靳 拓，吴基文，黄 凯

(安徽理工大学地球与环境学院， 安徽 淮南 232001)

潘集矿深部26-3孔煤系地层工程地质特征评价

靳 拓，吴基文，黄 凯

(安徽理工大学地球与环境学院， 安徽 淮南 232001)

以淮南潘集煤矿外围(深部)勘查区工程地质钻孔26-3孔为研究对象，通过统计分析含煤段地层的岩性厚度、RQD和抗压强度三方面特征，评价了钻孔煤系地层工程地质特征，并在此基础上划分了工程地质岩组；结果表明该钻孔工程地质条件较差，煤层顶底板多为泥岩，力学强度低，稳定性差。

潘集煤矿深部； 煤系地层； 工程地质特征； 岩组划分

1 引言

煤炭在我国的能源消费中长期占据着主导地位。随着采掘工作的不断进行，尤其在中东部地区，浅部的煤炭资源已经日渐匮乏。目前我国煤矿矿井正以8～12 m/a的平均速度向深部延伸，中东部地区的延伸速度已经达到了10～25 m/a[1]。煤矿深部开采已经成为必然，然而由于地层深部构造的复杂性特征，煤矿深部的开采面临着严峻的安全挑战。深部煤系地层的稳定是保证煤矿安全开采的前提。其稳定性不仅受到外力作用的影响,也受其本身工程地质性质的影响。对于煤系地层工程地质特征的研究，为矿井科学组织生产提供了依据,对巷道开挖、防护和合理布置工作面具有重要的参考价值。不重视对煤系地层工程地质特性的研究,会为实际生产中顶底板事故(顶板冒落,底板鼓起)的发生埋下隐患,对生产和工作人员的生命安全造成巨大的威胁。因此,对煤系地层工程地质特征的研究评价应是深部煤矿开采前不可或缺的重要环节。文章通过对潘集煤矿深部26-3孔煤系地层的研究，以期获得其工程地质特征并给予评价，为勘查区提供详细准确的地质资料。

2 钻孔岩层岩性厚度特征

安徽省淮南市潘集煤矿外围深部勘查区，东部位于淮南市潘集区境内，东北部位于怀远县境内。本研究钻孔为勘查区的26-3工程地质孔，26-3孔的终孔深度为1192.27 m，从钻孔揭露的地层情况来看，最上面为新生界松散层，厚度为303.75 m，紧接着为三叠系地层，二叠系的孙家沟组、上石盒子组、下石盒子组和山西组地层，最后为石炭系的太原组[2]。本次主要研究该孔中17煤到1煤(770.60～1180.60 m)的煤系地层工程地质特征。

26-3孔研究段岩层共分为五个含煤段，第一含煤段共计17层岩层，其中泥岩、粉砂岩、砂岩各5层，煤层2层；泥岩厚度占本含煤段厚度的12.88 %，粉砂岩占本含煤段厚度的24.35 %，细砂岩占本含煤段厚度的55.16 %，砂岩含量较高。第二含煤段共发育岩层50层，其中中砂岩与铝质泥岩各1层、4层细砂岩、9层粉砂岩、10层煤、25层泥岩；泥岩含量较高占本含煤段厚度的47.57 %，粉砂岩占本含煤段厚度的30.26 %，细砂岩含量较低，仅占本含煤段厚度的11.67 %。第三含煤段共发育岩层14层，其中6层泥岩、4层粉砂岩、2层细砂岩和2层煤；同样泥岩含量较高占本含煤段厚度的46.56 %，细砂岩和粉砂岩厚度相差不大，各自约占本含煤段的25.15 %。第四含煤段共有岩层33层，其中6层煤、18层泥岩、6层细砂岩、3层粉砂岩；泥岩占本含煤段厚度的56.68 %，细砂岩占本含煤段厚度的12.68 %，粉砂岩约占本含煤段的22.3 %。第五含煤段共有岩层22层，其中4层煤、4层粉砂岩、13层泥岩、1层细砂岩；泥岩厚度占本含煤段的40.92 %，粉砂岩厚度占本含煤段的46.03 %，细砂岩占本含煤段厚度的5 %。各含煤段泥岩、粉砂岩、细砂岩的具体情况见表1。

由表1中26-3孔煤系地层岩性厚度统计结果可以看出，除第一含煤段细砂岩厚度41.99 m占含煤段地层厚度的55.16 %以外，其余四个含煤段地层均以泥岩为主，泥岩含量达40.92 %～56.68 %，单层厚度发育差异性大；第二至第五含煤段砂岩厚度较小含量较低。

3 钻孔岩石质量评价

岩石质量是评价岩体工程地质特征的重要指标。岩石质量评价的方法主要有：岩石坚固系数 f 分类、岩石质量指标 RQD 分类、地质力学分类体系 RMR 法、岩石质量指标 Q 分类体系、岩石基本质量指标BQ分级法[3]。本研究采用RQD分类法，并结合室内物理实验的成果对钻孔岩石质量进行评价。

3.1 RQD分析

RQD为岩石质量指标是一个定量参数，在一定程度上可以表征工程岩体的完整性，其计算公式为：

岩石的完整性决定着RQD值的大小，坚硬、完整性好的岩石其RQD值就越高，反之，越发软弱、破碎的岩石，其值就越低。RQD值不仅与岩石本身性质有关，与钻进工艺也有很大关系，岩芯采率高、受磨损的程度比较低，机械破碎过程带来的影响越小，RQD 值就越能体现岩石质量和岩体结构的完整程度[4]，所以用RQD值来评价岩石质量，可以客观的反映出一些岩石的结构情况。岩石质量RQD分类见表2，依据Deere划分RQD值的标准进一步划分岩体结构的完整性见表3。

表1 各含煤段不同岩性岩层含量特征

表2 Deere岩石质量RQD

表3 岩体结构完整性划分

为了方便直观地分析煤矿深部煤系地层的工程地质特征，并对每个含煤段都给出更加精准的工程特性评价，本次研究分含煤段和岩性分别对钻孔地层RQD进行了加权计算，统计整理的结果见表4、表5。

表4 各岩性RQD统计表

表5 各含煤段RQD统计表

由表4可以看出，钻孔砂岩RQD加权值大于粉砂岩大于泥岩，总体上泥岩和粉砂岩岩石质量差，呈碎裂结构，而砂岩岩石质量趋向于好，岩体结构完整。由表5可以看出，第二、四含煤段总体岩石质量差，为碎裂结构；这与岩性厚度特征相符，第二和第四含煤段泥岩含量大，总体上两含煤段RQD加权值较小。第一、三、五含煤段总体岩石质量相差不大，均为一般，呈块状结构。结合表1分析可知，砂岩的含量越高，RQD越大，岩体结构越完整，泥岩含量越高，RQD越小，结构越松散。比较粉砂岩和砂岩会发现两者的岩石质量差别比较大，这也是为什么在煤系地层中将粉砂岩在砂岩中单独分开的原因。

3.2 岩石单轴抗压强度分析

室内岩石物理力学试验所测得的物理力学参数有很多，包括抗压强度、抗拉强度、凝聚力、弹性模量、泊松比、含水率、视密度、吸水率、孔隙率等。由于岩石的各种力学参数之间有一定的关联性[5]，可以通过其中一种参数客观的反映出来，因此，本次研究以抗压强度为例，从不同层位共取19组岩石样品，同样以加权结果对各岩性进行分析，统计数据见表6。

表6 抗压强度统计分析表(单位：Mpa)

分析表6可以得出，钻孔中三类岩石的单轴抗压强度值范围有交叉，总体上砂岩的抗压强度最大，加权平均值为74.84 Mpa；其次为粉砂岩，其加权平均值为44.31 Mpa；泥岩抗压强度最小，加权平均值仅为28.54 MPa。根据《岩土工程勘察规范》中提出的岩石强度分类依据[6]，并结合本钻孔实际数据，根据抗压强度的大小进行岩石强度分类：抗压强度>60 Mpa，岩石强度为硬质；抗压强度在30～60 Mpa，岩石强度为中硬；抗压强度<30 Mpa，岩石强度为软质。结合表6分析，砂岩的岩石强度多为硬质，粉砂岩岩石强度为中硬和软质，泥岩岩石强度偏向于软质，仅少数完整结构的试样可以达到中硬。

由上述岩性厚度分布特征及钻孔各层段岩性RQD值特征可以得出，26-3孔岩性以泥岩为主，砂岩粉砂岩含量较低，钻孔煤系地层强度较低，以软质和中硬岩石居多，硬质岩石含量较少。主采煤层顶底板泥岩含量较高，稳定性较差。

3.3 主要岩组划分

岩组划分在工程地质中具有重要意义，合理的岩组划分能正确认识岩体结构和岩体的工程地质稳定性等[7]。在详细统计岩性厚度、RQD以及岩石强度的特征的基础上，结合实际情况以及本钻孔各含煤段分界面，将26-3孔煤系地层划分出了粉砂岩岩组、粉砂岩泥岩岩组、泥岩砂岩岩组、泥岩岩组、砂岩岩组和灰岩岩组，共32个岩组。主要岩组具体情况如下： 泥岩岩组：共划分出12组泥岩岩组，包含钻孔89层地层，泥岩岩组岩体结构碎裂，抗压强度低，岩石质量差; 粉砂岩岩组：钻孔地层共划分出9组粉砂岩岩组，包含18层地层，岩性主要为粉砂岩，岩石多为块状、中硬质，岩石质量一般; 砂岩岩组：共划分了7组砂岩岩组，包含9层地层，岩性主要为细砂岩，含少量中砂岩，岩体结构多为完整、块状，岩石强度高，岩石质量比较好; 泥岩砂岩岩组：共有2组泥岩砂岩岩组，含14层岩层，岩石组合主要为泥岩与细砂岩的间隔沉积，细砂岩的岩体结构、硬度都要比泥岩的好，呈现出一层硬质岩石、一层软质岩石的岩层组合。

砂岩岩组主要分布在本钻孔的下部，上部第四、第五含煤段未见砂岩岩组；泥岩岩组集中分布在第二、第三、第四含煤段，其中第二含煤段的泥岩岩组厚度近85米，占整个钻孔泥岩岩组厚度的45.2 %；粉砂岩岩组在各个含煤段分布相对比较均匀。

4 结语

本文统计分析了潘集煤矿深部勘查区工程地质钻孔26-3孔的岩性厚度特征，利用RQD和抗压强度两个指标对钻孔煤系地层岩石质量进行了评价，并在此基础上划分了工程地质岩组。26-3孔煤系地层发育泥总厚度达198.45 m，划分的泥岩岩组也占钻孔的46.6 %，而泥岩工程地质稳定性较差，在深部开采时需结合钻孔工程地质特征进行主采煤层顶底板稳定性评价。

[1] 何满潮，谢和平，彭苏萍，等. 深部开采岩体力学研究[J]．岩石力学与工程学报，2005，24(16):2803-2813.

[2] 刘文中.淮南地区地质认识实习指南[M].合肥：中国科学技术大学出版社,2013.

[3] 冯松宝.任楼矿51-72煤层段岩体工程地质力学特征及其稳定性评价[D].淮南：安徽理工大学，2009.

[4] 张新,马婧.岩石质量指标(RQD)在钻孔岩石质量评价中的应用[J].西部探矿工程,2012(7):124-129.

[5] 刘素梅，徐礼华，李彦强.丹江口水库岩石物理力学性能试验研究[J].华中科技大学学报(城市科学版),2007(4):54-58.

[6] 中华人民共和国建设部.岩土工程勘察规范(GB50021-2001)[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[7] 聂明军.北京木城涧矿侏罗系主采煤层顶板工程地质特性及其稳定性研究[D].淮南：安徽理工大学，2008.

Evaluation of Engineering Geological Characteristics of Coal -bearing Stratum of 26-3 Drilling Hole in Panji Coal Mine

JIN Tuo,WU Jiwen,HUANG Kai

(DepartmentofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,HuainanAnhui232001)

Using engineering geological drilling hole 26-3 in Huainan Panji mine peripheral deep exploration district as the research object, through statistical analysis of the three characteristics of coal strata rock thickness, RQD and compressive strength characteristics, the paper evaluates the drilling coal engineering geological characteristics of the strata, and divides the engineering geological rock group on this bases. The results show that the engineering geological condition of drilling hole is poor. The roof and floor of the coal seam are mudstone, which has low mechanical strength and the poor stability.

panji coal mine deep area; coal strata; engineering geology characteristics; rock group division

TD163;P631

B

1671-4733(2017)06-0005-03

2017-04-01

国家自然科学基金(项目编号：41272278)； 2013年度安徽省地质勘查基金第三批(续作)项目(项目编号：2013-3-18)

靳拓(1993-)，河北邢台人，男，硕士研究生，研究方向为煤矿工程地质，电话：18855480508。