顶板稳定性综合评价方法研究

顶板稳定性综合评价方法研究

煤层顶板的条件直接影响到采矿方法、保护形式、采矿设计和配置。煤层顶板的稳定性受地质条件和采矿工程的影响。对煤层顶板的研究形成了岩层结构理论、矿压理论、地质模型、力学模型等理论和方法。地质因素对控制顶板的稳定性起着重要作用。顶板类型的分类和综合评价在屋顶管理中起着重要作用。煤层顶板条件分区评价是开采方式选择及顶板管理的前提,在准备采面顶板条件评价中,一般根据钻探资料及矿井地质资料中顶板岩体分布规律、地质构造特征及地应力场因素,结合相邻采面顶板特征进行综合分析评价。1矿井地质构造平顶山八矿是设计年产量300万t开采多煤层的现代化矿井,井田走向长12.5km,平均宽度3.6km,总面积为45km2。井田位于矿区构造李口向斜之西南翼,总体上呈一个缓倾的单斜构造,岩层倾角一般在10~30°,井田内地质构造相对复杂。含煤地层有晚石炭世和二叠纪,含有7个煤组共88层,其中主采煤层有丁5-6、戊9-10、己15和己16-174层,煤层之间分叉、合并现象常见。己15煤层在井田范围内稳定,平均厚度3~4m,直接顶板主要由砂质泥岩、泥岩或粉砂岩与泥岩互层,顶板中有煤线或薄煤层,老顶主要岩性为砂岩。2影响屋顶稳定性的主要因素2.1沉积环境对岩石力学性质的影响岩体结构特征表现为不同岩石类型具有不同的矿物组成、矿物粒度、胶结物成分、胶结作用方式及结构、构造特征,这些特征影响岩石的强度,表1为平顶山八矿己组煤层岩石力学强度。由于岩石成分和结构与岩石形成时的沉积环境有关,因而沉积环境条件对煤层顶板稳定性有影响。沉积构造是沉积物变化形成的结构面,这种结构面使岩体力学性质表现出非均质性。在沉积岩体中常见到各种层理构造,这种层理构造的存在反映了矿物成分或胶结物的变化,层理面往往是岩体结构弱面,层理面的发育造成岩体力学性质变化,沿层理面易发生离层或岩石破裂,从而破坏岩体稳定性。因此,沉积构造对顶板条件、顶板类型有控制作用。2.2局部冒顶型老顶地层的性质顶板周期性来压的步距和强度除受老顶岩层的性质影响外,还有直接顶厚度与采高比值(N)的影响,当采高一定时,直接顶的厚度将决定着老顶来压的强度;当直接顶厚度较小时,老顶产生明显强烈的周期来压将引起工作面顶板下沉量和下沉速度增加,从而导致顶板平衡状态的改变,产生局部冒顶;当直接顶厚度一定时,老顶岩层的性质亦影响周期来压的强度。根据己组煤层钻孔地质资料,己15煤层直接顶主要为砂质泥岩,局部有砂岩直接顶板,厚度一般在5~10m,较稳定,砂质泥岩上部是厚度较稳定的中-细粒砂岩,在井田中西部厚度稳定发育,在井田中部的15线12钻孔尖灭,在14和13勘探线又有发育,厚度也较稳定,这层砂岩之上有薄层砂质泥岩,再往上又是在井田范围内厚度稳定的中-粗粒砂岩体。老顶为细粒、中粒和粗粒砂岩层,厚度较稳定。在构造简单的地区顶板条件较理想,便于支护和顶板管理。局部地段直接顶岩性及厚度变化,而且在岩体的尖灭带易造成局部应力集中,应加强顶板管理,并采取有效支护措施。2.3断层破碎带原因地质构造是影响煤层顶板稳定性的重要因素,构造作用使煤层顶板整体性遭到破坏,不同构造形态、构造规模和产状对顶板有不同的影响,一般正断层对顶板的影响较大。八矿己组煤层掘进中,有记录的断层(落差H>50cm)有400多条,小断层的出现使顶板出现破裂带,易冒顶漏矸,落差大于1.0m的断层带顶板维护起来有困难,有时给煤质也带来影响,当几组断层同时出现时顶板更难维护,常有顶板块落下来造成事故,采煤机推进速度降低,对安全和生产造成严重影响。断层的不同产状对综采有不同影响,表现为走向断层影响时间长,而且正断层上盘下滑难管理,倾向断层使整个采面顶板破碎维护难度大,大规模的断层甚至造成停产和工作面搬家,褶皱构造使煤层产状变化大,采煤机有时难于通过。构造裂隙发育使顶板强度整体降低,给支架造成大的矿压。2.4底板淋水的影响水文地质因素对顶板稳定性有显著影响,特别是在含有黏土矿物的泥岩顶板发育区,由于水的作用黏土矿物发生膨胀,导致岩层破裂造成顶板离层和冒顶,若顶板中黏土矿物泥岩厚,在吸水岩层变软时会使整个采面顶板难维护,形成大面积垮落,但这种现象仅发生在与地下水连通的地方,有时受采空区积水的影响,顶板裂隙漏水也使顶板变软,在煤巷掘进中顶板淋水,使顶板变软多属此种情况。有时由于顶板淋水使顶板锚杆失去加固作用,在采前应对采空区积水和采面涌水量进行准确预测。八矿己组煤层采空区积水造成的影响不大,受下部灰岩含水层的影响相对严重,下部含水层距己组煤的距离一般在几十米以上,其连通渠道主要是大的断裂构造。因此,对己组煤层下部有可能连通隔水层的构造应进行详细研究。2.5巷道断面位置构造应力对采掘工程有重要影响,开采浅部煤层时,引起矿山压力的主要原因是重力,随着开采深度的增加,或在更复杂的地区开采,构造应力对支护的影响就逐渐增强,构造应力引起的矿山压力是主要的地压形式。八矿井田地应力特征表现为构造剩余应力是现代地应力的主要组成部分,厚层砂岩中残余构造应力呈N21~28°E向,最大主应力与铅垂应力比值为1.18~1.46,平均值为1.32。选择合理的开采次序可以减少构造应力对覆盖层稳定性的影响,当构造应力超过重力而其方向又各不相同时,可以通过选择巷道方向与构造应力向量的关系来达到维护巷道的目的;在构造应力集中区需要合理选择巷道断面以利于矿压的控制;当岩体中水平构造应力超过垂直应力,巷道最好采用宽度大于高度的扁形断面;在强构造应力区应对巷道围岩实行加固和支持,提高围岩承载性能,选择最优的支护形式。2.6加强顶板管理采掘工程条件主要有2方面的影响:①初期回采造成的顶板难管理,工作面从开切眼推进到初次来压后的距离内局部冒顶时常发生,造成回采工作中第一个月冒顶次数最多。因此,在回采初期的一段时间内要加强顶板管理和支护工作,减少顶板事故的发生。②工作面推进速度对顶板的影响,顶板下沉量是回采过程中影响顶板稳定性的又一工程因素,相对小的顶板下沉量使顶板的状态改变量小,顶板易于维护,当顶板下沉量较大时,顶板完整性必然遭到破坏,工作面推进速度快可以缩短顶板悬露时间,降低顶板下沉量,从而起到保护顶板的效果。3复合顶板条件平顶山八矿己组煤层直接顶板岩层岩性有砂、泥岩层交互产出形成复合顶板,己组煤层分5个采区,其中己三、己三扩大和己四采区在生产,不同采区顶板条件有变化。3.1煤层基岩类型及涌水量预测己三采区位于井田东部,北部以-430m水平为界。采区主要受井田构造辛店正断层的影响,断层在采区内尖灭,断层落差20~30m,倾向北东,倾角35°,在断层尖灭端有小断层发育,己组煤层在本区倾角变缓,一般为6~12°,己15煤层平均厚度3.5m,己16-17煤层平均厚度1.3m,己15煤层直接顶板一般有0.2m伪顶,直接顶为砂质泥岩,平均厚度为3.44m,老顶为厚层状中粒砂岩,直接底板为泥岩。己15-13190采面地质条件表明,煤层倾角16°左右,顶底板为砂质泥岩,厚度稳定,在标高-480~-500m,正常涌水量预测为5m3/h,最大为15m3/h。顶板岩体结构较好,对顶板有影响的是辛店断层尖灭端的剩余构造应力场及其伴生小断层形成的破碎带,东部顶板条件好于西部,顶板条件预测为中等稳定顶板。3.2采区内无大规模构造影响己三扩大采区生产系统与己三采区共用,深部以-530m水平为界,采区内煤层厚度稳定,己15煤层平均厚3.0m,己16-17平均厚1.6m,煤层倾角9~11°。采区内无大规模的构造,受井田内两条断层影响派生有小断层,这些断层与含水层联系不畅通,己15煤层伪顶为0~0.2m厚的泥岩,直接顶为11.25m厚的砂质泥岩与砂岩互层,中部为中粗粒砂岩,老顶为13.2m厚的中粒砂岩,直接底为6.25m厚的砂质泥岩,己16-17煤层直接顶和底为砂质泥岩和粉砂岩。己15-13290采面地质条件表明,在标高-420~-440m,正常涌水量预测为1~3m3/h,最大涌水量为5~10m3/h,采面内不受大构造影响。顶板条件预测为稳定顶板。3.3采区地质条件己四采区东与己二采区相邻,深部以己16-17煤层-430m标高为界,煤层倾角9~33°,东部约33°,中部约30°,西部约25°。己15煤层平均3.5m厚,己16-17煤层平均1.5m厚,煤层从东部到西部变厚,从浅部向深部变厚,采区内无大型构造,影响煤层产状的主要构造是井田南边的郭庄背斜,采区内小断层和小褶曲相对发育,下含水层距煤层平均距离为99.96m,对采区影响不大。己15煤层无伪顶,直接顶为厚度14.2m的砂质泥岩,中上部有一不稳定的煤线,再往上是砂岩老顶。己15底板为砂质泥岩,与己16-17距离为2.62~9.5m。己15-14081采面地质条件表明,煤层顶板为厚度稳定的砂质泥岩,因小构造相对发育及煤层倾角较大,造成顶板岩层破碎程度增加,给顶板控制造成一定困难。预测顶板条件为相对不稳定。4开采地质条件因素(1)影响煤层顶板稳定性的主要地质因素有岩体结构特征、直接顶厚度、地质构造、