劉兵昌,　程　喬,　楊華澤

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

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蘆嶺煤礦10#煤層頂板特征

劉兵昌,程喬,楊華澤

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

利用鉆孔資料，統(tǒng)計(jì)蘆嶺煤礦10#煤層頂板30 m以內(nèi)砂巖和直接頂?shù)暮穸取Ｒ罁?jù)硬質(zhì)巖石質(zhì)量分?jǐn)?shù)、直接頂厚度與采高的比值(Km)分析頂板的巖性類型和頂板的結(jié)構(gòu)類型。結(jié)果表明：1#煤層頂板巖體巖性分為硬質(zhì)巖體、中硬巖體和軟質(zhì)巖體三類，分別約占礦區(qū)的50%、35%、15%；頂板結(jié)構(gòu)類型為老頂直接覆蓋型、偽頂+老頂型、直接頂+老頂型和偽頂+直接頂+老頂型四種；頂板工程地質(zhì)類型分為無周期來壓、有周期來壓和周期來壓強(qiáng)烈三種，依次占礦區(qū)的49%、50%、1%。該礦地質(zhì)條件較好，研究結(jié)果為礦區(qū)工作面布置方法、頂板支護(hù)方式的選擇提供了依據(jù)。

蘆嶺煤礦; 頂板; 巖性; 結(jié)構(gòu); 類型

0　引　言

煤礦頂板事故嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn),國內(nèi)外學(xué)者對(duì)頂板特征進(jìn)行了大量研究。Barrell J[1]研究發(fā)現(xiàn),成巖時(shí)期的壓實(shí)作用、同沉積構(gòu)造特征和后期構(gòu)造改造以及各巖石之間的內(nèi)在聯(lián)系等因素決定了井下回采時(shí)煤層頂板的特征。吳基文等[2-3]通過對(duì)龍東煤礦中央采區(qū)7#煤層覆巖工程地質(zhì)條件的研究,發(fā)現(xiàn)采場圍巖的穩(wěn)定性取決于巖石的物理力學(xué)性質(zhì),冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度以及煤層頂板隔水性的強(qiáng)弱取決于覆巖的巖性及組合特征。孟召平等[4]通過模擬實(shí)驗(yàn)研究沉積層序和頂板砂體厚度對(duì)頂板冒落的影響,發(fā)現(xiàn)煤層頂板穩(wěn)定性大部分取決于沉積建造亞相特征,采場頂?shù)装逭w質(zhì)量取決于頂板原始沉積環(huán)境的空間分布；確立了頂板穩(wěn)定性地質(zhì)模型,建議以研究影響頂板穩(wěn)定性的地質(zhì)因素為基礎(chǔ),利用巖體力學(xué)和采礦工程學(xué)的研究方法,深入地研究煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性?；诖?筆者從煤層頂板巖體巖性特征、結(jié)構(gòu)特征和工程地質(zhì)分類三個(gè)方面來研究蘆嶺煤礦10#煤頂板的特征。

1　礦井地質(zhì)概況及頂板巖性特征

1.1礦井地質(zhì)概況

蘆嶺煤礦位于安徽省宿州市,東以F32斷層為界,西以補(bǔ)13線和6-7線為界,與朱仙莊煤礦相鄰,淺部10#煤層露頭,深部以-800 m等高線為開采下限,走向長8.2 km,傾斜寬3.6 km,面積29.5 km2。蘆嶺煤礦設(shè)計(jì)服務(wù)年限66.1 a,設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力為150萬 t,是宿縣礦區(qū)重要的煤炭生產(chǎn)基地之一。煤層開采順序?yàn)樽陨隙?開拓方式為立井石門分水平開采,沿傾斜方向分-400、-590、-800 m三個(gè)水平,上山采區(qū)從井筒向井田邊界回采,下山采區(qū)則由井田邊界向井筒回采。10#煤為蘆嶺礦主采煤層,在井田范圍內(nèi)較為穩(wěn)定,但煤層厚度，頂板巖性、巖相及煤層間距變化較大。

1.2頂板巖性特征

1.2.1巖體巖性分類依據(jù)

依據(jù)硬質(zhì)巖石質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)對(duì)頂板巖體巖性進(jìn)行劃分,計(jì)算式為

w=d1/d2×100%,

式中:d1——頂板巖體中各硬質(zhì)巖石(煤層之上一定賦存高度范圍內(nèi))厚度之和,m;

d2——頂板巖體中各硬質(zhì)巖體、中硬巖體和軟質(zhì)巖體(煤層之上一定賦存高度范圍內(nèi))厚度之和,文中選取30 m。

煤層頂板巖體巖性依據(jù)硬質(zhì)巖石質(zhì)量分?jǐn)?shù)分為三類,結(jié)果見表1。

表1　煤層頂板巖體巖性類型分類

1.2.2頂板巖性特征

蘆嶺煤礦10#煤的直接頂可以分為三類:第一類直接頂板主要由泥巖煤互層組成,巖性較軟,巖石為三角洲平原分流間灣相;第二類直接頂板的巖性為泥、頁巖,強(qiáng)度中等,泥巖多塊狀,局部夾細(xì)砂巖,頁巖多為塊狀,局部為片狀;第三類直接頂板主要由中厚層粉砂巖組成,粉砂巖中常見水平、緩波狀層理。偽頂由泥巖或煤層組成,厚度一般介于0.10～0.35 m之間,局部有達(dá)1.69 m的炭質(zhì)泥巖,呈薄層狀,形成復(fù)合頂板,極易離層,且隨煤炭的采出而同時(shí)垮落[5]。

統(tǒng)計(jì)礦區(qū)94個(gè)鉆孔中10#煤頂板30 m內(nèi)砂巖巖體的累計(jì)厚度,計(jì)算硬質(zhì)巖石質(zhì)量分?jǐn)?shù),得到硬質(zhì)巖石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的頻數(shù)分布圖,如圖1所示。由圖1可知,硬質(zhì)巖體占統(tǒng)計(jì)鉆孔的大部分,鉆孔數(shù)量為45個(gè),中硬巖體鉆孔數(shù)量27個(gè),軟質(zhì)巖體鉆孔數(shù)量22個(gè)。根據(jù)分析結(jié)果,在10#煤底板等高線圖上投影各個(gè)鉆孔值,得到10#煤層頂板巖性分區(qū)圖,如圖2所示。

圖1　硬質(zhì)巖石質(zhì)量分?jǐn)?shù)頻數(shù)分布

分析圖2可知，硬質(zhì)巖層在整個(gè)礦區(qū)均有分布,幾乎橫切了所有的勘探線,連續(xù)性好,其中主要分布在礦區(qū)的中部,約占整個(gè)礦區(qū)的50%;中硬巖層除了小部分分布在勘探線補(bǔ)22和9以及勘探線補(bǔ)27和補(bǔ)13之間,大部分分布在礦區(qū)深部地區(qū),有較好的連續(xù)性,約占整個(gè)礦區(qū)的35%;軟質(zhì)巖層在整個(gè)研究區(qū)都有零星散布,其中大部分分布在勘探線11-12和10及勘探線27和13之間,約占整個(gè)礦區(qū)的15%。

圖2　10#煤頂板巖性分區(qū)

2　頂板巖層結(jié)構(gòu)特征及工程地質(zhì)分類

2.1結(jié)構(gòu)特征

采場中的礦壓源于上覆巖層的運(yùn)動(dòng),而上覆巖層的運(yùn)動(dòng)受采動(dòng)影響其運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于巖層厚度、巖性、層位關(guān)系及構(gòu)造情況[6]。文中從地質(zhì)角度研究了頂板的結(jié)構(gòu)特征。結(jié)合煤層頂板柱狀圖,將10#煤頂板結(jié)構(gòu)劃分為老頂直接覆蓋、偽頂+老頂、直接頂+老頂、偽頂+直接頂+老頂四種組合類型。其中,偽頂一般為泥巖和炭質(zhì)泥巖,高度在0.5 m以下;直接頂以泥巖為主,含粉砂巖、頁巖和粉砂質(zhì)泥巖;老頂主要為粗砂巖、砂礫巖、細(xì)砂巖。

在開采過程中,不同的頂板結(jié)構(gòu)組合類型產(chǎn)生不同的開采效應(yīng),對(duì)工作面布置方式和頂板支護(hù)方式要求也不同。當(dāng)偽頂太厚,采場工作面所需的空間得不到維護(hù)時(shí),要采用掩護(hù)式支架支護(hù)。若老頂與煤層直接接觸,周期來壓產(chǎn)生的氣壓可能沖擊毀壞礦井,造成大面積頂板毀壞,對(duì)頂板的管理非常不利[7]。最佳的頂板條件是,無偽頂或偽頂非常薄,直接頂厚度適中,直接頂和偽頂之間不存在明顯的軟弱結(jié)構(gòu)面。

2.2工程地質(zhì)分類

煤層頂板的工程地質(zhì)分類在煤礦工作面回采過程中起著非常重要的作用,可以為設(shè)計(jì)人員選擇支護(hù)方法和支護(hù)方式提供依據(jù),增強(qiáng)工作面的安全性,降低頂板事故的發(fā)生率,進(jìn)而加強(qiáng)工作面的頂板管理。該研究采用中國礦業(yè)大學(xué)于雙忠教授提出的《煤層頂板工程地質(zhì)分類方案》[8],分類的依據(jù)以鉆孔巖心所獲取的資料為準(zhǔn),這種分類可以表示礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、煤層頂板壓力特征等,如表2所示，其中σc為抗壓強(qiáng)度；Km為直接頂厚度(m)/采高(m)。

表2　頂板工程地質(zhì)分類

基于以上分析,統(tǒng)計(jì)10#煤的94個(gè)相關(guān)鉆孔數(shù)據(jù),確定其直接頂厚度介于0.56～30.8 m之間,其中厚度在0～4 m之間的鉆孔55個(gè),>4 m的鉆孔39個(gè)。頂板的活動(dòng)規(guī)律受直接頂厚度的影響較大,當(dāng)直接頂?shù)暮穸仁敲簩雍穸鹊?～4倍時(shí),冒落以后不能充填滿采空區(qū),致使采空區(qū)上的老頂形成固定的巖梁,巖梁的跨度會(huì)隨工作面回采的推進(jìn)增大。老頂巖梁將上覆巖體的重量傳遞至采區(qū)工作面支架和煤體上,同時(shí)老頂巖梁跨度的增大會(huì)使支架上的壓力和煤體的應(yīng)力增大[9]。該研究中取平均采高為2 m,根據(jù)Km的計(jì)算方法,利用10#煤直接頂厚度,計(jì)算Km值。結(jié)果顯示:Km>3.0的鉆孔23個(gè),<0.8的鉆孔29個(gè),介于0.8～3.0之間的鉆孔42個(gè)?？紤]到10#煤直接頂多為泥巖,巖體抗壓強(qiáng)度σc介于20～30 MPa之間,將10#煤頂板按Km值可以分為三類,即無周期來壓頂板、有周期來壓頂板和周期來壓強(qiáng)烈頂板。將各鉆孔的Km值投繪到10#煤層底板等高線圖上,得出Km值的等值線圖。依據(jù)表2的頂板工程地質(zhì)分類方法,將10#煤頂板分區(qū),得出頂板周期來壓分布圖,如圖3所示。

分析圖3可知：無周期來壓頂板區(qū)域(Km>3.0)約占整個(gè)礦區(qū)的49%,在整個(gè)礦區(qū)都有分布,深部淺部皆有分布(淺部分布較少),其中在勘探線11-2和9及以勘探線8-9和補(bǔ)14之間分布比較少或不分布;有周期來壓頂板區(qū)域(Km= 0.8～3.0)約占整個(gè)礦區(qū)的50%,也呈條帶狀分布,與無周期來壓區(qū)鑲嵌展布;周期來壓強(qiáng)烈頂板區(qū)域(Km<0.8)占整個(gè)礦區(qū)的1%左右,零星分布在勘探線補(bǔ)20和補(bǔ)19之間,推測與此處的構(gòu)造有一定關(guān)系。整體來看，周期來壓分布與10#煤斷裂有密切關(guān)系。

圖3　10#煤頂板周期來壓分區(qū)

3　結(jié)　論

(1)蘆嶺煤礦10#煤頂板巖體巖性可分為硬質(zhì)巖體、中硬巖體和軟質(zhì)巖體三種類型,其中軟質(zhì)巖體占整個(gè)礦區(qū)15%左右,中硬巖體約占礦區(qū)的35%,硬質(zhì)巖體比重最大占50%,而硬質(zhì)巖體往往是應(yīng)力集中區(qū)。

(2)10#煤頂板結(jié)構(gòu)類型可以分為老頂直接覆蓋型、偽頂+老頂型、直接頂+老頂型和偽頂+直接頂+老頂型四種。

(3)10#頂板工程地質(zhì)類型可分為無周期來壓、有周期來壓和周期來壓強(qiáng)烈型三類,各類型依次占整個(gè)礦區(qū)的49%、50%和1%,頂板工程地質(zhì)條件較好。

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

[2]吳基文, 昊素玲, 桂和榮, 等. 任樓基巖分化帶工程地質(zhì)特征研究[J]. 中國煤田地質(zhì), 2000, 12(4): 50-52.

[3]楊智, 吳基文, 宋中應(yīng), 等. 龍東煤礦中央采區(qū)7煤層覆巖工程地質(zhì)特征研究[J]. 煤炭工程, 2007(3): 68-70.

[4]孟召平. 煤層頂板沉積巖體結(jié)構(gòu)及其對(duì)頂?shù)装宸€(wěn)定性的影響[D]. 北京: 中國礦業(yè)大學(xué), 1999.

[5]李增學(xué), 王懷洪, 郭建斌, 等. 煤層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、預(yù)測理論與方法[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 2009: 24-25.

[6]姜福興, 王同旭, 潘立安, 等. 礦山壓力與層控技術(shù)[M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社, 2004: 19-20.

[7]汪林. 近松散層煤層覆巖工程地質(zhì)性質(zhì)研究與應(yīng)用[D]. 淮南: 安徽理工大學(xué), 2009: 33-46.

[8]于雙忠. 煤礦工程地質(zhì)研究[M]. 徐州： 中國礦業(yè)大學(xué)出版社， 1991.

[9]張家樂, 馮松寶, 汪偉民, 等. 蘆嶺煤礦8煤層頂板特征研究[J]. 中國煤炭地質(zhì), 2010(9): 35-37.

(編輯荀海鑫)

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

劉兵昌(1989-),男,甘肅省武威人,碩士,研究方向:礦井地質(zhì),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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