富水覆岩综放开采工作面透水机理及控制技术研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 富水覆岩综放开采工作面透水机理及控制技术研究 姓名段王拴 申请学位级别硕士 专业矿业工程 指导教师伍永平 论文题目富水覆岩综放开采工作面透水机理及控制技术研究 专 业矿业工程 硕 士 生段王拴 （签名） 指导教师伍永平 （签名） 摘 要 大佛寺煤矿 4 号煤层平均厚度 14.8m，上覆岩层宜君、洛河砂岩组为区域砂砾岩含 水层，富水性好，渗透性强。当采用综采放顶煤采煤法开采时，导水裂隙带高度加大， 甚至波及含水砂岩层危及工作面安全生产。 在既定地质条件下研究富水覆岩综放开采透 水机理及控制技术具有重要的工程意义和实用价值。 从综放工作面覆岩特征，顶板含水层数目位置、厚度以及含水特征等基本的工程地 质条件入手，判定覆岩层关键层、隔水层位置及岩层渗透特性，研究导水裂隙带发育规 律及其影响因素，为进一步研究综放开采工作面顶板透水提供基础和条件； 以西安科技大学岩层控制重点实验室为依托， 针对彬长矿区大佛寺煤矿工程地质条 件，利用物理相似模拟和“固-液”耦合相似模拟实验方法对综放开采过程进行了模拟研 究，分析了上覆岩层采动过程中岩体运移规律、裂隙扩展规律和水介质运移规律，为揭 示顶板透水机理提供基础依据。 采用有限单元数值模拟方法对含水层下综放开采覆岩破坏规律进行了模拟研究， 分 析了采动过程中覆岩变形破坏和移动特征， 对工作面可能产生的透水区域和透水量做了 预计；在对透水灾变机理综合研究的基础上，提出了顶板透水的控制技术措施，经工作 面实际透水量现场观测得出技术措施得当，对现场工程实践具有一定的参考价值。 关 键 词“固－液”耦合；相似材料；裂隙渗流；顶板透水；控制措施 研究类型应用研究 Subject Research on the Roof Water-inrush Mechanism and Control Technology in Fully-mechanized Caving Face of Overlying Rock Stratum with Abundant Water Specialty Mining Engineering Name Duan Wang shuan （（Signature）） Instructor Wu Yong ping （（Signature）） ABSTRACT The No.4 coal seam average thickness of Dafosi coal mine is 14.8m, the overlying rock stratum Yi-jun and Luo-he sandstone group are regional aquifer, the thickness is larger, the water-abundance is better and the permeability is stronger. When the fully-mechanized caving mining technology is used, the height of water flowing fractured zone is also increased, the roof water-inrush become endangering production safety to the first-mining face. Thus the study on the rule of overlying strata failure and water-inrush mechanism has a great practical significance and certain theoretical value. Roof water inrush is a complicated process of geology and mechanics, it concerned with the style, character and conservation of water bodies, and with hydrogeologics, stratum structure and geological mining conditions of roof water resisting layer. Research start from the overlaying strata and regional aquifer characters such as number and positions and so on, the key stratum and roof water resisting layer positions and seepage property of different rock strata are determinanted and the developing rule of water flowing fractured zone in mining and influencing factors are got, the results offers the foundation and contidion for learning water incrush. Rely on the provincial key lab of ground controlling of Xian University of Science and Technology, the material and the mixture of material which can meet liquid-solid coupling experiment is got, and the sample’s physical and mechanical parameters is analyzed. Combined solid similar simulation with liquid-solid coupling experiment, studied Dafosi coal mining geology condition and complemented the different research means, the overlying strata during mining rock mass migration principle, crack extension principle and water migration principle are analyzed. By using Element Code , the rule of overlying strata failure beneath aquifer is studied, the deation and failure and movement characteristic of overlying strata during mining is analyzed, and the result of numerical simulation is compared with physical simulation. Based on the integrated research to water-inrush catastrophe mechanism, the control measure of roof water-inrush is proposed, there is certain reference value to the project practice in its result. Keywords Solid-liquid coupling Similar material Cracks seepage flow Water-inrush Control measure Thesis Application Research 1 绪论 1 绪论 1.1 研究背景及意义 长期以来煤炭一直是我国的主要能源之一， 安全高效地进行煤炭开采是关系到国计 民生和国民经济发展的大事。而矿井水害一直是制约我国煤炭生产发展的重要因素之 一，各种形式的矿井涌水，不仅威胁着大量煤炭资源无法正常开采，而且还造成生产事 故和重大人员伤亡，同时导致多种环境负效应。由于我国煤田水文地质条件非常复杂， 受水威胁的煤炭储量占探明储量的 27， 采矿中频繁发生的突水事故严重威胁着煤矿的 安全生产[1]。如开滦范各庄矿、皖北任楼矿、安阳铜冶矿、徐州青山泉一号井、皖北刘 桥矿、徐州大黄山矿、肥城国家庄矿、山西西山矿、阳泉、晋城、霍州等矿均发生过突 水淹井的重大事故，而且目前全国矿井受水威胁仍很严重。由于在煤层开采过程中受到 多种水体的威胁，这样就势必很大程度上影响了煤矿的安全高效开采。据原煤炭工业部 统计资料显示， 我国解放以来 80 年代与 50 年代相比， 我国煤矿平均突水频率增长了 2.57 倍[1]。1956～1986 年 30 年间，共发生淹井事故 222 起，突水事故 1600 次，使 1318 人 丧生，直接经济损失高达 30 亿元，特别严重的是 1984 年到 1985 年间，全国共发生因 底板突水而淹井的事故 22 起，仅开滦、焦作、肥城等二个矿务局就有 6 对矿井相继被 淹，影响产量达 1475 万吨，直接经济损失 7 亿多元，间接经济损失高达 40 多亿元[2]。 据我国煤炭系统不完全统计， “七五”期间，我国煤矿发生 3 人以上的透水死亡事故 170 起，死亡 1137 人， “八五”期间死亡 1736 人[3]。尤其近几年，特大水害事故频繁发生， 呈明显上升趋势，20 世纪 80 年代与 50 年代相比，透水频率增长 257，淹井事故增长 96，水害事故中地下含水层透水造成的事故占相当大的比例[4]。煤矿水害已成为影响 煤炭安全生产的重大问题之一， 研究煤矿顶板透水预测并对其进行防治具有重要现实意 义。 随着水体下采煤的大幅度增加，覆岩移动变形、破坏和透水规律研究受到人们的高 度重视。过去，由于我国煤矿开采技术水平不高，为保障安全，而留设大尺寸的防水煤 （岩）柱，给我国煤炭资源造成极大浪费。伴随着开采技术水平的不断提高，我国的部 分矿区进行了减小防水煤柱尺寸的试采，取得了一些经验。但由于地质环境条件及岩体 结构的复杂性，影响矿井突水的因素很多，过去的研究还存在较大的局限性，对突水进 行准确预测在目前仍是一个难题，因此对矿井生产中工作面突水机理进行准确的研究， 提前对有可能存在的突水进行预防是一个亟待需要解决的问题。 陕西彬长矿区大佛寺煤矿白垩系下统洛河组、 宜君组为裂隙承压含水岩组， 厚度大， 富水性好， 渗透性强， 首采煤层4号煤层上距宜君、 洛河组裂隙承压含水岩组100～185m。 1 西安科技大学工程硕士学位论文 采用综采放顶煤全部垮落采煤法开采 4 号煤层时，采高大冒落裂隙带高度较大，宜君、 洛河组砂岩含水层虽有安定组作为相对隔水层， 但地质勘探对隔水层的隔水性及两含水 层之间有无水力联系研究不够， 因此不排除两含水层通过裂隙断层或隔水性不良的局部 导水窗口发生水力联系，使其成为矿井的直接充水含水层甚至直接向井巷透水的可能 性。 论文主要从大佛寺煤矿地质构造和水文地质条件入手， 运用物理模拟和数值分析的 方法分析了综放工作面采场覆岩破坏特征和运动规律、 导水裂隙带形成规律及含水层水 介质运移规律，进而研究工作面顶板透水机理，提出了控制技术措施。在研究覆岩运动 引起的顶板发生透水机理、 寻求顶板水灾害防治方法以及实现工作面安全生产方面都具 有重要的意义。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 在上世纪，矿井顶板水害防治研究主要涉及到水体下采煤。国内外在水体下采煤的 历史大约有 100 多年了，各产煤国家在海下、河流下、湖泊下、含水的松散层（流砂层， 砾石层）和含水层的岩层（灰岩，砂岩）下、人工修建的蓄水工业建筑物下、充水的巷 道与采场下进行了大量的试验开采工作。目前，英国、日本和加拿大等国海下采煤做得 比较成功。 日本在海下采煤时，一般从海底至开采煤层留 100m 作为防水煤柱不予开采，在浅 部利用风力充填。 英国在海下采煤时，浅部用房柱法（个别地方用条带法开采） ，深部用长壁采煤。 规定用长壁采煤时，上覆岩层最小厚度为 105m，煤层容许的最大采厚为 1.7m，海底最 大拉伸变形不应超过 10mm/m；用房柱法等部分开采时，容许的最小采深为 6lm。 目前国外防治顶板突水主要采用主动防护法，即采用地面垂直钻孔，用潜水泵专门 疏干含水层。为了适应预先疏干方法，国外生产了高扬程（达l000m） 、大排水量（达 5000m3/h） 、大功率（2000Kw）的潜水泵，其疏干工程已逐渐采用电脑自动控制。 国外堵水截流方法也有很大发展，建造地下帷幕方法愈来愈受到重视。为充分利用 隔水层厚度，减少排水量，国外正在对隔水层的隔水机理、突水量与构造裂隙的关系、 高水压作业下的突水机理以及隔水层稳定性与临界水力阻力的综合作用等进行研究。 综 合国外情况，国外对导水裂隙带发育规律研究不足，对覆岩结构的分析研究不如我国。 西方国家所规定的临界拉伸变形值与水体下安全开采有关，但不是主要因素，更重要的 是有无效的第四系粘土存在及基岩中风化带的性质，隔水层的性质、位置及厚度；其次 是煤层的产状和导水裂隙带的发育高度。 国外规程所规定的临界值并不是导水裂隙带处 的实际变形。 我国在广大科技工作面的努力之下，在各类水体下开采试验规模非常大，已经安全 2 1 绪论 采出大约 2 亿多吨煤炭。 我国科技工作者在各种水体下采煤过程中积累了大量宝贵的经 验和大量科研数据，我国的水体下采煤技术在世界上己处于领先的地位。 我国煤矿突水研究早期一直借用原苏联В.Д.Слесарев（斯列萨列夫， 1948） “安全水头”概念和预测突水的简支梁理论公式。六十年代，在华北治水实践中， 引进匈牙利的相对隔水层厚度概念， 煤科院西安分院提出突水系数法作为煤层底板突水 的判别模型，此后又对这一模型进行了一定的修正，考虑了地质、水文地质、采矿、岩 石力学等多方面几十种因素。 七十年代，淄博矿务局利用突水资料，用统计方法得出了突水预测的经验公式。现 场观测和试验是当时的另一个研究重点，通过导水裂隙带高度与岩体强度之间的关系， 总结不同覆岩条件下煤层采出厚度与冒高、裂高的相关关系式，研究方法拓展到统计分 析，但仍以定性描述为主。总体上说，该阶段仍处在经验积累阶段。其研究特点为以 上覆岩体地质环境为主要研究内容，但岩体力学环境已开始日益受到重视，研究方法已 从定性描述和分析向定量化研究迈出了可喜的一步。 20 世纪 80 年代以来，随着国民经济对能源需求的不断增长，许多水体下积压的煤 炭资源，相继进入了开发阶段。在借鉴国内外经验的同时，大规模开展了对水体下（包 括含水层下）采煤覆岩导水裂隙带发育规律和防水煤（岩）柱留设的研究。我国开展了 许多水体下采煤的专题性研究，取得的突破性进展体现在以下几个方面 （1） 七十年代后期到八十年代, 按照岩体结构控制论的观点， 开始从覆岩变形破坏 过程、影响因素等方面探讨导水裂隙带的形成机制，进行顶底板水的防治和预测。八十 年代后期进入九十年代，认识到隔水层是由厚度较小的不同岩层组合而成，且其中的关 键隔水层才能很好地满足梁、板的厚度长度比条件，提出隔水层中起关键作用的关键层 理论[5-6]。1981 刘天泉在国内率先提出了覆岩破坏学说[7]。认为长壁开采后，覆岩变形 特征及导水性能将上覆岩层分为“三带” ，目前国内主要以此理论为研究顶板透水机理 的基础。此后山东科技大学高延法教授[9]突破了传统的三带观念，提出岩移“四带”模 型， 将基岩依其破坏后的力学结构特征划分为破裂带、 离层带、 弯曲带和松散冲积层带， 进一步拓宽了对顶板透水机理的认识。中国科学院院士宋振骐等[8]提出了煤矿水害事故 的预测和控制的理论及相关信息基础，为煤矿安全高效开采及管理的信息化提供了基 础。 （2）在透水水源位置的研究上，营志杰等[10]利用矿井地质工作方法及矿井直流电 法分析了顶板潜在透水构造对安全生产的影响程度。 陈朝阳等[11]根据各含水层典型水样 的化学资料，用判别分析方法建立顶板透水的水源判别模型，以指示测试透水点水样来 自哪个含水层和给出归属该含水层的概率。 洪雷等[12]利用最大效果测度值法对燕子山矿 层工作面透水水源及成因进行了研究。 马广明等[13]利用井下直流电法与红外测温技术预 测回采工作面顶板隐伏含水区。 3 西安科技大学工程硕士学位论文 （3）在透水量预测方面，现场常用的方法是类比法，有的学者采用了统计学方法、 力学平衡和能量平衡方法，并在研究、验证预测透水量的数学模型研究方面做了大量工 作[14]。 中国矿业大学的武强等[15]提出了解决煤层顶板透水灾害定量评价的 “三图一双预 测法” ；煤炭科学研究总院西安分院的郑纲[16]以东滩煤矿十四采区为例，采用模糊聚类 分析法预测顶板砂岩含水层透水量；周笑绿、杨国勇等[17]将稳定涌水量通过比拟方法换 算为最大透水量的近似计算方法对东滩矿三煤顶板透水量进行了预测。 国外动态预测软 件Zone Budget对预测精度要求较高的回采工作面的整体和分段工程涌水量动态预测问 题的研究，具有一定优势。 （4）在研究覆岩空间结构对顶板含水层透水性影响研究方面，王强等[18]利用综合 物探技术查明煤矿老窑采空区、陷落柱及断层的赋水性，是较为有效的方法之一，特别 是利用瞬变电磁方法对断层赋水性的研究效果较好。 北京科技大学姜福兴[19]基于微地震 定位监测技术研究覆岩空间结构的形成过程和范围， 进而确定顶、 底板破裂范围和程度， 确定导水裂隙带高度，对判断顶板是否透水提供了依据。 （5）在顶板水害预测方面，刘小松、张海荣等基于GIS对东滩煤矿顶板透水进行了 预测预报，从建立透水的概念模型到运用GIS的手法进行建模并得出最终结果[20-21]。淮 北矿业集团的张立标等[22]采用“大井法”使顶板含水层的水位会降至其底板，相邻区段 煤层顶板含水层水同时被疏放,为工作面采掘生产消除了水患达到防治水的目的。 （6）在研究手段方面，国外如乌克兰科学院[23]曾采用沙、石蜡油、石墨混合物作 相似材料模拟发生在泥质岩石层的底臌；Jacoby 等[24]采用甘油、熔融石蜡等模拟地幔 对流和板块的驱动作用；Wiens、Kincaid 与 Olson 分别用熔融的石蜡、糖浆等作为岩 石圈，模拟板块碰撞过程中通过重力作用使板块俯冲下插的过程[25-26] [27] 。Shemenda 也 采用石蜡、矿物油、石膏等半塑性混合材料和水分别作为岩石圈和软流圈，模拟板块俯 冲碰撞这一动力学过程。国内如长江水利水电科学研究院[28]也以石蜡油做胶凝剂，模拟 强度较低、变形较大的塑性破坏型岩体和泥化夹层，因为石蜡油适合于模拟塑性破坏型 岩体。陕西省煤炭科学研究所张少春、西安科技大学侯忠杰教授、张杰等[29-31]进行了多 架次的固体相似模拟实验和“固-液”耦合相似模拟实验，从研究手段上丰富了对顶板 透水机理的认识方法。但其研究主要在于浅埋煤层方面，对埋深较大的顶板透水研究有 待于加深，并且“固-液”耦合实验还处于摸索阶段，还需作更深层次的研究。 在数值模拟分析方面，七十年代后期，岩体力学的数值模拟逐渐在突水机理及预测 中发挥作用，并以其复杂条件的适应性和具有应力应变史的“记忆”功能等优势，逐渐 广泛应用于突水研究的各个方面。 淮南矿业学院的桂和荣等[32]将岩体力学弹塑性有限元 理论与无拉力分析原理相耦合建立了“大采高FEM-NTA耦合模型” ，采用应力法预测最 大导水裂隙带高度，取得了一定成果；中南工业大学的徐国元[33]等用程序SAPS作为主 程序，结合自编的后处理程序分析了顶板围岩中导水裂缝发育情况，为进行导水裂缝扩 4 1 绪论 展高度的预测提供了一种新的方法； 杜时贵[34]等采用非线性有限元程序分析了在不同倾 角影响下应力分布规律，预测采空区覆岩“三带”高度，并应用于实际。东北大学杨天 鸿，唐春安教授[35]采用自行开发的RFPA-Flow软件，以大柳塔煤矿某工作面为例，对开 采过程中覆岩移动全过程及渗水机理分析进行了数值模拟，认清了开采覆岩冒落带、裂 隙带高度、含水层渗水机理等基本问题。 以往研究虽然在顶板透水机理及防治等方面取得了很大进展， 但还有很多问题有待 进一步的扩充和发展。比如不同地质和开采条件下顶板透水机理、富水覆岩顶板裂隙演 化、破坏规律和覆岩潜水渗流规律、导水裂隙发育高度及变化规律等等。近年来，伴随 综采放顶煤开采技术的实施， 有必要对综放开采条件下的覆岩运动和顶板底突水和瓦斯 突出机理做进一步的研究。 1.3 本文拟采取的研究方案及技术路线 1.3.1 研究内容及方法 研究内容以陕西彬长矿区大佛寺煤矿首采 40301 综放工作面为研究对象， 在查清大 佛寺矿区具体工程地质条件以及地下水源信息特征的基础上，采用物理相似模拟、数值 模拟和理论分析相结合的方法，研究综放开采条件下覆岩顶板的破坏规律、导水裂隙带 形成规律、含水层水介质与工作面围岩相互作用规律，揭示在多种因素综合作用下综放 工作面顶板透水灾害机理，初步对 40301 工作面透水灾害做出准确的预测，最后提出具 体控制措施，具体内容如下 （1）通过基础地质研究分析顶板隔水层位置及岩层基本特征，顶板构造破坏情况 以及顶板含水层数目位置，厚度含水特征（包括含水性质、面积、富水区域分布、水压 力及补给水源情况）等基本的工程地质条件，为进一步研究工作面顶板透水的基础和条 件； （2）通过物理模拟的方法对综放工作面回采过程进行模拟，获取工作面采动顶板 运动破坏信息，包括在既定工作面长度下，进入破坏的上覆岩层范围、顶板垮落“三带” 发展规律、老顶厚度导水裂隙带高度以及老顶的周期来压情况，特别注意可能进入导水 裂隙带的隔水（含水）岩层在重力作用下的初次断裂和周期性断裂步距。 （3）以工作面工程地质条件为基础，开展地下开采引起的含水层潜水渗流试验， 进行“固液耦合－裂隙演化”综合试验研究，认识和研究覆岩裂隙分布规律及顶板透水 机理；并且对工作面可能产生的灾害进行预测。 （4）利用有限差分法程序对工作面综放开采过程进行模拟分析，获取工作面围岩 应力场、破坏场、位移场、渗流场以及覆岩潜水渗流过程中的渗流量等信息。根据研究 结果制定顶板透水灾害控制原则，提出可行的技术措施和控制方案。 5 西安科技大学工程硕士学位论文 1.3.2 技术路线 富水覆岩综放工作面顶板透水机理及控制技术研究 工程地质及水文地质调查 工程地质条件分析 试验研究 物理模拟实验研究 数值模拟分析 顶板透水机理及控制技术 图 1.1 技术路线 6 2 大佛寺煤矿地质与开采技术条件 2 大佛寺煤矿地质与开采技术条件 2.1 矿井位置和首采区概况 大佛寺矿井地处彬县县城以西约 12km（图 1-1） ，位于彬长矿区南部边界，属彬县、 长武两县管辖。井田东北部的 312 国道的西兰公路段，从矿井工业场地通过。以大 佛寺为中心向南距宝鸡 150km，距西安 160km，向西北 30km 至长武县城，与宝（鸡） 庆（阳）公路相接，向东 140km 可到达铜川。区内各县、乡之间均有公路相通，公路 运输十分方便。 大佛寺井田大佛寺井田 306省道 彬县 312国道 西 宝 高 速 公 路 312国道 宝鸡市 西安市 咸阳市 长武 灵台 麟游 凤翔 千阳 陇县 崇信 泾川 镇原 合水 宁县 正宁 旬邑 淳化 三原 高陵 临潼 渭南 洛川 黄陵 宜君 铜川市 耀县 富平 白水 蒲城 礼泉 乾县 永寿 图 1.1 大佛寺矿井地理位置布局图 2.2 地质概况 2.2.1 地层及地质构造 （一）地层 矿区位于黄陇侏罗纪煤田的中段， 地处鄂尔多斯盆地南缘渭北挠褶带北缘的庙彬凹 陷， 形成于鄂尔多斯盆地发展中期， 其主体构造以东西向宽缓褶皱为主， 少见断裂构造。 根据钻孔、沟谷中地层揭露，井田内的地层由老至新为三叠系上统胡家村组；侏 罗系下统富县组、中下统延安组，中统直罗组、中统安定组；下白垩统宜君组、洛河组、 7 西安科技大学工程硕士学位论文 华池环河组；上第三系上中新统小章沟组；第四系更新统及全新统，现分述如下 1、三叠系上统胡家村组（T h） 3 以灰～深灰色泥岩和浅灰色细～中粒砂岩为主，底部为油页岩层，泥岩质纯细腻， 水平纹理发育；砂岩分选好，胶结致密层理均匀。 2、侏罗系（J） 1）下统富县组（J1f） 与下伏三叠系呈假整合接触，厚度为 0～37.3m。岩性为灰～灰绿色铝质泥岩、泥质 粉砂岩、细粒砂岩，底部局部为角砾岩，砾石成分为三叠系砂岩和泥岩。泥岩呈团块状， 松软易破碎，含鲕状菱铁矿结核，具质纯、细腻、光滑、遇水膨胀。 2）中下侏罗统延安组（J1－2y） 井田内地表无出露，厚度为 13.36～106.95m。下部为灰褐～灰色鲕状菱铁矿结核铝 质泥岩、深灰色泥岩、砂质泥岩和一层特厚煤层。中部为灰白色厚层状细～粗粒长石石 英砂岩，灰～深灰色砂质泥岩、粉砂岩夹一层厚煤层和 1～2 层薄煤层。上部为浅灰色 厚层状细～粗粒砂岩和浅灰色、灰绿色、灰褐色泥岩、砂质泥岩及粉砂岩，顶部为一层 厚约 2m 的紫色含铝质泥岩。 3）中侏罗统直罗组（J2z） 与下伏延安组假整合接触，厚 8.63～49.16m，上部以灰绿色、紫红色、紫灰～蓝灰 色泥岩为主，夹灰绿色、灰紫色中粗粒砂岩；下部以灰绿～灰白色砂岩为主，夹紫灰色、 灰褐色泥岩、砂质泥岩，底部常为含砾砂岩。砂岩杂基含量较高，胶结物以铁为主，次 为钙质，交错层理发育。泥岩中细碎屑含量较高，多为块状，层理不明显。 4）中侏罗统安定组（J2a） 与直罗组假整合接触，厚度为 33.74～140.55m。为紫红色、棕红色砂质泥岩、粉砂 岩，夹青灰、蓝灰、灰紫色含砾粗砂岩，底部为巨厚层含砾粗砂岩，胶结松散。砂岩成 熟度低， 以岩屑长石杂砂岩为主， 次为长石石英杂砂岩及石英杂砂岩， 次棱角状分选差， 铁质钙质胶结，具大型交错层理。砂岩杂基含量较高。常夹灰～深灰色湖相泥岩层，泥 岩含砂量高，并富含钙质及钙质结核和泥灰岩透镜体。 3、白垩系（K） 1）下白垩统宜君组（K y） 1 与安定组假整合接触，厚度为 4.70～46.68m。岩性为浅棕红～紫灰色巨厚层状粗砾 岩，夹粗粒砂岩透镜体。砾石成分主要为花岗岩、片麻岩，次为石英岩、石灰岩，砾径 一般大于 5～15cm，最大 20cm 以上，砾石滚圆度好，分选差。基底式及孔隙式钙质胶 结，致密坚硬。 2）下白垩统洛河组（K l） 1 出露于河谷两侧。上部以紫红～浅棕红色粗砾岩为主，顶部为紫红色中粒长石砂岩 8 2 大佛寺煤矿地质与开采技术条件 夹粗砾岩，一般厚 60～80m，下部为棕红色细～中粒长石石英砂岩，长石石英砂岩夹中 厚层状中～粗砾岩及暗红色薄层泥岩，一般厚 70～100m。砂岩分选差，次圆状～圆状， 钙质胶结，较坚硬。 3）下白垩统华池环河组（K h） 1 岩性以紫杂色、灰绿色泥岩、粉砂岩为主，夹中～细粒砂岩，局部夹泥灰岩。薄～ 中厚层状，水平纹理发育。厚度为 0～137.20m。 3 4、上第三系上中新统小章沟组（N ） 1 分布于黄土层以下，出露于沟谷两侧，不整合于中生界各组地层之上。一般厚 60 米左右，为棕褐色粘土、砂质粘土，底部常见浅棕灰色砂砾石层。粘土致密坚硬，含大 量钙质结核，砂砾成分复杂，分选滚圆度差，半成岩。 5、第四系更新统（Q1-3）及全新统（Q ） 4 在井田内发育良好，更新统组成厚的塬面黄土，底部为下更新统（Q1）与下伏三趾 马不整合接触，为浅棕灰色砂质粘土层，含分散状大姜石结核及不明显退化古土壤层， 厚约 40 米。中上部更新统（Q2）为浅黄褐色黄土夹浅棕红色古土壤及不连续的姜石层， 对比为离石黄土，厚约 61 米。顶部为上更新统马兰黄土（Q3） ，厚 4～8 米，灰黄色， 孔隙大、疏松垂直节理发育，渗透性强。河床两岸一级阶地以下土层；砂砾石层及塬边 坡积为本区最新沉积全新统（Q ） ，一般厚为 4～12 米，最大厚度为 37 米。 4 6、含煤地层 中下侏罗统延安组为本区唯一含煤地层，属于平原河流环境含煤构造。根据沉积组 合特征、物性特征及古生物特征，以 4 上煤层之上的厚层河道砂岩为界，将该组划分为 上、下两段。现将各段岩性、物性特征简述如下 1）下段 岩性特征底部为浅灰色、褐灰色铝质泥岩，局部含粉砂，块状层理，含菱铁矿结 核。靠近煤层颜色变深，并含植物根系化石，厚 0.40-14.12（K1 标志层） 。 上部以河流决口扇远端、 扇前缘沉积的灰色细－中粒砂岩、 砂质泥岩为主， 夹灰色、 深灰色沼泽沉积粉砂岩、泥岩、炭质泥岩和薄煤。沉积构造主要为交错机理、透镜状层 理、脉状层理、平行波状纹理等。靠近 4 上煤层顶板的深灰色泥岩中，富含植物化石及 其碎片。 在井田北缘为灰－深灰色湖泊沉积泥岩， 水平纹理发育。 本段地层厚 0～100m， 一般厚 40～80m。厚度变化规律为东厚西薄，南厚北薄。 2）上段 岩性特征 下部为灰白色河道沉积细～粗粒砂岩， 具大型交错层理， 粒度向上变细， 成熟度较低。一般厚 3～15m。上部以洪泛平原沉积粉砂岩、砂质泥岩为主，夹支流河 道砂岩和岸后沼泽沉积薄煤层。颜色以褐灰、绿灰及灰色为主，局部深灰色，具交错层 理、透镜状层理、脉状层理、平行波状层理等。3 煤层顶部含植物化石及其碎片。本段 9 西安科技大学工程硕士学位论文 地层系统 层 号 层厚 （m） 累厚（m）岩性 岩性描述 系 统 组 段 浅棕黄色黄土、夹 10－18 层棕红色古土壤、 下部古土壤层密集，上部古土壤系数 1 125 125 第四系 黄土 棕红色，巨厚层状，细粒砂状结构，成份为 石英。长石，含少量岩石碎屑，分选好，胶 结半坚硬，具有板状层理，局部夹粗粒砂岩， 上部夹两层砾岩层。125.00-129.00 细砾岩， 135.20-140.16 粗砾岩。 洛 河 组 长石石英 细粒砂岩 2 59.5 184．5 下 白 变质岩－花岗岩屑粗砾岩，紫红色，巨厚层 状，粗粒结构，砾石成份以花岗岩屑，变质 岩屑为主，石英岩屑次之，含少量石英岩屑， 分选差，粒径一般 5－10 厘米，次园状，砂 泥质充填，胶结坚硬，无层理，夹同色砂岩 透镜体。 垩 统 宜 君 组 3 29.6 214.10 粗砾岩 4 24.95 239.05 砂质泥岩 紫红色，厚层状，含兰灰色砂岩斑点与团块 夹灰白色粗粒砂岩薄层，岩芯松软。 中 5 4.4 243.45 长石石英 粗粒砂岩 灰白色，巨厚层状，粗粒砂状结构，成份石 英长石，含岩石碎屑，分选差，棱角状，半 坚硬，无层理。 侏 罗 系 罗 统 安 定 组 J J 2 紫红色，含兰灰色斑点，夹粗粒砂岩薄层。 岩芯破碎，与下层分界明显。 6 43.65 287.10 砂质泥岩 铝土质 7 9.36 296.46 泥岩 浅灰与紫灰色，厚层状，质细光滑，夹中细 粒砂岩薄层。 8 4.58 301.04 长石石英 细粒砂岩 浅灰色，中厚层状，细粒砂状结构，成份以 石英长石为主，分选中等，次棱角状，坚硬， 中夹兰灰色及紫红色泥岩薄层。 具脉状层理。 直 罗 组 紫红色，中厚层状，夹中粗粒砂岩。 9 8.46 309.50 砂质泥岩 粗粒长石石英杂砂岩，灰白色，巨厚层状， 粗粒砂状结构，分选差，局部含泥砾与黄铁 矿结核。 长石石英 粗粒砂岩 10 6.50 316.00 浅灰色夹紫红色，厚层状，夹中粒砂岩薄层。 11 3.40 319.40 砂质泥岩 10 2 大佛寺煤矿地质与开采技术条件 含砾粗粒长石石英砂岩，灰白色，巨厚层状， 粗粒砂状结构，成份为石英长石。分选差， 胶结半坚硬，中上部砾石含量较多。 12 9.10 328.50 粗粒砂岩 13 2.51 331.01 粗粒 砂岩 长石石英砂岩，灰白色，巨厚层状，粗粒结 构，含少量云母，分选中等，胶结坚硬，含 镜煤条带。 中 下 侏 14 0.55 331.56 3 煤 1 黑色，半暗型，条带结构，内生裂隙发育。 罗 15 1.20 332.76 铝土质泥 岩 深灰色，厚层状，具滑面，夹镜煤条带，含 黄铁矿。 统 16 0.40 333.16 3 煤 2 黑色，半暗型，含黄铁矿结核。 上 段 J1-2 17 3.50 336.66 细粒砂岩 浅灰色，中厚层状，细粒砂状结构，含黄铁 矿结核。 18 1.32 337.98 泥岩 上 0.75 米为炭质泥岩， 下部 0.57 米为砂质泥 岩。 19 7.87 345.85 细粒砂岩 长石石英砂岩，浅灰色，中厚层状，细粒砂 状结构，分选中等，含植物化石与黄铁矿结 核。夹多层泥岩薄层与条带，具脉状层理， 变形层理，底 0.8 米为泥岩 延 安 组 下 段 黑色，为半暗煤。条带状结构，内生裂隙发 育。0.84（0.3）0.50。 20 1.64 347.49 4 上-1 煤 黑灰色细粒砂岩。 21 0.60 348.09 细粒砂岩 黑色半暗型煤，条带状结构，含黄铁矿结构。 22 1.23 349.32 4 上-2 煤 黑灰色细粒砂岩。 23 0.81 350.13 细粒砂岩 黑色半暗型煤，内生裂隙发育，含黄铁矿结 构。 24 1.19 351.32 4 上煤 深灰色，厚层状，具水平纹理，含丰富的植 物化石。 25 1.00 352.32 泥岩 泥质粉砂 岩 浅灰色，中厚层状，中夹泥岩薄层，具脉状 层理。 26 2.47 354.79 粗粒长石石英砂岩灰白色，巨厚层状，粗 粒砂状结构，成份为石英长石，含少量云母， 分选中等，中部含石英砾石，半坚硬，含大 27 7.51 362.30 粗粒砂岩 11 西安科技大学工程硕士学位论文 量植物茎干和黄铁矿结核，下部变细。 上 1.70 米为砂质泥岩，下部 0.38 米为薄煤。 28 2.08 364.38 砂质泥岩 深灰色，中厚层状，中上部夹细砂岩，含丰 富的炭化植物化石碎屑。 29 2.62 367.00 泥岩 深灰色，中厚层状，夹砂岩薄层，具透镜状 层理，含植物化石与黄铁矿结核。 30 5.71 372.71 砂质泥岩 深灰色，厚层状，具水平纹理，夹细粒砂岩 条带，含叶部化石，中部夹一层灰色粉砂岩。 31 4.85 377.56 泥岩 长石石英砂岩，灰白色，巨厚层状，蝇粒砂 状结构，半坚硬，含黄铁矿结核。上部 1.20 米细粒砂岩夹泥岩。 32 4.97 382.53 中粒砂岩 深灰色，厚层状，具水平纹理，富含植物叶 部化石，夹粉细砂岩薄层。 33 3.26 385.79 泥岩 黑色，半亮型，条带结构，条痕黑色，性脆， 内生裂隙发育，结构简单，仅顶部夹矸石一 层。0.15（0.50 米砂岩）16.57。 34 17.22 403.01 4 煤 浅灰褐色