斜沟煤矿8号煤顶底板岩层工程地质特性研究

叶兆勇

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西吕梁033600）

斜沟煤矿8号煤顶底板岩层工程地质特性研究

叶兆勇*

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西吕梁033600）

斜沟煤矿8号煤层为其主采煤层之一，以8号煤层开采18101工作面的煤顶底板岩层特征为例，对斜沟煤矿8号煤层顶底板岩层的工程地质特征进行了研究，斜沟煤矿8号煤顶板岩性结构以泥岩和砂岩为主，底板岩性结构由砂质泥岩和中粒砂岩组成，分别对其物理力学性质进行了测试，受沉积环境影响，不同地段顶底板岩性组成存在一定差异。这些研究为数值分析顶底板“三带”高度、提出“三带”高度的经验公式提供科学依据和实例验证。

斜沟煤矿；8号煤顶底板；工程地质特性；岩性组合

1　概述

斜沟井田位于河东煤田北部远景普查区的中南部。主要可采煤层主采8号和13号煤层。

本区属温带大陆性季风气候，四季分明，昼夜温差大。多年平均降雨量为625mm，年最大降雨量为844.6mm（1964年）；年平均蒸发量为2090.8mm，最大蒸发量为2541.0mm（1972年）。本区属于剥蚀构造低山丘陵地形，区内大面积为第三、四系松散层所覆盖，石炭、二叠系地层仅在沟谷中出露，地形切割较深，风化剥蚀较为强烈，植被不发育，水土流失严重，滑坡、崩塌等不良工程地质现象常见。

井田位于河东煤田北部远景普查区的北中部，区域地层由老至新为：古生界奥陶系中统，石炭系中统、上统，二叠系下统、中统；中生界三叠系下统、中统；新生界第三系、第四系，见表1。

2　斜沟煤矿8号煤顶底板岩层工程地质特性研究意义

煤层回采后，顶板覆岩在重力作用下发生垮落，由下向上依次产生冒落带、导水裂缝带、弯曲变形带，称为“三带”。三带特征不仅与采矿因素有关，而且与顶板覆岩工程地质特性密切相关，特别是冒落带、导水裂缝带发育特征及高度主要受控于顶板覆岩岩性力学性质、岩性组合。

斜沟煤矿8号煤层底板围岩在煤层未扰动之前处于力学平衡状态。一旦煤层被扰动，应力产生释放，在地应力等综合影响作用下，底板岩层必然受到不同程度的扰动，原有的闭合裂隙将产生活化，甚至形成新的破裂面。一旦新生的破裂面或原有的裂隙面导通底板承压含水层，承压含水层水将会大量涌入矿井，甚至造成淹井事故。底板的破坏范围与深度一方面取决于岩层岩性组合形态及围岩原位地应力特征，另一方面与隔水层底板所承受的奥陶系灰岩水压力有关，此外，回采工作面尺寸、形态和采掘方式、回采速度以及顶板管理方式也是影响煤层底板扰动破坏深度的因素。

综上所述，煤层顶底板破坏均与岩层的工程地质特性密切相关，因而有必要深入研究8号煤顶底板岩层的工程地质特性，更好地掌握综放条带开采条件下围岩的破坏规律。

3　斜沟煤矿8号煤顶底板基本类型划分

煤层顶板质量取决于顶板岩层组成、结构和沉积构造，以及早期和晚期沉积的构造差异，由于受沉积环境、岩性和岩相的影响，煤层顶板岩相在大的横向和纵向有很大的变化。距离煤层顶板岩层之上距离一定的岩层属于这一类。根据其力学性质与破坏特性顶板一般可以划分为3种类型：

（1）伪顶：一般厚度比较小的，靠近煤层顶部，容易破碎的岩层（图1），一些煤层缺少伪顶。软质泥岩，含碳页岩为其成分。力学强度极低，随开采而垮落，此伪顶对煤层顶板的稳定性没有什么有利的作用。

图1　煤层基本类型

（2）直接顶：大多为容易崩落页岩，粉砂岩，具有一定的强度，位于伪顶或煤层之上，厚度一般在1～2m之间，此为工作面稳定性的关键影响因素。但仅有老顶的煤层也存在。

（3）老顶：位于直接顶或煤层（无伪顶、直接顶时）之上，一般厚度较大，坚硬，整体性强，常由砂岩、砾岩、石灰岩等强度较大的岩层组成，能保持一定的控顶距，回柱后不自行垮落，往往只发生缓慢下沉。因此，它对工作面顶板压力的影响很大。

伪顶、直接顶、老顶从下往上依次发育，这样的顶板发育规律符合成岩理论，且此类型的顶板结构简单，易于管理。顶板类型复杂是指3种顶板没有同时发育，或发育顺序没有一定的规律性，此类型的顶板难于管理，易发生顶板事故。

由煤层向下，煤层底板分为伪底、直接底、老底3部分：

（1）伪底：直接位于煤层之下且强度较低的薄层软弱岩层，多为炭质页岩或泥岩，厚度一般为0.2～0.3m。

（2）直接底：直接位于煤层之下且强度较低的岩层，厚度不均，一般从几十厘米到1m左右，通常由泥岩、页岩或粘土岩等组成。若粘土岩为直接底，遇水后易膨胀，可能造成巷道底鼓与支架插底现象，轻者影响巷道运输与工作面支护，重者可使巷道遭受严重破坏。

（3）老底：指位于直接底之下，多为砂层、石灰岩等比较坚硬的岩层。

不过，对于某个特定的煤层来说，其顶底板的这6个组成部分不一定全部发育，可能缺失某一个或几个组成部分的岩层。

4　主采煤层顶底板岩性及组合特征

18101工作面盖山厚度较薄，开采对地表破坏严重，山沟两侧容易滑坡。最薄处为麻墕塔村南端河床处，盖山厚度仅为7m，采过后出现地面塌陷及时组织有关单位进行回填处理。钻孔ZK16708、1005位于该工作面内，ZK923、0803、ZK922位于工作面东侧。工作面煤层整体南厚北薄，工作面总体煤层厚度稳定，工作面切割处煤层较厚，局部可达7.53m，平均煤厚4.80m，黑色，块状、条带状均有，结构复杂，有2～4层泥岩夹石。回采中加强地面观察，及时发现裂缝、塌陷等情况。工作面东侧接近煤层露头，埋藏较浅，风化严重，煤层顶板较破碎，回采后顶板冒落裂隙带容易与地表沟通，在雨季可能造成工作面涌水量增大。该工作面内部有小煤窑采空区，采空区跨度较大，回采前队组要提前进行支护工作，回采时应加强顶板管理，对拉底巷道提前进行充填处理，通风部门要加强盲头和盲巷的瓦斯管理。

18101工作面8号煤顶板岩层主要包括泥岩和砂岩，底板主要包括砂质泥岩和中粒砂岩，不同地段顶底板受沉积环境影响，岩性组成存在一定差异（表2）。

表2　斜沟煤矿18101工作面顶底板情况表

18102工作面位于西沟村东侧、白家塔村下及南侧，黄土覆盖了地表大部分，仅在沟谷中出露基岩，且地形为中低山区。庙沟和石佛子沟水（季节性）以南东—北西流向穿过工作面的北部和南部。工作面盖山厚度233～463m。1403、2203两钻孔位于工作面内，1003钻孔位于回撤通道外。18102工作面8号煤顶板岩层主要由泥岩和粗粒砂岩组成，底板主要由砂质泥岩和细粒砂岩组成，受沉积环境影响，不同地段顶底板岩性组成存在一定差异（表3）。

5　主采煤层顶底板岩石物理力学性质

表3　斜沟煤矿18102工作面顶底板情况表

斜沟煤矿煤层8号煤顶板为泥岩或者砂岩。上述煤层底板绝大多数为泥岩、砂质泥岩或细砂岩。据斜沟煤矿0702、0703、2403等钻孔的岩样试验结果：砂质泥岩抗压强度 29.7～83.9MPa，抗拉强度 0.6～0.85MPa；砂岩类抗压强度69.8MPa，抗拉强度1.0～1.13MPa；细砂岩抗压强度106.55MPa，抗拉强度0.9～3.4MPa；泥岩抗压强度41.8～88.8MPa，抗拉强度0.3～0.8MPa；泥灰岩抗压强度43.05～164.85MPa。具体见表4。

6　结论

本文以18101工作面8号煤顶底板岩层特征为例，对斜沟煤矿8号煤层顶底板岩层工程地质特征进行了研究，8号煤顶板主要有泥岩和砂岩组成，底板主要由砂质泥岩和中粒砂岩组成，分别对其物理力学性质进行了测试，受沉积环境影响，不同地段顶底板岩性组成存在一定差异。为数值软件计算顶底板“三带”高度、提出“三带”高度计算的经验公式提供科学依据和实际验证。

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表4　斜沟煤矿顶底板岩层力学性质统计表

TD163

A

1004-5716（2016）04-0150-04

表1区域地层特征表*2015-12-21

2015-12-27 作者简介：叶兆勇（1986-），男（汉族），山西孝义人，助理工程师，现从事煤矿地质工作。

地层名称界系统组代号新生界第四系地层厚度（m）0～35 23～189主要岩石名称砂、砾石层淡黄色亚粘土、砂砾石层上第三系Q4Q3N2中生界三叠系全新统上更新统上新统中统下统上统二叠系古生界石炭系奥陶系下统上统中统中统二马营组和尚沟组刘家沟组石千峰组上石盒子组下石盒子组山西组太原组本溪组峰峰组T2er T1h T1l P2sh P2s P1x P1s C3t C2b O2f 13～138 438.10 201.70～220.40 390.60～396.50 176.10～208.10 335.80 91.60～167.10 40.00～83.00 80.00～110.00 19.00～46.00深红色粉砂质粘土、砂、砾石层灰绿色中砂岩、粗砂岩、泥岩绿色泥岩、砖红色细砂岩砖红色中砂岩、粗砂岩、泥岩细砂岩、中、粗粒砂岩、泥岩紫红色泥岩、粘土岩、含砾粗砂岩紫红色粘土岩，中、粗粒砂岩，泥岩砂岩、砂质泥岩、粘土岩、灰岩、煤层砂岩、泥岩、粘土岩、灰岩、煤层粉砂岩、粘土岩泥岩、灰岩、铝土矿、煤线灰白色白云质灰岩