三家子煤礦地質構造對煤層頂板的影響分析

王立君 東北煤田地質局一五五隊 121001

三家子煤礦地質構造對煤層頂板的影響分析

王立君 東北煤田地質局一五五隊 121001

三家子煤礦位于燕遼沉隆帶東段，金嶺寺～羊山復向斜的東南翼。在西南部葦子溝井田－三家子井田間，呈一弧頂凸向東南方向的弧形構造，三家子井田居于弧形構造的內側。由于所處構造部位其條件較為優越，褶皺和斷裂構造較為簡單，煤系地層厚度較大，層位較全，但由于后期巖漿巖的影響，侵入體對煤系、煤層破壞極為嚴重，從而使構造復雜化。通過分析三家子煤礦的地質構造和頂板條件，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。

地質構造；煤層頂板；影響因素

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顯是發生冒頂事故的主要因素。采動容易使構造面“活化”，從而影響煤層頂板的穩定性。

1 地質概況

三家子煤礦位于遼寧省葫蘆島市南票區九龍街道三家子村北部，南票煤田的西南部。礦區面積約8.5平方公里，開采深度由＋140～－800米標高。

區域構造位于燕遼沉隆帶東段，金嶺寺～羊山復向斜的東南翼。區內地層走向N35～60°E，傾向北西，傾角25～70°，就整個煤田而言，是一個單斜構造。在西南部葦子溝井田－三家子井田間，呈一弧頂凸向東南方向的弧形構造，三家子井田居于弧形構造的內側。由于所處構造部位其條件較為優越，褶皺和斷裂構造較為簡單，煤系地層厚度較大，層位較全，但由于后期巖漿巖的影響，侵入體對煤系、煤層破壞極為嚴重，從而使構造復雜化。如圖1。

井田地層由老至新有震旦亞界青白口系，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二迭系。中生界侏羅系。新生界第四系；含煤地層為上石炭統太原組和下二迭統山西組、下石盒子組。

本井田共含有8個煤組，共20個分層。1、2、6、8等煤組各有兩個分層；3煤組、7煤組屬獨立分層；4煤組、5煤組各有4個煤分層，其中5-4煤層又細分為3個小分層。全區以6煤組發育最好，沉積普遍，厚度較大，全區可采，其他依次為8煤組、7煤組、5煤組、3煤組。1煤組、2煤組及4煤組區內零星沉積為不可采煤層。區內含煤地層平均總厚度過147.04米，煤層平均總厚度16.79米，含煤系數為11%。

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：8-1煤層頂板以泥巖為主，次為砂質泥巖，個別為砂巖，底板一般為粘土巖；6-2煤層頂底板為泥巖及砂質泥巖，10線～13線頂板常見砂巖；7煤層頂板7線～12線基本為砂巖，其它部分為泥巖及砂質泥巖，底板以泥巖為主。砂質泥巖次之；5-4煤層頂底板9線以西泥巖、砂質泥巖為主，次為粉砂巖，9線以東粉細砂巖或砂泥巖互層為主，砂質泥巖、泥巖次之，底板為泥巖及砂質泥巖，偶見細砂巖；3煤層頂底板為泥巖和砂質泥巖，局部頂板相變為粉砂巖及細砂巖。泥巖及砂質泥巖的一般特征為致密，性脆，受力易碎呈碎塊，砂質泥巖比泥巖稍好；砂巖一般以石英為主，次為長石，含少量暗色礦物或菱鐵礦，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、砂泥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8-1、6-2等煤層取樣，巷道巖樣根據煤礦設計要求而確定。

1.2 煤層頂底板類別

南票區三家子煤礦開采，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，具有隨加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，同時與巖石組合有關。

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1米 ），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的因素

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0.3倍采高或無直接頂時，老頂擠壓較強烈，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、泥巖層中砂巖的含量 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1.8～3m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 可采煤層頂底板的特征

三家子煤礦主要可采煤層的頂板以泥巖、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。據物理力學測試結果，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。泥巖強度最底，砂質泥巖次底，砂巖類強度高。砂巖類中砂巖和細砂巖強度最高（見表1，僅供參考）。

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，下部軟巖層易與上部巖層離層。本礦區的6-2煤層多為復合頂板，夾有軟巖薄層，因此，直接頂難以支護住，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、樹枝狀、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。

表1 三家子煤礦可采煤層頂板巖石抗壓強度概況表 （單位：MPa）

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，對目前正在生產的礦井通過收集資料、打鉆、電測等手段查明地質構造的復雜程度和變化趨勢、陷落柱分布范圍、斷層的延展等，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。

［1］遼寧省煤田地質勘探公司一五五隊.遼寧省葫蘆島市南票煤田三家子井田深部（-500～-800m）詳查地質報告 [R].錦州:東北煤田地質局一五五勘探隊.2007

［2］范世義.掘進支護工（M）.北京：煤炭工業出版社.1996

［3］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<錯誤>2002

王立君，女（1963—）煤田地質與勘探專業，地質工程師。