王海軍，劉善德，馬 良，朱玉英，舒建生，王相業(yè)

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤巖層對(duì)比工作貫穿整個(gè)煤田地質(zhì)勘查與礦井生產(chǎn)階段的全過(guò)程，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展在地質(zhì)勘查階段已經(jīng)形成了較成熟的煤巖層對(duì)比理論和方法，基本可以滿足礦井設(shè)計(jì)及其勘探報(bào)告的需求，但是在進(jìn)入礦井生產(chǎn)階段現(xiàn)有的煤巖層對(duì)比技術(shù)卻無(wú)法滿足礦井生產(chǎn)的需求，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速、有效的為巷道、工作面的設(shè)計(jì)、開(kāi)采決策服務(wù)，尤其是在煤層間距近、煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、煤層分叉合并頻繁且地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的煤田，其中以我國(guó)西南地區(qū)的盤(pán)縣煤田為典型代表。

目前，煤巖層對(duì)比技術(shù)主要有標(biāo)志層法[1-3]、古生法[4-5]、沉積旋回法[6-7]、底板高程法[8]、煤層間距法[9]、地質(zhì)勘探層追蹤法[10]、地球物理測(cè)井曲線[11-12]、地震勘探波阻抗反演[10-13]、煤巖煤質(zhì)法[14-15]、地球化學(xué)法[16]、其他方法等各種技術(shù)手段[17-18]。在煤炭地質(zhì)勘查過(guò)程中往往是多種方法相互補(bǔ)充、綜合進(jìn)行對(duì)比劃分的；對(duì)于沉積環(huán)境及其相變較穩(wěn)定的煤田而言，標(biāo)志層及其沉積旋回法的對(duì)比可以快速、有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層的對(duì)比；在構(gòu)造簡(jiǎn)單煤礦區(qū)，通過(guò)煤層底板高程、煤層間距法等即可實(shí)現(xiàn)煤層的準(zhǔn)確劃分與對(duì)比；而對(duì)于沉積相變頻繁、構(gòu)造復(fù)雜、煤層間距近且煤層數(shù)多的煤層群組發(fā)育的礦區(qū)，以及煤層穩(wěn)定性差、分叉合并頻繁的煤田而言煤層底板高程、煤層間距、地震勘探等方法均已經(jīng)失效；尤其是在礦井進(jìn)入生產(chǎn)階段后，地質(zhì)勘查階段建立的標(biāo)志層、古生物等對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)賦存的層位位于煤層頂板高位而無(wú)法在礦井中開(kāi)采或鉆探揭露而導(dǎo)致對(duì)比方法失效，同時(shí)，不利因素的疊加如多煤層的下行開(kāi)采頂板垮落和斷裂構(gòu)造的發(fā)育導(dǎo)致煤層頂?shù)装逦恢檬д婊颉叭洝泵簩拥陌l(fā)育導(dǎo)致無(wú)法獲取煤層厚度等；但是，有利的因素是礦井生產(chǎn)階段煤層及其頂板大面積揭露獲取了大量的地質(zhì)資料、瓦斯參數(shù)測(cè)試、頂板維護(hù)和煤巖煤質(zhì)以及礦井開(kāi)采支護(hù)等資料信息。如何將地質(zhì)勘查階段與礦井生產(chǎn)階段相結(jié)合，充分利用和挖掘礦井生產(chǎn)階段的信息，使其更好地服務(wù)礦井生產(chǎn)；同時(shí)將煤在礦井生產(chǎn)中積累的煤巖對(duì)比的經(jīng)驗(yàn)方法轉(zhuǎn)化為科學(xué)的技術(shù)理論，指導(dǎo)煤礦高效掘進(jìn)、安全生產(chǎn)，進(jìn)而為煤礦自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化的開(kāi)采提供精細(xì)的煤巖層對(duì)比技術(shù)支持。

為了解決上述問(wèn)題，以貴州盤(pán)縣煤田火燒鋪井田為例，結(jié)合補(bǔ)充勘查工程，采用多種技術(shù)手段系統(tǒng)地將地質(zhì)勘查與礦井生產(chǎn)的煤巖層對(duì)比技術(shù)相融合，優(yōu)化煤巖層對(duì)比方法，重新構(gòu)建礦井生產(chǎn)階段精細(xì)化、綜合化的煤巖層對(duì)比方法體系，探索將生產(chǎn)地質(zhì)資料、開(kāi)采技術(shù)條件等一切可以利用的標(biāo)志性煤巖特征應(yīng)用于礦井生產(chǎn)階段的煤巖層對(duì)比之中。

1 地質(zhì)概況

火燒鋪煤礦屬于盤(pán)縣煤田盤(pán)江礦區(qū)，含煤巖系為二疊系龍?zhí)督M，含編號(hào)煤層30 層，其中可采煤層14 層、可采編號(hào)煤層7 層，煤層以中厚煤層為主，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[19-21]，礦井地質(zhì)條件中等–復(fù)雜，構(gòu)造地質(zhì)條件復(fù)雜，發(fā)育斷層、滑脫構(gòu)造、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造[22-25]；煤層以較穩(wěn)定–穩(wěn)定煤層為主，煤層對(duì)比主要通過(guò)地層古生物、巖性等標(biāo)志層進(jìn)行對(duì)比[26-27](圖1)，礦井屬于典型的構(gòu)造復(fù)雜且近距離煤層群組發(fā)育煤田。

圖1 火燒鋪煤礦含煤巖系綜合柱狀圖[25]Fig.1 Comprehensive column of coal-bearing series in the study area[25]

煤礦地質(zhì)勘查階段劃分的煤層穩(wěn)定性及其煤層賦存范圍基本可靠，隨著礦井生產(chǎn)揭露煤層內(nèi)的低幅度小型斷層的發(fā)育導(dǎo)致鄰近可采煤層、局部可采煤層，如1、3、5 煤層由于斷層作用導(dǎo)致1、3 兩層煤層直接接觸，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在14 采區(qū)內(nèi)10、12 煤層在該區(qū)內(nèi)分叉合并，表現(xiàn)為10 煤層與12 煤層在該區(qū)域內(nèi)合并，而在21 采區(qū)內(nèi)12 煤層中部夾矸增厚導(dǎo)致該煤層在該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)分叉，分叉為12上、12下兩個(gè)分層，而在2 個(gè)采區(qū)接觸區(qū)域同時(shí)存在煤層10、12 煤層的分叉和12 煤層的合并區(qū)域，曾因煤層對(duì)比認(rèn)識(shí)不清，12 煤層工作面部署不當(dāng)導(dǎo)致多條巷道或工作面廢棄等。此外，隨著盤(pán)江礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜煤礦智能開(kāi)采工作面技術(shù)的發(fā)展，煤礦急需可靠的煤巖層對(duì)比方法和技術(shù)為煤礦井下巷道掘進(jìn)、綜采工作面以及未來(lái)智能開(kāi)采工作面煤巖對(duì)比以及智能開(kāi)采工作面采煤機(jī)器截割曲線規(guī)劃提供支持。

2 綜合對(duì)比技術(shù)

礦井生產(chǎn)階段煤巖層對(duì)比技術(shù)按照地質(zhì)勘查階段標(biāo)志層的梳理，堅(jiān)持簡(jiǎn)明適用、指導(dǎo)生產(chǎn)的原則，將煤層夾矸巖性、煤巖煤質(zhì)、煤層偽頂、直接頂板等低位的可以在井下觀測(cè)到、便于識(shí)別的巖性、古生物化石層、煤巖煤質(zhì)等作為礦井生產(chǎn)階段煤巖層對(duì)比的指標(biāo)；同時(shí)根據(jù)煤礦井下巷道、工作面大面積揭露的頂板特殊的具有標(biāo)志性的巖性、古生物化石層和生產(chǎn)階段頂?shù)装宸€(wěn)定性、瓦斯測(cè)試參數(shù)、頂板巖石力學(xué)特征、煤巖煤質(zhì)以及煤層開(kāi)采后的形態(tài)等生產(chǎn)階段的特征作為煤層對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)，歸納總結(jié)將經(jīng)驗(yàn)性的煤礦地質(zhì)工作進(jìn)行合理的科學(xué)化或理論化，以指導(dǎo)煤礦安全、高效開(kāi)采。

2.1 地質(zhì)勘查階段標(biāo)志層提取

火燒鋪井田在地質(zhì)勘查階段通過(guò)地質(zhì)勘查鉆孔、槽探、地球物理測(cè)井、煤巖煤質(zhì)分析、鉆孔巖性組合等多種技術(shù)手段建立了系統(tǒng)的煤巖層對(duì)比技術(shù)和煤巖層對(duì)比標(biāo)志層(表1)，通過(guò)近年來(lái)礦井生產(chǎn)揭露已經(jīng)建立的部分對(duì)比標(biāo)志指導(dǎo)礦井生產(chǎn)。

表1 地質(zhì)勘查階段標(biāo)志層分析Table 1 Analysis of marker layers in geological exploration stage

2.2 礦井生產(chǎn)階段巖性及其古生物特征

通過(guò)對(duì)地質(zhì)勘查階段建立的標(biāo)志層體系，在對(duì)煤礦井下巷道、硐室、工作面通過(guò)系統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查，煤巖層樣品采集、古生物化石層標(biāo)志層低位煤層頂板古生物、孢粉化石(圖2)、微體古生物(圖3)、巖石力學(xué)等樣品采集及測(cè)試、煤層瓦斯參數(shù)測(cè)試等技術(shù)手段，綜合分析。

圖2 煤層頂板孢粉化石特征Fig.2 Characteristics of sporopollen fossils in coal seam roof

圖3 井下煤層頂板古生物化石特征Fig.3 Characteristics of palaeobiological fossils in coal seam roof

2.2.1動(dòng)物化石

距離1 煤層頂板0.15～1.50 m 砂巖中發(fā)育厚度0.10 m 厚的海豆芽化石層(圖3g、圖4b)，此外，發(fā)現(xiàn)煤層頂板普遍發(fā)育一種特殊的穴面三縫孢，呈圓形或三角圓形，大小45 μm 孢壁上有圓形小穴；3 煤層頂板為刺面單縫孢，其含量高于鄰近層位；12 煤層頂板含有三角形光面三縫孢、圓形光面三縫孢、圓三角形刺面三縫孢(圖2)，同時(shí)含有大量的樹(shù)皮碎片；18 煤層頂板發(fā)育個(gè)體較大的腹足類(lèi)動(dòng)物化石(圖4c)、19 煤層底板巖性以淺灰色的鋁質(zhì)泥巖、發(fā)育鮞粒結(jié)構(gòu)易于識(shí)別(圖4n)。

2.2.2植物化石

在5、7 煤層直接頂板砂巖中富含大羽羊齒植物化石葉片，但是二者的炭化程度明顯不同，表現(xiàn)為：5 煤層頂板的大羽羊齒葉片化石炭化嚴(yán)重，葉脈葉緣炭化無(wú)法辨識(shí)(圖4m)，而7 煤層炭化程度低，葉脈葉緣脈絡(luò)清晰易于辨識(shí)(圖4q、圖4p)；24 煤層頂板發(fā)育動(dòng)植物化石共生層，表現(xiàn)為小型的舌型類(lèi)、腹足類(lèi)化石大量附著于植物葉片上(圖4e)。上述3 層煤層頂板中的植物化石層由于發(fā)育層位距離煤層較近，在煤礦井下生產(chǎn)過(guò)程中容易揭露、易于識(shí)別，可以作為煤礦生產(chǎn)階段該煤層對(duì)比的標(biāo)志層。

圖4 古生物及其巖性組合特征Fig.4 Characteristics of palaeontology and its lithological assemblage

2.2.3巖性標(biāo)志層

1 煤層頂部0.10～0.20 m 的位置發(fā)育厚度0.01～0.03 m 厚黑色高嶺石泥巖夾矸，該處夾矸厚度、發(fā)育位置較穩(wěn)定，在地面不易識(shí)別、在井下反射可見(jiàn)光和紅外熱成像特征明顯易于識(shí)別，可以作為煤巖層對(duì)比的標(biāo)志層；3 煤層內(nèi)距離煤層頂板0.70～0.90 m 處發(fā)育一層厚度0.10 m 厚的黑色油脂光澤、白色條痕、隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、縱向節(jié)理發(fā)育的高嶺石泥巖、白色條痕在地面地質(zhì)勘查中不易識(shí)別，主要通過(guò)地球物理測(cè)井曲線的高自然伽馬特性進(jìn)行識(shí)別，井下由于巷道掘進(jìn)、采煤機(jī)截齒截割在井下可見(jiàn)光下呈光亮、油脂光澤特征明顯、測(cè)溫穩(wěn)定，同時(shí)在紅外光下特征明顯，因此，該夾矸層是3 煤層井下煤層對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)層；12 煤層底部發(fā)育構(gòu)造煤層厚度1.0 m 左右，12 煤層厚度最大，煤層頂板為泥巖與菱鐵巖互層；21 煤層及其頂板泥巖內(nèi)富含黃鐵礦。

上述煤層中的巖性標(biāo)志在礦井生產(chǎn)階段揭露面積更大，更容易被識(shí)別，可以作為井下該煤層對(duì)比的標(biāo)志層。

3 礦井生產(chǎn)階段開(kāi)采技術(shù)特征

通過(guò)對(duì)煤礦井下開(kāi)采技術(shù)條件如煤層的宏微觀煤巖、煤質(zhì)、煤層頂板巖石力學(xué)特征、煤層瓦斯含量、煤層的可見(jiàn)光、熱紅外等特征，結(jié)合礦井生產(chǎn)階段古生物、孢粉等觀察成果，綜合分析礦井生產(chǎn)階段開(kāi)采技術(shù)特征。

3.1 煤巖特征

各煤層的宏觀煤巖類(lèi)型總體上相差不大，但是上中下3 個(gè)巖性段內(nèi)煤層縱向比較，煤層的宏觀類(lèi)型存在較大的差異，表現(xiàn)為上段煤層組中1、3、5 煤層以塊狀碎裂煤為主，中段12、14、17 煤層以碎粒、鱗片狀的碎粒、糜棱煤為主，尤其是17 煤層為鱗片狀、松散易碎同時(shí)煤層頂板為黑色破碎頂板、亦為鱗片狀，在井下工作面或巷道中該煤層頂板破碎難以支護(hù)、容易發(fā)生漏頂，導(dǎo)致多年的開(kāi)采中尚不清楚煤層的厚度；下段各煤層以塊狀碎裂煤為主，煤體結(jié)構(gòu)較完整。

通過(guò)對(duì)16 層可采編號(hào)煤層鉆孔樣和井下刻槽樣60 個(gè)，進(jìn)行顯微煤巖測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：各煤中有機(jī)組分含量較高，平均值在85%～90%，其中，鏡質(zhì)組含量最高，惰質(zhì)組含量次之，殼質(zhì)組含量最少；不同層段樹(shù)皮煤含量不同，其中，上段5 煤最高、中段12 煤最高、下段27 煤最高(圖5)；各煤層煤中無(wú)機(jī)礦物含量較低，1、3、5 煤層以氧化硅類(lèi)礦物為主，黏土礦物和碳酸鹽礦物次之，硫化物類(lèi)礦物極少；而24、24–1煤層以氧化硅類(lèi)礦物為主，黏土礦物和硫化物類(lèi)礦物次之，碳酸鹽礦物較少；其余各煤層均以黏土礦物為主，氧化硅類(lèi)礦物次之，并含有少量硫化物類(lèi)和碳酸鹽類(lèi)礦物。而各煤層中含礦物基百分含量中黏土礦物含量具有明顯的特征表現(xiàn)為上段3 煤層最低、5 煤層最高，中段14 煤層最高、20 煤層最低，下段24–1煤層含量最低、向下隨著埋深的增加黏土礦物的含量逐漸增高；縱向上14 煤層最高、3 煤層最低，而其他礦物含量變化特征不明顯(圖6d、表2)。

圖5 顯微煤巖組分照片(500 倍油浸鏡下)Fig.5 Micrographs of macerals

表2 火燒鋪井田煤質(zhì)特征Table 2 Coal quality characteristics of Huoshaopu Coal Mine

圖6 煤層及其頂板工程地質(zhì)特征Fig.6 Engineering geological characteristics of coal seams and their roofs

3.2 煤質(zhì)特征

對(duì)1 216 個(gè)樣品進(jìn)行煤質(zhì)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)不同煤層、相鄰煤層間煤層的硫分、灰分、揮發(fā)分等指標(biāo)具有明顯的差異性和規(guī)律性變化特征(表3)。

3.2.1全硫

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，21 煤層以上的各煤層均為低硫或特低硫煤，原煤全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值均小于1%，21 煤層原煤全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.72%～7.74%，平均4.23%，22 煤層原煤全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%～3.44%，平均0.62%；經(jīng)浮選后17 煤層硫分基本無(wú)降幅，難以脫硫，由此，可見(jiàn)原煤全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)可作為17、21 煤層的對(duì)比特征之一。其次，自24 煤層開(kāi)始，下段各可采煤層總體具有高硫特征，以平均值計(jì)，24 煤層原煤全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.02%、24?1煤層為3.42%、26煤層為3.23%、27煤層為2.35%(表3、圖7a)。因此，原煤全硫特征可作為識(shí)別上、中煤組與下組煤層對(duì)比的手段之一。

圖7 煤質(zhì)特征對(duì)比Fig.7 Comparison of coal quality characteristics

表3 不同煤層瓦斯含量、瓦斯壓力參數(shù)測(cè)試結(jié)果回歸分析Table 3 Regression analysis of test results of gas content and gas pressure parameters in different coal seams

3.2.2揮發(fā)分

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，縱向上各煤層原煤揮發(fā)分(Vdaf)逐漸降低，17 煤層以下(含17 煤層)，各煤層原煤揮發(fā)分總體在30%～35%，17 煤層以下各可采煤層揮發(fā)分總體低于30%。

3.2.3灰分、硫分綜合指標(biāo)

井田最明顯的特征是12 煤層，以其低灰分、低硫?yàn)樘卣?，灰分低?%；硫分低于1%，一般為0.2%～0.5%；上段5 煤層高硫、高灰等，較3 煤層高，17 煤層的灰分高于18 煤(圖7b)。

綜上所述，本次結(jié)合煤層硫分、灰分綜合對(duì)比詳細(xì)查明了本區(qū)的煤層層數(shù)、主要煤層層位、厚度和分布范圍，實(shí)現(xiàn)了煤巖層對(duì)比的全區(qū)閉合(圖7b)。

3.3 煤巖層工程地質(zhì)特征

巖石力學(xué)參數(shù)是反映煤巖層工程地質(zhì)特征的物性指標(biāo)，巖石力學(xué)特征受原始沉積、成巖控制，同時(shí)受后期強(qiáng)加和改造作用[28-29]?；馃伱旱V各煤巖層受沉積和后期改造雙重作用，因此，通過(guò)對(duì)煤礦井下煤層頂板巖石力學(xué)樣品采集測(cè)試、煤層巖體完整性、煤的堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)量、統(tǒng)計(jì)分析可以宏觀上確定其中幾層煤層的對(duì)比。

(1) 各煤層頂板巖石力學(xué)特征屬于破碎–較堅(jiān)硬頂板，其中上段優(yōu)于中段、下段，其中中段煤層完整性最差，尤其是12?17 煤層間(圖6a)。

(2) 通過(guò)采用?95 mm 的金剛石繩索鉆具對(duì)地層、煤層全孔取心，結(jié)合井下巷道、硐室、工作面揭露，對(duì)巖體完整性統(tǒng)計(jì)分析表明：煤的完整性屬于差–中等，上段完整性?xún)?yōu)于下段和中段，而中段尤其是12?17 煤層間巖體破碎，屬于完整性劣等巖體。

3.4 瓦斯地質(zhì)特征對(duì)比技術(shù)

通過(guò)對(duì)地面施工的15 個(gè)瓦斯補(bǔ)充勘探鉆孔、3 個(gè)煤層氣鉆孔和井下石門(mén)揭煤獲取的316 個(gè)合格的瓦斯及其煤層樣品測(cè)試結(jié)果以及煤礦井下不同位置不同編號(hào)煤層瓦斯參數(shù)測(cè)試所獲取的瓦斯壓力、瓦斯含量數(shù)據(jù)分析，對(duì)瓦斯壓力、瓦斯含量與煤層埋深、高程等相關(guān)性分析表明：

(1) 井田內(nèi)煤層瓦斯含量、瓦斯壓力參數(shù)與煤層的高程相關(guān)性差，而與煤層的埋深相關(guān)性顯著；說(shuō)明煤層的瓦斯地質(zhì)參數(shù)受埋深和構(gòu)造控制。

(2) 不同編號(hào)的主要開(kāi)采煤層瓦斯壓力、瓦斯含量與煤層埋深具有明顯的線性相關(guān)性，相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)R2>0.96(表3)。

因此，通過(guò)擬合回歸方程進(jìn)行煤巖層對(duì)比，尤其是礦井進(jìn)入深部開(kāi)采范圍，瓦斯的壓力參數(shù)更為敏感(圖8)，該技術(shù)指標(biāo)可以作為礦井生產(chǎn)階段煤巖層對(duì)比的輔助性標(biāo)志。

圖8 煤層瓦斯含量及其壓力參數(shù)對(duì)比Fig.8 Contrast chart of gas content and pressure parameters in coal seam

3.5 煤巖光學(xué)特征對(duì)比技術(shù)

通過(guò)井下巷道、工作面可見(jiàn)光、熱紅外煤巖觀測(cè)與描述、成像分析發(fā)現(xiàn)：煤層及其夾矸在井下可見(jiàn)光、熱紅外成像圖上具有明顯的特征，表現(xiàn)為：

(1) 在地面地質(zhì)勘查鉆孔中揭露的3 煤層內(nèi)的夾矸為黑色、白色條痕、油脂光澤見(jiàn)節(jié)理構(gòu)造與煤層不易識(shí)別，但是在地球物理測(cè)井該夾矸表現(xiàn)為高放射性，可以通過(guò)條痕色和放射性測(cè)井進(jìn)行識(shí)別，但是在煤礦井下不具備地球物理測(cè)井和條痕刮擦的條件；井下調(diào)查發(fā)現(xiàn)該夾矸巖性標(biāo)志層在井下漆黑環(huán)境中，在可見(jiàn)光源照射下呈現(xiàn)為白色光亮油脂光澤與其上下煤層形成明顯的反差(圖9b、圖9c)，結(jié)合夾矸位置、煤層厚度、煤巖煤質(zhì)特征及煤層頂板化石層等特征可以作為井下煤巖層對(duì)比的標(biāo)志層。

(2) 紅外熱成像儀圖像及其標(biāo)志層標(biāo)定提取(提取計(jì)算方法不再贅述)發(fā)現(xiàn)該標(biāo)志層在工作面、巷道內(nèi)具有標(biāo)識(shí)性和可追蹤性(圖9e、圖9f)，是煤層對(duì)比以及構(gòu)造復(fù)雜區(qū)煤層厚度識(shí)別或智能開(kāi)采工作面煤巖識(shí)別的一種有效的技術(shù)途徑。

圖9 煤巖層井下光學(xué)特征對(duì)比Fig.9 Contrast map of underground optical characteristics of coal and rock layers

4 煤巖層精細(xì)化綜合對(duì)比技術(shù)體系構(gòu)建

4.1 總體思路

通過(guò)對(duì)火燒鋪井田地質(zhì)勘查階段和生產(chǎn)階段煤巖對(duì)比，剔除地球物理測(cè)井曲線、高位巖性及標(biāo)志層、地球化學(xué)等，歸納總結(jié)煤礦多年生產(chǎn)揭露煤層及其頂?shù)装逄卣?，提煉可以用于煤礦井下巷道、工作面生產(chǎn)階段的煤巖層快速、高效對(duì)比標(biāo)志，重新構(gòu)建礦井生產(chǎn)階段煤巖層對(duì)比技術(shù)體系。

4.2 關(guān)鍵參數(shù)的選擇

4.2.1煤巖煤質(zhì)參數(shù)選擇

根據(jù)煤礦采集的1 568 個(gè)煤巖煤質(zhì)樣品的測(cè)試結(jié)果(表2)：不同編號(hào)煤層中，上段煤層均含有一定的樹(shù)皮，12 煤層樹(shù)皮體積分?jǐn)?shù)最高20%～40%，無(wú)機(jī)物體積分?jǐn)?shù)最低，低于5%；明顯與10、14、17 煤層差異較大，后者煤層中樹(shù)皮體積分?jǐn)?shù)低于10%，無(wú)機(jī)物體積分?jǐn)?shù)高于10%。

4.2.2微體古生物化石特征

根據(jù)煤層偽頂、直接頂板巖石內(nèi)植物、動(dòng)物以及微體古生物化石采樣測(cè)試分析結(jié)果表明：井田范圍內(nèi)1 煤層頂板中特殊的穴面三縫孢，孢子的個(gè)數(shù)占比一般為3%～13%，是1 號(hào)煤層特有的成分，因此對(duì)比意義極大；3 煤層頂板的刺面單縫孢的相對(duì)含量高于鄰近煤層頂板，形成突出高峰，一般為20% 左右，最高達(dá)72%；12 煤層頂板的含三角光面三縫孢20%、圓形光面三面孢20%～40%、圓三角形刺面三縫孢含量較少為特征(圖10a)。

4.2.3煤巖光學(xué)特征參數(shù)特征

不同巖石的熱容比，對(duì)可見(jiàn)光、熱紅外的吸收、反射等性質(zhì)均各不相同，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者通過(guò)煤巖光學(xué)特征進(jìn)行了智能工作面的煤巖界面識(shí)別，取得了初步的效果[30-31](圖10b、圖10c)，本次用紅外熱成像儀獲得最佳效果的煤層及其夾矸圖像(圖9e)。

煤層的可見(jiàn)光亮度，井下工作面光照情況下，煤壁及其巷道內(nèi)夾矸與煤層的可見(jiàn)光特征明顯(圖10d、圖10e)，煤層與夾矸的亮度值灰度級(jí)差異顯著，易于識(shí)別和區(qū)分，夾矸的反射性較好(圖9b、圖9c)。

圖10 煤巖層精細(xì)化綜合對(duì)比參數(shù)特征Fig.10 Characteristics of comprehensive fine correlation parameters of coal and rock layers

光譜分析結(jié)果顯示：14 煤層之下出現(xiàn)Be 的高值，6 煤層以上V 的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在0.007～0.010 ug/g。

4.2.4煤層頂板巖石力學(xué)特征

上組煤中3、5、7 煤的堅(jiān)固性系數(shù)最高超過(guò)0.60，其中3 煤層堅(jiān)固性系數(shù)最高于1.0；中組煤層中12、14、17 煤為碎裂煤層，煤層的堅(jiān)固性系數(shù)不高于0.30，一般為0.12～0.30，其中17 煤層最小0.1 左右；12 煤層頂板巖層較14、17 煤層完整且?guī)r石力學(xué)強(qiáng)度較高，大于20 MPa，14、17 煤層頂板破碎、頂板巖石易崩解，完整性差(圖6)。

4.2.5瓦斯含量特征

礦井目前開(kāi)采深度普遍大于500 m，各煤層中瓦斯壓力12 煤層最高、17 煤層次之、7 煤層再次之，1、3 煤層相差不大，5 煤層最低，其中12 煤層瓦斯壓力高于2.0 MPa，17 煤層1.2～1.80 MPa，5 煤低于1.0 MPa，1、3、5 煤層在1.00～1.30 MPa。不同煤層高壓容量瓦斯吸附等溫曲線測(cè)試結(jié)果表明，在同等條件下7 煤層的吸附能力最強(qiáng)，3 煤層最小，其他各煤層相差不大。

4.3 精細(xì)化綜合對(duì)比體系構(gòu)建

通過(guò)對(duì)火燒鋪煤礦煤巖煤質(zhì)測(cè)試分析、礦井生產(chǎn)階段瓦斯含量、瓦斯壓力參數(shù)等測(cè)試，煤層頂板完整性、煤體的宏觀結(jié)構(gòu)類(lèi)型等綜合分析，構(gòu)建礦井生產(chǎn)階段煤巖層精細(xì)化綜合對(duì)比技術(shù)體系(圖11)。

圖11 礦井生產(chǎn)階段煤巖層精細(xì)化綜合對(duì)比技術(shù)體系Fig.11 Fine comprehensive correlation technology system of coal and rock layers in mine production stage

4.4 綜合對(duì)比結(jié)果

根據(jù)地質(zhì)勘查階段建立部分可以應(yīng)用的標(biāo)志層，結(jié)合煤礦井下生產(chǎn)實(shí)踐重新建立的標(biāo)志層，重新構(gòu)建火燒鋪煤礦礦井生產(chǎn)階段煤巖層精細(xì)化綜合對(duì)比技術(shù)體系，對(duì)比結(jié)果如圖12 所示。

圖12 煤巖層綜合對(duì)比Fig.12 Comprehensive correlation of coal and rock layers

(1) 14214 工作面雁列式正斷層導(dǎo)致該工作面區(qū)域內(nèi)14、17 煤層斷失，18 煤層頂板泥巖中的體積較大的腹足類(lèi)動(dòng)物化石的重復(fù)出現(xiàn)，判定18 煤層重復(fù)出現(xiàn)；主斜井24 煤層頂板動(dòng)植物化石共生標(biāo)志層為斜井煤層對(duì)比該煤層的重復(fù)出現(xiàn)，為中部地層破碎帶屬性的判識(shí)提供了依據(jù)。

(2) 14 采區(qū)10 煤層與12 煤層分叉合并，導(dǎo)致12 煤層在該區(qū)域煤層增厚，生產(chǎn)揭露亦證實(shí)了這一判斷，為該區(qū)域內(nèi)煤層開(kāi)采、工作面的部署以及厚煤層瓦斯抽采、巷道的掘進(jìn)等提供了有利的地質(zhì)依據(jù)。

4.5 適用性分析

本文的煤巖層對(duì)比是基于對(duì)煤田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，尤其是對(duì)斷裂構(gòu)造中斷距認(rèn)知較清楚。火燒鋪井田按照大型斷裂發(fā)育進(jìn)行了煤礦的劃分，在礦井單位內(nèi)按照中等斷層進(jìn)行盤(pán)區(qū)劃分，在采區(qū)、工作面尺度上斷層揭露的屬性以正斷層為主，逆斷層次之，斷層斷距0.50～10 m，斷層多發(fā)育于上段的3?5 煤層間、中段為12?17 煤層間，下段在24?26 煤層間，因此，正斷層煤層的缺失不會(huì)太多，1～2 個(gè)編號(hào)煤層范圍內(nèi)；逆斷層多出現(xiàn)同煤層及其鄰近的1～2 層煤層的重復(fù)；因此，煤層對(duì)比過(guò)程中多為鄰近煤層的對(duì)比，各煤層的煤巖煤質(zhì)、巖石力學(xué)、煤巖光學(xué)特征的差異性對(duì)比即可。

煤巖煤質(zhì)特征需要通過(guò)測(cè)試化驗(yàn)，但是本文提出的煤巖煤質(zhì)特征主要是煤的宏觀煤體結(jié)構(gòu)特征，在火燒鋪井田該方法對(duì)12、14、17 煤層的對(duì)比非常直觀，特征顯著易于識(shí)別。

巖石光學(xué)特征其實(shí)是對(duì)煤層夾矸標(biāo)志層在煤礦井下快速識(shí)別的光學(xué)特性科學(xué)表現(xiàn)，其本質(zhì)是煤層對(duì)比標(biāo)志層，只是通過(guò)井下現(xiàn)場(chǎng)光學(xué)特征直觀、簡(jiǎn)單、快速表達(dá)，對(duì)煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)施工的適用性、指導(dǎo)性、操作性以及工人的學(xué)習(xí)接受更容易，無(wú)需專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員或采樣后地面進(jìn)行識(shí)別和辨識(shí)。只需要額外配備紅外光學(xué)成像儀或相機(jī)即可解決。

古生物化石、微體生物化石的識(shí)別需要專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員和專(zhuān)有的設(shè)備，同時(shí)，需要在地面實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，且工作的周期較長(zhǎng)，因此，適應(yīng)性較差，但若是抓住了古生物的特征，在井下可以實(shí)現(xiàn)快速的對(duì)比和確定煤巖層位。

5 生產(chǎn)實(shí)踐的啟示與討論

5.1 煤巖層精細(xì)化對(duì)比思路

煤巖層對(duì)比的思路突破傳統(tǒng)的煤田地質(zhì)勘探中的煤巖層對(duì)比思路，煤巖層對(duì)比工作由地面探槽、鉆孔剖面的對(duì)比隨著地質(zhì)勘查、災(zāi)害探查、治理工作向井下石門(mén)、巷道、工作面方向拓展；同時(shí)煤層對(duì)比由資源儲(chǔ)量的計(jì)算向煤礦安全、高效、智能化開(kāi)采方向方面拓展。

對(duì)比的精度向煤巖層、煤質(zhì)以及煤巖分層對(duì)比、分層顯微煤巖結(jié)構(gòu)以及煤層頂?shù)装逅?、礦壓顯現(xiàn)關(guān)鍵層、致災(zāi)層或保護(hù)層的對(duì)比；同時(shí)為了滿足煤礦高質(zhì)量發(fā)展、煤礦智能化對(duì)地質(zhì)透明化的需求，要求礦井生產(chǎn)階段的煤巖層對(duì)比必須對(duì)礦井頂板、水害、瓦斯、沖擊地壓等災(zāi)害地質(zhì)體、地質(zhì)構(gòu)造、煤層結(jié)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)精細(xì)化對(duì)比，便于后期災(zāi)害治理、地質(zhì)屬性建模和智能開(kāi)采設(shè)計(jì)。

5.2 智能開(kāi)采的意義

在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)工作面智能開(kāi)采對(duì)煤礦井下減人、增效具有非常重要的意義，而工作面內(nèi)煤層厚度、宏微觀煤巖結(jié)構(gòu)的精細(xì)對(duì)比對(duì)智能開(kāi)采工作面開(kāi)采設(shè)計(jì)、災(zāi)害防治具有重要意義。

目前針對(duì)智能開(kāi)采工作面煤巖界面的識(shí)別尚未解決，通過(guò)對(duì)不同宏觀煤巖層在工作面的三維空間展布特征對(duì)比或煤層中某一層夾矸標(biāo)志層的精細(xì)化對(duì)比，采用夾矸或某一煤巖小分層作為智能開(kāi)采工作面標(biāo)志層指導(dǎo)工作面煤層智能開(kāi)采采煤機(jī)軌跡規(guī)劃，是構(gòu)造復(fù)雜區(qū)或火燒鋪煤礦智能開(kāi)采的有效解決途徑。

5.3 煤炭提質(zhì)增效的意義

礦井進(jìn)入生產(chǎn)階段，由于斷裂構(gòu)造、巖漿侵入、煤層夾矸及其厚度的變化導(dǎo)致煤層煤巖煤質(zhì)特征的變化，尤其是對(duì)于多煤層開(kāi)采，如何實(shí)現(xiàn)不同編號(hào)煤層、同層煤層不同煤質(zhì)區(qū)域協(xié)調(diào)配采，實(shí)現(xiàn)不同編號(hào)煤層或同一編號(hào)煤層不同盤(pán)區(qū)幾個(gè)工作面煤層的科學(xué)配比，保障煤炭發(fā)熱量、灰分、水分等指標(biāo)的前提下，降低煤矸石洗選、矸石處理，尤其是智能開(kāi)采向深度發(fā)展，勢(shì)必向煤礦煤炭資源提質(zhì)增效方向發(fā)展。其中火燒鋪煤礦通過(guò)對(duì)優(yōu)質(zhì)的12、14、17 煤層與3、5、7 煤層的合理配采，實(shí)現(xiàn)了不同編號(hào)煤層配比后滿足精煤對(duì)灰分、硫分、發(fā)熱量的要求，大幅度降低了洗煤廠洗選的負(fù)擔(dān)，減少矸石泥煤處理的環(huán)保壓力，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化，保證煤炭提質(zhì)增效。

6 結(jié)論

a.結(jié)合礦井深部瓦斯補(bǔ)充勘查工程系統(tǒng)地梳理了地面地質(zhì)勘查階段建立的標(biāo)志層特征，并通過(guò)礦井生產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)上述標(biāo)志層體系在礦井階段的有效性，在礦井內(nèi)開(kāi)展了煤層頂板古生物、孢粉以及煤巖煤質(zhì)的系統(tǒng)分析，將其納入礦井生產(chǎn)階段煤巖層對(duì)比之中。

b.將礦井生產(chǎn)階段的沉積巖性組合的普遍性、巖性、古生物組合等特殊性地質(zhì)特征與煤、巖層工程地質(zhì)、瓦斯地質(zhì)等相關(guān)的開(kāi)采技術(shù)條件等具有規(guī)律性、可對(duì)比性的一切特征引入到煤巖層的精細(xì)化、綜合化對(duì)比技術(shù)中。

c.智能化開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展需求，夾矸作為煤層及其煤巖界面識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)，雖然文中提出的利用煤層夾矸的光學(xué)特征識(shí)別煤巖層界面是個(gè)特殊的案例，但是這為煤礦井下智能化開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)煤巖界面識(shí)別提供了新的思路和全新的嘗試，只要在煤礦井下工作面范圍內(nèi)抓住了對(duì)夾矸或某一煤巖小分層的識(shí)別和追蹤，就間接實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤巖界面的識(shí)別。

d.煤巖層的對(duì)比技術(shù)是一門(mén)綜合性對(duì)比技術(shù)，本文立足以煤礦生產(chǎn)階段尤其是對(duì)于礦井盤(pán)區(qū)、工作面及其巷道尺度上的煤巖層對(duì)比技術(shù)，通過(guò)工程實(shí)踐表明，煤礦井下生產(chǎn)階段的煤巖物性、光學(xué)特征等可以應(yīng)用于煤礦井巷、工作面回采過(guò)程中，指導(dǎo)煤礦安全、高效開(kāi)采。

e.將生產(chǎn)中的煤層頂板巖石力學(xué)特征、煤巖煤質(zhì)以及瓦斯地質(zhì)特征作為火燒鋪礦井生產(chǎn)階段煤巖層對(duì)比的標(biāo)志層，取得了理想的效果，這種方法在盤(pán)縣煤田是否具有普遍性，還需要針對(duì)具體礦區(qū)構(gòu)建適應(yīng)各自礦井的煤巖層對(duì)比標(biāo)志層。因此，在礦井生產(chǎn)階段地質(zhì)工作者可以根據(jù)礦井、盤(pán)區(qū)、工作面以及工作面開(kāi)采區(qū)域的某個(gè)區(qū)段作為研究對(duì)象重新構(gòu)建井下煤巖層的對(duì)比標(biāo)志層，以指導(dǎo)煤礦井下巷道的快速掘進(jìn)、工作面部署以及順利回采。

致謝：真摯地感謝匿名評(píng)審專(zhuān)家提出的寶貴意見(jiàn)和建議，同時(shí)感謝編輯老師認(rèn)真的工作態(tài)度和一絲不茍的精神。