貴州省土城煤礦礦區工程地質特征及評價

王輝迎

[摘要]本文以貴州省土城煤礦為研究對象，通過收集利用土城煤礦勘查工作中所取得的實驗數據以及相關工程地質資料進行綜合分析，從巖石及煤層頂、底板工程地質特征、斷層破碎帶和各類結構面工程地質特征、老窖及老礦井工程地質特征三個層面進行闡述，從而探究其穩定性影響因素并進行評價，為礦山開采和地質環境的保護提供參考依據。

[關鍵詞]工程地質特征；穩定性評價；結構面；節理；裂隙

礦井建設以及生產過程中，礦區的穩定性是比較關鍵的影響因素，許多礦區災害事故都是由于巖石、頂、底板以及各種構造影響所致，所以做好礦區-程地質特征及穩定性的分析工作就顯得尤為重要。目前大量的生產實踐和研究表明，地質因素會影響煤礦礦區的穩定性，加強煤礦礦區工程地質特征及穩定性研究，能夠為客觀反映礦區穩定性提供相應參考，這對礦井建設生產工作的良好開展起到積極促進作用。保障礦區工程地質的穩定性，要先了解工程地質的特征狀況，準確掌握礦區工程的地質特征狀況，并要做好相應穩定性分析工作，在這一基礎上才能有助于各項工作安全有序地開展。

目前已有大量學者對工程地質特征及穩定性進行了研究，黃宇等通過介紹了垃圾填埋場作為地質體的概念，從垃圾的工程性質、填埋場體的結構特征以及地震、降雨、人類工程活動等動態工程地質過程出發，討論了影響垃圾填埋場穩定性的因素，并概述了影響填埋場不穩定的因素。PaulIrikefe Edigbue等通過對沙特阿拉伯西部建設工程場地特征的地質和地球物理調查，著重調查了研究點兩河對岸橋臺的地質特征和基巖條件，從而避免流道和薄弱區域的不明確可能導致施工過程中的嚴重危險。大量研究多集中于邊坡工程地質特征及穩定性評價，主要是對邊坡工程地質特征、巖體結構類型及工程巖體質量進行研究，從而探討其控制因素、破壞模式等，并對其進行穩定性評價。部分學者對煤層頂板的工程地質特征及穩定性進行了研究，但是，對煤礦礦區的工程地質特征及穩定性評價的研究較少，且以往的研究結論對于土城煤礦來說并不太適用。因此本文開展土城煤礦礦區工程地質特征及評價，從巖石及煤層頂、底板工程地質特征、斷層破碎帶和各類結構面工程地質特征和老窖及老礦井工程地質特征三個層面進行闡述，從而探究其穩定性影響因素并進行評價，進一步了解礦區工程地質具體特征和穩定性狀況，為工程施工活動的開展提供相應參考依據。

1 研究區地質背景

土城礦位于貴州省盤州市正北0°方位，屬亞熱帶夏濕春干溫暖氣候。年均氣溫15.2℃。年平均降雨量1393.3 mm，年最大降雨量2105.5 mm，年最小降雨量791.5 mm，降雨量和季節性變化明顯，全年無霜期260多天。主要災害性天氣有春旱、暴雨、冰雹、倒春寒、秋綿雨、凝凍等。

1.1 地形地貌

礦區地處云貴高原中部過渡地帶，為中低山地形，山形和地層走向基本一致，礦區北部為玄武巖形成的緩坡山，煤組下段多成溝谷，中上段形成反向坡，上覆地層組成陡峻的高山。全區地勢為中部高兩端低，最高點位于礦區中部磨盤石梁子山頂，海拔標高+2262.98 m；最低點位于礦區北西部拖長江河床，海拔標高+1480.40 m，為當地最低侵蝕基準面，最大高差782.58m。

1.2 地層巖性

本區域出露地層由老至新有：石炭系、二疊系、三疊系、第三系和第四系。缺失侏羅系、白堊系。早、晚二疊世之間有基性巖漿噴溢，形成大面積分布的峨眉山玄武巖。礦區范圍內及周邊巖石按巖性主要分為碳酸鹽巖、碎屑巖、火成巖及第四系，前三個主要由灰巖、泥灰巖、細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、煤層、泥質灰巖及粉砂質泥巖等組成，第四系主要由粘土、亞粘土、砂質土及含礫砂土等組成。

1.3 水文地質條件

本區域屬于珠江流域，北盤江水系，屬長江支流匯水區。礦區內無湖泊、水庫等大型常年地表水體。地表水主要為河流、溝溪及井泉。礦體大部位于當地最低侵蝕基準面（+1480.40m）以下，不利于地表及地下水的排泄。礦區內地下水類型按巖性、賦水空間分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和可溶巖巖溶裂隙水三種類型。區域內可溶性巖層有二疊系中統柄霞茅口組，三疊系下統永寧鎮組，中統關嶺組中、上段?？扇苄詭r層含裂隙溶洞水，富水性強，是重要的含水層。二疊系上統峨眉山玄武巖組、龍潭組、三疊系下統飛仙關組，屬非可溶性巖層。其充水空間不發育，含水性和透水性均弱，是含水層之間的相對隔水層。

第四系含孔隙水，因厚度小且分布零星，泉點少，流量小，無供水意義。關嶺組中、上段含裂隙溶洞水，暗河發育，常見大泉，富水性強。水質為重碳酸鈣型水；下段泉點稀少，含水性弱，有隔水作用。永寧鎮組第二段含水性弱，有隔水作用。其余各段巖溶發育，含裂隙溶洞水，泉點及暗河多見，流量大，富水性強。水質為重碳酸鈣（鈣鎂）型水。飛仙關組含裂隙水，泉流量隨季節性變化，富水性弱，為一相對隔水層。水質為重碳酸鈉型水。龍潭組既是相對隔水層又是直接充水含水層。含裂隙水，富水性弱。玄武巖組為P1q、P1m與P3l之間相對隔水層。一般含水性弱，有時含裂隙水。茅口組為區域主要巖溶含水層之一，賦存碳酸鹽巖溶洞水，巖溶管道發育，含水性極不均一。富水性強。水質為碳酸鈣型水。

區內位于北盤江上游支流匯水型水文地質單元的補給區，地下水的補給來源以大氣降水為主，地表水補給為輔。地下水的徑流在可溶巖地層中，以管道流為主，脈狀流為輔；在非可溶巖地層中，以隙流為主。地下水的排泄在非可溶巖層中多以泉的形式近源排泄于地形低凹處；而在可溶巖層中地下水多以巖溶大泉及暗河的形式沿河谷地帶集中排泄。

1.4 地質構造與地震

盤縣煤田地處貴州高原西部邊緣，處于揚子準地臺（Ⅰ）上揚子臺褶皺帶（Ⅱ）黔西南迭陷褶斷束（Ⅲ）的西部。區域構造上屬黔西南迭陷褶皺斷束的一部，褶皺平緩，斷裂與溶巖較發育，構造大致分北西向和北東向兩組（圖1）。本區新構造運動微弱，地震震級低，區域穩定性較好，地殼活動對礦井開采和地質環境的影響不大。

2 研究區工程地質特征分析

2.1 礦區巖石及煤層頂、底板工程地質特征分析

2.1.1 巖石工程地質特征分析

根據勘探工作所采取的含煤地層的巖樣進行物理力學性質試驗，各種巖性飽和單軸抗壓強度（表1）。根據礦區范圍各巖類的出露情況及不同巖性的飽和單軸抗壓強度指標，并結合巖石堅硬程度分類指標，可將礦區工程地質巖組劃分為碳酸鹽巖堅硬巖工程巖組、碎屑巖較軟巖—較硬巖工程地質巖組、火成巖堅硬巖—較硬巖工程地質巖組、第四系松散巖工程地質巖組（表2）。

2.1.2 煤層頂、底板工程地質特征分析

龍潭組含煤地層中本次算量煤層共17層，直接及間接頂、底板以粉砂質泥巖及泥質粉砂巖、泥巖、粉砂巖、細砂巖等組成，煤層一般有0.10～0.50m的泥巖為頂。由于各可采煤層間距較小，大部分既是底板又是頂板。據在鉆孔中采煤層頂板30m及底板20 m范圍內巖石物理力學試驗樣，同時結合勘探工程鉆孔巖芯工程地質編錄資料、各煤層頂底板巖石物理力學試驗數據和各開采煤層井巷頂底板調查成果，上述各可采煤層頂、底板工程地質特征如表3所示。

2.2 斷層破碎帶和各類結構面工程地質特征分析

2.2.1 斷層破碎帶

礦區范圍內發現的斷層共有96條，多數以北東向為主，少數為北西走向。落差大于100 m的有8條；落差50～100 m的有9條；落差30～50 m的有11條；落差20～30 m的有9條；其余斷層落差在5～20 m，多數為鉆孔和巷道揭露的隱伏斷層，部分為地表斷裂。礦區內斷層主要以泥質、鈣質膠結為主，巖石裂隙發育，充填大量方解石，巖石工程力學強度低；礦井在巷道生產過程中，也揭露部分小斷層，主要以泥巖、鈣質膠結，方解石充填。

2.2.2 節理、裂隙

本區裂隙T1yn1、T1f、P3l地層中均有發育，裂隙性質以斜交細裂隙為主，且大部分被方解石脈充填，使得巖體保持巖體原有的完整性，但巖石的力學強度尤其是抗拉、抗剪強度有所降低。

2.2.3 層理、層面

巖石根據成因、成分差異性，其層理、層面有所不同，本區分三類：碳酸鹽巖層面，巖層呈薄層狀、中厚層狀構造，層間無膠結，但層面摩擦系數大；碎屑巖層理，巖層薄至厚層狀，有波狀、微波狀、水平及平行層理，發育于不同巖石中，總的來說，砂巖類巖石層理間以鈣質、菱鐵質膠結為主，膠結程度好，不易發生遇水崩解現象，力學性能好，泥巖類巖石層理間以泥質膠結為主，遇水易發生崩解，其力學強度較低；火成巖，由噴出凝固而成，具少量氣孔構造，無層理、層面。

2.3 老窖及老礦井工程地質特征分析

區內老窯及老礦井較多，主要分布于西北部及北部溪溝煤層露頭線附近及地勢低洼的溝谷處。老窯采用坑木支護，開采深度一般50～100 m，水平距離約200 m，因井口垮塌、排水、通風困難及政策性等原因而關閉。說明老窯的工程地質條件較復雜。

老礦井開采方式以地下開采，采用斜井開拓，平硐上山布置方式，礦井采煤方法采用微傾斜柔性掩護式支架法回采，開采方式為走向長壁式開采。礦井采用全部垮落法管理頂板，頂板及圍巖的穩固性中等至差，易于放頂。

3 礦區穩定性評價

3.1 穩定性影響因素分析

對煤礦礦區穩定性構成威脅的因素多樣且復雜，在進行相應評價-作前需明確其影響因素，評價的客觀準確度才會更加可靠。由于煤礦工程的特殊性，傳統的單一化評價方法，目前已經難以用于煤礦工程穩定性分析評價，因此分析穩定性影響因素就變得尤為重要，影響該礦區穩固性的因素主要有巖石特性、地質構造、水和巖溶作用。

3.1.1 巖石特性

堅硬完整的巖石一般對圍巖穩固性影響較小，而軟弱巖石則由于強度低，抗水性差，受力容易變形和破壞，對圍巖穩固性影響較大。而礦區內碎屑巖地層的巖性主要由細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖、炭質泥巖、煤巖等組成，其中細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖多為半堅硬巖石，巖體完整性相對較好，圍巖穩固性較好；而泥巖、炭質泥巖、煤巖等多為軟弱巖石，巖體完整性差，圍巖穩固性差。巖石特性會直接影響著煤礦的穩定性，因此在評價時需充分考慮該因素。

3.1.2 地質構造

由于地質構造的影響，圍巖通常是強度不等的堅硬和軟弱巖層相間的巖體，軟弱巖層強度低，容易變形破壞。構造變動中，常沿堅硬和軟弱巖層接觸帶錯動，形成厚度不等的層間破碎帶，大大破壞了巖體完整性。構造應力具有明顯的方向性，對地下井巷圍巖的變形和破壞起控制作用。礦區內斷層發育，形成斷層破碎帶，井巷通過斷層時，由于巖石破碎及地下水的影響使圍巖的穩固性很差。

3.1.3 地下水和巖溶作用

井巷通過含水層，便成為排水通道，改變了原來地下水動力條件，裂隙含水層水常以脈狀方式匯入井巷，灰巖地區由于巖溶發育，巖溶含水層水則以地下暗河或其他集中水流突然涌入井巷，造成突水事故。而地下水通過斷層、裂隙、破碎帶等流向井巷，由于水力坡度會較大，因此可能產生機械潛蝕，嚴重者可形成流砂、水帶泥石一起涌向井巷，造成事故。地下水還使軟弱夾層軟化或泥化，降低強度，不同程度地影響圍巖的穩固性。

3.2 綜合評價

根據前面分析結果可知，土城煤礦礦區第四系松散巖工程地質巖組結構較松散，巖土工程地質性質較差，且碳酸鹽巖堅硬巖工程巖組巖溶發育，富水性強，涌水、突泥等問題需重視?？刹擅簩拥捻?、底板的穩固性均屬中等穩定。部分小斷層主要以泥巖、鈣質膠結，方解石充填，工程地質條件穩定性差，故礦井在今后巷道掘進、采礦時應對該部位進行水泥漿錨噴加固，避免安全事故發生。井巷穿切斷層時巖石的完整性相對較差，穩定性較差，斷層帶附近，煤層的頂板較破，難于支護，圍巖穩固性差。

4 結論

本文開展土城煤礦礦區工程地質特征及評價，從巖石及煤層頂、底板工程地質特征、斷層破碎帶和各類結構面工程地質特征和老窖及老礦井工程地質特征三個層面進行闡述，從而探究其穩定性影響因素并進行評價，得出結論如下：

（1）礦區工程地質巖組劃分為碳酸鹽巖堅硬巖工程巖組、碎屑巖較軟巖—較硬巖工程地質巖組、火成巖堅硬巖—較硬巖工程地質巖組、第四系松散巖工程地質巖組。直接及間接頂、底板以粉砂質泥巖及泥質粉砂巖、泥巖、粉砂巖、細砂巖等組成，由于各可采煤層間距較小，大部分既是底板又是頂板。

（2）礦區范圍內斷層多數以北東向為主，少數為北西走向。主要以泥質、鈣質膠結為主，巖石裂隙發育，力學強度低；裂隙T1yn1、T1f、P3l地層中均有發育，以斜交細裂隙為主。巖石根據成因、成分差異性，其層理、層面有所不同，區分三類：碳酸鹽巖層面、碎屑巖層理、火成巖無層理、層面。

（3）區內老窯及老井主要分布于西北部及北部溪溝煤層露頭線附近及地勢低洼的溝谷處，工程地質條件較復雜。

（4）影響該礦區穩固性的因素主要有巖石特性、地質構造、水和巖溶作用。土城煤礦礦區第四系松散巖工程地質巖組結構較松散，巖土工程地質性質較差，且碳酸鹽巖堅硬巖工程巖組巖溶發育，富水性強，涌水、突泥等問題需重視?？刹擅簩拥捻?、底板的穩固性均屬中等穩定。部分小斷層工程地質條件穩定性差。井巷穿切斷層時巖石的完整性相對較差，穩定性較差，斷層帶附近，煤層的頂板較破，難以支護，圍巖穩固性差。