地质构造对煤层顶板的影响分析

浦治国

摘要:通过分析潘北矿的地质条件和顶板条件,得出了影响煤层顶板稳定性的因素及煤巷冒落的原因,阐述了煤矿生产中地质构造对煤层顶板的影响,并针对其情况提出了相关的建议。

关键词:地质构造;顶板;煤层冒落

0 引言

在煤巷掘进过程中,有时会发生煤巷冒顶,引起顶板的大面积冒落,导致掘进头停产,影响了工作面的布置,延长了采掘衔接,不但使生产成本增加,安全生产也受到威胁。煤巷冒顶的原因是多方面的,地质构造不清、顶板

压力显现规律不明是发生冒顶事故的主要因素。采动容易使构造结构面“活化”,从而影响煤层顶板的稳定性。

1 地质概况

淮南矿业集团潘北煤矿是设计年产400万吨现代化的特大型矿井,2005年开工建设,设计于2007年8月正式投产。为满足安全高产、高效矿井的需要,潘北煤矿决定采用先进的计算机技术来实现矿井现代化管理,从而使地质测量成果能高质量、高效率全面地服务于矿井生产。

1.1 煤层顶底板岩石工程地质特征 主要可采煤层顶底板岩性:13-1煤层顶板以粘土岩为主,次为砂质粘土岩,个别为砂岩,底板一般为粘土岩;11-2煤层顶底板为粘土岩及砂质粘土岩,十西线～十一东线顶板常见砂岩;8煤层顶板七—八线～十二东线基本为砂岩,其它部分为粘土岩及砂质粘土岩,底板以粘土岩为主。砂质粘土岩次之;4-1煤层顶底板九线以东粘土岩、砂质粘土岩为主,次为粉砂岩,九线以西粉细砂岩或砂页岩互层为主,砂质粘土岩、粘土岩次之,底板为粘土岩及砂质粘土岩,偶见粉细砂岩;1 煤层顶底板为粘土岩和砂质粘土岩。粘土岩及砂质粘土岩的一般特征为致密,性脆,受力易碎呈碎块状,砂质粘土岩比粘土岩稍好;砂岩一般以石英为主,次为长石,含少量暗色矿物或菱铁,泥硅质胶结,较坚硬,局部裂隙比较发育。受构造影响的部分岩芯破碎;粉砂岩、粉细砂岩、砂页岩互层坚硬程度及破碎情况介于两者之间。

煤层顶底板岩石物理学试样根据勘探设计在13-1、8、1等煤层取样,大巷孔岩样根据省煤矿设计院要求而确定。

1.2 煤层顶底板类别 淮南煤矿开采对煤层顶底板的控制对象分为:伪顶、直接顶、老顶及直接底。这是最常用的矿山煤层顶底板分类,各类的基本含义如下:

1.2.1 伪顶:紧贴煤层之上,极易垮落的较薄煤岩层。它由炭质页岩等软弱岩层组成,厚度小于0.5m,其特征是随采煤而垮落。

1.2.2 直接顶:位于伪顶或煤层之上的一层或几层相同或不同的岩层。一般由泥质页岩、页岩、砂质页岩等不稳定岩层组成,具有随回柱放顶而垮落的特征。其厚度是指回放顶后能在采空区自行垮落的岩层厚度。直接顶一般相当于冒落带内的岩层。直接顶厚度一般为采厚的3～5倍,同时与岩性、岩组的组合有关。

1.2.3 老顶:位于直接顶之上的岩层,由砂岩、砂砾岩等坚硬岩石所组成,其厚度大于2m,岩石单向抗压强度大于60～80Mpa,岩层内节理裂隙不发育,自然分层比较大,整体性较强(裂隙间距和分层厚度一般大于1m),采空后能悬露较大面积。

1.2.4 直接底:直接底是位于开采层下面的岩层。当它为坚硬岩石时,可作为采场支柱的良好底座;如为泥页岩等松软岩层时,则常造成底鼓和支柱插入底板等现象;在急倾斜煤层时,直接底还可能出现沿倾斜滑动的现象。

2 影响煤层顶板稳定性因素

2.1 直接顶的厚度 生产实践表明,砂岩顶板比粉砂岩顶板稳定,粉砂岩顶板比泥质岩顶板稳定。同一岩性的顶板

厚度越大,稳定性越好。顶板的厚度还影响着小断层的发育程度,而小断层的发育在很大程度上影响着顶板的坚固性和整体性。

2.2 直接顶厚度与采高的比值 直接顶冒落后能够充满采空区的充分条件是具有6倍采高的厚度,此时老顶几乎起不到任何作用。多数情况下,直接顶厚度大于煤层采高高度3-5倍时,采空区基本能被充满,老顶的作用不明显;直接顶厚度小于3倍采高时,老顶对控顶区的作用较明显。当直接顶厚度小于0.3倍采高或无直接顶时,老顶来压较强烈,须采取强制放顶、弱化顶板或局部充填等方法对采空区进行处理。

2.3 顶板的分层层数 当顶板悬空时,沿层面易出现离层,进而发生顶板冒落。岩层层数越多,其顶板的整体性就越差,因此容易发生冒落。煤层顶板稳定性主要取决于靠近煤层之上3m以内顶板岩层的稳定性,而不是整个顶板岩层。

2.4 页板岩层中砂岩的含量 煤层顶板的岩石类型基本分为两种,一种是软质岩石,包括泥岩、砂质泥岩和粉砂岩;另一种是硬质岩石,包括各类砂岩。顶板岩石的采动和稳定性能与这两种岩石的组合和相对比率有很大的关系。砂岩比率相对较高的顶板组合,其稳定性能相对较好;反之,稳定性就较差。

2.5 主采煤层与薄煤层的间距 主采煤层之上的薄煤层或煤线往往是顶板的软弱面。据分析,当薄煤层与主采煤层相距1.8-3 m时,由于顶板锚杠不能穿透其上薄煤层,锚杠起不到固定顶板的作用,薄煤层以上的岩层呈悬空状态,这时极易发生冒顶事故。当主采煤层开采后,其上的薄煤层(或煤层)构成直接顶与老顶间的软弱而,连接力极差,造成薄煤层以下的岩体塌落,酿成冒顶事故。因此主采煤层和薄煤层的间距与煤层顶板稳定性成反比。

3 可采煤层的顶底板的特征

淮南矿区主要可采煤层的顶板已泥岩、砂质泥岩为主,其次为粉砂岩和细砂岩;底板以泥岩、砂质泥岩为主。据物理力学测试成果,岩石的抗压强度与层位、深度、容重的关系不明显,主要与岩性有关。泥岩强度最低,砂质泥岩次低,砂岩类强度高。砂岩类中砂岩和细砂岩强度最高见表1。

4 生产中遇到的工程地质问题及解决方法

4.1 复合顶板的控制问题 复合顶板又称离层型顶板,由下软上硬岩层组成,下部软岩层易于上部硬岩层离层。潘集地区的13-1煤层多为复合顶板,夹有软岩薄层,因此,直接顶难以支托住,顶板容易冒落,严重影响生产与煤质。通过多年的实践,对复合顶板的冒落规律及管理取得了许多经验,已能较好地控制复合顶板。

4.2 顶板砂岩体相变问题 煤层顶板砂岩是网状、数枝状、掌状河流沉积环境,砂岩分布与厚度变化大,常常相变为砂质泥岩或泥岩。煤矿开采表明,顶板异常冒落往往发生在砂岩体相变的部位。近几年来研究应用三维地震反演技术,解释煤层顶板砂岩体的分布范围,研究岩相变化与开采矿压显示的关系,进行有效的顶板控制与管理已取得初步的成果。

5 煤巷冒落的防治措施与建议

为了有效防止地质构造引起的煤巷顶板冒落,保证煤矿生产的安全,建议采取以下几种防治措施。

5.1 结合实际情况,认真贯彻执行相关操作规程,并制定易于操作的实施细则,确保施工人员的安全。在新办煤矿企业时,必须实行地质灾害评估制度,对于可能造成地质灾害隐患的煤矿,应保证有相应的配套治理措施。

5.2 加强地质预报工作,对目前正在生产的煤矿,通过收集资料、打钻、电测等手段,查明地质构造的复杂程度和变化趋势、陷落柱的分布范围、断层的延伸长度等,尽量在掘进前探明地质构造,提前做好顶板维护措施。

5.3 尽量避开地质异常区,重新对巷道定向,或者使巷道与其尽可能接近90°。如果掘进过程中不可能避开地质异常区,就应采取妥善的支护方式,如采用钢带、金属网,特殊地带增设木桁架等作为补充支护。

参考文献:

[1]范世义.掘进支护工[M].北京:煤炭工业出版社.1996:122-123.

[2]刘衡秋.模糊综合评判在煤层顶板稳定性评价中的应用[J].煤田地质与勘探.2002.30(4):18-19.