煤层直接顶板30 m 范围以及底板20 m 范围内的岩块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。

通过公式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，最后求得平均值z和M，按照表2 和表3 评价标准对8、15 煤层顶底板进行岩体质量等级划分和质量评价。

4.2 煤层直接顶、底板岩体质量评价

采用B-8 号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8、15 号煤层顶底板岩体质量系数和岩体质量指标。结果见表4。

表4 煤层直接顶底板岩体质量评价结果Table 4 Rock mass quality evaluation results of coal seam direct roof and floor

通过岩体质量系数法和岩体质量指标法计算结果，井田内8 号煤层直接顶板均细砂岩，岩石质量指标（RQD） 为75%；岩块饱和轴向抗压强度（Rc） 为67.53 MPa，岩石质量为良；岩体质量指标为特好。15 号煤层直接底板为砂质泥岩，岩石质量指标（RQD） 为70%；抗压强度（Rc） 为2.48 MPa，岩石质量为坏；岩体质量指标为差。

此次仅采用B-8 号孔岩石物理力学成果计算评价煤层直接顶底板岩体质量，资料较少，所以表4 中评价结果具有局限性。该孔8 号煤底板和15号煤顶板岩块遇水崩解，从侧面也反应出其岩体质量较差。

4.3 煤层顶板30 m、底板20 m 范围内岩体质量评价

根据井田内B-8 号钻孔的岩石物理力学实验资料和RQD值，计算得出8、15 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5。

表5 煤层顶底板岩体质量评价结Table 5 Rock mass quality evaluation results of coal seam roof and floor

通过岩体质量系数法和岩体质量指标法计算结果，井田内8 号煤层顶板30 m 范围及底板20 m 范围内以细砂岩为主，中砂岩、泥岩、粗砂岩次之，顶板岩石质量指标（RQD） 75%左右，岩石质量为良，底板岩石遇水崩解。15 号煤顶板30 m 及底板20 m 范围内岩体质量系数分别为1.06 和0.24，岩体质量等级分别为一般和坏；岩体质量指标分别为0.36 和0.07，岩体质量均为差。

综合评定结果为：井田内8 号煤层顶板30 m范围内岩体质量为良，岩体质量等级为特好；15号煤层顶板30 m 范围及底板20 m 范围内岩体质量为差，岩体质量等级为坏～一般。

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6、表7）。

表6 顶板稳定性划分标准Table 6 Standard for roof stability classification

表7 底板分类标准表Table 7 Floor classification standard

8 号煤层顶板30 m 范围内岩性为细砂岩、中砂岩、泥岩，岩石饱和抗压强度为67.53 MPa。15号煤顶板30 m 范围内岩性为细砂岩、粗砂岩、粉砂岩、砂质泥岩，岩石饱和抗压强度为0.40 ~36.77 MPa，平均为12.68 MPa。因此，8 号煤层顶板岩石为极稳定型，稳定性类型划分为Ⅰ。15 号煤层顶板岩石为较稳定~不稳定型，稳定性类型划分为Ⅲ～Ⅳ。

8 号煤层底板20 m 范围内岩性为细砂岩和粗砂岩，15 号煤层底板20 m 范围内岩性为砂质泥岩、粉砂岩、泥岩，井田内岩石饱和抗压强度在2.48～3.88 MPa，平均为3.05 MPa。综上所述8、15 号煤层底板属于软弱破碎底板。

6 结 语

区域范围内呈现典型的逆冲推覆构造，对本区煤系地层赋存和分布起到控制作用。井田内发育2条较大的逆断层，东部为F2 逆断层，落差大于500 m，西部为DF20，落差大于150 m，这些构造不仅改变岩体的工程特征，使其稳定性变差，而且是地下水进入井巷的导水通道，对工程建设和井下采煤具有一定影响。

井田内地层岩石饱和抗压强度较低，软化系数均小于0.75，均为软化岩石，岩体质量整体较差，煤层顶底板稳定性较差。在掘进与煤层回采过程当中，应加强顶底板支护，防止顶板冒落和底鼓现象的发生。