頂板穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)方法研究

頂板穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)方法研究

煤層頂板的條件直接影響到采礦方法、保護(hù)形式、采礦設(shè)計(jì)和配置。煤層頂板的穩(wěn)定性受地質(zhì)條件和采礦工程的影響。對(duì)煤層頂板的研究形成了巖層結(jié)構(gòu)理論、礦壓理論、地質(zhì)模型、力學(xué)模型等理論和方法。地質(zhì)因素對(duì)控制頂板的穩(wěn)定性起著重要作用。頂板類(lèi)型的分類(lèi)和綜合評(píng)價(jià)在屋頂管理中起著重要作用。煤層頂板條件分區(qū)評(píng)價(jià)是開(kāi)采方式選擇及頂板管理的前提,在準(zhǔn)備采面頂板條件評(píng)價(jià)中,一般根據(jù)鉆探資料及礦井地質(zhì)資料中頂板巖體分布規(guī)律、地質(zhì)構(gòu)造特征及地應(yīng)力場(chǎng)因素,結(jié)合相鄰采面頂板特征進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)。1礦井地質(zhì)構(gòu)造平頂山八礦是設(shè)計(jì)年產(chǎn)量300萬(wàn)t開(kāi)采多煤層的現(xiàn)代化礦井,井田走向長(zhǎng)12.5km,平均寬度3.6km,總面積為45km2。井田位于礦區(qū)構(gòu)造李口向斜之西南翼,總體上呈一個(gè)緩傾的單斜構(gòu)造,巖層傾角一般在10~30°,井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜。含煤地層有晚石炭世和二疊紀(jì),含有7個(gè)煤組共88層,其中主采煤層有丁5-6、戊9-10、己15和己16-174層,煤層之間分叉、合并現(xiàn)象常見(jiàn)。己15煤層在井田范圍內(nèi)穩(wěn)定,平均厚度3~4m,直接頂板主要由砂質(zhì)泥巖、泥巖或粉砂巖與泥巖互層,頂板中有煤線(xiàn)或薄煤層,老頂主要巖性為砂巖。2影響屋頂穩(wěn)定性的主要因素2.1沉積環(huán)境對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響巖體結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為不同巖石類(lèi)型具有不同的礦物組成、礦物粒度、膠結(jié)物成分、膠結(jié)作用方式及結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征,這些特征影響巖石的強(qiáng)度,表1為平頂山八礦己組煤層巖石力學(xué)強(qiáng)度。由于巖石成分和結(jié)構(gòu)與巖石形成時(shí)的沉積環(huán)境有關(guān),因而沉積環(huán)境條件對(duì)煤層頂板穩(wěn)定性有影響。沉積構(gòu)造是沉積物變化形成的結(jié)構(gòu)面,這種結(jié)構(gòu)面使巖體力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出非均質(zhì)性。在沉積巖體中常見(jiàn)到各種層理構(gòu)造,這種層理構(gòu)造的存在反映了礦物成分或膠結(jié)物的變化,層理面往往是巖體結(jié)構(gòu)弱面,層理面的發(fā)育造成巖體力學(xué)性質(zhì)變化,沿層理面易發(fā)生離層或巖石破裂,從而破壞巖體穩(wěn)定性。因此,沉積構(gòu)造對(duì)頂板條件、頂板類(lèi)型有控制作用。2.2局部冒頂型老頂?shù)貙拥男再|(zhì)頂板周期性來(lái)壓的步距和強(qiáng)度除受老頂巖層的性質(zhì)影響外,還有直接頂厚度與采高比值(N)的影響,當(dāng)采高一定時(shí),直接頂?shù)暮穸葘Q定著老頂來(lái)壓的強(qiáng)度;當(dāng)直接頂厚度較小時(shí),老頂產(chǎn)生明顯強(qiáng)烈的周期來(lái)壓將引起工作面頂板下沉量和下沉速度增加,從而導(dǎo)致頂板平衡狀態(tài)的改變,產(chǎn)生局部冒頂;當(dāng)直接頂厚度一定時(shí),老頂巖層的性質(zhì)亦影響周期來(lái)壓的強(qiáng)度。根據(jù)己組煤層鉆孔地質(zhì)資料,己15煤層直接頂主要為砂質(zhì)泥巖,局部有砂巖直接頂板,厚度一般在5~10m,較穩(wěn)定,砂質(zhì)泥巖上部是厚度較穩(wěn)定的中-細(xì)粒砂巖,在井田中西部厚度穩(wěn)定發(fā)育,在井田中部的15線(xiàn)12鉆孔尖滅,在14和13勘探線(xiàn)又有發(fā)育,厚度也較穩(wěn)定,這層砂巖之上有薄層砂質(zhì)泥巖,再往上又是在井田范圍內(nèi)厚度穩(wěn)定的中-粗粒砂巖體。老頂為細(xì)粒、中粒和粗粒砂巖層,厚度較穩(wěn)定。在構(gòu)造簡(jiǎn)單的地區(qū)頂板條件較理想,便于支護(hù)和頂板管理。局部地段直接頂巖性及厚度變化,而且在巖體的尖滅帶易造成局部應(yīng)力集中,應(yīng)加強(qiáng)頂板管理,并采取有效支護(hù)措施。2.3斷層破碎帶原因地質(zhì)構(gòu)造是影響煤層頂板穩(wěn)定性的重要因素,構(gòu)造作用使煤層頂板整體性遭到破壞,不同構(gòu)造形態(tài)、構(gòu)造規(guī)模和產(chǎn)狀對(duì)頂板有不同的影響,一般正斷層對(duì)頂板的影響較大。八礦己組煤層掘進(jìn)中,有記錄的斷層(落差H>50cm)有400多條,小斷層的出現(xiàn)使頂板出現(xiàn)破裂帶,易冒頂漏矸,落差大于1.0m的斷層帶頂板維護(hù)起來(lái)有困難,有時(shí)給煤質(zhì)也帶來(lái)影響,當(dāng)幾組斷層同時(shí)出現(xiàn)時(shí)頂板更難維護(hù),常有頂板塊落下來(lái)造成事故,采煤機(jī)推進(jìn)速度降低,對(duì)安全和生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。斷層的不同產(chǎn)狀對(duì)綜采有不同影響,表現(xiàn)為走向斷層影響時(shí)間長(zhǎng),而且正斷層上盤(pán)下滑難管理,傾向斷層使整個(gè)采面頂板破碎維護(hù)難度大,大規(guī)模的斷層甚至造成停產(chǎn)和工作面搬家,褶皺構(gòu)造使煤層產(chǎn)狀變化大,采煤機(jī)有時(shí)難于通過(guò)。構(gòu)造裂隙發(fā)育使頂板強(qiáng)度整體降低,給支架造成大的礦壓。2.4底板淋水的影響水文地質(zhì)因素對(duì)頂板穩(wěn)定性有顯著影響,特別是在含有黏土礦物的泥巖頂板發(fā)育區(qū),由于水的作用黏土礦物發(fā)生膨脹,導(dǎo)致巖層破裂造成頂板離層和冒頂,若頂板中黏土礦物泥巖厚,在吸水巖層變軟時(shí)會(huì)使整個(gè)采面頂板難維護(hù),形成大面積垮落,但這種現(xiàn)象僅發(fā)生在與地下水連通的地方,有時(shí)受采空區(qū)積水的影響,頂板裂隙漏水也使頂板變軟,在煤巷掘進(jìn)中頂板淋水,使頂板變軟多屬此種情況。有時(shí)由于頂板淋水使頂板錨桿失去加固作用,在采前應(yīng)對(duì)采空區(qū)積水和采面涌水量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。八礦己組煤層采空區(qū)積水造成的影響不大,受下部灰?guī)r含水層的影響相對(duì)嚴(yán)重,下部含水層距己組煤的距離一般在幾十米以上,其連通渠道主要是大的斷裂構(gòu)造。因此,對(duì)己組煤層下部有可能連通隔水層的構(gòu)造應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)研究。2.5巷道斷面位置構(gòu)造應(yīng)力對(duì)采掘工程有重要影響,開(kāi)采淺部煤層時(shí),引起礦山壓力的主要原因是重力,隨著開(kāi)采深度的增加,或在更復(fù)雜的地區(qū)開(kāi)采,構(gòu)造應(yīng)力對(duì)支護(hù)的影響就逐漸增強(qiáng),構(gòu)造應(yīng)力引起的礦山壓力是主要的地壓形式。八礦井田地應(yīng)力特征表現(xiàn)為構(gòu)造剩余應(yīng)力是現(xiàn)代地應(yīng)力的主要組成部分,厚層砂巖中殘余構(gòu)造應(yīng)力呈N21~28°E向,最大主應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力比值為1.18~1.46,平均值為1.32。選擇合理的開(kāi)采次序可以減少構(gòu)造應(yīng)力對(duì)覆蓋層穩(wěn)定性的影響,當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力超過(guò)重力而其方向又各不相同時(shí),可以通過(guò)選擇巷道方向與構(gòu)造應(yīng)力向量的關(guān)系來(lái)達(dá)到維護(hù)巷道的目的;在構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)需要合理選擇巷道斷面以利于礦壓的控制;當(dāng)巖體中水平構(gòu)造應(yīng)力超過(guò)垂直應(yīng)力,巷道最好采用寬度大于高度的扁形斷面;在強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力區(qū)應(yīng)對(duì)巷道圍巖實(shí)行加固和支持,提高圍巖承載性能,選擇最優(yōu)的支護(hù)形式。2.6加強(qiáng)頂板管理采掘工程條件主要有2方面的影響:①初期回采造成的頂板難管理,工作面從開(kāi)切眼推進(jìn)到初次來(lái)壓后的距離內(nèi)局部冒頂時(shí)常發(fā)生,造成回采工作中第一個(gè)月冒頂次數(shù)最多。因此,在回采初期的一段時(shí)間內(nèi)要加強(qiáng)頂板管理和支護(hù)工作,減少頂板事故的發(fā)生。②工作面推進(jìn)速度對(duì)頂板的影響,頂板下沉量是回采過(guò)程中影響頂板穩(wěn)定性的又一工程因素,相對(duì)小的頂板下沉量使頂板的狀態(tài)改變量小,頂板易于維護(hù),當(dāng)頂板下沉量較大時(shí),頂板完整性必然遭到破壞,工作面推進(jìn)速度快可以縮短頂板懸露時(shí)間,降低頂板下沉量,從而起到保護(hù)頂板的效果。3復(fù)合頂板條件平頂山八礦己組煤層直接頂板巖層巖性有砂、泥巖層交互產(chǎn)出形成復(fù)合頂板,己組煤層分5個(gè)采區(qū),其中己三、己三擴(kuò)大和己四采區(qū)在生產(chǎn),不同采區(qū)頂板條件有變化。3.1煤層基巖類(lèi)型及涌水量預(yù)測(cè)己三采區(qū)位于井田東部,北部以-430m水平為界。采區(qū)主要受井田構(gòu)造辛店正斷層的影響,斷層在采區(qū)內(nèi)尖滅,斷層落差20~30m,傾向北東,傾角35°,在斷層尖滅端有小斷層發(fā)育,己組煤層在本區(qū)傾角變緩,一般為6~12°,己15煤層平均厚度3.5m,己16-17煤層平均厚度1.3m,己15煤層直接頂板一般有0.2m偽頂,直接頂為砂質(zhì)泥巖,平均厚度為3.44m,老頂為厚層狀中粒砂巖,直接底板為泥巖。己15-13190采面地質(zhì)條件表明,煤層傾角16°左右,頂?shù)装鍨樯百|(zhì)泥巖,厚度穩(wěn)定,在標(biāo)高-480~-500m,正常涌水量預(yù)測(cè)為5m3/h,最大為15m3/h。頂板巖體結(jié)構(gòu)較好,對(duì)頂板有影響的是辛店斷層尖滅端的剩余構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及其伴生小斷層形成的破碎帶,東部頂板條件好于西部,頂板條件預(yù)測(cè)為中等穩(wěn)定頂板。3.2采區(qū)內(nèi)無(wú)大規(guī)模構(gòu)造影響己三擴(kuò)大采區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)與己三采區(qū)共用,深部以-530m水平為界,采區(qū)內(nèi)煤層厚度穩(wěn)定,己15煤層平均厚3.0m,己16-17平均厚1.6m,煤層傾角9~11°。采區(qū)內(nèi)無(wú)大規(guī)模的構(gòu)造,受井田內(nèi)兩條斷層影響派生有小斷層,這些斷層與含水層聯(lián)系不暢通,己15煤層偽頂為0~0.2m厚的泥巖,直接頂為11.25m厚的砂質(zhì)泥巖與砂巖互層,中部為中粗粒砂巖,老頂為13.2m厚的中粒砂巖,直接底為6.25m厚的砂質(zhì)泥巖,己16-17煤層直接頂和底為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖。己15-13290采面地質(zhì)條件表明,在標(biāo)高-420~-440m,正常涌水量預(yù)測(cè)為1~3m3/h,最大涌水量為5~10m3/h,采面內(nèi)不受大構(gòu)造影響。頂板條件預(yù)測(cè)為穩(wěn)定頂板。3.3采區(qū)地質(zhì)條件己四采區(qū)東與己二采區(qū)相鄰,深部以己16-17煤層-430m標(biāo)高為界,煤層傾角9~33°,東部約33°,中部約30°,西部約25°。己15煤層平均3.5m厚,己16-17煤層平均1.5m厚,煤層從東部到西部變厚,從淺部向深部變厚,采區(qū)內(nèi)無(wú)大型構(gòu)造,影響煤層產(chǎn)狀的主要構(gòu)造是井田南邊的郭莊背斜,采區(qū)內(nèi)小斷層和小褶曲相對(duì)發(fā)育,下含水層距煤層平均距離為99.96m,對(duì)采區(qū)影響不大。己15煤層無(wú)偽頂,直接頂為厚度14.2m的砂質(zhì)泥巖,中上部有一不穩(wěn)定的煤線(xiàn),再往上是砂巖老頂。己15底板為砂質(zhì)泥巖,與己16-17距離為2.62~9.5m。己15-14081采面地質(zhì)條件表明,煤層頂板為厚度穩(wěn)定的砂質(zhì)泥巖,因小構(gòu)造相對(duì)發(fā)育及煤層傾角較大,造成頂板巖層破碎程度增加,給頂板控制造成一定困難。預(yù)測(cè)頂板條件為相對(duì)不穩(wěn)定。4開(kāi)采地質(zhì)條件因素(1)影響煤層頂板穩(wěn)定性的主要地質(zhì)因素有巖體結(jié)構(gòu)特征、直接頂厚度、地質(zhì)構(gòu)造、