地質構造對煤層頂板的影響分析

摘要:通過分析潘北礦的地質條件和頂板條件，得出了影響煤層頂板穩定性的因素及煤巷冒落的原因，闡述了煤礦生產中地質構造對煤層頂板的影響，并針對其情況提出了相關的建議。

關鍵詞:地質構造;頂板;煤層冒落

0 引言

在煤巷掘進過程中，有時會發生煤巷冒頂，引起頂板的大面積冒落，導致掘進頭停產，影響了工作面的布置，延長了采掘銜接，不但使生產成本增加，安全生產也受到威脅。煤巷冒頂的原因是多方面的，地質構造不清、頂板

壓力顯現規律不明是發生冒頂事故的主要因素。采動容易使構造結構面“活化”，從而影響煤層頂板的穩定性。

1 地質概況

淮南礦業集團潘北煤礦是設計年產400萬噸現代化的特大型礦井，2005年開工建設，設計于2007年8月正式投產。為滿足安全高產、高效礦井的需要，潘北煤礦決定采用先進的計算機技術來實現礦井現代化管理，從而使地質測量成果能高質量、高效率全面地服務于礦井生產。

1.1 煤層頂底板巖石工程地質特征 主要可采煤層頂底板巖性:13-1煤層頂板以粘土巖為主，次為砂質粘土巖，個別為砂巖，底板一般為粘土巖;11-2煤層頂底板為粘土巖及砂質粘土巖，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粘土巖，底板以粘土巖為主。砂質粘土巖次之;4-1煤層頂底板九線以東粘土巖、砂質粘土巖為主，次為粉砂巖，九線以西粉細砂巖或砂頁巖互層為主，砂質粘土巖、粘土巖次之，底板為粘土巖及砂質粘土巖，偶見粉細砂巖;1 煤層頂底板為粘土巖和砂質粘土巖。粘土巖及砂質粘土巖的一般特征為致密，性脆，受力易碎呈碎塊狀，砂質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，泥硅質膠結，較堅硬，局部裂隙比較發育。受構造影響的部分巖芯破碎;粉砂巖、粉細砂巖、砂頁巖互層堅硬程度及破碎情況介于兩者之間。

煤層頂底板巖石物理學試樣根據勘探設計在13-1、8、1等煤層取樣，大巷孔巖樣根據省煤礦設計院要求而確定。

1.2 煤層頂底板類別 淮南煤礦開采對煤層頂底板的控制對象分為:偽頂、直接頂、老頂及直接底。這是最常用的礦山煤層頂底板分類，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。一般由泥質頁巖、頁巖、砂質頁巖等不穩定巖層組成，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自行垮落的巖層厚度。直接頂一般相當于冒落帶內的巖層。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。

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，巖石單向抗壓強度大于60～80Mpa，巖層內節理裂隙不發育，自然分層比較大，整體性較強(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象;在急傾斜煤層時，直接底還可能出現沿傾斜滑動的現象。

2 影響煤層頂板穩定性因素

2.1 直接頂的厚度 生產實踐表明，砂巖頂板比粉砂巖頂板穩定，粉砂巖頂板比泥質巖頂板穩定。同一巖性的頂板

厚度越大，穩定性越好。頂板的厚度還影響著小斷層的發育程度，而小斷層的發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。多數情況下，直接頂厚度大于煤層采高高度3-5倍時，采空區基本能被充滿，老頂的作用不明顯;直接頂厚度小于3倍采高時，老頂對控頂區的作用較明顯。當直接頂厚度小于0.3倍采高或無直接頂時，老頂來壓較強烈，須采取強制放頂、弱化頂板或局部充填等方法對采空區進行處理。

2.3 頂板的分層層數 當頂板懸空時，沿層面易出現離層，進而發生頂板冒落。巖層層數越多，其頂板的整體性就越差，因此容易發生冒落。煤層頂板穩定性主要取決于靠近煤層之上3m以內頂板巖層的穩定性，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，一種是軟質巖石，包括泥巖、砂質泥巖和粉砂巖;另一種是硬質巖石，包括各類砂巖。頂板巖石的采動和穩定性能與這兩種巖石的組合和相對比率有很大的關系。砂巖比率相對較高的頂板組合，其穩定性能相對較好;反之，穩定性就較差。

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。據分析，當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，這時極易發生冒頂事故。當主采煤層開采后，其上的薄煤層(或煤層)構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定性成反比。

3 可采煤層的頂底板的特征

淮南礦區主要可采煤層的頂板已泥巖、砂質泥巖為主，其次為粉砂巖和細砂巖;底板以泥巖、砂質泥巖為主。據物理力學測試成果，巖石的抗壓強度與層位、深度、容重的關系不明顯，主要與巖性有關。泥巖強度最低，砂質泥巖次低，砂巖類強度高。砂巖類中砂巖和細砂巖強度最高見表1。

4 生產中遇到的工程地質問題及解決方法

4.1 復合頂板的控制問題 復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。潘集地區的13-1煤層多為復合頂板，夾有軟巖薄層，因此，直接頂難以支托住，頂板容易冒落，嚴重影響生產與煤質。通過多年的實踐，對復合頂板的冒落規律及管理取得了許多經驗，已能較好地控制復合頂板。

4.2 頂板砂巖體相變問題 煤層頂板砂巖是網狀、數枝狀、掌狀河流沉積環境，砂巖分布與厚度變化大，常常相變為砂質泥巖或泥巖。煤礦開采表明，頂板異常冒落往往發生在砂巖體相變的部位。近幾年來研究應用三維地震反演技術，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系，進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

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

5.1 結合實際情況，認真貫徹執行相關操作規程，并制定易于操作的實施細則，確保施工人員的安全。在新辦煤礦企業時，必須實行地質災害評估制度，對于可能造成地質災害隱患的煤礦，應保證有相應的配套治理措施。

5.2 加強地質預報工作，對目前正在生產的煤礦，通過收集資料、打鉆、電測等手段，查明地質構造的復雜程度和變化趨勢、陷落柱的分布范圍、斷層的延伸長度等，盡量在掘進前探明地質構造，提前做好頂板維護措施。

5.3 盡量避開地質異常區，重新對巷道定向，或者使巷道與其盡可能接近90°。如果掘進過程中不可能避開地質異常區，就應采取妥善的支護方式，如采用鋼帶、金屬網，特殊地帶增設木桁架等作為補充支護。

參考文獻:

[1]范世義.掘進支護工[M].北京:煤炭工業出版社.1996:122-123.

[2]劉衡秋.模糊綜合評判在煤層頂板穩定性評價中的應用[J].煤田地質與勘探.2002.30(4):18-19.