閆 亮,李建宙

(1.山西介休鑫峪溝左則溝煤業(yè)有限公司,山西 介休 032000;2.山西介休義棠安益煤業(yè)有限公司,山西 介休 032000)

近年來隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展,智慧應(yīng)急救援已成為礦山安全生產(chǎn)監(jiān)察的重點(diǎn)需求[1]。隨著煤礦開采技術(shù)的自動(dòng)化、智能化穩(wěn)步提升,煤礦產(chǎn)能也大幅增加。實(shí)現(xiàn)智能化礦山的首要條件就是地質(zhì)保障。因此,提高地質(zhì)保障已成為煤礦地質(zhì)工作中的首要任務(wù)[2-3]。近年來左則溝煤業(yè)在生產(chǎn)建設(shè)過程中遇到很多此類問題,不僅給整體的采掘規(guī)劃部署帶來困難,也給安全、經(jīng)濟(jì)管理帶來了諸多不便,嚴(yán)重制約了礦井安全高效發(fā)展及自動(dòng)化、智能化建設(shè)推進(jìn)工作。

殷廣標(biāo)[4]采用定性和定量分析的方法,對(duì)煤層厚度(簡(jiǎn)稱煤厚)的穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),為煤礦安全高效生產(chǎn)提供依據(jù);馬明等[5-6]利用地球物理探測(cè)手段分析、研究、解析、劃定了礦區(qū)煤厚變化范圍。

本文從沉積和構(gòu)造作用兩方面對(duì)影響煤厚變化進(jìn)行了分析,總結(jié)了煤厚變化的地質(zhì)成因。

1 煤層賦存情況

左則溝煤業(yè)井田位于沁水煤田的西北部邊緣,介休-平遙普查區(qū)中部,位于介休市東南約13 km的連福鎮(zhèn),現(xiàn)井田面積為7.072 9 km2。含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。

山西組為陸相含煤,由砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層組成。厚20～120 m,從上往下編號(hào)01#、02#、03#、1#、1b#、2#、2b#、4#、4b#、5#、5b#共11個(gè)層煤,其中2#、4#、5#煤層為穩(wěn)定可采煤層,其余煤層為零星可采或不可采煤層。

2#煤層位于山西組中部,上距K8砂巖底50.50 m,下距4#煤層約17 m，煤厚平均1.62 m,最大厚度2.36 m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一般含1～4層夾矸。

4#煤位于山西組中下部,上距2#煤層約17 m,下距5#煤層約15 m，煤厚平均1.39 m,最大1.70 m。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,偶含1層約0.25 m的夾矸。

5#煤位于山西組底部,上距4#煤約15 m,下距K7砂巖底約4.5 m，煤厚平均2.42 m,最大3.44 m。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,偶含1層約0.23 m的夾矸,詳見圖1。

圖1 二采區(qū)綜合柱狀圖Fig.1 Synthetic histogram of the second mining area

各煤層單軸抗壓強(qiáng)度平均值為1.9 MPa、3.86 MPa、5.02 MPa。由于沒有煤層抗拉強(qiáng)度測(cè)定資料，本次使用的煤層抗拉強(qiáng)度按抗壓強(qiáng)度平均值六分之一計(jì)算,即0.31 MPa、0.64 MPa、0.84 MPa。頂板多為泥巖,局部為炭質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖或砂質(zhì)泥巖;5#煤層局部為粉砂巖,底板以泥巖為主,局部為炭質(zhì)泥巖、中-細(xì)-粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。厚度相對(duì)穩(wěn)定,全區(qū)可采,僅在構(gòu)造附近有斷失現(xiàn)象。3層煤層在宏觀上表現(xiàn)為黑色,條痕為黑褐色,條帶狀結(jié)構(gòu),玻璃光澤,參差狀斷口,宏觀煤巖類型為半亮型煤。各層煤的有機(jī)組分均以鏡質(zhì)組為主,惰質(zhì)組次之;無機(jī)組分均以黏土類為主,硫化物次之；鏡質(zhì)組中以均質(zhì)鏡質(zhì)體為主,基質(zhì)鏡質(zhì)體次之或少量,黏土充填細(xì)胞腔或與有機(jī)組分摻雜分布,黃鐵礦呈點(diǎn)狀、草莓狀分布;根據(jù)井田內(nèi)施工的鉆孔資料,結(jié)合左則溝煤業(yè)生產(chǎn)揭露情況，3層煤層特征見表1所示。

表1 各煤層特征Table 1 Coal seam characteristics

2 地質(zhì)成因分析

2.1 斷層對(duì)煤層厚度的影響

煤層的賦存狀態(tài)和煤厚變化受斷層的產(chǎn)狀、空間密集程度影響,在不同區(qū)域、不同深度表現(xiàn)出來的形式也千差萬別。斷裂構(gòu)造的活躍,使得斷層帶兩側(cè)地層(煤層)的沉降幅度不同。由此,煤厚的變化也不同。受斷層影響,原生煤層的連續(xù)與一致性被變化的煤厚破壞,給采掘活動(dòng)帶來了很多困難。在實(shí)際操作中，單一方法尋找斷失翼煤層往往比較困難,通常需要結(jié)合多種方法進(jìn)行比較分析,才能做出準(zhǔn)確判斷[6]。一般來說,斷層錯(cuò)開煤層時(shí),上下盤煤層的厚度會(huì)有明顯的增減現(xiàn)象。從斷層的性質(zhì)和形成機(jī)制出發(fā),逆斷層由于煤層的逆掩重疊或者擠壓集聚導(dǎo)致煤層變厚;正斷層由于拉張導(dǎo)致厚度變薄[3]。從上下盤具體來看,煤厚變化表現(xiàn)為上盤大于下盤,受影響的范圍在橫向上較小。沿?cái)鄬幼呦蛘共嫉拿簩雍穸瘸蕳l帶狀的形態(tài),下盤較厚,上盤較薄。頂板全部斷開時(shí),斷層上下盤的巖性差異更大,在斷裂帶附近的煤層中,常出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。

然而在左則溝煤業(yè)實(shí)際采掘作業(yè)中發(fā)現(xiàn),近距離煤層群開采,小型斷層構(gòu)造對(duì)煤層的影響很大。研究發(fā)現(xiàn)，受小斷層構(gòu)造影響,煤層厚度變化明顯。甚至落差小于0.3 m的斷層即可導(dǎo)致煤厚變薄至正常厚度的二分之一,煤質(zhì)和有害氣體含量會(huì)有明顯變化。局部還發(fā)育有低傾角、小落差正斷層(傾角小于20°),甚至傾角小于10°、落差小于1個(gè)煤厚,形成煤層變薄區(qū)域或無煤區(qū)。一旦判斷失誤可導(dǎo)致誤工浪費(fèi)、采掘接替緊張等一系列隱患。

由于左則溝煤業(yè)屬近距離煤層群開采,目前開采的2#、4#、5#煤層頂、底板巖性又大致相同,沒有明顯標(biāo)志性層位,遇到此類斷層即使利用鉆探方法有時(shí)也無法弄清煤層的空間位置,因此研究斷層對(duì)煤層的影響很有必要,特別是在低傾角、小落差斷層區(qū)域。

左則溝煤業(yè)2201綜采工作面采掘?qū)嶋H揭露煤層厚度局部變化較大,結(jié)合圖2可以看出煤厚在0.3～1.8 m之間。并且主要變化區(qū)域集中在回風(fēng)順槽110～360 m處。通過圖3可以看出有兩段走向長(zhǎng)度約24 m和60 m的煤層變薄帶,傾向方向最大影響范圍約20 m左右。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)此范圍內(nèi)小斷層較發(fā)育,落差在0.01～0.3 m之間不等,最多時(shí)僅在20 m范圍就發(fā)育有20余條,并且隨著斷層的尖滅,煤厚也隨之恢復(fù)正常。

圖2 2201綜采工作面局部煤厚等值線圖Fig.2 Thickness contour diagram of local coal seams of 2201 fully mechanized mining face

圖3 2201綜采工作面局部地質(zhì)剖面圖Fig.3 Local geological profile of 2201 fully mechanized mining face

2204綜采工作面煤厚在1.2～2 m之間,開口位置煤厚較薄為1.2 m。隨著掘進(jìn)的不斷推進(jìn)煤厚逐漸增加,煤層1.2 m處直接頂板泥巖缺失,煤厚恢復(fù)正常后直接頂板逐漸恢復(fù)；而受14°低傾角小落差斷層影響，工作面運(yùn)輸順槽被迫后退幾十米提前開掘切眼,為了避讓該斷層影響和避免資源浪費(fèi)，切眼設(shè)計(jì)為刀把形狀。

以上2個(gè)工作面受斷層影響煤厚變化明顯,受巖層影響導(dǎo)致工作面推進(jìn)速度緩慢,被迫開松動(dòng)炮。在此種情況下不僅導(dǎo)致工作面設(shè)備消耗、損壞現(xiàn)象嚴(yán)重，也使得頂板管控難度增加、風(fēng)險(xiǎn)劇增。

2.2 沉積環(huán)境對(duì)煤層厚度的影響

2.2.1沉積環(huán)境和古地形的影響

在煤層沉積過程中,沼澤堆積的泥炭層的賦存形態(tài)和厚度變化受其古地理位置和古地形變化影響較大。古地形的起伏、沼澤基底的起伏不平都導(dǎo)致了煤層在泥炭堆積時(shí)的厚薄變化或者尖滅現(xiàn)象。具體來講,泥炭層堆積初始,大量的成煤植物堆疊在沼澤低洼的區(qū)域,此時(shí)形成的泥炭層是隔離開的。隨著時(shí)間的推移,逐漸變厚的泥炭層開始相連,鑒于此,古地形的起伏變化,沉積基底的凹凸不平是最初

煤厚變化的根源。這樣一個(gè)填平補(bǔ)齊的過程經(jīng)歷的時(shí)間漫長(zhǎng)而且?guī)淼挠绊懸?guī)模也較大。一方面，由于泥炭層與基底直接接觸,所以煤層底板的形態(tài)也是起伏不平,煤層下部常表現(xiàn)為藕節(jié)狀和倒圓錐形,產(chǎn)狀上也有很大的變化。另一方面,頂板卻表現(xiàn)的正常平整,煤厚變化較小,也從側(cè)面反映了這樣一種沉積環(huán)境對(duì)煤厚的影響原因[7-8]。根據(jù)圖4可以看出,4#煤層厚度明顯變化區(qū)域有一處,在0.65～1.2 m之間。根據(jù)觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，僅煤層直接底板厚度有小幅度變化，由1 m減小至0.9 m；煤層恢復(fù)正常后,直接底板厚度也恢復(fù)正常。通過多年來采掘揭露和探查4#煤層情況,該煤層賦存情況屬全區(qū)穩(wěn)定煤層,但煤厚變化較大,從0.6～1.7 m不等。正常情況在1.3～1.4 m之間,頂板為泥巖底板為砂巖;煤層厚度小于1.2 m時(shí)直接頂板泥巖將缺失,煤厚大于1.4 m時(shí)煤層下部會(huì)出現(xiàn)1層夾矸，夾矸下方發(fā)育1層約0.3 m左右的煤層。總結(jié)規(guī)律為一旦煤厚大于1.4 m,那么煤層下部就會(huì)發(fā)育有1層夾矸,煤厚變薄的同時(shí)直接頂板就會(huì)缺失。觀察發(fā)現(xiàn)，在同一斷層影響下2#煤層受斷層影響煤厚變薄,但該煤層受斷層影響煤厚變化較小。

圖4 5202工作面上覆4#煤層煤厚等值線圖Fig.4 Thickness contour diagram of No.4 coal seam of 5202 working face

2.2.2河流沖蝕作用的影響

煤層沉積的沼澤屬于靜水環(huán)境,水動(dòng)力較弱,但如果在煤層的沉積前后受到河流這樣的強(qiáng)水動(dòng)力環(huán)境影響時(shí),煤層厚度也會(huì)發(fā)生變化,主要表現(xiàn)為煤層的厚度變薄。所謂的同生沖蝕,是指在泥炭層堆積形成的過程中,受到河流或者海浪的沖刷侵蝕。從當(dāng)時(shí)的環(huán)境來說,規(guī)模較小的河流從泥炭沼澤中發(fā)育,動(dòng)力較弱但分支較多,在平面上表現(xiàn)為條帶狀的彎曲流轉(zhuǎn),剖面上則為透鏡狀或者眼球狀。由于其發(fā)源于沼澤,水動(dòng)力不強(qiáng),從邊緣向內(nèi)部逐漸消逝,處于沼澤邊緣的煤層,串珠狀的砂礫石等河流沉積物較為常見;處于沼澤中心煤層中的沉積物多表現(xiàn)為單個(gè)的透鏡體或眼球狀特征。同生沖蝕所帶來的結(jié)果就是在煤層厚度上受沖蝕局部區(qū)域變薄,砂石等河流沉積物變多，且在不同的區(qū)域表現(xiàn)為不同的特征，沉積物多為砂礫石或者砂質(zhì)巖石。從化學(xué)特征上來看,受影響的煤層光澤上暗淡,組分中灰分增高,這是由于其長(zhǎng)期遭受原始氧化的原因。

反觀后生沖蝕,則是在泥炭堆積形成煤層以后,受地殼等大規(guī)模地質(zhì)造山運(yùn)動(dòng)的影響,形成了部分長(zhǎng)期內(nèi)流向固定的大型河流的沖刷、切割和侵蝕。這種成因下所形成的薄煤帶和無煤帶規(guī)模較大,延伸較長(zhǎng),和同生沖蝕有明顯的區(qū)別。不同于同生沖蝕,正常平整的頂板受到較強(qiáng)水動(dòng)力河流的沖刷、剝蝕、再沉積,出現(xiàn)一些河流二元沉積的砂礫巖,粒度上表現(xiàn)為粗碎屑巖,與河流流向成一致性的定向排列。受沖刷的煤層中充填了方解石、石膏等礦物,底部包含了各種泥質(zhì)包裹體等沖刷物,從化學(xué)特征上來看,受影響的煤層光澤上暗淡,組分中灰分也同樣增高?？傊?煤層的后生沖蝕變薄帶或者沖刷帶與河流的走向、形態(tài)基本一致,表現(xiàn)為曲流河、辮狀河的條帶狀特征,這種通過地面三維地震屬性技術(shù),在平面上極為明顯。

2202綜采工作面煤層厚度在0.9～1.8 m之間,基本處于穩(wěn)定狀態(tài),如圖5所示。根據(jù)實(shí)際采掘活動(dòng)地質(zhì)觀測(cè)記錄,煤厚變薄的同時(shí)煤層直接頂板也同時(shí)缺失。底板下約1.3 m發(fā)育的2b#煤層處于穩(wěn)定階段,層間距局部會(huì)有所減小。究其原因可能為在煤層頂板生成過程中受沖刷影響導(dǎo)致煤層變薄,直接頂板缺失。

圖5 2202綜采工作面局部煤厚等值線圖Fig.5 Thickness contour diagram of local coal seams of 2202 fully mechanized mining face

2203綜采準(zhǔn)備工作面運(yùn)輸順槽煤厚在1.3～2.5 m,平均1.8 m。通過圖6可以看出，煤層小于1.5 m區(qū)域只有1層夾矸,頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖,其他區(qū)域?yàn)?層夾矸,頂板為砂巖,直接頂板缺失。煤厚大于2.2 m區(qū)域主要變化規(guī)律是煤層夾矸由2～3層變?yōu)?層。

圖6 2203掘進(jìn)地質(zhì)觀測(cè)斷面對(duì)比圖Fig.6 Comparison of geological observation sections of 2203 mining face

2.3 煤厚變化認(rèn)識(shí)

綜合分析左則溝煤業(yè)礦區(qū)內(nèi)2#、4#、5#煤層厚度的變化主要是受后生變化的影響。根據(jù)多年來開采5#煤層情況,煤厚在1.5～2.9 m之間,正常情況下煤層厚度在2.3～2.6 m之間。煤層直接頂板為泥巖,多數(shù)情況下煤層直接頂板缺失后煤厚會(huì)有所減小,相反煤層直接頂板增厚的同時(shí)煤層厚度會(huì)有所增加。除了上述情況下煤厚會(huì)有所變化,其他情況較穩(wěn)定。因此認(rèn)為該煤層屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。在斷層構(gòu)造附近受斷層影響煤厚變化較小。

另外根據(jù)煤層單軸抗拉強(qiáng)度可以看出3層煤層強(qiáng)度由小到大,4#、5#煤層強(qiáng)度可達(dá)2#煤層的2～3倍。受煤層強(qiáng)度影響，在構(gòu)造應(yīng)力影響下,2#煤在構(gòu)造附近煤層變薄帶范圍較大,相反4#、5#煤受其影響煤厚變薄范圍較小,甚至沒有明顯的變化。

而2#煤層雖然賦存情況穩(wěn)定,但煤厚變化較大,在0.8～2.16 m之間,一般情況下在1.60～2.16 m；并且煤厚變薄的同時(shí),直接頂板同時(shí)會(huì)缺失,在煤層中上部發(fā)育的3層夾矸也會(huì)尖滅。局部區(qū)域揭露發(fā)現(xiàn),受構(gòu)造影響以最頂部夾矸為界線,煤厚發(fā)生變化的同時(shí)煤層有分岔現(xiàn)象,分岔后上部含3層夾矸的煤層與2#煤層主煤層層間距可達(dá)3～8 m,并且煤質(zhì)也會(huì)有所變化,煤層厚度越薄煤質(zhì)越好,構(gòu)造附近除外。

結(jié)合3層煤層變薄的同時(shí)，煤層直接頂板有明顯變化特征,分析認(rèn)為是河流后生沖蝕對(duì)煤層厚度造成影響。受沖刷影響不僅煤層厚度變薄,正常的直接頂板也受到影響，甚至出現(xiàn)直接頂板缺失。受其影響，煤層從光澤、灰分等方面有明顯變化,并且裂隙較發(fā)育。在實(shí)際揭露中,煤層的直接頂板缺失,取而代之的是中細(xì)粒砂巖。

依據(jù)頂板巖性、巖相特征和沖刷接觸關(guān)系,識(shí)別后生沖蝕是比較容易的。然而想要圈定沖刷帶的分布范圍,卻有一定的難度,因?yàn)樵诟鞣N煤礦勘探和采掘中僅有一些不連續(xù)的點(diǎn),難以在平面上形成一定的規(guī)律。古河流可以粗略地根據(jù)沉積物的巖性、粒度、接觸關(guān)系判斷,流向可以根據(jù)層理、層面等構(gòu)造以及河流夾帶的一些其他沉積物排列方向判斷。在構(gòu)造及造山運(yùn)動(dòng)的影響下,古地形也在不斷地變化,河流的產(chǎn)生和消滅以及流向和規(guī)模都在不斷地變化。煤層沉積前后的古地理環(huán)境與地殼運(yùn)動(dòng)的歷史，需要進(jìn)一步去研究和探索,三維地震勘探在研究河流的平面展布和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)上有一定的優(yōu)勢(shì)。

同理,在直接頂板增大的情況下,即泥巖、砂質(zhì)泥巖變厚的情況下,煤厚會(huì)有所增大,說明在沼澤等穩(wěn)定的成煤環(huán)境下,不受后生變化的影響,煤層和直接頂?shù)暮穸容^大且穩(wěn)定。

3 煤層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 定性分析

評(píng)定煤層穩(wěn)定性,首要因素是煤層厚度變化,煤層厚度變化很大,且發(fā)生尖滅、增厚、變薄、分叉等,直接影響煤層的穩(wěn)定性[9]。在多年的開采過程中，除受斷裂構(gòu)造影響外，未發(fā)現(xiàn)2#、4#、5#煤層有尖滅現(xiàn)象。根據(jù)《煤礦地質(zhì)規(guī)定》第十二條,以煤層變化規(guī)律和可采性劃分[10],采用定性和定量結(jié)合的方法確定2#煤層為較穩(wěn)定煤層,煤層厚度有一定變化,但規(guī)律較明顯,煤層結(jié)構(gòu)為復(fù)雜類型,煤質(zhì)變化不大,全區(qū)可采;4#煤層為較穩(wěn)定煤層,煤層厚度有一定變化,但規(guī)律較明顯,煤層結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單類型,煤質(zhì)變化不大,全區(qū)大部分可采;5#煤層為穩(wěn)定煤層,煤層厚度變化很小,變化規(guī)律明顯,煤層結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單類型,煤質(zhì)變化不大,全區(qū)可采。

煤層穩(wěn)定性以煤層變化規(guī)律和可采性劃分,采用定性和定量結(jié)合的方法確定。以下對(duì)2#、4#、5#煤層穩(wěn)定性分別描述。

1)2#煤層。井田內(nèi)2#煤層厚度0～2.50 m,平均1.62 m,煤層厚度變化不大,變化有規(guī)律。根據(jù)2#煤層2201、2202厚度等值線圖(圖2、圖5)和2203掘進(jìn)地質(zhì)觀測(cè)斷面對(duì)比圖(圖6)可以看出,總體上2#煤層厚度多在1 m左右。煤層含1～4層夾矸,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。煤類為焦煤,比較單一。除局部區(qū)域受構(gòu)造等影響外,其余大部分可采。由此評(píng)價(jià)2#煤層為較穩(wěn)定煤層。

2)4#煤層。井田內(nèi)4#煤層厚度0～1.60 m,平均1.39 m,井田北部及中南部有不可采范圍,除局部區(qū)域受構(gòu)造等影響煤層厚度變化較小。根據(jù)4#煤層厚度等值線圖4可以看出,4#煤層厚度多在1.2 m左右。煤層不含夾矸,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大部可采。可采范圍內(nèi)煤類為焦煤,比較單一。由此評(píng)價(jià)4#煤層為穩(wěn)定煤層。

3)5#煤層。井田內(nèi)5#煤層厚度0～5.30 m,平均2.42 m,煤層厚度變化較小,變化規(guī)律明顯。總體上5#煤層厚度多在2～3 m之間,煤層厚度總的趨勢(shì)為井田東部向西部逐漸變薄,一般不含夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。煤類為焦煤,比較單一。由此評(píng)價(jià)5#煤層為穩(wěn)定煤層。

3.2 定量分析

《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》對(duì)煤礦各可采煤層穩(wěn)定程度的定量劃，分有具體定量標(biāo)準(zhǔn),詳見表2。

煤層的可采性指數(shù)Km可通過式(1)計(jì)算得到。

Km=n′/n.

(1)

式中:Km為煤層的可采性指數(shù);n為參與煤層厚度評(píng)價(jià)的見煤點(diǎn)總數(shù)(要求分布均一,有代表性);n′為其中煤層厚度大于或等于可采厚度的見煤點(diǎn)數(shù)。

表2 評(píng)價(jià)煤層穩(wěn)定程度的定量指標(biāo)表Table 2 Quantitative indicators for stability evaluation of coal seams

煤層厚度變異系數(shù)γ可通過式(2)計(jì)算得到。

(2)

根據(jù)上述對(duì)煤層穩(wěn)定性的定量計(jì)算公式,分別對(duì)井田內(nèi)2#、4#、5#煤層進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果詳見表3、表4。

表3 各可采煤層可采性指數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Workability index of minable coal seams

表4 各可采煤層厚度變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 4 Thickness variation coefficients of minable coal seams

1)2#煤層。井田內(nèi)2#煤層厚度0～2.50 m,平均1.62 m,為中厚煤層,以煤厚變異系數(shù)為主，可采性指數(shù)為輔進(jìn)行評(píng)定。2#煤層厚度變異系數(shù)γ=34%，可采性指數(shù)Km=0.9,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)2#煤層為較穩(wěn)定煤層。但是礦井地質(zhì)報(bào)告因2#煤層多數(shù)見煤點(diǎn)厚度在1 m以上,極少數(shù)個(gè)別見煤點(diǎn)煤層厚度相差較大,使所計(jì)算的定量分析可采性指數(shù)數(shù)據(jù)較大,不能夠作為代表2#煤層的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)為由,將2#煤層評(píng)價(jià)為穩(wěn)定煤層。通過本次評(píng)價(jià)認(rèn)為不太合理,因此本次將2#煤層評(píng)價(jià)為較穩(wěn)定煤層。

2)4#煤層。4#煤層厚度0～1.60 m,平均1.39 m,由于二采區(qū)實(shí)際探查厚度一般在1.2 m左右,多數(shù)小于1.3 m，因此本次按薄煤層進(jìn)行評(píng)定,以可采性指數(shù)為主、變異系數(shù)為輔進(jìn)行評(píng)定?？刹尚灾笖?shù)Km=0.96,厚度變異系數(shù)γ=39%，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)4#煤層為穩(wěn)定煤層。與地質(zhì)報(bào)告評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

3)5#煤層。井田內(nèi)5#煤層厚度0～5.30 m,平均2.42 m,為中厚煤層,以變異系數(shù)為主，可采性指數(shù)為輔進(jìn)行評(píng)定。5#煤層厚度變異系數(shù)γ=36%,可采性指數(shù)Km=0.97,本次將5#煤層評(píng)價(jià)為穩(wěn)定煤層。

3.3 探查與防范措施

3.3.1地球物理手段探查

左則溝煤業(yè)近年來使用福州華虹智能科技有限公司研發(fā)的YDT88型礦用無線電波坑道透視儀。以2201綜采工作面為例,使用YDT88型礦用無線電波坑道透視儀“一發(fā)雙收”工作方法，采用定點(diǎn)法觀測(cè),交叉探測(cè),覆蓋工作面所回采區(qū)域,發(fā)射點(diǎn)間距采用50 m一組,接收點(diǎn)距采用10 m一組。共布置222個(gè)觀測(cè)點(diǎn),42個(gè)發(fā)射點(diǎn)。

通過CT層析成像圖探測(cè)分析，主要3個(gè)異常區(qū)域位于2201回風(fēng)順槽165～185 m、315～335 m、365～385 m,如圖7所示。圖中，藍(lán)色代表低阻異常區(qū)域,橫軸表示工作面走向長(zhǎng)度,縱軸表示工作面傾向長(zhǎng)度。

結(jié)合2201綜采工作面上下兩巷實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線圖(圖中上巷表示運(yùn)輸順槽,下巷表示回風(fēng)順槽),如圖8和圖9所示。下巷即回風(fēng)順槽148～210 m和300～405 m處實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值有明顯減弱現(xiàn)象。

圖7 CT層析成像圖Fig.7 CT tomography plot

圖8 上巷實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線圖(發(fā)射巷:上巷,接收巷:下巷)Fig.8 Measured field intensity curves of the upper lane

圖9 下巷實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線圖(發(fā)射巷:下巷,接收巷:上巷)Fig.9 Measured field intensity curves of the lower lane

經(jīng)過對(duì)比該物探探測(cè)結(jié)果，與2201綜采實(shí)際采掘揭露基本相符,因此建議探查環(huán)境相類似的礦井可考慮使用該儀器進(jìn)行探查。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同條件物探探測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)有所變化,因此在日常使用過程中需要根據(jù)實(shí)際總結(jié)規(guī)律。

3.3.2近距離輕便型鉆機(jī)鉆探探查

左則溝煤業(yè)2#、4#、5#煤層屬近距離中厚煤層開采,因此在開拓掘進(jìn)過程中利用小功率輕便式風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)、錨桿鉆機(jī)等提前對(duì)鄰近層的煤層賦存情況進(jìn)行超前探查。此方法可實(shí)現(xiàn)快捷、準(zhǔn)確判別煤厚變化,并且通過探查可圈定無煤區(qū)、構(gòu)造影響區(qū)、修正煤層厚度等厚線圖。使用此探查手段時(shí)需考慮其他對(duì)安全生產(chǎn)的不利因素,如瓦斯等有害有毒氣體增加、人為判層失誤等,因此建議安排有經(jīng)驗(yàn)的工人,并在施工前定制針對(duì)礦井現(xiàn)狀可操作性的安全技術(shù)措施。

3.3.3綜合探查

根據(jù)探查條件可利用綜合探查手段進(jìn)行分項(xiàng)探查、相互驗(yàn)證、相互彌補(bǔ)缺陷,達(dá)到綜合探查的目的。同時(shí)在本區(qū)煤厚變化相對(duì)復(fù)雜的情況下,應(yīng)避免直接利用鉆孔深度的方法預(yù)測(cè)煤厚,在綜合探查的基礎(chǔ)上,結(jié)合物探成果和地質(zhì)規(guī)律,預(yù)測(cè)煤厚變化趨勢(shì)[5]。

4 結(jié)論

1)通過對(duì)左則溝煤業(yè)上組煤3層煤層煤厚變化統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),小斷層對(duì)煤層厚度的影響比較明顯,并且影響范圍較大。另外受各煤層抗壓強(qiáng)度的影響,近距離開采煤層受影響程度也不盡相同,同時(shí)在煤層厚度變化時(shí)煤質(zhì)、有害氣體含量等也有著明顯的變化。

2)受沉積環(huán)境中河流沖蝕作用的影響,煤層變薄現(xiàn)象明顯、直接頂板缺失并被粒度較粗的砂巖替代,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)古地理環(huán)境、古河流的認(rèn)識(shí)研究,進(jìn)一步總結(jié)規(guī)律。

3)在同一區(qū)域的同一組地層近距離煤層厚度變化規(guī)律不盡相同,煤層厚度變化可受單個(gè)或多個(gè)因素造成,因此需要在總結(jié)地區(qū)地質(zhì)規(guī)律的基礎(chǔ)上具體問題具體分析。

4)為確保煤炭資源的合理開采與充分利用,在總結(jié)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,需要認(rèn)真開展日常地質(zhì)觀測(cè)工作,研究查找規(guī)律,并且要充分結(jié)合地球物理探查、鉆探探查等綜合探查手段,分析研究選擇適合本礦井的探測(cè)儀器、探測(cè)參數(shù)等。