平山湖矿区工程地质特征及其他开采技术条件分析

第34卷第15期2018年8月
甘肃科技
Gansu Science and Technology
Vol.34 No.15
Aug. 2018
平山湖矿区工程地质特征及
其他开采技术条件分析
蒲丽君，李晓君，侯典炯
(甘肃煤炭地质勘查院，
甘肃兰州730000)
摘要：
开采技术条件对矿井生产的影响至关重要。

本文以甘肃省平山湖矿区勘探成果为基础，
分析了矿区的煤炭 开采技术条件，
给出了开采建议和注意事项，
分析结果表明，
平山湖矿区煤炭开采技术条件属中等偏复杂型，
在平 山湖矿区规划及未来建设中，
井巷设计可定为稳定性差的类围岩；
主采煤层煤7-2顶板岩性以粉砂岩为主，局部有细砂、中砂岩和粗砂岩呈条带状沿北西西走向分布。

顶板大部属极不稳定一不稳定型；
瓦斯分带属二氧化 碳一氮气带，
瓦斯含量低；
煤尘具有燃烧性和爆炸性；
矿区大部属地温正常区，
南部存在零星分布的一级高温区 (31~37!)。

预测了矿井开采后可能出现的塌陷区大致位置和塌陷深度。

该研究为平山湖矿区的总体规划，
矿井建设
以及矿床开采等方面提供了基础性资料，具有指导意义。

关键词：
平山湖矿区；煤炭;开采技术条件
中图分类号：P641.4+61
甘肃省平山湖矿区位于甘肃省张掖市甘州区 平山湖乡以西50km处，面积约200km2。

中侏罗统 青土井群地层是区内的主要煤系地层，可采煤层有 5层，其中煤7-2层为主采煤层，该矿区于2004- 2015年陆续开展过煤炭普查、详查、勘探工作，目前 已完成勘探，获得的煤炭资源量逾4.6亿.，资源量 较大，且历次的勘查工作为矿山开采技术条件的评 价积累了一定的基础资料，为此，本文以区内近年 的煤炭勘探成果为基础，分析了矿区未来矿井建设 和生产的开采技术条件，并给出了开采建议和注意 事项，为平山湖矿区的总体规划，矿井建设以及矿 床开采等方面提供了基础性资料，具有指导意义。

1煤田地质特征
1.1 地形地貌
平山湖矿区地处潮水盆地之西端，北大山南缘 的山前冲洪积倾斜戈壁滩上，面积约300km2。

本区 地貌为广阔平坦的戈壁荒漠，地形平坦简单，地势 呈东南高而西北低的特点，地面标高在1585— 1700m，最大相对高差115m左右。

区内及其附近无 常年地表迳流，区内中西部有一些近南北向和东西 向的季节洪水造成的冲沟、沙河。

1.2地层
矿区发育的地层自下而上有：成冰系、侏罗系、白垩系、新近系中新统和第四系。

新近系和白垩系 地层在区内有零星出露，其余大面积被第四系覆 盖。

其中中侏罗统青土井群为主要含煤地层。

1.3地质构造
平山湖区域上总体呈一北西西一南东东走向，略向西逐渐仰起，向东倾伏的褶曲构造01]。

勘查区自 北而南横跨了 2个区域性构造单元：中部凹陷带和 南部断陷带。

受后期断裂构造挤压的影响，自北而 南表现为平山湖背斜、黄沙梁一马鞍山向斜、南部 背斜、南部次级向斜。

（图1)勘查区内断裂较发育，据地质及地震解释资料统计，区内共发现70条断 层，落差50$560m、走向延伸4$20km的大断层有9 条。

区内断层走向多为近东西向和北东向。

落差较大 的近东西向断层为一系列近似平行的高角度（50。

~ 80。

)逆断层，被北东向断层DF12和DF13所错断，大
致构成了勘查区的剥蚀边界和划分井田的边界线。

20甘肃科技第34卷
2工程地质特征
2.1岩石工程地质特征
依据岩体质量指标法对矿区岩体质量进行评杂程度属中等，煤层顶、底板岩石力学强度低，大多 为不坚固岩石+中等坚固岩石，工程地质勘查类型 属第三类(层状岩类），即中等偏复杂型[34]。

2.1.1 第四系
价(表1)。

未来井巷需穿越的地层及工程地质岩组 主要为$第四系全新统(Q，)冲洪积砂砾石层；新近 系中新统白杨河砂岩、粉砂岩和泥岩组；白垩系下 统庙沟组砂岩和粉砂岩、泥岩组；中侏罗统青土井 群粉砂岩、泥岩和砂岩含煤岩组；下侏罗统芨芨沟 群粉砂岩、泥岩和砂岩组。

岩性较复杂，地质构造复
勘查区全区广泛分布第四系全新统和下更新 统地层，南部沿F3断裂露头隆起遭受剥蚀。

岩性为 冲洪积砾石、砂砾石、亚砂土和风成砂。

地层厚度7~ 326m,平均135m,总体呈西北薄东南厚之势。

卵砾 石层承载力特征值为300~400kPa，可划分为散体结 构的不稳定的V类围岩。

表1岩体质量分级表[2]
类别
<0.010.01-0.12
M值所在区间
0.12-1.0 1.0-3.0>3
等级V$I
岩体质量坏差中等良优
稳定性分类极不稳定不稳定中等稳定较稳定非常稳定注：M)R c.R Q D/30M为岩体质量指标，R c为岩石饱和抗压强度（M pa)，R Q D为钻孔现场买测的岩石R Q D值，％
第四系属散体结构，按不稳定围岩（V类）进行 井工开采设计，掘进时井下巷道应当设置支护、防水、排水等设施。

未来矿井建设时，应对黄土分布区 地基进行预处理，砂和砂砾石层分布区的地基须查 明地震液化分布区范围。

2.1.2新近系
新近系中新统白杨河组地层在区内广泛隐伏 分布，地层厚度29~762m,平均135m,总体呈西北薄 东南厚之势。

岩性以浅红色的中细粒砂岩为主，粉 砂岩和泥岩次之；泥质胶结，均匀层理，岩石强度 低，为不坚固岩石。

根据区域工程地质资料，普遍具 有软化性。

按岩体质量指标法判断，该层岩体质量 分级以"级为主，砂体质量为V级，岩体质量差-坏。

特别是岩层中可能夹有松散饱水的砂层，井筒开挖 穿过该层时易发生井壁流砂，对施工不利，设计时应 考虑掘进支护、防水、排水、防坍塌等措施，建议井巷 穿越时应及时按设计要求采用冻结法施工。

2.1.3白垩系为V级，岩体质量差-坏。

2.1.4侏罗系
区内侏罗系地层主要为中侏罗统青土井群地 层和下侏罗统芨芨沟群地层。

其中中侏罗统青土井 群为主要含煤地层。

中侏罗统青土井群地层岩性主要为灰色、深灰 色粉砂岩、泥岩和砂岩组成，泥质胶结，均匀层理，含煤1组-煤8组；地层厚度75~474m,平均283m,总体呈北部较厚南部较薄的特点。

岩芯R Q D值大 多数小于50%，根据岩芯和煤层顶、底板岩样物理 力学试验成果，判定该层总体属软岩！极软岩类，普 遍有较强烈的软化性，岩体质量分级为"！V级，岩 体质量差-坏。

下侏罗统芨芨沟群地层岩性主要为灰色、深灰 色粉砂岩、泥岩和砂岩组成，层状结构，泥质胶结，均勻层理，含煤8组-煤M组；地层厚度今〜万了了爪，平均2H m，总体呈北厚南薄，岩体各向异性、强度变 化大。

与下伏成冰系地层变质片岩不整合接触。

岩
白垩系下统庙沟组地层在勘查区内仅在南部 有分布。

岩性主要为斑状灰绿色、红褐色交替，呈厚 层状、巨厚层状的粗一细粒砂岩和粉砂岩、泥岩组 成；砂质充填，泥质胶结，均匀层理。

地层厚度18~ 768m,平均186m,总体呈北薄南厚之势。

根据区域 工程地质资料，普遍具有软化性。

按岩体质量指标 法判断，该层岩体质量分级以"级为主，砂体质量芯R Q D值大多数小于50%，根据岩芯类比判定总 体属软岩！极软岩类，普遍有较强烈的软化性，岩体 质量分级为"！V级，岩体质量差-坏。

2.2主采煤层顶底板工程地质特征
主采煤层煤7-2层在区内F13断层以北，DF12 断层以西大部被剥蚀。

未剥蚀的含煤区其煤7-2层 直接顶板岩性以粉砂岩为主，局部有细砂、中砂岩
第15期蒲丽君等:平山湖矿区工程地质特征及其他开采技术条件分析21
和粗砂岩呈条带状沿北西西走向分布，中南部有泥 岩、粉砂质泥岩呈条带状分布。

根据所采的岩样的 岩石力学报告数据显示，岩石单轴饱和抗压强度 0.3~7.8MPa，软化系数0.1~0.3(小于0.75)，岩性以 极软岩为主，并具有强烈的软化性，完整性分级为极 劣的一中等，岩体质量等级！！"级，岩体质量评价 属差！坏。

顶板大部属极不稳定一不稳定类，局部区 域属中等稳定类，顶板稳定性分布情况如图2所示。

图2煤7-2层顶板岩性分布及稳定性评价图
煤层直接底板岩性为主要以粉砂岩和泥岩为 主，次为细、中砂岩和粗砂岩，粘土岩和含砾粗砂岩 零星分布。

根据本区岩石力学试验成果，岩石单轴 饱和抗压强度0.3~12.4MPa，软化系数0.1~0.3，岩性 以极软岩为主，并具有强烈的软化性，完整性分级 为极劣的一中等，岩体质量等级！！V级，岩体质量 评价属差！坏。

底板大部分属极不稳定一不稳定，局部区域属中等稳定类。

2.4工程地质对未来矿井建设及生产的影响
各可采煤层顶底板岩石均属不坚固-中等坚固 岩石，直接顶板岩体质量等级基本为级，岩体 质量差-坏；岩石强度低，稳定性差，未来掘进开采 时，由于岩石变形而形成的裂隙将穿透顶底板岩 石，可能造成地下水人渗，导致岩石强度大幅降低，围岩整体稳定性降低;其次，区内断裂构造发育，主 体走向北西向、或北西西向，且存在第四纪活动断 裂构造，因此推测区内地质构造应力对矿井井巷围 岩稳定性有不利影响。

可能在矿井生产过程中发生 巷道冒顶、底鼓、片帮，岩爆等问题，会对井巷的施 工和维护产生较大危害，相关部门要高度重视["1。

3其他开采技术条件
3.1瓦斯
勘查区内煤层均含有沼气（CH,)、二氧化碳 (CO+)、氮气(N+)及重烃气(C2-C4)。

煤层瓦斯成分均以N+为主，其次为CO+，可采煤层瓦斯分带属二氧
化碳一氮气带(C〇2-N+带，C H4<10%)。

主采煤层煤 7-2层瓦斯含量0.05-2.85mL/g.daf。

瓦斯含量普遍 低，均未发现有大于5m3/t.daf的范围。

从目前瓦斯分析数据结果来看，本区属低瓦斯 矿井。

究其原因，认为区内构造较复杂，北部平山湖 背斜的隆起造成中侏罗统煤系地层基本被剥蚀，瓦 斯也随之消散殆尽，且区内的煤质变质程度低，大 部为长焰煤，偶见褐煤。

故瓦斯等级不高，但由于区 内断层多，瓦斯赋存有不均衡性，不排除局部地段 瓦斯聚集的可能。

建议今后矿井建设和生产过程中要加强通风，采用防爆型设备，増设备用风机，注意矿井安全方 面的工作。

3.2煤尘爆炸性及煤的自燃倾向性
根据勘探报告中的测试资料，火焰长度为 200->400mm，抑制煤尘爆炸最低岩粉量65%- 90"，煤的自燃倾向性等级为I -$级，属容易自燃 煤-自燃煤，确定区内的煤尘具有燃烧性和爆炸性。

建议今后在矿井设计和开采中应采取有效的 防尘降尘及灌浆灭火措施来保障矿井生产和矿工
的生命安全[2]。

表2勘查区测温钻孔煤层底板温度分区统计表
地温梯度正常背景的高温区
分区地温梯
度 #/100m
一级热害区
31-37$
二级热害区
>37$ >40$一级<3$14
二级<3$3
钻孔数统计143
图3煤7-2层底板地温分布
图
22甘肃科技第34卷
3.3地温
根据近似稳态测温结果及当地气象局恒温带 资料确定，本区恒温带深度为20%左右，温度为 12.29!。

本矿区大部属地温正常区，地温梯度0.49- 2.89!7100%，平均为1.75!7100%。

由图3和表2看 出，矿区北部因煤层埋藏深度较浅，均为地温正常 区；南部因煤层埋藏深度相对较深，存在零星分布 的一级高温区（31~37!)。

3.4采空塌陷的预测评估
预测矿井投产后，开采区会出现因煤层采空而 引起的地表塌陷，预测最大塌陷范围基本位于可采 煤层最厚的地段和煤层埋深最浅的地段。

矿区煤层 最厚的地段位于井田中部偏南一带，煤层最厚 30.28%;预测的最大塌陷深度为28-32%。

煤层埋藏 最浅的地段位于井田西部，煤层最大厚度2.38%, 预测的最大塌陷深度为2-4%。

4结论
1)平山湖矿区煤炭开采技术条件属中等偏复杂 类型，钻孔煤芯中瓦斯含量低，瓦斯分带属二氧化 碳一氮气带。

矿区的煤尘具有燃烧性和爆炸性，设 计及开采时应采取措施预防好煤尘爆炸及煤层自燃的发生。

区内大部分地段为地温正常区，局部存
在一级高温区零星分布。

2)井巷穿越的地层岩石质量以！"V类为主，井巷设计可定为稳定性差的！"V类围岩。

主采煤
层煤7-2顶板岩性以粉砂岩为主，局部有细砂、中
砂岩和粗砂岩呈条带状沿北西西走向分布。

岩体完
整性坏.中等，顶板大部分属极不稳定(V)-不稳定
型（！），局部区域属中等稳定（#)。

3) 预测矿井投产后，采空区出现最大塌陷范围 位于可采煤层最厚的地段（井田中部偏南一带）和
煤层埋深最浅的地段(井田西部一带）。

参考文献：
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影响因素[J].煤田地质与勘探，2012,40(4):16-19.
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[4]甘肃煤炭地质勘查院.甘肃省张掖市平山湖勘查区煤炭
勘探报告[R].兰州：甘肃煤炭地质勘查院，2015.
[5]张连强.永夏煤田水文地质特征及开采技术条件评价
[J].中国煤炭地质，2012,24(08)*48-52.
(上接第39页）
其次还可以提高管道的支架刚度，由于管道内两相 流振动会对管道产生很大的激振力，因此在进行管 道的支架设计时，就要考虑到管道激振力的作用，在进行设计时要保障管道的支架强度可以抵抗激振力的影响。

其次也要避开两相流振动和管道 引发共振，要保证两相流的激振力和管道的自振 频率永远不相等，而且对管道的支架刚度进行改 变也会改变管道的固有频率，所以改变支架刚度 之后要进行固有频率的计算和调整。

5.4提高管道系统的抗震能力
由于地震等自然灾害对于管道的影响是十分 致命的，所以一定要提高高扬程泵站压力管道系 统的抗震能力，而提高管道抗震能力可以采用钢 制品，要选用柔性管件，同时可以适当的増加横 梁长度，采用框架式支撑结构，在框架的端部焊上挡板，从而避免管道在地震时从框架上滑落，而且要根据本地的地质条件等对于加固措施进行科学选择。

6结束语
近年来我国不断重视高扬程泵站压力管道的
安全性，是因为高扬程泵站管道的安全性直接影响
到泵站的稳定性以及泵站的经济效益，而高扬程泵
站压力管道振动是其中最常见的一项问题，所以我
们需要对其进行深入的分析和研究。

本文通过大量
的文献分析以及景电工程进行研究，分析了降低压
力管道振动的意义，其次又对产生压力管道振动的
原因作出分析，之后又提出了一些降低压力管道振
动的措施，具有一定的参考价值和实际意义。

参考文献：
[1]王亚楠.高扬程泵站压力管道振动特性研究[D].华北水
利水电大学，2015.
[2]郭佳.高扬程泵站管道振动特性分析[D].华北水利水电
大学，2016.
[3]刘尚蔚，郭佳，张建伟.高扬程泵站压力管道振动测试及分
析[J].人民黄河，2016,38(4):140-143.。