第四係底界粘土岩性對提高開采上限的影響分析

1概況

淄博礦業集團公司在濟（寧）北礦區建成投產的許可廠、貸莊、葛亭煤礦，現在全部開采下二迭統山西組3（3_上或3_下）層煤，在礦井不同範圍內，3煤層與四係底界間距較小，局部更有煤層露頭直接伏於第四係之下，開采過程中，采煤工作麵的導水裂隙帶可達第四係之中，受到第四係水的威脅，在《建井地質報告》中，上級批複的基岩防水保護煤柱為60m，按此要求進行，防水煤柱總壓覆資源裏將達3716.5萬t。

為了合理開發利用煤炭資源，延長礦井服務年限，提高經濟效益，自1998年開始，各礦通過各種手段和方法，主要針對第四係底界粘土層進行補充勘探，利用第四係底界粘土層與基岩共同作用作為防水煤岩柱，開展了提高開采上限研究工作。

1.1第四係沉積特點

濟（寧）北礦區屬於濟寧煤田。第四係屬衝積河，湖相沉積地層，與基岩呈不整合接觸。其特點：一是厚度大，存度變化也大，在許廠、岱莊、葛亭井範圍內，從127.1~282.74m；二是含隔水層大多相間沉積；三是第四係沉積所處的衝積、洪積扇部位不同而富水性各有差異。濟寧煤田處於泗河衝積、洪積扇前沿，第四係總厚度加厚，但砂層粒度較細，含水層變少而隔水層增多。第四係下組砂礫層含水性弱到等，砂礫層下有較穩定的厚層含水性弱到中等，砂礫層下有較穩定的厚層狀粘土、砂質粘土及石膏粘土，隔離砂礫層與基岩接觸，使之與基岩含水層聯係不密切。

1.2第四係地質水文特征

按照富水性、沉積特征及岩性組合不同，第四係可劃分上、中下3組。

（1）上組：厚度58.9~173.9m，平均98.06m。岩性以暗黃色砂質粘土及中、細粒砂為主，含砂量達42%~49.5%，透水性好，單位湧水量仍在2.29~10.33L/g·m，滲透係數最大可以達到30.165m/d，本組為富水性強的孔隙含水層。

（2）中組：厚度24.5~125.1m，平均68.03m，岩性以褐色粘土及粘土質砂為主，粘土層隔水性能良好，鑽孔由於長期風化，含粘土量高達25%，透水性也變弱，本組為相對隔水層。

（3）下組：厚度25.1~92.5m，平均58.95m，又可分為上下兩段。上段：厚度7.5~50.5m，平均27.05m。岩性主要為灰白色粘土長石、石英砂礫岩，夾灰綠、灰白粘土，粘土質砂礫岩層占本段厚度的72%。含水層主要為中細砂層，單位湧水量在0.43!~0.848L/s·m，滲透透係數在1.0011~4.0514m/d，屬中等含水層。下段：厚度1.4~63.27m，平均28.91m。岩性主要以灰綠、灰白雜色粘土岩為主，偶含固結較好的粘土質砂礫岩，底部普遍分布石膏粘土岩，粘土層占未段的90%，厚度大且分布連續，粘土層與砂質粘土的塑料性指數為17.7~31.8，單位湧水量在0.000878~0.0139L/ s·m，滲透係數在0.03125~0.723m/d，是良好的隔水層。下段：厚度1.4~63.27m，平均28.91m。岩性主要以灰綠、灰白雜色粘土岩為主，偶含固結較好的粘土質砂礫岩，底部普遍分布石膏粘土岩，粘土層占本段的90%，厚度大且分布連續，粘土層與砂質粘土的塑性指數為17.7~31.8，單位湧出量在0.000878~0.01319L/s·m，滲透係數在0.03125~0.723m/d，是良好的隔水層。

2研究第四係底界粘土層的目的和要求

提高開采上限的關鍵在於研究03manbetx 第四係底界粘土層的厚度、分布狀況、物理力學性質、間隔沉積特征等，從而進一步研究新生界衝積層水透入礦井的條件、途徑、與基岩含水層水力聯係和製約因素。

2.1粘土層的厚度

第四係底界粘土層厚度大小，直接決定了開采上限提高的程度。雖然不同的煤層開采厚度、不同工藝對其有不同的要求，但隻要裂隙帶高度發育進入第四係時，必須按規範要求，查明其底界麵起伏狀態、厚度變化規律，做出等厚線圖和底界麵等高線圖。

2.2粘土層的分布

在第四係沉積過程中，粘土層在層麵或立麵上，受各種因素影響，有可能出現砂層的“透鏡體”或“天窗”，如果砂層的“透鏡體”含水，又直接伏於基岩之上且相互之間又能連通，則對提高開采上限是不利的因素。如果砂層的“透鏡體”相對獨立，含水性極弱底部，還有粘土層間隔，則對提高開采上限不會造成大的影響。

2.3粘土層的物理力學性質

第四係底界粘土層的岩性組份決定了基塑性指數、膨脹率及壓縮性，塑性指數、膨脹率及壓縮性又決定了粘土層抗采動能力和再生隔水能力，因此，應對粘土層的物理力學性質進取樣03manbetx 。

2.4粘土層與砂層間隔沉積條件

在第四係底界層中，要03manbetx 是以粘土為主，夾有不同厚度砂層，還是以砂層為主，夾有不同厚度粘土層。同時，03manbetx 砂層的含水性如何，以便確定開采上限是防水煤柱為主，帶是以防砂或防塌煤柱為主。另外，煤層頂板砂岩含水層及其補給條件也應該一並考慮，雖然3煤頂板含水層以靜儲量為主，經過一段時間釋放對工作麵的影響大大減弱，但應分析有無受第四係含水層補給的途徑和條件。

3分析研究第四係底界粘土層的手段和方法

為了達到相述目的和要求，必須通過綜合措施來實現。在實際生產過程中，我們結合原來已有的地質資料，再通過井上下鑽孔許工、抽水實驗；二維地震非線性反演、二維三分量、物理力學性質分析等，查明了第四係底界粘土層的特性和分布規律。

3.1地麵鑽探水文補充勘探

以往的礦井勘探鑽孔對現分階段水文分析而言，密度相對較小。在實際開采試驗過程中，許廠、葛亭兩礦又在地麵專門施工了6個鑽孔，鑽進工程量達1592.77m，先後單孔、群孔抽水12次。補勘以後，基本查明了鑽孔控製區域的第四係底界粘土層的厚度、含砂情況及砂層含水情況。許廠煤礦第四係底界粘土層最度在2.77~34.22m，而粘土層較薄的區域，基岩的厚度又相對較厚，砂層含水層通過8次抽水，其單位湧水量為0.002317~0.002626L/s·m，屬弱含水層。葛亭煤礦第四係底界粘土層厚度在42~55m，砂層含水層經過4次抽水，單位湧水量一般在0.002158~0.002636L/s·m，也屬弱含水層。該巨厚粘土層，為葛亭煤礦提到防塌煤柱創造了條件。

3.2井下鑽孔補充勘探

在這3個礦所有涉及提高開采上限的工作麵中，均在井下布置了不同數量的仰上孔，以探明基岩的厚度、含中性、第四係底界粘土層的厚度、含砂情況等，總共施工了43個孔，總進尺達2453m，總體達到了200m×200m鑽孔網度。摸清了第四係底界麵的起伏狀態、基岩的厚度變化規律。

3.3非線性二維地震反演

第四係底界多為砂、粘土相同沉積的地質結構，由於兩者密度與速度的差異波阻抗則不同，其分界麵上能形成反射波。非線性反演的目的是控製井間地層地質構造幾何形態的細微變化，利用測井資料，通過小波奇數、時頻、神經元和分形分析，對非線性地震演參數進行非線性標定，結合岩層地震剖麵特征，求出物性參數分布信息。許廠煤礦委托山東物探隊，通過對6條地質剖麵，結合21條地震測線，1711個物理點，對控製區域的速度、密度、波阻抗進行了3種剖麵反演，從麵上解釋了4工作麵區域的第四係底界粘土層的分布沉積規律、厚度變化規律。

3.4二維三分量地震補勘

葛亭煤礦在牽扯提高開采上限的首采區曾經做過三維地震，通過三維地震對淺表土層的高保真處理，提高信噪比，初步確定了第四係底界粘土層是連續分布的。但為了實現對粘土層的精細解釋和粘土層內的富水性定性解釋，又進行了二維三分量地震勘探工作，完成4條濺線，266個物理點。綜合查明了第四係底界粘土層未見“天窗”現象，厚度在42~55m，整體形態為一馬鞍型，粘土層內富水性較弱。

3.5粘土層物理力學鑒定

為了掌握第四係底界粘土層的物理力學性能，在地麵鑽孔施工過程中，對底界粘土層先後取了16個岩芯進行送鑒，對密度、孔隙比、液限、塑限、塑性指數、液性指數、凝聚力、膨脹率等10幾項指標進行了鑒定，總體主夥底界粘土層屬半固結膨脹飽和粘土、液性指數及膨脹率大，有良好的隔水性和再生性。

4實施效果

利用上述方法和手段，濟（寧）北礦區的3個礦，自1999年開始已經先後有13個工作麵進行了提高開采上限的開采，采出壓覆煤量約558萬t。許廠煤礦在5m厚煤層綜放工作麵，已經將開采上限提高到35m左右；葛亭煤礦在煤厚8m的1307綜放工作麵，利用42~55m巨厚粘土層，已經將開采上限提高到2.89m，取得了良好的經濟效益和社會效益。

（孫希奎 馬光軍 徐新啟）