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摘要：在矿井建设过程中，经常会出现影响井巷施工和煤层开采的工程地质问题。通过运用工程地质学理论和研究方法，分析煤层顶底板岩层的工程地质条件，选取合理评价指标，利用煤田勘探资料对煤层顶底板稳定性进行较为简便的定性评价，对煤矿安全生产有重要意义。
关键词：岩石力学性质 地质构造 岩体结构面 岩体结构
中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-018-01
概 述：在矿井施工建设过程中，井下巷道常常会因为地质条件变化发生开裂、片帮、冒顶、底板膨胀等工程地质问题；在煤炭开采过程中煤层顶板也存在垮落、周期来压、冲击地压等工程地质问题。在煤矿生产过程中有很多事故都于工程地质问题相关，煤层顶底板的稳定性可以通过运用工程地质学理论分析煤层所在地层的工程地质条件来评价。
影响煤层顶底板稳定性的工程地质条件与很多地质因素有关，通过对煤层顶底板岩体的各种工程地质条件分析——包括区域地质条件、地质构造特征、岩石的物理力学性质、岩体的结构特征等工程地质条件，综合评价煤层顶底板岩体的工程地质稳定性。
运用综合分析工程地质条件评价稳定性的研究方法对潞安矿区某矿主采煤层顶底板工程地质条件进行分析并评价稳定性。
1. 井田所在区域地质条件
潞安井田位于华北断块区吕梁～太行断块沁水块坳东部次级构造单元沾尚～武乡～阳城北北东向褶带中段，晋获断裂带西侧，某矿井田位于新裂陷西北部。
2. 井田地质构造特征
井田内主要构造为一系列向斜、背斜交替发育，轴向均为近南北向。向斜西翼地层倾角和缓，东翼地层受到自东向西水平挤压倾角较大，地层倾角大。背斜东西翼地层倾角和缓。该井田进行的三维地震勘探，揭示了井田内有少量断距大于20m有走向北北东的断层。
3. 含煤地层岩石工程地质性质
3.1井田含煤地层情况
本区主采煤层所在含煤地层为二叠系下统山西组（P1s），地层岩石主要为灰白色、灰色中细粒石英砂岩，灰色、灰黑色粉砂岩、砂质泥岩，为陆相沉积，产丰富的植物化石，与下伏的太原组地层呈整合接触。
3.2井田含煤地层岩石特征
井田内主采煤层直接顶板多为黑灰色砂质泥岩和泥岩；老顶多为灰白色厚层状砂岩、粉砂岩、砂质泥岩，厚数米至十余米，岩体厚度大。底板多为深灰色粉砂岩、泥岩、砂质泥岩或中粒砂岩，均为厚层状。
上述层状岩体构成了主采煤层的顶底板围岩。岩体的变形破坏与组成岩体的岩石物理力学性质有密切关系。
3.3岩石物理力学性质
“岩石是组成岩体的基本单元，其工程地质性质包括岩石的物理性质和力学性质。”[1] 构成煤层顶底板围岩的岩石的力学性质主要是指岩石在受力的情况下，所发生的变形和表现出的强度特性，强度特性包括：抗拉、抗压、抗剪切；变形特性包括弹性模量、泊松比等。
通过地质钻探采取煤层顶底板岩石样品进行物理力学实验，根据岩石物理力学实验数据统计结果将该井田煤层顶底板岩层分为三类岩组：1.砂岩类，此类岩石属于坚硬岩组；2.砂质泥岩及粉砂岩类，此类岩石属于较坚硬岩组；3.泥岩类，此类岩石属于软岩组；
3.4不同岩性及地下水对岩石强度的影响
不同岩性岩石因所含矿物成分不同，也直接影响岩石的物理力学性质，如砂岩这一类碎屑岩工程地质性质主要取决于组成岩石的碎屑成分、大小和形状及其胶结类型等，一般以石英、长石为主，硅质胶结，在本井田范围内这类岩体厚度大，其力学强度高，抗压、抗拉能力强，不容易变形破坏；泥岩、粉砂岩力学强度低，抗压、抗拉能力弱，容易变形破坏，这一类粘土质泥岩或泥质胶结的粉砂岩会因吸水膨胀而导致失稳破坏，此类岩石是软弱不良岩层，被称为软岩，它是相对于坚硬岩是而言的，软岩特征为“强度低、孔隙大，胶结程度差，受构造面切割计风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层。”[2]
3.5构成岩体的岩石结构和构造
“岩石的物理力学性质还取决于岩石的结构和构造。一般来说，硅质胶结的岩石强度最高，贴纸和钙质胶结次之，泥质胶结的岩石强度最差，且抗水性差”[3] 。煤层顶底板岩体按照不同岩性分层，分层厚度大多在一米以上，属于厚层状构造。“岩层的厚薄直接影响岩体的稳定性，一般情况下层理越发育，层厚越薄的岩层稳定性越差，反之稳定性越好。”[4]
3.6围岩岩体组合形式
构成煤层顶底板围岩的岩体是由岩石通过不同形式的组合而成，“从工程稳定性观点研究岩体的岩石组合称为工程地质岩石组合，或称为工程地质岩组，划分工程地质岩组的依据有：岩石的成因类型和岩性岩相变化、岩石的成层条件和厚度变化、岩层的构造破壞和风化情况等。”[4]
4. 煤层顶底板岩体结构特征
“岩体结构特征主要包括结构面和结构体。结构面与结构体的组合类型称为岩体结构类型。”[4] 结构面是指岩体中的分割面，造成了岩体的不连续性和不均一性，这些分割面成为岩体中相对薄弱的部位，控制影响着岩体的稳定性。
4.1结合井田实际，将结构面分为：沉积结构面、构造结构面、次生结构面；
4.1.1沉积结构面是指岩层在沉积成岩作用工程中形成的界面，包含层面、层理、整合或不整合面，冲蚀面和原生软弱夹层等；在实际勘探工程中，能够通过钻孔岩芯观察到的最直观的沉积结构面就是不同岩层的分界面，通过不同岩层的分层界面可以确定岩层的单层厚度。
4.1.2构造结构面是指在构造应力作用下岩体中产生的破裂面和破裂带，比如：节理、劈理、断层、层间破碎夹层等；在勘探过程中通过钻孔岩芯可以观察到断层破碎带和节理现象，或者通过地震勘探解释的断层从而确定构造结构面的位置和规模。
4.1.3次生结构面是指岩层遭受风化或地下水侵蚀等次生作用形成的结构面，这类结构面在勘探过程中通过钻孔岩芯编录也可以观察到。
结合上述结构面的分析方法，依照“岩体结构面分级表”[5] ，对井田范围内含上述失稳因素的岩体结构面进行评价。
4.2结构体由结构面分割不同形状的岩体形成，煤矿中常见的结构体有多种形式，不同形式的结构体稳定性不同，一般来说，块状结构体稳定性优于层状结构体，碎裂结构体次之，散体结构体稳定性最差。
评价岩体结构稳定性，通过钻孔岩芯编录资料可以得到结构面发育情况，分析岩层形成的结构体的空间形态和相互位置关系，依照“岩体结构分类表”[5] ，从而判断岩层形成不同岩体结构的稳定性。
5. 煤层顶底板稳定性综合评价
将上述影响煤层顶底板稳定性的各项工程地质条件叠加评述，综合评价煤层顶底板岩体的工程地质稳定性。综合评价表中列入的评价指标考虑了地层的成因、地质构造运动，岩石物理力学性质、岩体的结构特征等重要因素，每种相关因素之间的评价权重相等，适用于定性解释和评价煤层顶底板稳定性，如要定量评价顶底板的稳定性则需要对上述工程地质条件指标的权重进行评价，根据不同权重计算评价煤层顶底板稳定性。
6. 结语
通过对井田煤层顶底板工程地质条件综合分析，运用工程地质理论和研究方法，可以较为简便的定性评价煤层顶底板工程地质稳定性，对于定量评价顶底板工程地质稳定性也有参考意义，煤层顶底板稳定性评价对于指导煤矿安全生产有重要作用。
参考文献：
[1]《矿井地质》煤炭工业出版社，主编：王强、李振林、王计堂；
[2]《高等工程地质学》机械工业出版社，主编：赵树德等
[3]《岩石力学》中国建筑工业出版社，主编：张永兴
[4]《矿井地质学》煤炭工业出版社，主编：龙荣生
[5]《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》MT/T1091-2008
作者简介：董宁波（1980 —），男 ，宁夏石嘴山市人，2007年毕业于中国矿业大学（徐州），现在山西潞安金源煤层气开发有限责任公司从事煤田地质勘探工作。
关键词：岩石力学性质 地质构造 岩体结构面 岩体结构
中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-018-01
概 述：在矿井施工建设过程中，井下巷道常常会因为地质条件变化发生开裂、片帮、冒顶、底板膨胀等工程地质问题；在煤炭开采过程中煤层顶板也存在垮落、周期来压、冲击地压等工程地质问题。在煤矿生产过程中有很多事故都于工程地质问题相关，煤层顶底板的稳定性可以通过运用工程地质学理论分析煤层所在地层的工程地质条件来评价。
影响煤层顶底板稳定性的工程地质条件与很多地质因素有关，通过对煤层顶底板岩体的各种工程地质条件分析——包括区域地质条件、地质构造特征、岩石的物理力学性质、岩体的结构特征等工程地质条件，综合评价煤层顶底板岩体的工程地质稳定性。
运用综合分析工程地质条件评价稳定性的研究方法对潞安矿区某矿主采煤层顶底板工程地质条件进行分析并评价稳定性。
1. 井田所在区域地质条件
潞安井田位于华北断块区吕梁～太行断块沁水块坳东部次级构造单元沾尚～武乡～阳城北北东向褶带中段，晋获断裂带西侧，某矿井田位于新裂陷西北部。
2. 井田地质构造特征
井田内主要构造为一系列向斜、背斜交替发育，轴向均为近南北向。向斜西翼地层倾角和缓，东翼地层受到自东向西水平挤压倾角较大，地层倾角大。背斜东西翼地层倾角和缓。该井田进行的三维地震勘探，揭示了井田内有少量断距大于20m有走向北北东的断层。
3. 含煤地层岩石工程地质性质
3.1井田含煤地层情况
本区主采煤层所在含煤地层为二叠系下统山西组（P1s），地层岩石主要为灰白色、灰色中细粒石英砂岩，灰色、灰黑色粉砂岩、砂质泥岩，为陆相沉积，产丰富的植物化石，与下伏的太原组地层呈整合接触。
3.2井田含煤地层岩石特征
井田内主采煤层直接顶板多为黑灰色砂质泥岩和泥岩；老顶多为灰白色厚层状砂岩、粉砂岩、砂质泥岩，厚数米至十余米，岩体厚度大。底板多为深灰色粉砂岩、泥岩、砂质泥岩或中粒砂岩，均为厚层状。
上述层状岩体构成了主采煤层的顶底板围岩。岩体的变形破坏与组成岩体的岩石物理力学性质有密切关系。
3.3岩石物理力学性质
“岩石是组成岩体的基本单元，其工程地质性质包括岩石的物理性质和力学性质。”[1] 构成煤层顶底板围岩的岩石的力学性质主要是指岩石在受力的情况下，所发生的变形和表现出的强度特性，强度特性包括：抗拉、抗压、抗剪切；变形特性包括弹性模量、泊松比等。
通过地质钻探采取煤层顶底板岩石样品进行物理力学实验，根据岩石物理力学实验数据统计结果将该井田煤层顶底板岩层分为三类岩组：1.砂岩类，此类岩石属于坚硬岩组；2.砂质泥岩及粉砂岩类，此类岩石属于较坚硬岩组；3.泥岩类，此类岩石属于软岩组；
3.4不同岩性及地下水对岩石强度的影响
不同岩性岩石因所含矿物成分不同，也直接影响岩石的物理力学性质，如砂岩这一类碎屑岩工程地质性质主要取决于组成岩石的碎屑成分、大小和形状及其胶结类型等，一般以石英、长石为主，硅质胶结，在本井田范围内这类岩体厚度大，其力学强度高，抗压、抗拉能力强，不容易变形破坏；泥岩、粉砂岩力学强度低，抗压、抗拉能力弱，容易变形破坏，这一类粘土质泥岩或泥质胶结的粉砂岩会因吸水膨胀而导致失稳破坏，此类岩石是软弱不良岩层，被称为软岩，它是相对于坚硬岩是而言的，软岩特征为“强度低、孔隙大，胶结程度差，受构造面切割计风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层。”[2]
3.5构成岩体的岩石结构和构造
“岩石的物理力学性质还取决于岩石的结构和构造。一般来说，硅质胶结的岩石强度最高，贴纸和钙质胶结次之，泥质胶结的岩石强度最差，且抗水性差”[3] 。煤层顶底板岩体按照不同岩性分层，分层厚度大多在一米以上，属于厚层状构造。“岩层的厚薄直接影响岩体的稳定性，一般情况下层理越发育，层厚越薄的岩层稳定性越差，反之稳定性越好。”[4]
3.6围岩岩体组合形式
构成煤层顶底板围岩的岩体是由岩石通过不同形式的组合而成，“从工程稳定性观点研究岩体的岩石组合称为工程地质岩石组合，或称为工程地质岩组，划分工程地质岩组的依据有：岩石的成因类型和岩性岩相变化、岩石的成层条件和厚度变化、岩层的构造破壞和风化情况等。”[4]
4. 煤层顶底板岩体结构特征
“岩体结构特征主要包括结构面和结构体。结构面与结构体的组合类型称为岩体结构类型。”[4] 结构面是指岩体中的分割面，造成了岩体的不连续性和不均一性，这些分割面成为岩体中相对薄弱的部位，控制影响着岩体的稳定性。
4.1结合井田实际，将结构面分为：沉积结构面、构造结构面、次生结构面；
4.1.1沉积结构面是指岩层在沉积成岩作用工程中形成的界面，包含层面、层理、整合或不整合面，冲蚀面和原生软弱夹层等；在实际勘探工程中，能够通过钻孔岩芯观察到的最直观的沉积结构面就是不同岩层的分界面，通过不同岩层的分层界面可以确定岩层的单层厚度。
4.1.2构造结构面是指在构造应力作用下岩体中产生的破裂面和破裂带，比如：节理、劈理、断层、层间破碎夹层等；在勘探过程中通过钻孔岩芯可以观察到断层破碎带和节理现象，或者通过地震勘探解释的断层从而确定构造结构面的位置和规模。
4.1.3次生结构面是指岩层遭受风化或地下水侵蚀等次生作用形成的结构面，这类结构面在勘探过程中通过钻孔岩芯编录也可以观察到。
结合上述结构面的分析方法，依照“岩体结构面分级表”[5] ，对井田范围内含上述失稳因素的岩体结构面进行评价。
4.2结构体由结构面分割不同形状的岩体形成，煤矿中常见的结构体有多种形式，不同形式的结构体稳定性不同，一般来说，块状结构体稳定性优于层状结构体，碎裂结构体次之，散体结构体稳定性最差。
评价岩体结构稳定性，通过钻孔岩芯编录资料可以得到结构面发育情况，分析岩层形成的结构体的空间形态和相互位置关系，依照“岩体结构分类表”[5] ，从而判断岩层形成不同岩体结构的稳定性。
5. 煤层顶底板稳定性综合评价
将上述影响煤层顶底板稳定性的各项工程地质条件叠加评述，综合评价煤层顶底板岩体的工程地质稳定性。综合评价表中列入的评价指标考虑了地层的成因、地质构造运动，岩石物理力学性质、岩体的结构特征等重要因素，每种相关因素之间的评价权重相等，适用于定性解释和评价煤层顶底板稳定性，如要定量评价顶底板的稳定性则需要对上述工程地质条件指标的权重进行评价，根据不同权重计算评价煤层顶底板稳定性。
6. 结语
通过对井田煤层顶底板工程地质条件综合分析，运用工程地质理论和研究方法，可以较为简便的定性评价煤层顶底板工程地质稳定性，对于定量评价顶底板工程地质稳定性也有参考意义，煤层顶底板稳定性评价对于指导煤矿安全生产有重要作用。
参考文献：
[1]《矿井地质》煤炭工业出版社，主编：王强、李振林、王计堂；
[2]《高等工程地质学》机械工业出版社，主编：赵树德等
[3]《岩石力学》中国建筑工业出版社，主编：张永兴
[4]《矿井地质学》煤炭工业出版社，主编：龙荣生
[5]《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》MT/T1091-2008
作者简介：董宁波（1980 —），男 ，宁夏石嘴山市人，2007年毕业于中国矿业大学（徐州），现在山西潞安金源煤层气开发有限责任公司从事煤田地质勘探工作。