河南缓倾斜煤层工作面顶底板分类研究

河南缓倾斜煤层工作面顶底板分类研究

1井田内、暗斜井分布由原郑州世博实业有限公司和郑州世富实业有限公司联合而成，生产能力为45万吨/a。该矿井采用2立井多水平上下山开拓方式,主井净直径为4.5m,井深510m,副井净直径为5.0m,井深505m,2个井筒落底于二1煤层底板砂岩-118m水平,井底车场、主排水泵房、主变电所、井底煤仓等主要巷道和硐室均已建。第1水平标高为-100m,上山开采;第2水平标高为-250m,上下山开采;2个水平采用暗斜井联系。井田内共划分为5个采区。矿井开采二1煤层,瓦斯鉴定等级为高瓦斯矿井,煤尘不具爆炸危险性,属不易自燃煤层;井田面积5.5028km2,井田内二1煤层全区发育,是该区的主要可采煤层,局部厚度变化较大,层位稳定,结构简单,厚为0～15m,平均为3.31m,全区普遍可采。但由于受芦店滑动构造F1的影响,二叠系地层大部分被铲蚀掉,仅残存山西组下部部分地层,在矿区中部形成1条无煤带,矿井首采区出现薄煤带和煤层断失现象。井田内芦店滑动构造F1主滑面基本沿二1煤层附近延伸,有一定起伏;二1煤层局部被铲蚀,造成无煤带。滑动构造带(破碎)厚为0.68～30.85m,一般为8.5m,由角砾岩、断层片和破碎岩组成,下距二1煤层0～23.4m。矿井首采区位于-118m水平以上的南一采区,轨道上山布置在煤层底板中,运输上山布置在煤层中。设计采用走向长壁采煤法,炮采放顶煤回采工艺,工作面采用DZ22-30/100型单体液压支柱配П型钢金属顶梁支护,全部垮落法控制顶板。2该区域内2.1层顶板质量分析据1991年《河南缓倾斜煤层工作面顶底板分类研究报告》,慧祥煤业有限公司周边开采二1煤层的矿井顶底板分类情况见表1。3周边工作面老顶运动规律为了分析二1煤层顶底板性质,将井田范围内的地勘钻孔的钻探成果进行统计分析,见表2。通过对井田内14201等8个钻孔资料分析,可以得出以下结论:1)该矿与邻近矿顶底板性质类似,其直接顶属Ⅰ类即不稳定顶板。大部分地区老顶岩层不属坚硬岩层或有较薄的砂岩,通过对周边邻近矿井顶板资料类比分析可确定该矿井田内大部分地区为Ⅰ级老顶,其来压不明显。2)煤层直接底板为泥岩或砂质泥岩,由于煤层底板有起伏,工作面底板可能为煤层本身,故煤层底板应为Ⅰ—Ⅲ类,属极软和较软类。3)井田内局部地区如14501孔(见图1)附近的直接顶厚度为1.57m,小于钻孔内煤层2～4倍的厚度,其上有较厚的坚硬岩层,此区域工作面的老顶运动对顶板控制有较大影响。4)在矿井首采区沿走向的中部地段,由于受芦店滑动构造F1的铲蚀、下切作用,使二叠系石千峰组下段的平顶山砂岩层压覆在二1煤层之上(见图2),即巨厚层位的平顶山砂岩层直接位于二1煤层工作面的垮落带范围内,可能成为工作面顶板的重要含水层,不仅会造成工作面突水,还将给回采作业顶板控制带来困难。4采场支护时顶板控制的风险该矿大部分地区顶板性质属Ⅰ类直接顶和Ⅰ级老顶,由于受芦店滑动构造F1影响,顶板异常破碎。在单体支柱支护顶板的工作面,在靠煤帮附近、工作面两端、放顶线附近等地点,由于支护不及时或端面距过大、支柱初撑力不够、放炮参数设计不合理、煤层强度低等在靠近煤壁处易产生片帮;在放顶回柱及遇地质破坏带时易发生局部漏冒型冒顶;如果煤层倾角较大,采面支护系统中某个地点支护失效发生局部冒顶,使自然安息角以上的破碎顶板将沿安息角垮落,使下方支架失稳,会导致发生大面积漏垮型冒顶事故。由图1知,二1煤层厚7.67m,当碎胀系数取1.33时,垮落带高度为23.24m;而二1煤层直接顶泥岩厚仅为1.57m,垮落后仅可充填2.3m,不足以完全充填垮落带。要充填满23.24m的垮落带高度,要求直接顶厚度为17.5m,二1煤层至中粒砂岩之间有10.87m的岩层,只能充填14.5m的空间,可见垮落带内还有4.04m的自由空间需上覆的中粒砂岩层来补充。从上述分析得知,14501孔附近的区域采掘作业面顶板控制可能存在以下顶板事故:1)8.08m厚的细砂岩,在其断裂、旋转、下沉及触矸过程中,如果铰合点处的剪切力大于岩块间的摩擦力时,断块间将失去水平力的联系,从而不能形成平衡结构,煤层砂岩顶板会转化为直接顶,属垮落带老顶。煤层砂岩的运动规律与其力学性质有关,因而会引发2类灾害事故:①当岩层呈分层剥落式垮落,具有一般直接顶的垮落特征,即随放顶各分层依次垮落,此种情况不会发生垮落带老顶压垮型冒顶,但当支护失效时,可能造成漏冒型冒顶事故;②当8.08m厚的细砂岩处于垮落带,由于强度较大,在采空区有一定长度的悬梁,悬梁呈周期性断裂垮落,其重量均由支架承受,当采场支架支撑力不足时会发生压垮型冒顶。2)层厚17.07m的中粒砂岩和厚7.43m的粗粒砂岩组合成坚硬的老顶,成为该区域的主要关键层老顶,其活动规律对工作面顶板控制影响大。厚达17.07m的中粒砂岩在断裂、下沉、旋转、触矸过程中,在其下方有4m自由空间情况下,能否由断块之间水平力挤压而形成能承受载荷的平衡结构是顶板控制的关键。钱鸣高院士在“砌体梁”理论中提出:老顶岩层必须具备2个条件才能形成平衡结构(即进入断裂带),第一,岩层厚度要比其下方自由空间的高度大得多;第二,老顶断块长度与其岩层厚度的比值应大于2。据此推测地层中粒砂岩的断块形成平衡结构的可能性很大,但此层的断裂、旋转、下沉运动对下伏岩层的动载作用不可忽视,采场支护必须具备相应的可缩性和抗动载的能力,否则会导致压垮型冒顶事故发生。3)在首采中部地区(见图2),由于芦店滑动构造F1的影响,致使二叠系石千峰组下段的平顶山砂岩层压覆在二1煤层之上,当顶部1.57m的泥岩随采动垮落后,巨厚层位的平顶山砂岩层直接出露于二1煤层工作面的垮落带范围内,由于其厚度大,且较坚硬,在采空区侧会形成一定长度的悬顶,在遇此情况时,为保证采场安全,必要时可采取超前工作面用钻孔爆破法、高压注水法预先松动或弱化顶板等方法强制放顶,预防厚层坚硬顶板大面积垮落而发生推垮型冒顶事故。4)由于井田范围内二1煤层底板为泥岩,强度极低,属于Ⅰ—Ⅲ类,尤其是支柱座在煤层和软泥岩时,支护系统刚度低,易造成直接顶和老顶离层而引发各种顶板灾害事故。5做好工作面的施工管控,防止冒顶事故发生1)合理布置采煤工作面和采准巷道,避免产生应力集中。2)工作面上下安全出口加强支护,安全出口与巷道连接处20m范围内,必须采取超前支护措施。3)采掘、维修作业过程中,严禁空顶作业,必须严格执行“敲帮问顶”制度;采掘工作面和巷道维修作业必须编制《施工作业规程》。4)由于井田内钻孔密度低,数量少,各回采作业面生产时应对顶板采取打钻孔等措施,对顶板岩性尤其是滑动破碎带的分布进行分析,及时调整支护方式和顶板控制措施。5)加强对回采工作面顶板来压的预测预报工作;在顶板初次来压和周期来压期间,加强工作面顶板控制,预防冒顶事故发生;该矿随着开采向深部延伸,压力显现与采深的增加呈正相关性,对巷道矿压控制可采取单项或联合措施,对回采工作面可采用液压支架进行支护,增强支架对顶板的初撑力,防止顶板离层,预防采掘工作面冒顶片帮事故的发生。6)该矿二1煤层的底板松软,支护系统刚度小,在工作面支柱处于煤层和低强度泥岩地段时,应采取防止支柱插入底板的措施。6不稳定顶板类二1煤层受滑动构造影响,煤层强度低,多以粉末状产出;煤层直接顶板主要为深灰色泥岩和砂质泥岩,次为粉砂岩和细粒砂岩,属Ⅰ类即不稳定顶板;大部分地区老顶