发布时间：2021-09-06所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：煤岩层对比工作贯穿于整个煤炭地质勘查与矿井生产阶段的全过程，针对近距离、多煤层且构造复杂的矿井生产阶段煤岩层对比困难的问题，以贵州盘县煤田火烧铺煤矿为研究对象，通过对地质勘查资料的分析，结合地面瓦斯勘查钻孔、井下地质调查、瓦斯参数测
摘要：煤岩层对比工作贯穿于整个煤炭地质勘查与矿井生产阶段的全过程，针对近距离、多煤层且构造复杂的矿井生产阶段煤岩层对比困难的问题，以贵州盘县煤田火烧铺煤矿为研究对象，通过对地质勘查资料的分析，结合地面瓦斯勘查钻孔、井下地质调查、瓦斯参数测试工程从地质勘查阶段已经建立的煤岩层对比标志层中提取适应于矿井生产阶段的标志层;结合矿井生产过程中井筒、巷道、已采工作面及其两顺槽、开切眼等井巷工程生产揭露资料的宏/微观煤岩、煤质化验、煤层顶底板岩石力学、煤层的光学特征等资料，提炼矿井生产过程中基于开采技术条件的煤岩层对比的标志;综合地质勘查与矿井生产阶段重新构建矿井生产阶段煤岩层综合对比标准体系。研究表明：地质勘查阶段构建的煤岩层对比标志层在矿井生产阶段岩性组合、地球物理测井曲线，高位标志性岩层以及古生物化石层基本上失去了指导意义，而煤层结构、伪顶或低位直接顶板古生物化石层、岩性标志层仍具有指导意义，可以指导实践生产;矿井生产阶段大量的地层倾角数据、宏/微观煤岩组分特征、煤层夹矸岩性，尤其是可见光、热红外等光学特征，煤层瓦斯含量、压力参数，煤层顶底板岩石力学参数等是煤岩层对比的良好标志层;构建的煤岩层综合对比技术体系可以有效地指导煤矿巷道高效掘进、工作面快速回采并识别断层发育特征。研究成果不仅可以指导煤矿井下生产工作而且可以为构造复杂区的煤矿井下工作面智能化开采提供基础地质资料，为煤矿安全、高效、智能化开采提供地质保障技术。
关键词：煤岩光学特征;煤岩层对比;综合对比;地质勘查;煤田地质与勘探;
煤岩层对比工作贯穿整个煤田地质勘查与矿井生产阶段的全过程，经过多年的发展在地质勘查阶段已经形成了较成熟的煤岩层对比理论和方法，基本可以满足矿井设计及其勘探报告的需求，但是在进入矿井生产阶段现有的煤岩层对比技术却无法满足矿井生产的需求，无法实现快速、有效的为巷道、工作面的设计、开采决策服务，尤其是在煤层间距近、煤层结构复杂、煤层分叉合并频繁且地质构造复杂的煤田，其中以我国西南地区的盘县煤田为典型代表。
目前，煤岩层对比技术主要有标志层法[1-3]、古生法[4-5]、沉积旋回法[6-7]、底板高程法[8]、煤层间距法[9]、地质勘探层追踪法、地球物理测井曲线、地震勘查波阻抗[10-13]、煤岩煤质法[14-15]、地球化学法[16]、其他方法等各种技术手段[17-18]。在煤炭地质勘查过程中往往是多种方法相互补充、综合进行对比划分的;对于沉积环境及其相变较稳定的煤田而言，标志层及其沉积旋回法的对比可以快速、有效的实现对煤层的对比;在构造简单煤矿区，通过煤层底板标高程、煤层间距法等即可实现煤层的准确划分与对比;而对于沉积相变频繁、构造复杂、煤层间距近且煤层数多的煤层群组发育的矿区，煤层稳定性差、分叉合并频繁的煤田而言煤层底板高程、煤层间距、地震勘探等方法均已经失效;尤其是在矿井进入生产阶段后，地质勘查阶段建立的标志层、古生物等对比标准赋存的层位位于煤层顶板高位而无法在矿井中开采或钻探揭露而导致对比方法失效，同时，不利因素的叠加如多煤层的下行开采顶板垮落和断裂构造的发育导致煤层顶底板位置失真或“三软”煤层的发育导致无法获取煤层厚度等;但是，有利的因素是矿井生产阶段煤层及其顶板大面积揭露获取了大量的地质资料、瓦斯参数测试、顶板维护和煤岩煤质以及矿井开采支护等资料信息。如何将地质勘查阶段与矿井生产阶段相结合，充分利用和挖掘矿井生产阶段的信息，使其更好的服务矿井生产;同时将煤在矿井生产中积累的煤岩对比的经验方法转化为科学的技术理论，指导煤矿高效掘进、安全生产，进而为煤矿自动化、智能化、无人化的开采提供精细的煤岩层对比技术支持。
为了解决上述问题，以盘县煤田火烧铺井田为例，结合补充勘查工程，采用多种技术手段系统的将地质勘查与矿井生产的煤岩层对比技术相融合，优化煤岩层对比方法，重新构建矿井生产阶段精细化、综合化的煤岩层对比方法体系，探索将生产地质资料、开采技术条件等一切可以利用的标志性煤岩特征应用于矿井生产阶段的煤岩层对比之中。
1地质概况
火烧铺煤矿属于盘县煤田盘江矿区，含煤岩系为二叠纪龙潭组，含编号煤层30层，其中可采煤层14层、可采编号煤层7层，煤层以中厚煤层为主，煤层结构简单[19-21]，矿井地质条件中等-复杂，构造地质条件复杂，发育断层、滑脱构造、褶皱等地质构造[22-25];煤层以较稳定-稳定煤层为主，煤层对比主要通过地层古生物、岩性等标志层进行对比[26-27](图1)，矿井属于典型的构造复杂且近距离煤层群组发育煤田。
煤矿地质勘查阶段划分的煤层稳定性及其煤层赋存范围基本可靠，随着矿井生产揭露煤层内的低幅度小型断层的发育导致临近可采煤层、局部可采煤层，如1、3、5号煤层由于断层作用导致1、3号两层煤层直接接触，同时发现在14采区内10、12煤层在该区内分叉合并，表现为10煤层与12煤层在该区域内合并，而在21采区内12煤层中部夹矸增厚导致该煤层在该区域内出现分叉，分叉为12上、12下两个分层，而在两个采区接触区域同时存在煤层10、12煤层的分叉和12煤层的合并区域，曾因煤层对比认识不清，12号煤层工作面部署不当导致多条巷道或工作面废弃等。此外，随着盘江矿区内构造复杂煤矿智能开采工作面技术的发展，煤矿急需可靠的煤岩层对比方法和技术为煤矿井下巷道掘进、综采工作面以及未来智能开采工作面煤岩对比以及智能开采工作面采煤机器截割曲线规划提供支持。
2综合对比技术
矿井生产阶段煤岩层对比技术按照地质勘查阶段标志层的梳理，坚持简明适用、指导生产的原则，将煤层夹矸岩性、煤岩煤质、煤层伪顶、直接顶板等低位的可以在井下观测到、便于识别的岩性、古生物化石层、煤岩煤质等作为矿井生产阶段煤岩层对比的指标;同时根据煤矿井下巷道、工作面大面积揭露的顶板特殊的具有标志性的岩性、古生物化石层以及生产阶段顶底板稳定性、瓦斯测试参数、顶板岩石力学特征、煤岩煤质以及煤层开采后的形态等生产阶段的特征作为煤层对比的标准，归纳总结将经验性的煤矿地质工作进行合理的科学化或理论化，以指导煤矿安全、高效开采。
2.1地质勘查阶段标志层提取
火烧铺井田在地质勘查阶段通过地质勘查钻孔、槽探、地球物理测井、煤岩煤质分析、钻孔岩性组合等多种技术手段建立了系统的煤岩层对比技术和煤岩层对比标志层(表1)，通过近年来矿井生产揭露已经建立的部分对比标志指导矿井生产。
2.2矿井生产阶段岩性及其古生物特征
通过对地质勘查阶段建立的标志层体系，在对煤矿井下巷道、硐室、工作面通过系统的地质调查，煤岩层样品采集、古生物化石层标志层低位煤层顶板古生物、孢粉化石(图2)、微体古生物(图3)、岩石力学等样品采集及测试、煤层瓦斯参数测试等技术手段，综合分析。
2.2.1动物化石
1煤层顶板0.30~0.50m砂岩中发育厚度0.10m厚的海豆芽化石层(图3g、图4b)，发现煤层顶板普遍发育一种特殊的穴面三缝孢，呈圆形或三角圆形，大小45μm孢壁上有圆形小穴;3煤层顶板为刺面单缝孢，其含量高于临近层位;12煤层顶板含有三角形光面三缝孢、圆形光面三缝孢、圆三角形刺面三缝孢(图2)，同时含有大量的树皮碎片;18煤层顶板发育个体较大的腹足类动物化石(图4c)、19煤层底板岩性以浅灰色的铝质泥岩、发育鲕粒结构易于识别。
2.2.2植物化石
在5、7煤层直接顶板砂岩中富含大羽羊齿植物化石叶片，但是二者的炭化程度明显不同，表现为：5煤层顶板的大羽羊齿叶片化石炭化严重，叶脉叶缘炭化无法辨识(图4m)，而7煤层炭化程度低，叶脉叶缘脉络清晰易于辨识(图4q、图4p);24煤层顶板发育动植物化石共生层，表现为小型的舌型类、腹足类化石大量附着于植物叶片上(图4e)。上述3层煤层顶板中的植物化石层由于发育层位距离煤层较近，在煤矿井下生产过程中容易揭露、易于识别，可以作为煤矿生产阶段该煤层对比的标志层。
2.2.3岩性标志
层1煤层顶部0.10~0.20m的位置发育厚度0.01~0.03m厚黑色高岭石泥岩夹矸，该处夹矸厚度、发育位置较稳定，在地面不易识别、在井下反射可见光和红外热成像特征明显易于识别，可以作为煤岩层对比的标志层;3煤层内距离煤层顶板0.70~0.90m处发育一层厚度0.10m厚的黑色油脂光泽、白色条痕、隐晶质结构、纵向节理发育的高岭石泥岩、白色条痕在地面地质勘查中不易识别，主要通过地球物理测井曲线的高自然伽马特性进行识别，井下由于巷道掘进、采煤机截齿截割在井下可见光下呈光亮、油脂光泽特征明显、测温稳定，同时在红外光下特征明显，因此，该夹矸层是3煤层井下煤层对比的标准层;12煤层底部发育构造煤层厚度1.0m左右，12煤层厚度最大，煤层顶板为泥岩与菱铁岩互层;21煤层及其顶板泥岩内富含黄铁矿。
上述煤层中的岩性标志在矿井生产阶段揭露面积更大，更容易被识别，可以作为井下该煤层对比的标志层。
3矿井生产阶段开采技术特征
通过对煤矿井下开采技术条件如煤层的宏微观煤岩、煤质、煤层顶板岩石力学特征、煤层瓦斯含量、煤层的可见光、热红外等特征，结合矿井生产阶段古生物、孢粉等观察成果，综合分析矿井生产阶段开采技术特征。
3.1煤岩特征
各煤层的宏观煤岩类型总体上相差不大，但是上中下三个岩性段内煤层纵向比较，煤层的宏观类型存在较大的差异，表现为上段煤层组中1、3、5煤层以块状碎裂煤为主，中段12、14、17煤层以碎粒、鳞片状的碎粒、糜棱煤为主，尤其是17煤层为鳞片状、松散易碎同时煤层顶板为黑色破碎顶板、亦为鳞片状，在井下工作面或巷道中该煤层顶板破碎难以支护、容易发生漏顶，导致多年的开采中尚不清楚煤层的厚度;下段各煤层以块状碎裂煤为主，煤体结构较完整。
通过对16层可采编号煤层钻孔样和井下刻槽样60个，进行显微煤岩测试，结果发现：各煤中有机组分含量较高，平均值在85%～90%，其中，镜质组含量最高，惰质组含量次之，壳质组含量最少;不同层段树皮煤含量不同，其中，上段5煤最高、中段12煤最高、下段27煤最高(图5);各煤层煤中无机矿物含量较低，1、3、5煤层以氧化硅类矿物为主，黏土矿物和碳酸盐矿物次之，硫化物类矿物极少;而24、24-1煤层以氧化硅类矿物为主，黏土矿物和硫化物类矿物次之，碳酸盐矿物较少;其余各煤层均以黏土矿物为主，氧化硅类矿物次之，并含有少量硫化物类和碳酸盐类矿物。而各煤层中含矿物基百分含量中黏土矿物含量具有明显的特征表现为上段3煤层最低、5煤层最高，中段14煤层最高、20煤层最低，下段
24-1煤层含量最低、向下随着埋深的增加黏土矿物的含量逐渐增高;纵向上14煤层最高、3煤层最低，而其他矿物含量变化特征不明显(图6d、表2)。
相关期刊推荐：《煤田地质与勘探杂志》创刊于1989年，本刊为双月刊，主要刊载煤田地质、矿井地质、煤层气、水文地质工程地质、环境地质、煤田物探、矿井物探、探矿工程等方面的新发现、学术论文、先进经验和技术革新成果。设有：煤田地质、矿井地质、煤层气、水文地质工程地质、煤田物探、矿井物探、探矿工程、科技信息等栏目。
3.2煤质特征
对1216个样品进行煤质测试，发现研究区内不同煤层、相邻煤层间的煤层的硫分、灰分、挥发分等指标具有明显的差异性和规律性变化(表3)。
3.2.1全硫
经统计，21煤层以上的各煤层均为低硫或特低硫煤，原煤全硫(St,d)含量平均值均小于1%，21煤层原煤全硫(St,d)含量为1.72%～7.74%，平均4.23%，22煤层全硫(St,d)含量0.15%～3.44%，平均0.62%;经浮选后17煤层硫分基本无降幅，难以脱硫，由此，可见原煤全硫(St,d)含量可作为17、21煤层的对比特征之一。其次，自24煤层开始，下段各可采煤层总体具有高硫特征，以平均值计，24煤层原煤全硫含量(St,d)3.02%、24-1煤层为3.42%、26煤层为3.23%、27煤层为2.35%(表3、图7a)。因此，原煤全硫特征可作为识别上、中煤组与下组煤层对比的手段之一。3.2.2挥发分经统计，纵向上各煤层原煤挥发分(Vdaf)逐渐降低，17煤层以下(含17煤层)，各煤层原煤挥发分总体在30%～35%，17煤层以下各可采煤层挥发分总体低于30%。
3.2.3灰、硫综合指标
井田最明显的特征是12煤层，以其低灰分、低硫为特征，灰分低于5%;硫分低于1%，一般为0.2%~0.5%;上段5煤层高硫、高灰等，较3煤层高，17煤层的灰分高于18煤(图7b)。综上所述，本次结合煤层硫分、灰分综合对比详细查明了本区的煤层层数、主要煤层层位、厚度和分布范围，实现了煤岩层对比的全区闭合(图7b)。
3.3煤岩层工程地质特征
岩石力学参数是反映煤岩层工程地质特征的物性指标，岩石力学特征受原始沉积、成岩控制，同手受后期强加和改造作用[28-29]，火烧铺煤矿各煤岩层在沉积和后期改造双重作用，因此，通过对煤矿井下煤层顶板岩石力学样品采集测试、煤层岩体完整性、煤的坚固性系数测量、统计分析可以宏观上确定其中几层煤层的对比。
①各煤层顶板岩石力学特征属于破碎-较坚硬顶板，其中上段优于中段、下段，其中中段煤层完整性最差，尤其是12—17煤层间(图6a)
②通过采用ø5mm的金刚石绳索钻具对地层、煤层全孔取心，结合井下巷道、硐室、工作面揭露，对岩体完整性统计分析表明：煤的完整性属于差-中等，纵向上段完整性优于下段和中段，而中段尤其是12—17煤层间岩体破碎，属于完整性劣等岩体。
3.4瓦斯地质特征对比技术
通过对地面施工的15个瓦斯补充勘探钻孔、3个煤层气钻孔和井下石门揭煤获取的316个合格的瓦斯及其煤层样品测试结果以及煤矿井下不同位置不同编号煤层瓦斯参数测试所获取的瓦斯压力、瓦斯含量数据分析，对瓦斯压力、瓦斯含量与煤层埋深、标高等相关性分析表明：①田内煤层瓦斯含量、瓦斯压力参数与煤层的高程相关性差，而与煤层的埋深相关性显著;说明煤层的瓦斯地质参收受埋深和构造控制;
②不同编号的主要开采煤层瓦斯压力、瓦斯含量与煤层埋深具有明显的线性相关性，相关性显著，相关系数R2>0.96(表3)。
因此，通过拟合回归方程进行煤岩层对比，尤其是矿井进入深部开采范围，瓦斯的压力参数更为敏感(图8)，该技术指标可以作为矿井生产阶段煤岩层对比的辅助性标志。
3.5煤岩光学特征对比技术
通过井下巷道、工作面可见光、热红外煤岩观测与描述、成像分析发现：煤层及其夹矸在井下可见光、热红外成像图上具有明显的特征，表现为：
①在地面地质勘查钻孔中揭露的3号煤层内的夹矸为黑色、白色条痕、油脂光泽见节理构造与煤层不易识别，但是在地球物理测井该夹矸表现为高放射性，可以通过条痕色和放射性测井进行识别，但是在煤矿井下不具备地球物理测井和条痕刮擦的条件;井下调查发现该夹矸岩性标志层在井下漆黑环境中，在可见光源照射下呈现为白色光亮油脂光泽与其上下煤层形成明显的反差(图9b、图9c)，结合夹矸位置、煤层厚度、煤岩煤质特征及煤层顶板化石层等特征可以作为井下煤岩层对比的标志层。
②红外热成像仪图像及其标志层标定提取(提取计算方法不再赘述)发现该标志层在工作面、巷道内具有标识性和可追踪性(图9e、图9f)，是煤层对比以及构造复杂区煤层厚度识别或智能开采工作面煤岩识别的一种有效的技术途径。——论文作者：王海军，刘善德，马良，朱玉英，舒建生，王相业
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