榆阳煤矿保水开采的工程地质条件_蒋泽泉.doc

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20～40cm，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。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，大部分为中厚～厚层状。 结构面较层状结构岩体为 图2 榆阳煤矿岩土结构特征 a－散体结构；b－碎裂结构；c－层状与块状结构 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。2．2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）。 土体类包括松散沙层组及土层组。①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。该沙层极为松散，透水性强，压缩性大，强度低。第四系上 第5期 蒋泽泉吕文宏表1 榆阳煤矿保水开采的工程地质条件岩土体工程地质分类表 饱合单轴抗压强度/MPa * 31 工程地质分类 大类土体 岩类极软弱 ＲQD/044．2 软弱 岩体 劣的63．0 半坚硬 67．867．4 岩石质量极劣的劣的煤岩组中等的好的好的 岩层组松散沙层组土层组基岩风化组12．94泥岩、泥质粉砂岩钙质硅质泥岩 砂岩 空间分布 基本全区分布，风积成因及冲湖积成因。均隐伏于萨拉乌苏组松散沙层以下。 岩体结构 散体结构碎裂结构 3．2可采煤层和 不可采煤层11．338．336．1 基岩顶部20m左右 层状结构煤系地层煤系地层煤层基本顶板 层状结构块状结构块状结构 更新统萨拉乌苏组，主要分布于北部和西南部，岩性粉细砂为主，其中夹粉土及淤泥质粘土。该以细砂、 层孔隙率大，承载力低，稳定性差；②土层组。主要为中更新统离石黄土和下更新统午城黄土，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。从邻区小纪汉井田土工试验资料， 干密度1．51～黄土密度一般为1．87～2．07g/cm， 软弱岩石，强度小，稳定性差；②煤岩组。对区内 4－1、4－2、7煤层采取了力学样进行测试分析。3、 从煤层的物理力学性质（表2）可见，各煤层干燥抗压强度15．9～21．4MPa，平均18．4MPa；饱抗压强度11．6～15．1MPa，平均12．94MPa。软化系数0．54～0．95，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；③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。根据本次岩石实验资料，一般单轴干燥抗压强度66．1～97．8MPa，平均抗压强度75．3MPa；饱水抗压强度3．2～17．8MPa，平均11．3MPa；软化系数0．05～0．26，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；④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65．9～85．8MPa，平均为75．9MPa；饱水抗压强度35．6～40．9MPa，平均为38．3MPa；软 表2 煤的物理力学性质统计表 吸水 率/8．338．23 单轴抗压强度/MPa干燥饱水 抗剪断强度（饱水）软化 系数cφ /MPa/（）// // 块体密度 /（gcm－3）天然干燥 34－14－27 1．441．321．421．431．201．29 1．72g/cm3；孔隙比为0．584～0．807；天然含水量20．1～24．8。原状饱合黄土的压缩系数多为0．2～0．3MPa－1，属中等压缩性土；个别压缩系数较属高压缩性土；抗剪强度较大。黄土内大为0．08， 摩擦角φ值在23．1～26．6之间，粘聚力c值为22．0～79．0，数值均较大，故在天然状态下具有较高的抗剪强度。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，黄土土质较紧密坚硬，颗粒均匀，承载力较高，稳定性较好。 岩体类包括软弱岩类和半坚硬岩类两大岩类。软弱岩类包括风化岩组、煤岩组及泥岩组。半坚硬岩类包括钙硅质泥岩组、砂岩组。①风化岩组。指基岩顶部20～30m深度范围内具有已风化特点的岩石，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。据邻区小纪汉井田勘探基岩风化裂隙带采样试验结果，风化带基岩干燥抗压强度10．0～23．3MPa，平均为17．6MPa，饱水抗压强度0．3～6．3MPa，平均为2．32MPa，软化系数为0．01～0．29，平均为0．12。ＲQD值为44．2，属劣质的 煤层比重 20．113．00．6515．915．10．95 1．431．201．3210．3321．411．60．541．6839．51．421．131．2611．5416．112．00．75 / / 32陕西煤炭2014年 平均为0．51。表现出工程地质化系数0．48～0．54， 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；⑤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“七里镇砂岩”最为突出，其次为各煤层之上的砂岩。依据已有的取样分析结果来看 表3 钻孔编号ZP1 岩石名称砂质泥岩粉质泥岩砂质泥岩 容重/（gcm－3）天然2．522．842．48 干燥2．452．582．32 比重2．682．682．67 干燥52．7852．6648．57 （表4），粉砂岩平均饱水抗压强度34．50MPa，软化系数0．50；细砂岩平均饱水抗压强度46．2MPa，软化系数0．84；中砂岩平均饱水抗压强度34．4MPa，软化系数0．69。砂岩组为抗水、抗风化和抗冻性较好的岩石，工程地质性能较好。ＲQD值67．4，岩石质量为中等至好的。 泥岩的物理力学性质测试结果 饱和24．6419．4218．02 软化系数0．470．370．37 弹性模量，104/MPa1．841．892．03 泊松比0．210．170．17 内聚力/MPa1．442．011．36 内摩擦角/（）49．5251．3441．79 抗拉强度/MPa1．171．610．93 抗压强度/MPa ZP2 表4 岩性 比重2．69～2．732．71（4）2．68（2）2．65～2．672．66（4） 块体密度/（gcm－3）天然2．33～2．462．39（4）2．22～2．242．23（2）2．05～2．352．20（4） 干燥2．44～2．532．48（4）2．35～2．362．36（2）2．18～2．412．32（4） 砂岩组物理力学性质统计表 吸水率/2．86～4．943．93（4）5．19～5．455．32（2）2．77～6．985．60（4） 单轴抗压强度/MPa干燥56．5～89．071．80（4）43．6～58．651．1（2）27．7～60．049．4（4） 饱水21．5～45．734．50（4）38．0～47．142．6（2）16．6～51．934．4（4） 软化系数0．26～0．630．50（4）0．80～0．870．84（2）0．56～0．940．69（4） 抗剪断强度c/MPa2．47～5．313．74（4）3．04～4．933．99（2）3．74～8．655．35（4） φ/（）37．0～38．737．5（4）36．9～38．837．9（2）36．5～37．537．0（4） 粉砂岩 细砂岩 中砂岩 本次研究同样对多组粉砂岩、细砂岩及中砂岩进行了物理及力学性质测试，相关的测试成果如表 表5 岩性 比重2．72～2．722．72（3）2．68～2．732．71（5）2．67～2．722．69（5） 吸水 率/3．29～4．884．16（3）1．56～11．46．32（5）0．62～13．26．10（5） 5所示，虽然与已有的成果存在一定差异，但岩石质量同样为中等至好的。 砂岩组物理力学性质测试成果表 单轴抗压强度/MPa干燥 饱水7．66～17．512．18（3）10．49～23．318．67（5）8．82～24．618．10（5） 软化系数0．25～0．310．28（3）0．30～0．630．52（5）0．42～0．780．56（5） 抗剪断强度c/MPa2．08～4．203．24（3）1．61～3．212．23（5）1．18～2．271．61（5） φ/（）53．42～58．455．48（3）51．93～61．856．51（5）51．79～65．857．52（5） 粉砂岩 30．66～63．943．68（3）28．62～43．036．41（5）21．05～43．231．91（5） 细砂岩 中砂岩 3 3．1 关键隔水层隔水性及采动影响变化 午城黄土的隔水性 存的午城黄土。对3组午城黄土进行了颗粒分析，结果如表6所示，经过测试可以看出午城黄土粉粒含量最多，砂粒及粘粒含量较小，结合塑液限测试结果土体类型划分为粉质粘土或粉土（亚粘土），因此午城黄土仅可视为相对隔水层。 这里所指的关键隔水土层主要为午城黄土和离 石黄土，本次研究针对这两层黄土特别是大面积赋 第5期 蒋泽泉吕文宏榆阳煤矿保水开采的工程地质条件 * 33 针对午城黄土进行了粘土矿物通过钻孔取样， 成分相当定量分析，结果如图3、表7所示，并对比该地区离石黄土的矿物成分分析结果，可以看出两者均含有较多的蒙皂石、伊利石、高岭石且有部分伊 表6 土样编号ZN－1ZN－2ZN－3 取样深度 /m 0．5～0．25 6．1～6．256．85～7．007．60～7．75 砂粒 0．25～0．075 8．716．432．0 蒙混层、绿泥石等矿物，说明其遇水有一定的膨胀性，可以起到隔水作用。但午城黄土中高岭石含量较高而蒙皂石相对较低，说明午城黄土较离石黄土有一定的差异。 午城黄土土工试验成果表 粉粒0．075～0．005 77．968．755．4 粘粒＜0．00513．414．912．6 27．626．224．3 18．015．816．2 9．610．48．1 粉土粉质粘土夹砂粉土夹砂 液限/ 塑限/ 塑性指数 土体命名 颗粒百分比/ 在隔水粘土层露头处开挖长方体土坑，土坑底 50cm，部整理平整，将直径分别为25cm、高度均为20cm的两个铁环以同心状压入坑底10cm，并确保试验段土层未被扰动。在内环（直径25cm的铁环）中直接进行原位定水头试验，初始注入内环和 外环10cm深的水（添加离子标记颜色），试验中两环水位波动幅度控制在0．5cm以内，在试验的前30min内每5min测定一次注入量，之后每30min 图3表7 样品序号 12 土样名称离石黄土午城黄土 午城黄土矿物成分衍射光谱粘土相对定量分析结果 矿物成分含量/ S2417 I/S153 I2516 K2347 Cl1116 O21 测定一次注入量。由于外环与内环的水同时渗流，在一定程度上保证内环中的水为垂向一维渗流，因此以内环最后一次测定的注入量为基础，依据公式计算午城黄土的原位渗透系数，其中Ha按经验取z则通过注水试验后现场开挖实测获得。原位值， 双环注水试验的测定结果较室内变水头试验测定的渗透系数较小，说明在原始应力状态下颗粒更趋于紧密，更接近于土体的天然隔水性。综上所述，离石黄土及午城黄土天然状态下相对上覆沙层潜水起到一定的隔水性，但其隔水性能并不显著，在厚度较薄时容易受采动影响。3．3 沙层厚度空间变化及与煤层间距变化根据勘探阶段的成果可以得出沙层厚度的空间变化，区内沙层最厚处位于井田西南角，厚度大于90m（ZK0906钻孔附近），最薄处位于井田南部，几乎尖灭（ZK0904钻孔附近），其余部分沙层厚度变化不大，多集中于40～80m之间。沙层煤层间基岩厚度变异较大，煤层与沙层最近处位于中部偏北地区，有80．46m（钻孔ZK0703间距最大处位于西部有200．07m（ZK302钻附近），孔附近），其余绝大部分区域沙层与煤层间距为110～190m。 注Cl－绿泥石；K－高岭石；S－蒙皂石；I/S－伊利石/蒙皂石混层；I－伊利石；O－其它 通过南55变水头试验测定其渗透系数有离石 黄土0．04～0．13m/d，午城黄土较离石黄土形成的时间略早，渗透系数与离石黄土相当，室内试验测定为0．03～0．11m/d。3．2午城黄土的渗透性 由于室内试验测定粘土样渗透性时粘土样已经受到明显的扰动，为进一步研究粘土层的渗透性，需要进行粘土层渗透性的现场原位测试。目前，对岩土层渗透性的原位测试手段主要有放水试验、抽水试验、压水试验及注水试验等，而离石黄土和午城黄土是粘性土，因此压水试验和注水试验更适宜测定其渗透性，这里采用坑体开挖原位双环注水试验测定午城黄土层的渗透性。 34陕西煤炭2014年 4结论 得上覆潜水越流进入矿井。参考文献 ［1］范立民．论保水采煤问题［J］．煤田地质与勘探， 33（5）50-53．2005， ［2］范立民，蒋泽泉．榆神矿区保水采煤的工程地质 J］．煤田地质与勘探，2004，32（5）32-35．背景［ 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JIANGZe-quan1，LUWen-hong2 （1．Team185，ShaanxiCoalfieldGeologyBureau，Yulin719000，China；2．ShaanxiZhongnengYuyangCoalfieldCo．，Ltd，Yulin719000，China） AbstractTherockmassclassificationofYuyangCoalMineisintroduced．Thethicknessofmainmineablecoalseam，overburdenstructure，engineeringgeologicalcondition，rooftype，aquicludesimpermeabilityisanalyzedandresearched．Keywordswater-preservedmining；engineeringgeologicalcondition；rockmasstype；Yushenminingarea 檪檪檪檪檪檪檪檪殏 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏 檪檪檪檪檪檪檪檪殏 本刊声明 本刊已许可中国学术期刊（光盘版）电子杂志社在中国知网及其系列数据库产品中以数字化方式复制、汇编、发行、信息网络传播本刊全文。该社著作权使用费与本刊稿酬一并支付。作者向本刊提交文章发表的行为即视为同意我刊上述声明。 陕西煤炭编辑部 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏