河南省煤田地質(zhì)局 一隊(duì) 李紅偉

焦作中站工業(yè)規(guī)劃集聚區(qū)采空區(qū)冒落帶分布特征及影響因素研究

河南省煤田地質(zhì)局 一隊(duì) 李紅偉

焦作中站工業(yè)規(guī)劃集聚區(qū)位于焦作市西部中站區(qū)。該地區(qū)是一個(gè)開發(fā)歷史悠久的老煤礦工業(yè)基地，希望通過綜合治理在此建造一個(gè)新型現(xiàn)代化工業(yè)集聚區(qū)。該區(qū)主要的大型礦井有李封礦和王封礦，主要開采二煤和一煤。李封礦已有70多年的開采歷史，于1988年進(jìn)行回采；王封礦主要在20世紀(jì)50—60年代開采，于1993年進(jìn)行回采。另外，該區(qū)還有多個(gè)小礦，主要開采二1煤及硫鐵礦。本文，筆者簡(jiǎn)述了該地區(qū)的地形地貌和底層探測(cè)構(gòu)成，并以此為基礎(chǔ)，綜合考慮影響冒落帶高度的各種因素，得出了該地區(qū)的冒落帶分布情況，為該地區(qū)的規(guī)劃建設(shè)提供了依據(jù)。

一、探測(cè)區(qū)地質(zhì)特征

1.地形地貌。探測(cè)區(qū)位于太行山南麓，北為寒武系、震旦系地層出露構(gòu)成的高山，偶見峭壁，山呈東西走向，從太行山往南地勢(shì)逐漸降低，再向南過渡為沖擊平原。

2.地層。根據(jù)探測(cè)，該區(qū)完全被新生界第四系地層覆蓋，鉆孔揭露的地層為古生界奧陶系、石炭系、二疊系及新生界的第四系。

（1）奧陶系地層。該地層呈青灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，有致密的石灰?guī)r；揭露厚度6.99 m。

（2）石炭系地層。本溪組地層由鐵礦層、鋁土質(zhì)泥巖層、砂質(zhì)泥巖構(gòu)成，厚度約20.0 m。太原組地層由砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、石灰?guī)r互層構(gòu)成，夾薄煤層。此次探測(cè)主要揭露的是中上段地層，揭露厚度為21.33 ～ 62.31 m，主要由L5，L8，L9灰?guī)r及砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖組成，一5煤層局部采空。

（3）二疊系地層。山西組地層由砂巖、泥巖互層構(gòu)成；底部含巨厚煤層（二1煤），煤層厚2.7 ～ 9.0 m，普遍發(fā)育且均被采空；該層煤為亮煤，性酥脆，具金屬光澤，具微割理，斷口呈階梯形；其中，灰色中細(xì)粒砂巖富含炭質(zhì)及白云母片，污手，砂巖層厚6 ～ 12 m；山西組地層為二1煤層頂板標(biāo)志層。該組揭露厚度為17.79 ～ 90.07 m。下石盒子組：由灰白色石英砂巖、風(fēng)化色砂巖、泥巖互層構(gòu)成；此次揭露的最大厚度為242.06 m。

（4）第四系地層。該層以黃土沙層、礫石及紅色黏土為主，含各種礦物碎屑、鈣質(zhì)結(jié)核與較圓滑的礫石，偶有底礫石存在，揭露厚度為6.96 ～ 70.12 m。

3.地質(zhì)構(gòu)造。該區(qū)位于太行山大背斜南翼，巖層走向?yàn)楸睎|–南西向，傾角為8° ～ 20°（一般為13°），構(gòu)造以高角度正斷層為主，且以走向正斷層最為發(fā)育，偶見褶皺。

（1）褶皺。鳳凰嶺背斜位于焦作以北，為奧陶系石灰?guī)r組成的山嶺，東部巖層傾向東南，西部巖層傾向西南，背斜軸北高南低，漸次傾沒于平原。受鳳凰嶺背斜的影響，鳳凰嶺以西的山嶺呈東西走向，以鳳凰嶺為轉(zhuǎn)折點(diǎn)向東的山嶺則變?yōu)楸睎|–南西走向。

（2）斷層。斷層是該區(qū)的主要構(gòu)造特征，以高角度走向正斷層為主，傾角為65° ～ 75°，以70°度最常見。因此，該地區(qū)井田被一組一級(jí)或一組多級(jí)的斷裂作用分割為不同水平的自然采區(qū)。大斷層伴生有銳夾角的支斷層分叉伸展于該區(qū)，但規(guī)模較小，呈尖滅狀。支斷層在大斷層上盤分布廣且密度大，在下盤少而稀疏；在相對(duì)條件下，地塹區(qū)多，地壘區(qū)少；在大斷層交匯區(qū)和大斷層尖滅方向發(fā)育。

二、探測(cè)區(qū)冒落帶分布特征

1.影響冒落帶高度的主要因素。影響冒落帶高度的因素主要有以下幾個(gè)。

（1）煤層開采高度及面積。煤層開采高度計(jì)算公式如下：

式（1）中，hi為礦層厚度，r為頂板巖石完整巖塊的容重，rk為塌陷的頂板巖石整體容重。

在煤層開采區(qū)探測(cè)施工中，鉆速變快，并伴有掉鉆，掉鉆厚度0.3 ～ 3.10 m，注水試驗(yàn)中全泵量（0.233 m3/min）不返水，冒落帶巖芯極破碎且成分復(fù)雜，測(cè)井曲線異常反應(yīng)明顯。經(jīng)探測(cè)，得出二1煤頂板巖性分布與冒落帶高度等值線如圖1所示。

（2）煤層頂板巖性。探測(cè)區(qū)二1煤層偽頂為薄層炭質(zhì)頁巖，厚0.3 ～ 1.2 m，對(duì)冒落帶高度的影響較??；老頂多為堅(jiān)硬、抗壓強(qiáng)度較大的中細(xì)粒砂巖，且距開采煤層較遠(yuǎn)，對(duì)冒落帶高度的影響也較??；直接頂由于距采空區(qū)較近且厚度變化較大，因而其巖性對(duì)冒落帶高度的影響最大。探測(cè)得知，該煤層直接頂?shù)膸r性主要為砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖，現(xiàn)分述如下。

①砂巖。砂巖在頂板中常表現(xiàn)為斜層理和緩波狀層理，裂隙多為高角度閉合型，屬堅(jiān)硬完整巖石，為穩(wěn)定區(qū)，在探測(cè)區(qū)內(nèi)分布較少。

②砂質(zhì)泥巖。砂質(zhì)泥巖在頂板中呈水平層理發(fā)育，常夾泥質(zhì)條帶，屬半堅(jiān)硬巖石，為較穩(wěn)定區(qū)，分布較廣，占探測(cè)區(qū)面積的80%左右。

③泥巖。泥巖頂板由于長期受地下水的影響，因而較為軟弱，為不穩(wěn)定區(qū)，分布較少。

在此次探測(cè)中，GY–19探孔冒落帶巖芯組成如圖2所示。

頂板巖層的穩(wěn)定性對(duì)冒落帶的高度有重要影響。冒落帶高度較小區(qū)主要分布在砂巖穩(wěn)定區(qū)，即圖1中的A區(qū)；冒落帶高度較大區(qū)主要分布在泥巖不穩(wěn)定區(qū)，即圖1中的C區(qū)；其余為分布最廣泛的砂質(zhì)泥巖較穩(wěn)定區(qū)，即圖1中的B區(qū)。在這三類頂板巖性中，砂巖的極限抗壓強(qiáng)度最大，易形成梁式平衡結(jié)構(gòu)，不易發(fā)生冒落或局部空洞現(xiàn)象；泥巖的極限抗壓強(qiáng)度最小，難以形成穩(wěn)定的梁式平衡結(jié)構(gòu)，再加上地下水的泥化和水解，因而易發(fā)生冒落；砂質(zhì)泥巖的特性介于以上兩者之間?？傊奥鋷Ц叨扰c頂板巖性密切相關(guān)。

在此次探測(cè)中，GY–9探孔的冒落帶井下電視圖像如圖3所示，GY–29探孔的冒落帶井下電視圖像如圖4所示。

（3）煤柱的相對(duì)位置及大小。一般來說，距防水或防護(hù)煤柱越近，該區(qū)域的冒落帶高度就越小，最終完全尖滅。如在此次探測(cè)中，ZZ–2鉆孔因在防護(hù)煤柱附近，雖然此處的煤層高度為9.0 m，但開采厚度僅有1.60 m，鉆進(jìn)至194.94 ～ 195.64 m時(shí)掉鉆，而194.94 m以上巖芯均比較完整，鉆進(jìn)時(shí)水的消耗量也比較小。因此，該點(diǎn)的冒落帶高度就為0.7 m。

（4）煤層開采年限?？傮w來說，煤層開采年代越早則頂板巖石塌陷就越嚴(yán)重，巖芯破碎程度也越高，冒落帶高度相對(duì)也就越大，反之冒落帶高度就越小。

（5）斷層。受斷層影響，煤層上的覆巖層一般具有以下特征：巖石強(qiáng)度降低，則黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角變?。凰苄阅芰υ鰪?qiáng)，則自身承載能力變差；親水能力強(qiáng)，軟化系數(shù)低；巖石多趨于泥化，裂縫易于彌合，隔水能力增強(qiáng)。

2.冒落帶的分布。根據(jù)探測(cè)結(jié)果和綜合分析可知，該區(qū)冒落帶分布異常復(fù)雜，但大體上仍遵循以下兩點(diǎn)：在開采面積比較大的區(qū)域，冒落帶高度主要與煤層開采厚度有關(guān)，一般是采厚的2 ～ 6倍；在防水煤柱和防護(hù)煤柱附近，冒落帶高度往往急劇減小，至其邊界處則變?yōu)?。

在該地區(qū)，冒落帶高度以此次探測(cè)中的GY–4孔為中心向四周減小，北邊到王封斷層附近尖滅，向南和向東又分別出現(xiàn)2個(gè)較高點(diǎn)，這3個(gè)高點(diǎn)中間形成一條冒落帶的薄帶。從圖1可以看出，這3個(gè)高點(diǎn)的頂板均為硬度較小、相對(duì)不穩(wěn)定的泥巖，且這3個(gè)點(diǎn)的采高均比較大；而冒落帶較薄地區(qū)的頂板主要為硬度大的砂巖，并且保留有防水煤柱，采高也較小。

在該規(guī)劃區(qū)的安置小區(qū)，冒落帶南到中站斷層尖滅，斷層以北冒落帶以此次探測(cè)的ZZ–3孔為高點(diǎn)向北遞減。另外，由于該區(qū)均是1990年左右回采，因而冒落帶高度主要受采高的影響，冒落帶的分布在一定程度上也是該區(qū)煤層開采高度的反映。

三、結(jié)論

通過探測(cè)和分析，得出該區(qū)的冒落帶具有如下特征。

1.高度變化大。因受多種因素影響，故該地區(qū)的冒落帶高度變化較大，最高點(diǎn)24.42 m，最低點(diǎn)僅0.70 m，平均高度9.76 m，普遍高度10.30 m。

2.分布復(fù)雜。在開采面積大的區(qū)域，冒落帶高度主要受采高影響，分布趨勢(shì)和采高一致；在特殊位置（如斷層或煤柱附近），冒落帶分布很不規(guī)則。在新區(qū)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和建設(shè)中，要充分考慮這些特殊因素的影響。

建議在采空面積比較大的區(qū)域采用全充填壓力注漿法處理，在局部地段采用換填法治理。