浦治國
摘要:通過分析潘北礦的地質(zhì)條件和頂板條件,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)造對煤層頂板的影響,并針對其情況提出了相關(guān)的建議。
關(guān)鍵詞:地質(zhì)構(gòu)造;頂板;煤層冒落
0 引言
在煤巷掘進(jìn)過程中,有時會發(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)律不明是發(fā)生冒頂事故的主要因素。采動容易使構(gòu)造結(jié)構(gòu)面“活化”,從而影響煤層頂板的穩(wěn)定性。
1 地質(zhì)概況
淮南礦業(yè)集團(tuán)潘北煤礦是設(shè)計年產(chǎn)400萬噸現(xiàn)代化的特大型礦井,2005年開工建設(shè),設(shè)計于2007年8月正式投產(chǎn)。為滿足安全高產(chǎn)、高效礦井的需要,潘北煤礦決定采用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)來實現(xiàn)礦井現(xiàn)代化管理,從而使地質(zhì)測量成果能高質(zhì)量、高效率全面地服務(wù)于礦井生產(chǎn)。
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:13-1煤層頂板以粘土巖為主,次為砂質(zhì)粘土巖,個別為砂巖,底板一般為粘土巖;11-2煤層頂?shù)装鍨檎惩翈r及砂質(zhì)粘土巖,十西線~十一東線頂板常見砂巖;8煤層頂板七—八線~十二東線基本為砂巖,其它部分為粘土巖及砂質(zhì)粘土巖,底板以粘土巖為主。砂質(zhì)粘土巖次之;4-1煤層頂?shù)装寰啪€以東粘土巖、砂質(zhì)粘土巖為主,次為粉砂巖,九線以西粉細(xì)砂巖或砂頁巖互層為主,砂質(zhì)粘土巖、粘土巖次之,底板為粘土巖及砂質(zhì)粘土巖,偶見粉細(xì)砂巖;1 煤層頂?shù)装鍨檎惩翈r和砂質(zhì)粘土巖。粘土巖及砂質(zhì)粘土巖的一般特征為致密,性脆,受力易碎呈碎塊狀,砂質(zhì)粘土巖比粘土巖稍好;砂巖一般以石英為主,次為長石,含少量暗色礦物或菱鐵,泥硅質(zhì)膠結(jié),較堅硬,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、砂頁巖互層堅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)計在13-1、8、1等煤層取樣,大巷孔巖樣根據(jù)省煤礦設(shè)計院要求而確定。
1.2 煤層頂?shù)装孱悇e 淮南煤礦開采對煤層頂?shù)装宓目刂茖ο蠓譃?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,極易垮落的較薄煤巖層。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:位于偽頂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,具有隨回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,同時與巖性、巖組的組合有關(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1m),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)它為堅硬巖石時,可作為采場支柱的良好底座;如為泥頁巖等松軟巖層時,則常造成底鼓和支柱插入底板等現(xiàn)象;在急傾斜煤層時,直接底還可能出現(xiàn)沿傾斜滑動的現(xiàn)象。
2 影響煤層頂板穩(wěn)定性因素
2.1 直接頂?shù)暮穸?生產(chǎn)實踐表明,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,此時老頂幾乎起不到任何作用。多數(shù)情況下,直接頂厚度大于煤層采高高度3-5倍時,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3倍采高時,老頂對控頂區(qū)的作用較明顯。當(dāng)直接頂厚度小于0.3倍采高或無直接頂時,老頂來壓較強(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,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,而不是整個頂板巖層。
2.4 頁板巖層中砂巖的含量 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。頂板巖石的采動和穩(wěn)定性能與這兩種巖石的組合和相對比率有很大的關(guān)系。砂巖比率相對較高的頂板組合,其穩(wěn)定性能相對較好;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1.8-3 m時,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)成直接頂與老頂間的軟弱而,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 可采煤層的頂?shù)装宓奶卣?/p>
淮南礦區(qū)主要可采煤層的頂板已泥巖、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)測試成果,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)度最低,砂質(zhì)泥巖次低,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。
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,下部軟巖層易于上部硬巖層離層。潘集地區(qū)的13-1煤層多為復(fù)合頂板,夾有軟巖薄層,因此,直接頂難以支托住,頂板容易冒落,嚴(yán)重影響生產(chǎn)與煤質(zhì)。通過多年的實踐,對復(fù)合頂板的冒落規(guī)律及管理取得了許多經(jīng)驗,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、數(shù)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。
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施細(xì)則,確保施工人員的安全。在新辦煤礦企業(yè)時,必須實行地質(zhì)災(zāi)害評估制度,對于可能造成地質(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)報工作,對目前正在生產(chǎn)的煤礦,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、陷落柱的分布范圍、斷層的延伸長度等,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)。
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