王立君 東北煤田地質(zhì)局一五五隊(duì) 121001

三家子煤礦地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層頂板的影響分析

王立君 東北煤田地質(zhì)局一五五隊(duì) 121001

三家子煤礦位于燕遼沉隆帶東段，金嶺寺～羊山復(fù)向斜的東南翼。在西南部葦子溝井田－三家子井田間，呈一弧頂凸向東南方向的弧形構(gòu)造，三家子井田居于弧形構(gòu)造的內(nèi)側(cè)。由于所處構(gòu)造部位其條件較為優(yōu)越，褶皺和斷裂構(gòu)造較為簡單，煤系地層厚度較大，層位較全，但由于后期巖漿巖的影響，侵入體對(duì)煤系、煤層破壞極為嚴(yán)重，從而使構(gòu)造復(fù)雜化。通過分析三家子煤礦的地質(zhì)構(gòu)造和頂板條件，得出了影響煤層頂板穩(wěn)定性的因素及煤巷冒落的原因，闡述了煤礦生產(chǎn)中地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層頂板的影響，并針對(duì)其情況提出了相關(guān)的建議。

地質(zhì)構(gòu)造；煤層頂板；影響因素

引言

在煤巷掘進(jìn)過程中，有時(shí)會(huì)發(fā)生煤巷冒頂，引起頂板的大面積冒落，導(dǎo)致掘進(jìn)頭停產(chǎn)，影響了工作面的布置，延長了采掘銜接，不但使生產(chǎn)成本增加，安全生產(chǎn)也受到威脅。煤巷冒頂?shù)脑蚴嵌喾矫娴?，地質(zhì)構(gòu)造不清，頂板壓力顯現(xiàn)規(guī)律不明顯是發(fā)生冒頂事故的主要因素。采動(dòng)容易使構(gòu)造面“活化”，從而影響煤層頂板的穩(wěn)定性。

1 地質(zhì)概況

三家子煤礦位于遼寧省葫蘆島市南票區(qū)九龍街道三家子村北部，南票煤田的西南部。礦區(qū)面積約8.5平方公里，開采深度由＋140～－800米標(biāo)高。

區(qū)域構(gòu)造位于燕遼沉隆帶東段，金嶺寺～羊山復(fù)向斜的東南翼。區(qū)內(nèi)地層走向N35～60°E，傾向北西，傾角25～70°，就整個(gè)煤田而言，是一個(gè)單斜構(gòu)造。在西南部葦子溝井田－三家子井田間，呈一弧頂凸向東南方向的弧形構(gòu)造，三家子井田居于弧形構(gòu)造的內(nèi)側(cè)。由于所處構(gòu)造部位其條件較為優(yōu)越，褶皺和斷裂構(gòu)造較為簡單，煤系地層厚度較大，層位較全，但由于后期巖漿巖的影響，侵入體對(duì)煤系、煤層破壞極為嚴(yán)重，從而使構(gòu)造復(fù)雜化。如圖1。

井田地層由老至新有震旦亞界青白口系，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二迭系。中生界侏羅系。新生界第四系；含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二迭統(tǒng)山西組、下石盒子組。

本井田共含有8個(gè)煤組，共20個(gè)分層。1、2、6、8等煤組各有兩個(gè)分層；3煤組、7煤組屬獨(dú)立分層；4煤組、5煤組各有4個(gè)煤分層，其中5-4煤層又細(xì)分為3個(gè)小分層。全區(qū)以6煤組發(fā)育最好，沉積普遍，厚度較大，全區(qū)可采，其他依次為8煤組、7煤組、5煤組、3煤組。1煤組、2煤組及4煤組區(qū)內(nèi)零星沉積為不可采煤層。區(qū)內(nèi)含煤地層平均總厚度過147.04米，煤層平均總厚度16.79米，含煤系數(shù)為11%。

1.1 煤層頂?shù)装鍘r石工程地質(zhì)特征

主要可采煤層頂?shù)装鍘r性：8-1煤層頂板以泥巖為主，次為砂質(zhì)泥巖，個(gè)別為砂巖，底板一般為粘土巖；6-2煤層頂?shù)装鍨槟鄮r及砂質(zhì)泥巖，10線～13線頂板常見砂巖；7煤層頂板7線～12線基本為砂巖，其它部分為泥巖及砂質(zhì)泥巖，底板以泥巖為主。砂質(zhì)泥巖次之；5-4煤層頂?shù)装?線以西泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，次為粉砂巖，9線以東粉細(xì)砂巖或砂泥巖互層為主，砂質(zhì)泥巖、泥巖次之，底板為泥巖及砂質(zhì)泥巖，偶見細(xì)砂巖；3煤層頂?shù)装鍨槟鄮r和砂質(zhì)泥巖，局部頂板相變?yōu)榉凵皫r及細(xì)砂巖。泥巖及砂質(zhì)泥巖的一般特征為致密，性脆，受力易碎呈碎塊，砂質(zhì)泥巖比泥巖稍好；砂巖一般以石英為主，次為長石，含少量暗色礦物或菱鐵礦，泥硅質(zhì)膠結(jié)，較堅(jiān)硬，局部裂隙比較發(fā)育。受構(gòu)造影響的部分巖芯破碎；粉砂巖、粉細(xì)砂巖、砂泥巖互層堅(jiān)硬程度及破碎情況介于兩者之間。

煤層頂?shù)装鍘r石物理學(xué)試樣根據(jù)勘探設(shè)計(jì)在8-1、6-2等煤層取樣，巷道巖樣根據(jù)煤礦設(shè)計(jì)要求而確定。

1.2 煤層頂?shù)装孱悇e

南票區(qū)三家子煤礦開采，對(duì)煤層頂?shù)装宓目刂茖?duì)象分為：偽頂、直接頂、老頂及直接底。這是最常用的礦山煤層頂?shù)装宸诸?，各類的基本含義如下：

1.2.1 偽頂 緊貼煤層之上，極易垮落的較薄巖層。它由炭質(zhì)頁巖等軟弱巖層組成，厚度小于0.5m，其特征是隨采煤而垮落。

1.2.2 直接頂 位于偽或煤層之上的一層或幾層相同或不同的巖層。一般由泥質(zhì)頁巖、頁巖、砂質(zhì)頁巖等不穩(wěn)定巖層組成，具有隨加柱放頂而垮落的特征。其厚度是指回放頂后能在采空區(qū)自行垮落的巖層厚度。直接頂一般相當(dāng)于冒落帶內(nèi)的巖層。直接頂厚度一般為采厚的3～5倍，同時(shí)與巖石組合有關(guān)。

1.2.3 老頂 位于直接頂之上的巖層，由砂巖、砂礫巖等堅(jiān)硬巖石所組成，其厚度大于2m，巖石單向抗壓強(qiáng)度大于60～80MPa,巖層內(nèi)節(jié)理裂隙不發(fā)育，自然分層比較大，整體性較強(qiáng)（裂隙間距和分層厚度一般大于1米 ），采空后能懸露較大面積。

1.2.4 直接底 直接底是位于開采層下面的巖層。當(dāng)它為堅(jiān)硬巖石時(shí)，可作為采場支柱的良好底座，如為泥頁巖等松軟巖層時(shí)，則常造成底鼓和支柱插入底板等現(xiàn)象；在急傾斜煤層時(shí)，直接底還可能出現(xiàn)沿傾斜滑動(dòng)的現(xiàn)象。

2 影響煤層頂板穩(wěn)定性的因素

2.1 直接頂?shù)暮穸?生產(chǎn)實(shí)踐表明，砂巖頂板比粉砂巖頂板穩(wěn)定，粉砂巖頂板比泥質(zhì)巖頂板穩(wěn)定。同一巖性的頂板厚度越大，穩(wěn)定性越好。頂板的厚度還影響著小斷層的發(fā)育程度，而小斷層的發(fā)育在很大程度上影響著頂板的堅(jiān)固性和整體性。

2.2 直接頂厚度與采高的比值 直接頂冒落后能夠充滿采空區(qū)的充分條件是具有6倍采高的厚度，此時(shí)老頂幾乎起不到任何作用。多數(shù)情況下，直接厚度大于煤層采高高度3～5倍時(shí)，采空區(qū)基本能被充滿，老頂?shù)淖饔貌幻黠@，直接頂厚度小于0.3倍采高或無直接頂時(shí)，老頂擠壓較強(qiáng)烈，須采取強(qiáng)制放頂、弱化頂板或局部充填等方法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理。

2.3 頂板的分層層數(shù) 當(dāng)頂板懸空時(shí)，沿層面易出現(xiàn)離層，進(jìn)而發(fā)生頂板冒落。巖層層數(shù)越多，其頂板的整體性就越差，因此容易發(fā)生冒落。煤層頂板穩(wěn)定性主要取決于靠近煤層之上3m以內(nèi)頂板巖層的穩(wěn)定性，而不是整個(gè)頂板巖層。

2.4 頁、泥巖層中砂巖的含量 煤層頂板的巖石類型基本分為兩種，一種是軟質(zhì)巖石，包括泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖；另一種是硬質(zhì)巖石，包括各類砂巖。頂板巖石的采動(dòng)和穩(wěn)定性能與這兩種巖石的組合和相對(duì)比率有很大的關(guān)系。砂巖比率相對(duì)較高的頂板組合，其穩(wěn)定性能相對(duì)較好；反之，穩(wěn)定性就較差。

2.5 主采煤層與薄煤層的間距 主采煤層之上的薄煤層或煤線往往是頂板的軟弱面。據(jù)分析，當(dāng)薄煤層與主采煤層相距1.8～3m時(shí)，由于頂板錨杠不能穿透其上薄煤層，錨杠起不到固定頂板的作用，薄煤層以上的巖層呈懸空狀態(tài)，這時(shí)極易發(fā)生冒頂事故。當(dāng)主采煤層開采后，其上的薄煤層（或煤層）構(gòu)成直接與老頂間的軟弱而連接力極差，造成薄煤層以下的巖體塌落，釀成冒頂事故。因此主采煤層和薄煤層的間距與煤層頂板穩(wěn)定性成反比。

3 可采煤層頂?shù)装宓奶卣?/h2>

三家子煤礦主要可采煤層的頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，其次為粉砂巖和細(xì)砂巖；底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。據(jù)物理力學(xué)測試結(jié)果，巖石的抗壓強(qiáng)度與層位、深度、容重的關(guān)系不明顯，主要與巖性有關(guān)。泥巖強(qiáng)度最底，砂質(zhì)泥巖次底，砂巖類強(qiáng)度高。砂巖類中砂巖和細(xì)砂巖強(qiáng)度最高（見表1，僅供參考）。

4 生產(chǎn)中遇到的工程地質(zhì)問題及解決方法

4.1 復(fù)合頂板的控制問題 復(fù)合頂板又稱離層型頂板，由下軟上硬巖層組成，下部軟巖層易與上部巖層離層。本礦區(qū)的6-2煤層多為復(fù)合頂板，夾有軟巖薄層，因此，直接頂難以支護(hù)住，頂板容易冒落，嚴(yán)重影響生產(chǎn)與煤質(zhì)。通過多年的實(shí)踐，對(duì)復(fù)合頂板的冒落規(guī)律及管理取得了許多經(jīng)驗(yàn)，已能較好地控制復(fù)合頂板。

4.2 頂板砂巖體相變問題 煤層頂板砂巖是網(wǎng)狀、樹枝狀、掌狀河流沉積環(huán)境，砂巖分布與厚度變化大，常常相變?yōu)樯百|(zhì)泥巖或泥巖。煤礦開采表明，頂板異常冒落往往發(fā)生在砂巖體相變的部位。近幾年來研究應(yīng)用三維地震反演技術(shù)，解釋煤層頂板砂巖體的分布范圍，研究巖相變化與開采礦壓顯示的關(guān)系，進(jìn)行有效的頂板控制與管理已取得初步的成果。

表1 三家子煤礦可采煤層頂板巖石抗壓強(qiáng)度概況表 （單位：MPa）

5 煤巷冒落的防治措施與建議

為了有效防止地質(zhì)構(gòu)造引起的煤巷頂板冒落，保證煤礦生產(chǎn)的安全，建議采取以下幾種防治措施。

5.1 結(jié)合實(shí)際情況，認(rèn)真貫徹執(zhí)行相關(guān)操作規(guī)程，并制定易于操作的實(shí)施細(xì)則，確保施工人員的安全。在新辦煤礦企業(yè)時(shí)，必須實(shí)行地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估制度，對(duì)于可能造成地質(zhì)災(zāi)害隱患的煤礦應(yīng)保證有相應(yīng)的配套治理措施。

5.2 加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，對(duì)目前正在生產(chǎn)的礦井通過收集資料、打鉆、電測等手段查明地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度和變化趨勢、陷落柱分布范圍、斷層的延展等，盡量在掘進(jìn)前探明地質(zhì)構(gòu)造，提前做好頂板維護(hù)措施。

5.3 盡量避開地質(zhì)異常區(qū)，重新對(duì)巷道定向，或者使巷道與其盡可能接近90°，如果掘進(jìn)過程中不可能避開地質(zhì)異常區(qū)，就應(yīng)采取妥善的支護(hù)方式，如采用鋼帶、金屬網(wǎng)，特殊地帶增設(shè)木桁架等作為補(bǔ)充支護(hù)。

［1］遼寧省煤田地質(zhì)勘探公司一五五隊(duì).遼寧省葫蘆島市南票煤田三家子井田深部（-500～-800m）詳查地質(zhì)報(bào)告 [R].錦州:東北煤田地質(zhì)局一五五勘探隊(duì).2007

［2］范世義.掘進(jìn)支護(hù)工（M）.北京：煤炭工業(yè)出版社.1996

［3］劉衡秋.模糊綜合評(píng)判在煤層頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用(J).煤田地質(zhì)與<錯(cuò)誤>2002

王立君，女（1963—）煤田地質(zhì)與勘探專業(yè)，地質(zhì)工程師。