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摘 要： 摘要：煤巖層對比工作貫穿于整個煤炭地質(zhì)勘查與礦井生產(chǎn)階段的全過程，針對近距離、多煤層且構(gòu)造復(fù)雜的礦井生產(chǎn)階段煤巖層對比困難的問題，以貴州盤縣煤田火燒鋪煤礦為研究對象，通過對地質(zhì)勘查資料的分析，結(jié)合地面瓦斯勘查鉆孔、井下地質(zhì)調(diào)查、瓦斯參數(shù)測
摘要：煤巖層對比工作貫穿于整個煤炭地質(zhì)勘查與礦井生產(chǎn)階段的全過程，針對近距離、多煤層且構(gòu)造復(fù)雜的礦井生產(chǎn)階段煤巖層對比困難的問題，以貴州盤縣煤田火燒鋪煤礦為研究對象，通過對地質(zhì)勘查資料的分析，結(jié)合地面瓦斯勘查鉆孔、井下地質(zhì)調(diào)查、瓦斯參數(shù)測試工程從地質(zhì)勘查階段已經(jīng)建立的煤巖層對比標志層中提取適應(yīng)于礦井生產(chǎn)階段的標志層;結(jié)合礦井生產(chǎn)過程中井筒、巷道、已采工作面及其兩順槽、開切眼等井巷工程生產(chǎn)揭露資料的宏/微觀煤巖、煤質(zhì)化驗、煤層頂?shù)装鍘r石力學、煤層的光學特征等資料，提煉礦井生產(chǎn)過程中基于開采技術(shù)條件的煤巖層對比的標志;綜合地質(zhì)勘查與礦井生產(chǎn)階段重新構(gòu)建礦井生產(chǎn)階段煤巖層綜合對比標準體系。研究表明：地質(zhì)勘查階段構(gòu)建的煤巖層對比標志層在礦井生產(chǎn)階段巖性組合、地球物理測井曲線，高位標志性巖層以及古生物化石層基本上失去了指導(dǎo)意義，而煤層結(jié)構(gòu)、偽頂或低位直接頂板古生物化石層、巖性標志層仍具有指導(dǎo)意義，可以指導(dǎo)實踐生產(chǎn);礦井生產(chǎn)階段大量的地層傾角數(shù)據(jù)、宏/微觀煤巖組分特征、煤層夾矸巖性，尤其是可見光、熱紅外等光學特征，煤層瓦斯含量、壓力參數(shù)，煤層頂?shù)装鍘r石力學參數(shù)等是煤巖層對比的良好標志層;構(gòu)建的煤巖層綜合對比技術(shù)體系可以有效地指導(dǎo)煤礦巷道高效掘進、工作面快速回采并識別斷層發(fā)育特征。研究成果不僅可以指導(dǎo)煤礦井下生產(chǎn)工作而且可以為構(gòu)造復(fù)雜區(qū)的煤礦井下工作面智能化開采提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料，為煤礦安全、高效、智能化開采提供地質(zhì)保障技術(shù)。
關(guān)鍵詞：煤巖光學特征;煤巖層對比;綜合對比;地質(zhì)勘查;煤田地質(zhì)與勘探;
煤巖層對比工作貫穿整個煤田地質(zhì)勘查與礦井生產(chǎn)階段的全過程，經(jīng)過多年的發(fā)展在地質(zhì)勘查階段已經(jīng)形成了較成熟的煤巖層對比理論和方法，基本可以滿足礦井設(shè)計及其勘探報告的需求，但是在進入礦井生產(chǎn)階段現(xiàn)有的煤巖層對比技術(shù)卻無法滿足礦井生產(chǎn)的需求，無法實現(xiàn)快速、有效的為巷道、工作面的設(shè)計、開采決策服務(wù)，尤其是在煤層間距近、煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、煤層分叉合并頻繁且地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的煤田，其中以我國西南地區(qū)的盤縣煤田為典型代表。
目前，煤巖層對比技術(shù)主要有標志層法[1-3]、古生法[4-5]、沉積旋回法[6-7]、底板高程法[8]、煤層間距法[9]、地質(zhì)勘探層追蹤法、地球物理測井曲線、地震勘查波阻抗[10-13]、煤巖煤質(zhì)法[14-15]、地球化學法[16]、其他方法等各種技術(shù)手段[17-18]。在煤炭地質(zhì)勘查過程中往往是多種方法相互補充、綜合進行對比劃分的;對于沉積環(huán)境及其相變較穩(wěn)定的煤田而言，標志層及其沉積旋回法的對比可以快速、有效的實現(xiàn)對煤層的對比;在構(gòu)造簡單煤礦區(qū)，通過煤層底板標高程、煤層間距法等即可實現(xiàn)煤層的準確劃分與對比;而對于沉積相變頻繁、構(gòu)造復(fù)雜、煤層間距近且煤層數(shù)多的煤層群組發(fā)育的礦區(qū)，煤層穩(wěn)定性差、分叉合并頻繁的煤田而言煤層底板高程、煤層間距、地震勘探等方法均已經(jīng)失效;尤其是在礦井進入生產(chǎn)階段后，地質(zhì)勘查階段建立的標志層、古生物等對比標準賦存的層位位于煤層頂板高位而無法在礦井中開采或鉆探揭露而導(dǎo)致對比方法失效，同時，不利因素的疊加如多煤層的下行開采頂板垮落和斷裂構(gòu)造的發(fā)育導(dǎo)致煤層頂?shù)装逦恢檬д婊?ldquo;三軟”煤層的發(fā)育導(dǎo)致無法獲取煤層厚度等;但是，有利的因素是礦井生產(chǎn)階段煤層及其頂板大面積揭露獲取了大量的地質(zhì)資料、瓦斯參數(shù)測試、頂板維護和煤巖煤質(zhì)以及礦井開采支護等資料信息。如何將地質(zhì)勘查階段與礦井生產(chǎn)階段相結(jié)合，充分利用和挖掘礦井生產(chǎn)階段的信息，使其更好的服務(wù)礦井生產(chǎn);同時將煤在礦井生產(chǎn)中積累的煤巖對比的經(jīng)驗方法轉(zhuǎn)化為科學的技術(shù)理論，指導(dǎo)煤礦高效掘進、安全生產(chǎn)，進而為煤礦自動化、智能化、無人化的開采提供精細的煤巖層對比技術(shù)支持。
為了解決上述問題，以盤縣煤田火燒鋪井田為例，結(jié)合補充勘查工程，采用多種技術(shù)手段系統(tǒng)的將地質(zhì)勘查與礦井生產(chǎn)的煤巖層對比技術(shù)相融合，優(yōu)化煤巖層對比方法，重新構(gòu)建礦井生產(chǎn)階段精細化、綜合化的煤巖層對比方法體系，探索將生產(chǎn)地質(zhì)資料、開采技術(shù)條件等一切可以利用的標志性煤巖特征應(yīng)用于礦井生產(chǎn)階段的煤巖層對比之中。
1地質(zhì)概況
火燒鋪煤礦屬于盤縣煤田盤江礦區(qū)，含煤巖系為二疊紀龍?zhí)督M，含編號煤層30層，其中可采煤層14層、可采編號煤層7層，煤層以中厚煤層為主，煤層結(jié)構(gòu)簡單[19-21]，礦井地質(zhì)條件中等-復(fù)雜，構(gòu)造地質(zhì)條件復(fù)雜，發(fā)育斷層、滑脫構(gòu)造、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造[22-25];煤層以較穩(wěn)定-穩(wěn)定煤層為主，煤層對比主要通過地層古生物、巖性等標志層進行對比[26-27](圖1)，礦井屬于典型的構(gòu)造復(fù)雜且近距離煤層群組發(fā)育煤田。
煤礦地質(zhì)勘查階段劃分的煤層穩(wěn)定性及其煤層賦存范圍基本可靠，隨著礦井生產(chǎn)揭露煤層內(nèi)的低幅度小型斷層的發(fā)育導(dǎo)致臨近可采煤層、局部可采煤層，如1、3、5號煤層由于斷層作用導(dǎo)致1、3號兩層煤層直接接觸，同時發(fā)現(xiàn)在14采區(qū)內(nèi)10、12煤層在該區(qū)內(nèi)分叉合并，表現(xiàn)為10煤層與12煤層在該區(qū)域內(nèi)合并，而在21采區(qū)內(nèi)12煤層中部夾矸增厚導(dǎo)致該煤層在該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)分叉，分叉為12上、12下兩個分層，而在兩個采區(qū)接觸區(qū)域同時存在煤層10、12煤層的分叉和12煤層的合并區(qū)域，曾因煤層對比認識不清，12號煤層工作面部署不當導(dǎo)致多條巷道或工作面廢棄等。此外，隨著盤江礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜煤礦智能開采工作面技術(shù)的發(fā)展，煤礦急需可靠的煤巖層對比方法和技術(shù)為煤礦井下巷道掘進、綜采工作面以及未來智能開采工作面煤巖對比以及智能開采工作面采煤機器截割曲線規(guī)劃提供支持。
2綜合對比技術(shù)
礦井生產(chǎn)階段煤巖層對比技術(shù)按照地質(zhì)勘查階段標志層的梳理，堅持簡明適用、指導(dǎo)生產(chǎn)的原則，將煤層夾矸巖性、煤巖煤質(zhì)、煤層偽頂、直接頂板等低位的可以在井下觀測到、便于識別的巖性、古生物化石層、煤巖煤質(zhì)等作為礦井生產(chǎn)階段煤巖層對比的指標;同時根據(jù)煤礦井下巷道、工作面大面積揭露的頂板特殊的具有標志性的巖性、古生物化石層以及生產(chǎn)階段頂?shù)装宸�(wěn)定性、瓦斯測試參數(shù)、頂板巖石力學特征、煤巖煤質(zhì)以及煤層開采后的形態(tài)等生產(chǎn)階段的特征作為煤層對比的標準，歸納總結(jié)將經(jīng)驗性的煤礦地質(zhì)工作進行合理的科學化或理論化，以指導(dǎo)煤礦安全、高效開采。
2.1地質(zhì)勘查階段標志層提取
火燒鋪井田在地質(zhì)勘查階段通過地質(zhì)勘查鉆孔、槽探、地球物理測井、煤巖煤質(zhì)分析、鉆孔巖性組合等多種技術(shù)手段建立了系統(tǒng)的煤巖層對比技術(shù)和煤巖層對比標志層(表1)，通過近年來礦井生產(chǎn)揭露已經(jīng)建立的部分對比標志指導(dǎo)礦井生產(chǎn)。
2.2礦井生產(chǎn)階段巖性及其古生物特征
通過對地質(zhì)勘查階段建立的標志層體系，在對煤礦井下巷道、硐室、工作面通過系統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查，煤巖層樣品采集、古生物化石層標志層低位煤層頂板古生物、孢粉化石(圖2)、微體古生物(圖3)、巖石力學等樣品采集及測試、煤層瓦斯參數(shù)測試等技術(shù)手段，綜合分析。
2.2.1動物化石
1煤層頂板0.30~0.50m砂巖中發(fā)育厚度0.10m厚的海豆芽化石層(圖3g、圖4b)，發(fā)現(xiàn)煤層頂板普遍發(fā)育一種特殊的穴面三縫孢，呈圓形或三角圓形，大小45μm孢壁上有圓形小穴;3煤層頂板為刺面單縫孢，其含量高于臨近層位;12煤層頂板含有三角形光面三縫孢、圓形光面三縫孢、圓三角形刺面三縫孢(圖2)，同時含有大量的樹皮碎片;18煤層頂板發(fā)育個體較大的腹足類動物化石(圖4c)、19煤層底板巖性以淺灰色的鋁質(zhì)泥巖、發(fā)育鮞粒結(jié)構(gòu)易于識別。
2.2.2植物化石
在5、7煤層直接頂板砂巖中富含大羽羊齒植物化石葉片，但是二者的炭化程度明顯不同，表現(xiàn)為：5煤層頂板的大羽羊齒葉片化石炭化嚴重，葉脈葉緣炭化無法辨識(圖4m)，而7煤層炭化程度低，葉脈葉緣脈絡(luò)清晰易于辨識(圖4q、圖4p);24煤層頂板發(fā)育動植物化石共生層，表現(xiàn)為小型的舌型類、腹足類化石大量附著于植物葉片上(圖4e)。上述3層煤層頂板中的植物化石層由于發(fā)育層位距離煤層較近，在煤礦井下生產(chǎn)過程中容易揭露、易于識別，可以作為煤礦生產(chǎn)階段該煤層對比的標志層。
2.2.3巖性標志
層1煤層頂部0.10~0.20m的位置發(fā)育厚度0.01~0.03m厚黑色高嶺石泥巖夾矸，該處夾矸厚度、發(fā)育位置較穩(wěn)定，在地面不易識別、在井下反射可見光和紅外熱成像特征明顯易于識別，可以作為煤巖層對比的標志層;3煤層內(nèi)距離煤層頂板0.70~0.90m處發(fā)育一層厚度0.10m厚的黑色油脂光澤、白色條痕、隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、縱向節(jié)理發(fā)育的高嶺石泥巖、白色條痕在地面地質(zhì)勘查中不易識別，主要通過地球物理測井曲線的高自然伽馬特性進行識別，井下由于巷道掘進、采煤機截齒截割在井下可見光下呈光亮、油脂光澤特征明顯、測溫穩(wěn)定，同時在紅外光下特征明顯，因此，該夾矸層是3煤層井下煤層對比的標準層;12煤層底部發(fā)育構(gòu)造煤層厚度1.0m左右，12煤層厚度最大，煤層頂板為泥巖與菱鐵巖互層;21煤層及其頂板泥巖內(nèi)富含黃鐵礦。
上述煤層中的巖性標志在礦井生產(chǎn)階段揭露面積更大，更容易被識別，可以作為井下該煤層對比的標志層。
3礦井生產(chǎn)階段開采技術(shù)特征
通過對煤礦井下開采技術(shù)條件如煤層的宏微觀煤巖、煤質(zhì)、煤層頂板巖石力學特征、煤層瓦斯含量、煤層的可見光、熱紅外等特征，結(jié)合礦井生產(chǎn)階段古生物、孢粉等觀察成果，綜合分析礦井生產(chǎn)階段開采技術(shù)特征。
3.1煤巖特征
各煤層的宏觀煤巖類型總體上相差不大，但是上中下三個巖性段內(nèi)煤層縱向比較，煤層的宏觀類型存在較大的差異，表現(xiàn)為上段煤層組中1、3、5煤層以塊狀碎裂煤為主，中段12、14、17煤層以碎粒、鱗片狀的碎粒、糜棱煤為主，尤其是17煤層為鱗片狀、松散易碎同時煤層頂板為黑色破碎頂板、亦為鱗片狀，在井下工作面或巷道中該煤層頂板破碎難以支護、容易發(fā)生漏頂，導(dǎo)致多年的開采中尚不清楚煤層的厚度;下段各煤層以塊狀碎裂煤為主，煤體結(jié)構(gòu)較完整。
通過對16層可采編號煤層鉆孔樣和井下刻槽樣60個，進行顯微煤巖測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：各煤中有機組分含量較高，平均值在85%～90%，其中，鏡質(zhì)組含量最高，惰質(zhì)組含量次之，殼質(zhì)組含量最少;不同層段樹皮煤含量不同，其中，上段5煤最高、中段12煤最高、下段27煤最高(圖5);各煤層煤中無機礦物含量較低，1、3、5煤層以氧化硅類礦物為主，黏土礦物和碳酸鹽礦物次之，硫化物類礦物極少;而24、24-1煤層以氧化硅類礦物為主，黏土礦物和硫化物類礦物次之，碳酸鹽礦物較少;其余各煤層均以黏土礦物為主，氧化硅類礦物次之，并含有少量硫化物類和碳酸鹽類礦物。而各煤層中含礦物基百分含量中黏土礦物含量具有明顯的特征表現(xiàn)為上段3煤層最低、5煤層最高，中段14煤層最高、20煤層最低，下段
24-1煤層含量最低、向下隨著埋深的增加黏土礦物的含量逐漸增高;縱向上14煤層最高、3煤層最低，而其他礦物含量變化特征不明顯(圖6d、表2)。
相關(guān)期刊推薦：《煤田地質(zhì)與勘探雜志》創(chuàng)刊于1989年，本刊為雙月刊，主要刊載煤田地質(zhì)、礦井地質(zhì)、煤層氣、水文地質(zhì)工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、煤田物探、礦井物探、探礦工程等方面的新發(fā)現(xiàn)、學術(shù)論文、先進經(jīng)驗和技術(shù)革新成果。設(shè)有：煤田地質(zhì)、礦井地質(zhì)、煤層氣、水文地質(zhì)工程地質(zhì)、煤田物探、礦井物探、探礦工程、科技信息等欄目。
3.2煤質(zhì)特征
對1216個樣品進行煤質(zhì)測試，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)不同煤層、相鄰煤層間的煤層的硫分、灰分、揮發(fā)分等指標具有明顯的差異性和規(guī)律性變化(表3)。
3.2.1全硫
經(jīng)統(tǒng)計，21煤層以上的各煤層均為低硫或特低硫煤，原煤全硫(St,d)含量平均值均小于1%，21煤層原煤全硫(St,d)含量為1.72%～7.74%，平均4.23%，22煤層全硫(St,d)含量0.15%～3.44%，平均0.62%;經(jīng)浮選后17煤層硫分基本無降幅，難以脫硫，由此，可見原煤全硫(St,d)含量可作為17、21煤層的對比特征之一。其次，自24煤層開始，下段各可采煤層總體具有高硫特征，以平均值計，24煤層原煤全硫含量(St,d)3.02%、24-1煤層為3.42%、26煤層為3.23%、27煤層為2.35%(表3、圖7a)。因此，原煤全硫特征可作為識別上、中煤組與下組煤層對比的手段之一。3.2.2揮發(fā)分經(jīng)統(tǒng)計，縱向上各煤層原煤揮發(fā)分(Vdaf)逐漸降低，17煤層以下(含17煤層)，各煤層原煤揮發(fā)分總體在30%～35%，17煤層以下各可采煤層揮發(fā)分總體低于30%。
3.2.3灰、硫綜合指標
井田最明顯的特征是12煤層，以其低灰分、低硫為特征，灰分低于5%;硫分低于1%，一般為0.2%~0.5%;上段5煤層高硫、高灰等，較3煤層高，17煤層的灰分高于18煤(圖7b)。綜上所述，本次結(jié)合煤層硫分、灰分綜合對比詳細查明了本區(qū)的煤層層數(shù)、主要煤層層位、厚度和分布范圍，實現(xiàn)了煤巖層對比的全區(qū)閉合(圖7b)。
3.3煤巖層工程地質(zhì)特征
巖石力學參數(shù)是反映煤巖層工程地質(zhì)特征的物性指標，巖石力學特征受原始沉積、成巖控制，同手受后期強加和改造作用[28-29]，火燒鋪煤礦各煤巖層在沉積和后期改造雙重作用，因此，通過對煤礦井下煤層頂板巖石力學樣品采集測試、煤層巖體完整性、煤的堅固性系數(shù)測量、統(tǒng)計分析可以宏觀上確定其中幾層煤層的對比。
①各煤層頂板巖石力學特征屬于破碎-較堅硬頂板，其中上段優(yōu)于中段、下段，其中中段煤層完整性最差，尤其是12—17煤層間(圖6a)
②通過采用ø5mm的金剛石繩索鉆具對地層、煤層全孔取心，結(jié)合井下巷道、硐室、工作面揭露，對巖體完整性統(tǒng)計分析表明：煤的完整性屬于差-中等，縱向上段完整性優(yōu)于下段和中段，而中段尤其是12—17煤層間巖體破碎，屬于完整性劣等巖體。
3.4瓦斯地質(zhì)特征對比技術(shù)
通過對地面施工的15個瓦斯補充勘探鉆孔、3個煤層氣鉆孔和井下石門揭煤獲取的316個合格的瓦斯及其煤層樣品測試結(jié)果以及煤礦井下不同位置不同編號煤層瓦斯參數(shù)測試所獲取的瓦斯壓力、瓦斯含量數(shù)據(jù)分析，對瓦斯壓力、瓦斯含量與煤層埋深、標高等相關(guān)性分析表明：①田內(nèi)煤層瓦斯含量、瓦斯壓力參數(shù)與煤層的高程相關(guān)性差，而與煤層的埋深相關(guān)性顯著;說明煤層的瓦斯地質(zhì)參收受埋深和構(gòu)造控制;
②不同編號的主要開采煤層瓦斯壓力、瓦斯含量與煤層埋深具有明顯的線性相關(guān)性，相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)R2>0.96(表3)。
因此，通過擬合回歸方程進行煤巖層對比，尤其是礦井進入深部開采范圍，瓦斯的壓力參數(shù)更為敏感(圖8)，該技術(shù)指標可以作為礦井生產(chǎn)階段煤巖層對比的輔助性標志。
3.5煤巖光學特征對比技術(shù)
通過井下巷道、工作面可見光、熱紅外煤巖觀測與描述、成像分析發(fā)現(xiàn)：煤層及其夾矸在井下可見光、熱紅外成像圖上具有明顯的特征，表現(xiàn)為：
①在地面地質(zhì)勘查鉆孔中揭露的3號煤層內(nèi)的夾矸為黑色、白色條痕、油脂光澤見節(jié)理構(gòu)造與煤層不易識別，但是在地球物理測井該夾矸表現(xiàn)為高放射性，可以通過條痕色和放射性測井進行識別，但是在煤礦井下不具備地球物理測井和條痕刮擦的條件;井下調(diào)查發(fā)現(xiàn)該夾矸巖性標志層在井下漆黑環(huán)境中，在可見光源照射下呈現(xiàn)為白色光亮油脂光澤與其上下煤層形成明顯的反差(圖9b、圖9c)，結(jié)合夾矸位置、煤層厚度、煤巖煤質(zhì)特征及煤層頂板化石層等特征可以作為井下煤巖層對比的標志層。
②紅外熱成像儀圖像及其標志層標定提取(提取計算方法不再贅述)發(fā)現(xiàn)該標志層在工作面、巷道內(nèi)具有標識性和可追蹤性(圖9e、圖9f)，是煤層對比以及構(gòu)造復(fù)雜區(qū)煤層厚度識別或智能開采工作面煤巖識別的一種有效的技術(shù)途徑。——論文作者：王海軍，劉善德，馬良，朱玉英，舒建生，王相業(yè)