高少華

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安710069)

趙家溝煤礦位于寧武縣西南方向約60 km處趙家溝村一帶，行政區(qū)劃屬寧武縣新堡鄉(xiāng)管轄。井田呈長條形，南北長約3.76 km，東西寬約0.64 km，面積2.1 km2。井田可采煤層為2、3、5號(hào)煤層，總資源量為9750萬 t，準(zhǔn)采深度(標(biāo)高)1790～1 350m，區(qū)內(nèi)煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性較差，孔裂隙水較發(fā)育，采空區(qū)積水、積氣，已成為制約煤礦開采的重要問題，因此對(duì)井田開采地質(zhì)條件進(jìn)行評(píng)價(jià)是非常必要的[1]。

1 區(qū)域地質(zhì)及礦井地質(zhì)

1.1 區(qū)域地質(zhì)

寧武煤田位于山西省中北部寧武至靜樂一帶，長約160 km，寬20 km，面積3000 km2，西側(cè)為呂梁山隆起和蘆芽山復(fù)背斜，東側(cè)為五臺(tái)山隆起帶。煤田由南往北略呈平緩抬起，為北北東向的向斜，東西兩翼產(chǎn)狀較陡，向內(nèi)產(chǎn)狀逐漸變緩，核部水平，正斷層發(fā)育，為晚古生代成煤期后受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)擠壓抬升形成的古、中生代煤田[2－6]。石炭二疊紀(jì)煤系地層煤層總厚20～30m，中侏羅世煤系地層位于煤田中南部，煤層總厚1～2.5m[2]。軸部主要出露石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系地層，兩翼由奧陶系地層組成，為對(duì)稱開闊向斜。

1.2 礦井地質(zhì)

本井田位于寧武煤田西南邊緣，地層總體呈一單斜構(gòu)造，走向北北東，傾向南東東，地層傾角60°～75°，靠近西翼可達(dá)80°，往地下深部傾角略有減小。區(qū)內(nèi)南部地表地層倒轉(zhuǎn)，傾向北西，傾角80°～85°。井田構(gòu)造簡單，地表未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造。區(qū)內(nèi)主要含煤地層為石炭系，可采煤層為太原組2、3、5號(hào)煤層。井田采用斜井開拓，建有主斜井、副斜井和回風(fēng)斜井，目前開采煤層為5號(hào)煤層，采煤方法為走向長壁后退式采煤法[1]。

2 井田含煤地層及煤層

2.1 煤層形成古地理?xiàng)l件

寧武煤田在晚古生代太原期為海退背景下濱、淺海三角洲平原亞相的低位沼澤，物源主要來自大同以北的內(nèi)蒙古隆起，早期植物生長繁盛，泥炭堆積厚度大，沉積了厚度較大的9號(hào)煤層;中、后期海水向南退出，成煤環(huán)境變差，在太原組中上部僅發(fā)育一些分布不連續(xù)的薄煤層和濱淺海相泥巖泥灰?guī)r;太原組由南向北隨著時(shí)間的變化，海相沉積范圍逐漸變小，聚煤作用則由南向北逐漸增強(qiáng)。山西期海水退出，初期沉積環(huán)境較穩(wěn)定，處于河流亞相的沼澤沉積微相區(qū)，形成了山西組下段較厚的4號(hào)煤層;中、后期沼澤相帶收縮，成煤條件變差，沉積了1～3層橫向分布不穩(wěn)定的薄煤層[2－4]。

2.2 地層及煤層概況

煤礦地處寧武煤田西南邊緣，屬于晚古生代煤田。地層出露有奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組(O2s)，石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、上統(tǒng)太原組(C3t)，二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、下石盒子組(P1x)和第四系。其中太原組(C3t)為海陸交互相的含煤地層，巖性為灰白色粗、中、細(xì)砂巖，灰色、黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖，含2、3、5號(hào)煤層，地層厚度約85m。

2、3號(hào)煤層位于太原組上部，厚1～3m，無夾矸;5號(hào)煤層位于太原組下部，厚度約10m，含2層夾矸，厚度0.10～0.20m。區(qū)內(nèi)煤層結(jié)構(gòu)簡單，全區(qū)穩(wěn)定可采，煤質(zhì)較軟;煤層多呈黑色，粉末略帶棕色，光澤多呈瀝青－玻璃光澤，斷口呈參差狀，節(jié)理不發(fā)育，內(nèi)生裂隙較發(fā)育，一般20～30條/cm;結(jié)構(gòu)以寬條帶狀為主，硬度3.5，性脆易碎，質(zhì)輕污手;宏觀煤巖類型以半暗型煤為主，少量半亮型煤;露頭風(fēng)化后呈粉沫狀。通過煤質(zhì)化驗(yàn)分析，為中灰、中硫、高發(fā)熱量煤層。顯微煤巖特征:有機(jī)組分以鏡質(zhì)體最高，其次見膠鏡質(zhì)體，絲質(zhì)體以全絲質(zhì)體為主，礦物以粘土礦物為主，另有少量黃鐵礦。依據(jù)浮煤揮發(fā)分、粘結(jié)指數(shù)、膠質(zhì)層指數(shù)確定煤類為氣煤(QM45)[1]。

2.3 井田水文條件

區(qū)內(nèi)無常年流水性河流，發(fā)育的沖溝均為季節(jié)性排水通道，雨季溝谷有水匯集流出，注入井田東南汾河。馬家溝組巖溶裂隙較為發(fā)育，在井田的西部出露，直接接受大氣降水的補(bǔ)給，下滲形成地下水，對(duì)煤層開采影響較大。石炭－二疊系含砂巖孔裂隙水。地表風(fēng)化裂隙發(fā)育，導(dǎo)水性良好，地下水主要向深部徑流，在地表無泉水出露。礦區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，徑流方向由西北向南東方向。

3 井田煤層開采地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

3.1 開采水文地質(zhì)條件

3.1.1 巖層因素

本區(qū)富水巖層按含水介質(zhì)劃分為三種類型:松散巖類、碎屑巖類和灰?guī)r類。松散巖類主要由第四系亞砂土、細(xì)砂土、礫石層組成，在地勢低的地方含有一定的地下水，含水性弱。碎屑巖類為石炭、二疊系多層砂巖，屬孔裂隙含水類型，各層之間有砂質(zhì)泥巖、泥巖和煤層，這些巖層隔水性強(qiáng)，在無斷層和裂隙溝通的情況下，各含水層之間水力聯(lián)系弱，形成多層裂隙承壓含水層。灰?guī)r類層位穩(wěn)定，屬于埋藏型巖溶裂隙含水巖組，以網(wǎng)狀溶蝕裂隙含水為主，溶洞次之。本溪組泥巖、鋁土巖，是奧陶系巖溶水與上覆煤層之間良好的隔水層。石炭二疊系泥巖、砂質(zhì)泥巖均為含水層間良好的隔水層。

3.1.2 構(gòu)造因素

本井田為急傾斜單斜構(gòu)造，由于受燕山期以來蘆芽山和云中山造山運(yùn)動(dòng)的影響，地層孔裂隙較發(fā)育，常引起礦井淋水、涌水或突水。尤其是構(gòu)造破碎帶，溝通上下含水層或地表水體時(shí)，會(huì)導(dǎo)致突水事故的發(fā)生。礦區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造，開采時(shí)應(yīng)注意對(duì)隱伏構(gòu)造的發(fā)現(xiàn)和研究。

3.1.3 充水因素

本區(qū)溝谷縱橫，新生界蓄水層、太原組、山西組、奧陶系地層出露地表，雨季地表水會(huì)通過地表松散層、風(fēng)化帶、裂隙縫隙滲入地下，所以大氣降水是影響礦井充水的一個(gè)重要因素。井田內(nèi)5號(hào)煤層已形成采空區(qū)及古空區(qū)，經(jīng)調(diào)查積水量較大，因此在煤層開采時(shí)，謹(jǐn)防采空區(qū)、古空區(qū)積水對(duì)煤層開采的影響，并建立健全防排水設(shè)備。奧灰水位標(biāo)高為1 678m，煤層底板標(biāo)高均低于奧灰水位標(biāo)高，煤礦處于承壓開采狀態(tài)，開采時(shí)防止突水。在生產(chǎn)過程中開拓至鉆孔附近時(shí)，注意涌水情況。

3.2 工程地質(zhì)條件

3.2.1 巖土工程地質(zhì)條件

第四系殘積坡物具可塑性，厚度較大，分布于煤層露頭區(qū)與緩坡地帶，土體疏松，透水性較好，雨季易發(fā)生滑坡、坍塌等，應(yīng)采取加固措施以防地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。礦井掘進(jìn)巷道主要在砂泥巖內(nèi)，因巖石膠結(jié)較弱，巖體分層較多，結(jié)構(gòu)碎裂，屬軟弱巖層，易發(fā)生頂部塌陷及底鼓等工程地質(zhì)問題。

煤層開采后形成采空區(qū)，頂、底部巖層失去支撐，在自重及上覆巖石壓力的作用下，開始彎曲－變形－冒落。因此，采空區(qū)上部的巖層，根據(jù)破壞和變形情況的不同，自下而上易形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶，地面則形成沉降和裂縫。

3.2.2 頂?shù)装宸€(wěn)定性評(píng)價(jià)

本區(qū)煤層頂板底板巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖等，厚度1～2m，粉砂巖抗壓強(qiáng)度57.2 MPa，抗拉強(qiáng)度43.8 MPa，為中等堅(jiān)硬巖石，不易冒落;泥巖和砂質(zhì)泥巖為斜層狀，抗壓強(qiáng)度為44～49.8 MPa，抗拉強(qiáng)度2.08～4.27 MPa，為不堅(jiān)固巖石，易跨幫、冒落，且泥巖遇水易泥化，會(huì)出現(xiàn)底鼓、支架下陷等不良工程地質(zhì)問題[1]。

3.3 瓦斯、煤塵、煤的自燃

3.3.1 瓦斯

區(qū)內(nèi)5號(hào)煤層瓦斯絕對(duì)涌出量為0.44m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為1.98m3/t，屬低瓦斯礦井;2、3號(hào)煤層位于5號(hào)煤層上方，埋藏淺于5號(hào)煤層，瓦斯含量小于5號(hào)煤層。由于礦區(qū)煤層為急傾斜煤層，隨著開采面積的增大和深度的加深，瓦斯含量可能增加，應(yīng)隨時(shí)對(duì)瓦斯涌出量進(jìn)行監(jiān)測，確保安全生產(chǎn)。另外區(qū)內(nèi)存在大面積密閉采空區(qū)，內(nèi)有二氧化碳、沼氣、硫化氫等有害氣體，由于長時(shí)間不通風(fēng)造成濃度很大，開采時(shí)應(yīng)注意泄露[1]。

3.3.2 煤塵爆炸性及煤自燃趨勢

對(duì)2、3、5號(hào)煤層所作的煤塵爆炸定性分析表明:各煤層火焰長度 ＞400 mm，撲滅火焰的巖粉量為75%～80%，因此，各煤層均有煤塵爆炸危險(xiǎn)性。因此采煤時(shí)應(yīng)對(duì)煤層注水、灑水，掘進(jìn)工作面必須采用濕式鉆眼，定期清掃巷道和進(jìn)行沖洗煤塵以減少巷道中堆積的煤塵，加強(qiáng)通風(fēng)管理，控制巷道風(fēng)速，防止煤塵飛揚(yáng)，相鄰的采掘工作面和采區(qū)用水幕、水柵隔開，杜絕非生產(chǎn)熱源，嚴(yán)格控制生產(chǎn)熱源[1]。

2、3、5 號(hào)煤層的自燃傾向性測試結(jié)果:全硫兩極值0.35%～2.91%、煤層吸氧量為0.62～0.71 cm3/g，自燃等級(jí)為Ⅰ、Ⅱ級(jí)，屬自燃、容易自燃煤層。在今后生產(chǎn)中應(yīng)注意制定防滅火措施，及時(shí)清理浮煤、易燃物質(zhì)，做好密閉工作，以防發(fā)生自燃現(xiàn)象[1]。

3.3.3 地溫、地壓

據(jù)本礦及鄰礦開采情況，地溫未見異?，F(xiàn)象;從礦井生產(chǎn)巷道維護(hù)與采空區(qū)冒落情況看，該井田地壓顯現(xiàn)不大。本井田屬地溫地壓正常區(qū)。

4 結(jié)語

(1)礦區(qū)位于寧武煤田西南部，地層呈一單斜構(gòu)造，傾角60°～75°，地質(zhì)構(gòu)造簡單，由于受后期擠壓抬升，地層孔裂隙發(fā)育?？刹擅簩訛樘M2、3、5號(hào)煤層。

(2)礦區(qū)水文地質(zhì)類型中等，以大氣降水、巖溶、孔裂隙充水為主。老窯采空區(qū)積水較大，開采時(shí)應(yīng)先探明積水情況，以防突水。

(3)礦區(qū)工程地質(zhì)條件中等，煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性較差，開采過程中以防冒頂、溜底、垮幫等地質(zhì)問題。

(4)煤層瓦斯含量較低，煤層煤塵有爆炸危險(xiǎn)性，煤層為自燃、容易自燃煤層，開采時(shí)應(yīng)注意安全。

[1]山西省地勘局211地質(zhì)隊(duì).寧武煤田趙家溝煤礦兼并重組礦井地質(zhì)報(bào)告[R].山西忻州:山西省地勘局211地質(zhì)隊(duì).2010.

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[3]李洪顏，徐義剛，黃小龍，等.華北克拉通北緣晚古生代活化:山西寧武－靜樂盆地上石炭統(tǒng)太原組碎屑鋯石U－Pb測年及Hf同位素證據(jù)[J].科學(xué)通報(bào).2009，54(5):632－640.

[4]田文廣，湯達(dá)禎，孫斌，等.寧武盆地南部煤層氣富集的主控因素[J].天然氣工業(yè).2010，30(6):22 －25.

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[6]馬勝，郭瑞.寧武煤田斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)[J].科技信息.2012，(1):409 －410.