第四系底界粘土岩性对提高开采上限影响分析

发布时间：2007年01月13日
作者：孙希奎马光军徐新启
来源：孙希奎马光军徐新启
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1概况

淄博矿业集团公司在济（宁）北矿区建成投产的许可厂、贷庄、葛亭煤矿，现在全部开采下二迭统山西组3（3_上或3_下）层煤，在矿井不同范围内，3煤层与四系底界间距较小，局部更有煤层露头直接伏于第四系之下，开采过程中，采煤工作面的导水裂隙带可达第四系之中，受到第四系水的威胁，在《建井地质报告》中，上级批复的基岩防水保护煤柱为60m，按此要求进行，防水煤柱总压覆资源里将达3716.5万t。

为了合理开发利用煤炭资源，延长矿井服务年限，提高经济效益，自1998年开始，各矿通过各种手段和方法，主要针对第四系底界粘土层进行补充勘探，利用第四系底界粘土层与基岩共同作用作为防水煤岩柱，开展了提高开采上限研究工作。

1.1第四系沉积特点

济（宁）北矿区属于济宁煤田。第四系属冲积河，湖相沉积地层，与基岩呈不整合接触。其特点：一是厚度大，存度变化也大，在许厂、岱庄、葛亭井范围内，从127.1~282.74m；二是含隔水层大多相间沉积；三是第四系沉积所处的冲积、洪积扇部位不同而富水性各有差异。济宁煤田处于泗河冲积、洪积扇前沿，第四系总厚度加厚，但砂层粒度较细，含水层变少而隔水层增多。第四系下组砂砾层含水性弱到等，砂砾层下有较稳定的厚层含水性弱到中等，砂砾层下有较稳定的厚层状粘土、砂质粘土及石膏粘土，隔离砂砾层与基岩接触，使之与基岩含水层联系不密切。

1.2第四系地质水文特征

按照富水性、沉积特征及岩性组合不同，第四系可划分上、中下3组。

（1）上组：厚度58.9~173.9m，平均98.06m。岩性以暗黄色砂质粘土及中、细粒砂为主，含砂量达42%~49.5%，透水性好，单位涌水量仍在2.29~10.33L/g·m，渗透系数最大可以达到30.165m/d，本组为富水性强的孔隙含水层。

（2）中组：厚度24.5~125.1m，平均68.03m，岩性以褐色粘土及粘土质砂为主，粘土层隔水性能良好，钻孔由于长期风化，含粘土量高达25%，透水性也变弱，本组为相对隔水层。

（3）下组：厚度25.1~92.5m，平均58.95m，又可分为上下两段。上段：厚度7.5~50.5m，平均27.05m。岩性主要为灰白色粘土长石、石英砂砾岩，夹灰绿、灰白粘土，粘土质砂砾岩层占本段厚度的72%。含水层主要为中细砂层，单位涌水量在0.43!~0.848L/s·m，渗透透系数在1.0011~4.0514m/d，属中等含水层。下段：厚度1.4~63.27m，平均28.91m。岩性主要以灰绿、灰白杂色粘土岩为主，偶含固结较好的粘土质砂砾岩，底部普遍分布石膏粘土岩，粘土层占未段的90%，厚度大且分布连续，粘土层与砂质粘土的塑料性指数为17.7~31.8，单位涌水量在0.000878~0.0139L/ s·m，渗透系数在0.03125~0.723m/d，是良好的隔水层。下段：厚度1.4~63.27m，平均28.91m。岩性主要以灰绿、灰白杂色粘土岩为主，偶含固结较好的粘土质砂砾岩，底部普遍分布石膏粘土岩，粘土层占本段的90%，厚度大且分布连续，粘土层与砂质粘土的塑性指数为17.7~31.8，单位涌出量在0.000878~0.01319L/s·m，渗透系数在0.03125~0.723m/d，是良好的隔水层。

2研究第四系底界粘土层的目的和要求

提高开采上限的关键在于研究分析第四系底界粘土层的厚度、分布状况、物理力学性质、间隔沉积特征等，从而进一步研究新生界冲积层水透入矿井的条件、途径、与基岩含水层水力联系和制约因素。

2.1粘土层的厚度

第四系底界粘土层厚度大小，直接决定了开采上限提高的程度。虽然不同的煤层开采厚度、不同工艺对其有不同的要求，但只要裂隙带高度发育进入第四系时，必须按规范要求，查明其底界面起伏状态、厚度变化规律，做出等厚线图和底界面等高线图。

2.2粘土层的分布

在第四系沉积过程中，粘土层在层面或立面上，受各种因素影响，有可能出现砂层的“透镜体”或“天窗”，如果砂层的“透镜体”含水，又直接伏于基岩之上且相互之间又能连通，则对提高开采上限是不利的因素。如果砂层的“透镜体”相对独立，含水性极弱底部，还有粘土层间隔，则对提高开采上限不会造成大的影响。

2.3粘土层的物理力学性质

第四系底界粘土层的岩性组份决定了基塑性指数、膨胀率及压缩性，塑性指数、膨胀率及压缩性又决定了粘土层抗采动能力和再生隔水能力，因此，应对粘土层的物理力学性质进取样分析。

2.4粘土层与砂层间隔沉积条件

在第四系底界层中，要分析是以粘土为主，夹有不同厚度砂层，还是以砂层为主，夹有不同厚度粘土层。同时，分析砂层的含水性如何，以便确定开采上限是防水煤柱为主，带是以防砂或防塌煤柱为主。另外，煤层顶板砂岩含水层及其补给条件也应该一并考虑，虽然3煤顶板含水层以静储量为主，经过一段时间释放对工作面的影响大大减弱，但应分析有无受第四系含水层补给的途径和条件。

3分析研究第四系底界粘土层的手段和方法

为了达到相述目的和要求，必须通过综合措施来实现。在实际生产过程中，我们结合原来已有的地质资料，再通过井上下钻孔许工、抽水实验；二维地震非线性反演、二维三分量、物理力学性质分析等，查明了第四系底界粘土层的特性和分布规律。

3.1地面钻探水文补充勘探

以往的矿井勘探钻孔对现分阶段水文分析而言，密度相对较小。在实际开采试验过程中，许厂、葛亭两矿又在地面专门施工了6个钻孔，钻进工程量达1592.77m，先后单孔、群孔抽水12次。补勘以后，基本查明了钻孔控制区域的第四系底界粘土层的厚度、含砂情况及砂层含水情况。许厂煤矿第四系底界粘土层最度在2.77~34.22m，而粘土层较薄的区域，基岩的厚度又相对较厚，砂层含水层通过8次抽水，其单位涌水量为0.002317~0.002626L/s·m，属弱含水层。葛亭煤矿第四系底界粘土层厚度在42~55m，砂层含水层经过4次抽水，单位涌水量一般在0.002158~0.002636L/s·m，也属弱含水层。该巨厚粘土层，为葛亭煤矿提到防塌煤柱创造了条件。

3.2井下钻孔补充勘探

在这3个矿所有涉及提高开采上限的工作面中，均在井下布置了不同数量的仰上孔，以探明基岩的厚度、含中性、第四系底界粘土层的厚度、含砂情况等，总共施工了43个孔，总进尺达2453m，总体达到了200m×200m钻孔网度。摸清了第四系底界面的起伏状态、基岩的厚度变化规律。

3.3非线性二维地震反演

第四系底界多为砂、粘土相同沉积的地质结构，由于两者密度与速度的差异波阻抗则不同，其分界面上能形成反射波。非线性反演的目的是控制井间地层地质构造几何形态的细微变化，利用测井资料，通过小波奇数、时频、神经元和分形分析，对非线性地震演参数进行非线性标定，结合岩层地震剖面特征，求出物性参数分布信息。许厂煤矿委托山东物探队，通过对6条地质剖面，结合21条地震测线，1711个物理点，对控制区域的速度、密度、波阻抗进行了3种剖面反演，从面上解释了4工作面区域的第四系底界粘土层的分布沉积规律、厚度变化规律。

3.4二维三分量地震补勘

葛亭煤矿在牵扯提高开采上限的首采区曾经做过三维地震，通过三维地震对浅表土层的高保真处理，提高信噪比，初步确定了第四系底界粘土层是连续分布的。但为了实现对粘土层的精细解释和粘土层内的富水性定性解释，又进行了二维三分量地震勘探工作，完成4条溅线，266个物理点。综合查明了第四系底界粘土层未见“天窗”现象，厚度在42~55m，整体形态为一马鞍型，粘土层内富水性较弱。

3.5粘土层物理力学鉴定

为了掌握第四系底界粘土层的物理力学性能，在地面钻孔施工过程中，对底界粘土层先后取了16个岩芯进行送鉴，对密度、孔隙比、液限、塑限、塑性指数、液性指数、凝聚力、膨胀率等10几项指标进行了鉴定，总体主伙底界粘土层属半固结膨胀饱和粘土、液性指数及膨胀率大，有良好的隔水性和再生性。

4实施效果

利用上述方法和手段，济（宁）北矿区的3个矿，自1999年开始已经先后有13个工作面进行了提高开采上限的开采，采出压覆煤量约558万t。许厂煤矿在5m厚煤层综放工作面，已经将开采上限提高到35m左右；葛亭煤矿在煤厚8m的1307综放工作面，利用42~55m巨厚粘土层，已经将开采上限提高到2.89m，取得了良好的经济效益和社会效益。