芦岭煤矿10#煤层顶板特征

刘兵昌,　程　乔,　杨华泽

(安徽理工大学 地球与环境学院, 安徽 淮南 232001)



芦岭煤矿10#煤层顶板特征

刘兵昌,程乔,杨华泽

(安徽理工大学 地球与环境学院, 安徽 淮南 232001)

利用钻孔资料，统计芦岭煤矿10#煤层顶板30 m以内砂岩和直接顶的厚度。依据硬质岩石质量分数、直接顶厚度与采高的比值(Km)分析顶板的岩性类型和顶板的结构类型。结果表明：1#煤层顶板岩体岩性分为硬质岩体、中硬岩体和软质岩体三类，分别约占矿区的50%、35%、15%；顶板结构类型为老顶直接覆盖型、伪顶+老顶型、直接顶+老顶型和伪顶+直接顶+老顶型四种；顶板工程地质类型分为无周期来压、有周期来压和周期来压强烈三种，依次占矿区的49%、50%、1%。该矿地质条件较好，研究结果为矿区工作面布置方法、顶板支护方式的选择提供了依据。

芦岭煤矿; 顶板; 岩性; 结构; 类型

0　引　言

煤矿顶板事故严重影响煤矿的安全生产,国内外学者对顶板特征进行了大量研究。Barrell J[1]研究发现,成岩时期的压实作用、同沉积构造特征和后期构造改造以及各岩石之间的内在联系等因素决定了井下回采时煤层顶板的特征。吴基文等[2-3]通过对龙东煤矿中央采区7#煤层覆岩工程地质条件的研究,发现采场围岩的稳定性取决于岩石的物理力学性质,冒落带和导水裂隙带的发育高度以及煤层顶板隔水性的强弱取决于覆岩的岩性及组合特征。孟召平等[4]通过模拟实验研究沉积层序和顶板砂体厚度对顶板冒落的影响,发现煤层顶板稳定性大部分取决于沉积建造亚相特征,采场顶底板整体质量取决于顶板原始沉积环境的空间分布；确立了顶板稳定性地质模型,建议以研究影响顶板稳定性的地质因素为基础,利用岩体力学和采矿工程学的研究方法,深入地研究煤层顶底板稳定性。基于此,笔者从煤层顶板岩体岩性特征、结构特征和工程地质分类三个方面来研究芦岭煤矿10#煤顶板的特征。

1　矿井地质概况及顶板岩性特征

1.1矿井地质概况

芦岭煤矿位于安徽省宿州市,东以F32断层为界,西以补13线和6-7线为界,与朱仙庄煤矿相邻,浅部10#煤层露头,深部以-800 m等高线为开采下限,走向长8.2 km,倾斜宽3.6 km,面积29.5 km2。芦岭煤矿设计服务年限66.1 a,设计年生产能力为150万 t,是宿县矿区重要的煤炭生产基地之一。煤层开采顺序为自上而下,开拓方式为立井石门分水平开采,沿倾斜方向分-400、-590、-800 m三个水平,上山采区从井筒向井田边界回采,下山采区则由井田边界向井筒回采。10#煤为芦岭矿主采煤层,在井田范围内较为稳定,但煤层厚度，顶板岩性、岩相及煤层间距变化较大。

1.2顶板岩性特征

1.2.1岩体岩性分类依据

依据硬质岩石质量分数(w)对顶板岩体岩性进行划分,计算式为

w=d1/d2×100%,

式中:d1——顶板岩体中各硬质岩石(煤层之上一定赋存高度范围内)厚度之和,m;

d2——顶板岩体中各硬质岩体、中硬岩体和软质岩体(煤层之上一定赋存高度范围内)厚度之和,文中选取30 m。

煤层顶板岩体岩性依据硬质岩石质量分数分为三类,结果见表1。

表1　煤层顶板岩体岩性类型分类

1.2.2顶板岩性特征

芦岭煤矿10#煤的直接顶可以分为三类:第一类直接顶板主要由泥岩煤互层组成,岩性较软,岩石为三角洲平原分流间湾相;第二类直接顶板的岩性为泥、页岩,强度中等,泥岩多块状,局部夹细砂岩,页岩多为块状,局部为片状;第三类直接顶板主要由中厚层粉砂岩组成,粉砂岩中常见水平、缓波状层理。伪顶由泥岩或煤层组成,厚度一般介于0.10～0.35 m之间,局部有达1.69 m的炭质泥岩,呈薄层状,形成复合顶板,极易离层,且随煤炭的采出而同时垮落[5]。

统计矿区94个钻孔中10#煤顶板30 m内砂岩岩体的累计厚度,计算硬质岩石质量分数,得到硬质岩石质量分数的频数分布图,如图1所示。由图1可知,硬质岩体占统计钻孔的大部分,钻孔数量为45个,中硬岩体钻孔数量27个,软质岩体钻孔数量22个。根据分析结果,在10#煤底板等高线图上投影各个钻孔值,得到10#煤层顶板岩性分区图,如图2所示。

图1　硬质岩石质量分数频数分布

分析图2可知，硬质岩层在整个矿区均有分布,几乎横切了所有的勘探线,连续性好,其中主要分布在矿区的中部,约占整个矿区的50%;中硬岩层除了小部分分布在勘探线补22和9以及勘探线补27和补13之间,大部分分布在矿区深部地区,有较好的连续性,约占整个矿区的35%;软质岩层在整个研究区都有零星散布,其中大部分分布在勘探线11-12和10及勘探线27和13之间,约占整个矿区的15%。

图2　10#煤顶板岩性分区

2　顶板岩层结构特征及工程地质分类

2.1结构特征

采场中的矿压源于上覆岩层的运动,而上覆岩层的运动受采动影响其运动规律取决于岩层厚度、岩性、层位关系及构造情况[6]。文中从地质角度研究了顶板的结构特征。结合煤层顶板柱状图,将10#煤顶板结构划分为老顶直接覆盖、伪顶+老顶、直接顶+老顶、伪顶+直接顶+老顶四种组合类型。其中,伪顶一般为泥岩和炭质泥岩,高度在0.5 m以下;直接顶以泥岩为主,含粉砂岩、页岩和粉砂质泥岩;老顶主要为粗砂岩、砂砾岩、细砂岩。

在开采过程中,不同的顶板结构组合类型产生不同的开采效应,对工作面布置方式和顶板支护方式要求也不同。当伪顶太厚,采场工作面所需的空间得不到维护时,要采用掩护式支架支护。若老顶与煤层直接接触,周期来压产生的气压可能冲击毁坏矿井,造成大面积顶板毁坏,对顶板的管理非常不利[7]。最佳的顶板条件是,无伪顶或伪顶非常薄,直接顶厚度适中,直接顶和伪顶之间不存在明显的软弱结构面。

2.2工程地质分类

煤层顶板的工程地质分类在煤矿工作面回采过程中起着非常重要的作用,可以为设计人员选择支护方法和支护方式提供依据,增强工作面的安全性,降低顶板事故的发生率,进而加强工作面的顶板管理。该研究采用中国矿业大学于双忠教授提出的《煤层顶板工程地质分类方案》[8],分类的依据以钻孔岩心所获取的资料为准,这种分类可以表示矿压显现规律、煤层顶板压力特征等,如表2所示，其中σc为抗压强度；Km为直接顶厚度(m)/采高(m)。

表2　顶板工程地质分类

基于以上分析,统计10#煤的94个相关钻孔数据,确定其直接顶厚度介于0.56～30.8 m之间,其中厚度在0～4 m之间的钻孔55个,>4 m的钻孔39个。顶板的活动规律受直接顶厚度的影响较大,当直接顶的厚度是煤层厚度的2～4倍时,冒落以后不能充填满采空区,致使采空区上的老顶形成固定的岩梁,岩梁的跨度会随工作面回采的推进增大。老顶岩梁将上覆岩体的重量传递至采区工作面支架和煤体上,同时老顶岩梁跨度的增大会使支架上的压力和煤体的应力增大[9]。该研究中取平均采高为2 m,根据Km的计算方法,利用10#煤直接顶厚度,计算Km值。结果显示:Km>3.0的钻孔23个,<0.8的钻孔29个,介于0.8～3.0之间的钻孔42个。考虑到10#煤直接顶多为泥岩,岩体抗压强度σc介于20～30 MPa之间,将10#煤顶板按Km值可以分为三类,即无周期来压顶板、有周期来压顶板和周期来压强烈顶板。将各钻孔的Km值投绘到10#煤层底板等高线图上,得出Km值的等值线图。依据表2的顶板工程地质分类方法,将10#煤顶板分区,得出顶板周期来压分布图,如图3所示。

分析图3可知：无周期来压顶板区域(Km>3.0)约占整个矿区的49%,在整个矿区都有分布,深部浅部皆有分布(浅部分布较少),其中在勘探线11-2和9及以勘探线8-9和补14之间分布比较少或不分布;有周期来压顶板区域(Km= 0.8～3.0)约占整个矿区的50%,也呈条带状分布,与无周期来压区镶嵌展布;周期来压强烈顶板区域(Km<0.8)占整个矿区的1%左右,零星分布在勘探线补20和补19之间,推测与此处的构造有一定关系。整体来看，周期来压分布与10#煤断裂有密切关系。

图3　10#煤顶板周期来压分区

3　结　论

(1)芦岭煤矿10#煤顶板岩体岩性可分为硬质岩体、中硬岩体和软质岩体三种类型,其中软质岩体占整个矿区15%左右,中硬岩体约占矿区的35%,硬质岩体比重最大占50%,而硬质岩体往往是应力集中区。

(2)10#煤顶板结构类型可以分为老顶直接覆盖型、伪顶+老顶型、直接顶+老顶型和伪顶+直接顶+老顶型四种。

(3)10#顶板工程地质类型可分为无周期来压、有周期来压和周期来压强烈型三类,各类型依次占整个矿区的49%、50%和1%,顶板工程地质条件较好。

[1]BARRELL J. Criteria for the recognition of ancient delta deposit[M]. [S.l.]: Geological Society of America Bulletin, 1912: 337-446.

[2]吴基文, 昊素玲, 桂和荣, 等. 任楼基岩分化带工程地质特征研究[J]. 中国煤田地质, 2000, 12(4): 50-52.

[3]杨智, 吴基文, 宋中应, 等. 龙东煤矿中央采区7煤层覆岩工程地质特征研究[J]. 煤炭工程, 2007(3): 68-70.

[4]孟召平. 煤层顶板沉积岩体结构及其对顶底板稳定性的影响[D]. 北京: 中国矿业大学, 1999.

[5]李增学, 王怀洪, 郭建斌, 等. 煤层稳定性评价、预测理论与方法[M]. 北京: 地质出版社, 2009: 24-25.

[6]姜福兴, 王同旭, 潘立安, 等. 矿山压力与层控技术[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 2004: 19-20.

[7]汪林. 近松散层煤层覆岩工程地质性质研究与应用[D]. 淮南: 安徽理工大学, 2009: 33-46.

[8]于双忠. 煤矿工程地质研究[M]. 徐州： 中国矿业大学出版社， 1991.

[9]张家乐, 冯松宝, 汪伟民, 等. 芦岭煤矿8煤层顶板特征研究[J]. 中国煤炭地质, 2010(9): 35-37.

(编辑荀海鑫)

No.10 coal seam roof characteristics in Luling coal mine

LIUBingchang,CHENGQiao,YANGHuaze

(School of Earth & Environment, Anhui University of Science & Technology, Huainan 232001, China)

This paper draws on borehole core data， offers estimates of sandstones occurring within 30 m from roof in the Luling coal mine No．10 seams and immediate roof thickness, and analyzes coal roof lithology and structural types according to hard rock percentage and immediate roof thickness/shear height ratio(Km)． The result shows that the coal roof lithology of No.10 can be divided into three kinds of hard，medium and soft rock masses, accounting for about 50%, 35%, 15% of the mining area respectively；the coal roof structural types are divided into four kinds, such as the main roof cover type, the false roof and main roof, the immediate roof and main roof type and the false roof and immediate roofs； the engineering geological type of the roof are divided into three kinds： no periodic weighting roof, periodic weighting roof and strong periodic weighting roof, accounting for about 49%, 50%, and 1% of the mining area respectively. The coal mine is blessed with a better geological condition and the study serves as a basis for developing layout methods and selecting roof supporting patterns for working faces.

Luling coal mine; roof; lithology; structure; type

2013-05-30

刘兵昌(1989-),男,甘肃省武威人,硕士,研究方向:矿井地质,E-mail:liu.bing.chang@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.04.019

TD163

1671-0118(2013)04-0390-04

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