1概況
淄博礦業(yè)集團公司在濟（寧）北礦區(qū)建成投產(chǎn)的許可廠、貸莊、葛亭煤礦，現(xiàn)在全部開采下二迭統(tǒng)山西組3（3上或3下）層煤，在礦井不同范圍內(nèi)，3煤層與四系底界間距較小，局部更有煤層露頭直接伏于第四系之下，開采過程中，采煤工作面的導水裂隙帶可達第四系之中，受到第四系水的威脅，在《建井地質(zhì)報告》中，上級批復的基巖防水保護煤柱為60m，按此要求進行，防水煤柱總壓覆資源里將達3716.5萬t。
為了合理開發(fā)利用煤炭資源，延長礦井服務年限，提高經(jīng)濟效益，自1998年開始，各礦通過各種手段和方法，主要針對第四系底界粘土層進行補充勘探，利用第四系底界粘土層與基巖共同作用作為防水煤巖柱，開展了提高開采上限研究工作。
1.1第四系沉積特點
濟（寧）北礦區(qū)屬于濟寧煤田。第四系屬沖積河，湖相沉積地層，與基巖呈不整合接觸。其特點：一是厚度大，存度變化也大，在許廠、岱莊、葛亭井范圍內(nèi)，從127.1~282.74m；二是含隔水層大多相間沉積；三是第四系沉積所處的沖積、洪積扇部位不同而富水性各有差異。濟寧煤田處于泗河沖積、洪積扇前沿，第四系總厚度加厚，但砂層粒度較細，含水層變少而隔水層增多。第四系下組砂礫層含水性弱到等，砂礫層下有較穩(wěn)定的厚層含水性弱到中等，砂礫層下有較穩(wěn)定的厚層狀粘土、砂質(zhì)粘土及石膏粘土，隔離砂礫層與基巖接觸，使之與基巖含水層聯(lián)系不密切。
1.2第四系地質(zhì)水文特征
按照富水性、沉積特征及巖性組合不同，第四系可劃分上、中下3組。
（1）上組：厚度58.9~173.9m，平均98.06m。巖性以暗黃色砂質(zhì)粘土及中、細粒砂為主，含砂量達42%~49.5%，透水性好，單位涌水量仍在2.29~10.33L/g·m，滲透系數(shù)最大可以達到30.165m/d，本組為富水性強的孔隙含水層。
（2）中組：厚度24.5~125.1m，平均68.03m，巖性以褐色粘土及粘土質(zhì)砂為主，粘土層隔水性能良好，鉆孔由于長期風化，含粘土量高達25%，透水性也變?nèi)酰窘M為相對隔水層。
（3）下組：厚度25.1~92.5m，平均58.95m，又可分為上下兩段。上段：厚度7.5~50.5m，平均27.05m。巖性主要為灰白色粘土長石、石英砂礫巖，夾灰綠、灰白粘土，粘土質(zhì)砂礫巖層占本段厚度的72%。含水層主要為中細砂層，單位涌水量在0.43!~0.848L/s·m，滲透透系數(shù)在1.0011~4.0514m/d，屬中等含水層。下段：厚度1.4~63.27m，平均28.91m。巖性主要以灰綠、灰白雜色粘土巖為主，偶含固結較好的粘土質(zhì)砂礫巖，底部普遍分布石膏粘土巖，粘土層占未段的90%，厚度大且分布連續(xù)，粘土層與砂質(zhì)粘土的塑料性指數(shù)為17.7~31.8，單位涌水量在0.000878~0.0139L/ s·m，滲透系數(shù)在0.03125~0.723m/d，是良好的隔水層。下段：厚度1.4~63.27m，平均28.91m。巖性主要以灰綠、灰白雜色粘土巖為主，偶含固結較好的粘土質(zhì)砂礫巖，底部普遍分布石膏粘土巖，粘土層占本段的90%，厚度大且分布連續(xù)，粘土層與砂質(zhì)粘土的塑性指數(shù)為17.7~31.8，單位涌出量在0.000878~0.01319L/s·m，滲透系數(shù)在0.03125~0.723m/d，是良好的隔水層。
2研究第四系底界粘土層的目的和要求
提高開采上限的關鍵在于研究分析第四系底界粘土層的厚度、分布狀況、物理力學性質(zhì)、間隔沉積特征等，從而進一步研究新生界沖積層水透入礦井的條件、途徑、與基巖含水層水力聯(lián)系和制約因素。
2.1粘土層的厚度
第四系底界粘土層厚度大小，直接決定了開采上限提高的程度。雖然不同的煤層開采厚度、不同工藝對其有不同的要求，但只要裂隙帶高度發(fā)育進入第四系時，必須按規(guī)范要求，查明其底界面起伏狀態(tài)、厚度變化規(guī)律，做出等厚線圖和底界面等高線圖。
2.2粘土層的分布
在第四系沉積過程中，粘土層在層面或立面上，受各種因素影響，有可能出現(xiàn)砂層的“透鏡體”或“天窗”，如果砂層的“透鏡體”含水，又直接伏于基巖之上且相互之間又能連通，則對提高開采上限是不利的因素。如果砂層的“透鏡體”相對獨立，含水性極弱底部，還有粘土層間隔，則對提高開采上限不會造成大的影響。
2.3粘土層的物理力學性質(zhì)
第四系底界粘土層的巖性組份決定了基塑性指數(shù)、膨脹率及壓縮性，塑性指數(shù)、膨脹率及壓縮性又決定了粘土層抗采動能力和再生隔水能力，因此，應對粘土層的物理力學性質(zhì)進取樣分析。
2.4粘土層與砂層間隔沉積條件
在第四系底界層中，要分析是以粘土為主，夾有不同厚度砂層，還是以砂層為主，夾有不同厚度粘土層。同時，分析砂層的含水性如何，以便確定開采上限是防水煤柱為主，帶是以防砂或防塌煤柱為主。另外，煤層頂板砂巖含水層及其補給條件也應該一并考慮，雖然3煤頂板含水層以靜儲量為主，經(jīng)過一段時間釋放對工作面的影響大大減弱，但應分析有無受第四系含水層補給的途徑和條件。
3分析研究第四系底界粘土層的手段和方法
為了達到相述目的和要求，必須通過綜合措施來實現(xiàn)。在實際生產(chǎn)過程中，我們結合原來已有的地質(zhì)資料，再通過井上下鉆孔許工、抽水實驗；二維地震非線性反演、二維三分量、物理力學性質(zhì)分析等，查明了第四系底界粘土層的特性和分布規(guī)律。
3.1地面鉆探水文補充勘探
以往的礦井勘探鉆孔對現(xiàn)分階段水文分析而言，密度相對較小。在實際開采試驗過程中，許廠、葛亭兩礦又在地面專門施工了6個鉆孔，鉆進工程量達1592.77m，先后單孔、群孔抽水12次。補勘以后，基本查明了鉆孔控制區(qū)域的第四系底界粘土層的厚度、含砂情況及砂層含水情況。許廠煤礦第四系底界粘土層最度在2.77~34.22m，而粘土層較薄的區(qū)域，基巖的厚度又相對較厚，砂層含水層通過8次抽水，其單位涌水量為0.002317~0.002626L/s·m，屬弱含水層。葛亭煤礦第四系底界粘土層厚度在42~55m，砂層含水層經(jīng)過4次抽水，單位涌水量一般在0.002158~0.002636L/s·m，也屬弱含水層。該巨厚粘土層，為葛亭煤礦提到防塌煤柱創(chuàng)造了條件。
3.2井下鉆孔補充勘探
在這3個礦所有涉及提高開采上限的工作面中，均在井下布置了不同數(shù)量的仰上孔，以探明基巖的厚度、含中性、第四系底界粘土層的厚度、含砂情況等，總共施工了43個孔，總進尺達2453m，總體達到了200m×200m鉆孔網(wǎng)度。摸清了第四系底界面的起伏狀態(tài)、基巖的厚度變化規(guī)律。
3.3非線性二維地震反演
第四系底界多為砂、粘土相同沉積的地質(zhì)結構，由于兩者密度與速度的差異波阻抗則不同，其分界面上能形成反射波。非線性反演的目的是控制井間地層地質(zhì)構造幾何形態(tài)的細微變化，利用測井資料，通過小波奇數(shù)、時頻、神經(jīng)元和分形分析，對非線性地震演參數(shù)進行非線性標定，結合巖層地震剖面特征，求出物性參數(shù)分布信息。許廠煤礦委托山東物探隊，通過對6條地質(zhì)剖面，結合21條地震測線，1711個物理點，對控制區(qū)域的速度、密度、波阻抗進行了3種剖面反演，從面上解釋了4工作面區(qū)域的第四系底界粘土層的分布沉積規(guī)律、厚度變化規(guī)律。
3.4二維三分量地震補勘
葛亭煤礦在牽扯提高開采上限的首采區(qū)曾經(jīng)做過三維地震，通過三維地震對淺表土層的高保真處理，提高信噪比，初步確定了第四系底界粘土層是連續(xù)分布的。但為了實現(xiàn)對粘土層的精細解釋和粘土層內(nèi)的富水性定性解釋，又進行了二維三分量地震勘探工作，完成4條濺線，266個物理點。綜合查明了第四系底界粘土層未見“天窗”現(xiàn)象，厚度在42~55m，整體形態(tài)為一馬鞍型，粘土層內(nèi)富水性較弱。
3.5粘土層物理力學鑒定
為了掌握第四系底界粘土層的物理力學性能，在地面鉆孔施工過程中，對底界粘土層先后取了16個巖芯進行送鑒，對密度、孔隙比、液限、塑限、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、凝聚力、膨脹率等10幾項指標進行了鑒定，總體主伙底界粘土層屬半固結膨脹飽和粘土、液性指數(shù)及膨脹率大，有良好的隔水性和再生性。
4實施效果
利用上述方法和手段，濟（寧）北礦區(qū)的3個礦，自1999年開始已經(jīng)先后有13個工作面進行了提高開采上限的開采，采出壓覆煤量約558萬t。許廠煤礦在5m厚煤層綜放工作面，已經(jīng)將開采上限提高到35m左右；葛亭煤礦在煤厚8m的1307綜放工作面，利用42~55m巨厚粘土層，已經(jīng)將開采上限提高到2.89m，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
（孫?？?馬光軍 徐新啟）
