大同煤田同忻礦可采煤層頂板力學性質(zhì)及其對開采的影響

段宏躍， 謝衛(wèi)東， 王繼堯

(1.中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室， 徐州 221116； 2.中國地質(zhì)大學(武漢)資源學院， 武漢 430074;3.中國礦業(yè)大學資源學院， 徐州 221008)

礦井采掘過程中受礦壓和頂板巖性影響，易發(fā)生漏矸、冒頂和壓架等頂板事故，對煤礦安全生產(chǎn)工作威脅巨大，為煤礦“五大災(zāi)害”之一[1-6]。近年來頂板事故造成了嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡，2012年5月沈陽焦煤公司清水二井南二采區(qū)07工作面運輸順槽掘進時，錨索支護不及時，頂板大面積冒落，導致了9人死亡；2012年6月遵義縣野彪一號煤礦的10503采面2#切眼掘進工作面，工人空頂作業(yè)，頂板冒落導致4人死亡；2013年9月神華能源黃玉川礦216上02膠帶運輸順槽掘進工作面，頂板出現(xiàn)破碎，支護作業(yè)中發(fā)生頂板事故，造成了3人死亡和1人受傷[7]；2018—2019年期間，山西大同、長治、陽泉等6個礦區(qū)平均頂板事故概率為38.3%，對煤礦生產(chǎn)和工人安全造成巨大傷害[8]。前人對于頂板安全事故的預(yù)防和防治方向做了大量研究工作，得出了許多重要研究成果，付文德[9]、尹春雨[10]和王海斌[11]總結(jié)得出機頭和機尾處、空頂處和放炮點等位置易發(fā)生冒落事故，需做好預(yù)防工作；尚建崗[12]、方伯成[13]和杜輝[14]研究得出需做好構(gòu)造破碎帶、冒頂區(qū)和老頂來壓時的壓力觀測工作，以減少頂板安全事故的發(fā)生；張傳來等[15]、孫晉文[16]和章永鳳[17]認為工作面回采過程中受地質(zhì)條件、工作面布置和相鄰煤層采動的影響，易出現(xiàn)頂板破碎和支護困難等問題，需做好頂板控制等安全措施，以保證安全生產(chǎn)。頂?shù)装宓慕Y(jié)構(gòu)、類型和力學性質(zhì)是控制其穩(wěn)定性及安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，因此學者們通過厘清煤層偽頂、直接頂和老頂?shù)姆植紖^(qū)間和巖性特征，及其對應(yīng)的抗壓、抗拉和抗剪應(yīng)力測試結(jié)果來評價其穩(wěn)定性和對礦井安全生產(chǎn)的威脅[18-20]。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

同忻礦地理位置位于大同市西南方向，約20 km，構(gòu)造上位于大同煤田北部，大同向斜南東翼，南部緊鄰塔山井田，東南部緊鄰馬脊梁井田與燕子山井田，北部緊鄰四臺井田，東部為盆地邊界，受青磁窯斷裂和大同—山陰斷裂帶控制(圖1)，區(qū)內(nèi)有忻州窯、煤峪口、永定莊、同家梁、大斗溝、白洞和晉華宮等多個大型侏羅系生產(chǎn)礦井，井田面積約80 km2[21-22]，目前已逐步將開采重點轉(zhuǎn)為石炭—二疊系煤層，可采煤層主要為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組含煤建造中的數(shù)套煤層，其中3～5#和8#煤層為主采煤層，全區(qū)厚度穩(wěn)定延展性好。

圖1 大同煤田同忻礦構(gòu)造位置Fig.1 Structural location of Tongxin mine in Datong Coalfield

2 樣品與實驗

圖2 巖石力學測試儀器及過程[23]Fig.2 Rock mechanics testing instrument and process[23]

(1)將鉆孔巖樣貼定標簽，做好包裝，之后于實驗室中完成測試標準巖樣制作，單軸抗壓強度試驗樣品規(guī)格為：5 cm×10 cm(直徑×長度)；抗拉強度試驗樣品規(guī)格為5 cm×2.5 cm；抗剪強度試驗樣品規(guī)格為5 cm×5 cm。

(2)抗壓強度測定[圖2(b)]：將巖樣放置于試驗機之上，以0.01 mm/min的加載速度直至樣品破壞，并據(jù)此計算出巖石單軸抗剪強度。

(3)抗拉強度測定[圖2(c)]：將圓盤形試件置于試驗儀器上，據(jù)此求出巖石抗拉強度。

(4)抗剪強度測定[圖2(d)]：將巖樣放置于兩半圓柱狀鋼制斜壓模中，逐步試壓直至樣品沿剪切面破裂，并據(jù)此計算出其抗剪強度。

3 結(jié)果與討論

3.1 煤系發(fā)育特征

同忻井田為侏羅紀和石炭—二疊紀“雙紀”煤田，共含上石炭統(tǒng)太原組—下二疊統(tǒng)山西組和中侏羅統(tǒng)大同組兩套含煤建造，研究區(qū)為石炭—二疊系礦井，因此本次研究主要針對其詳細論述，未考慮大同組含煤建造特征。區(qū)內(nèi)石炭—二疊系平均總厚113.67 m，共含煤13層，煤層平均總厚24.62 m，含煤系數(shù)達22%。

太原組(C2-P1t)厚度介于19.05～97.50 m，平均為78.25 m，煤層總厚平均為22.32 m，含煤系數(shù)高達29%，為海陸過渡相含煤建造，沉積韻律性明顯，一般由粗粒砂巖、細粒砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖和煤層組成一個完整的沉積層序。粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖多為灰、深灰或黑灰色，結(jié)構(gòu)致密，水平層理發(fā)育。泥巖、炭質(zhì)泥巖為灰黑色或黑色，富含植物化石。區(qū)內(nèi)具“南厚北薄，東厚西薄”的展布特征，共含煤10余層，自頂向底依次編號為1#、2#、3～5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#煤層，其中2#、3～5#、8#和9#煤層為可采煤層，3～5#和8#為主采煤層，2#和9#煤層局部可采；其余為不穩(wěn)定煤層，區(qū)域內(nèi)零星分布，工業(yè)價值較低或無工業(yè)價值。

3.2 煤層頂、底板特征

表煤層頂?shù)装鍘r石物理力學性質(zhì)表Table 1 Physical and mechanical properties of roof and floor rock of Shan4# coal seam

圖3 研究區(qū)煤層頂板分類圖Fig.3 Roof classification map of Shan4# coal seam in the study area

(3) 2#煤層厚度介于0～5.87 m，平均為1.76 m，煤體結(jié)構(gòu)簡單，井田南部局部可采。2#煤層偽頂在井田的中-東部零星散布，多為薄層粉砂質(zhì)泥巖、泥巖和炭質(zhì)泥巖，水平層理發(fā)育，厚度介于0.31～0.65 m；直接頂多分布于井田的東南部，巖性主要為中厚層粉砂質(zhì)泥巖和泥巖，局部區(qū)域為粉砂巖，水平和波狀層理發(fā)育，厚度介于0.75～11.73 m，局部為互層構(gòu)造，一般為2～6層，最多達11層，結(jié)構(gòu)復雜，巖性包括粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖等薄層相間互層，厚度介于0.81～3.6 m，抗壓強度介于1.6～35.7 MPa，平均為17.18 MPa(表2)，多為軟巖；老頂在采區(qū)廣泛分布，多為K3和K8砂巖，巖性以厚-巨厚層狀的砂礫巖、粗粒砂巖為主，中、細粒砂巖次之，交錯層理發(fā)育，泥質(zhì)膠結(jié)，厚度介于3.30～7.05 m，抗壓強度介于13.6～92.8 MPa，平均為45.8 MPa(表2)，為軟-堅硬巖；底板多為高嶺質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖，厚度介于0.90～2.36 m，為軟巖。

表2 2#煤層頂?shù)装鍘r石物理力學性質(zhì)表Table 2 Physical and mechanical properties of roof and floor rock of 2# coal seam

研究區(qū)2#煤層可采區(qū)域頂板類型主要為直接頂和老頂，軟巖～堅硬巖皆有分布(圖4)，采掘過程中需注意軟巖區(qū)域的支護問題，和采后放頂防護。

圖4 研究區(qū)2#煤層頂板分類圖Fig.4 Roof classification map of 2# coal seam in the study area

(4) 3～5#煤層為研究區(qū)主采煤層之一，厚度介于0～37.95 m，平均為14.38 m，為巨厚煤層，煤層結(jié)構(gòu)復雜，全區(qū)分布穩(wěn)定。3～5#煤層偽頂呈零星狀分布，巖性主要為薄層炭質(zhì)泥巖、高嶺質(zhì)泥巖和粉砂質(zhì)泥巖，局部區(qū)域為泥巖和粉砂巖，水平和波狀層理發(fā)育，厚度介于0.10～0.65 m；直接頂巖性為粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、高嶺質(zhì)泥巖和泥巖等泥質(zhì)巖類，局部為粉砂巖，水平和波狀層理發(fā)育，厚度介于0.70～13.12 m，含互層構(gòu)造，層數(shù)較多，結(jié)構(gòu)復雜，多為泥巖類薄層相間互層，抗壓強度介于2.8～19.8 MPa，平均為12.57 MPa(表3)，為軟弱巖；老頂主要為厚層-巨厚層狀粗粒砂巖和砂礫巖，少數(shù)為細粒砂巖和中粗粒砂巖，分布較穩(wěn)定，多為K3砂巖或K8砂巖，厚度變化較大，交錯層理發(fā)育，為鈣質(zhì)和泥質(zhì)膠結(jié)，厚度介于2.0～44.67 m，抗壓強度介于22.6～80.3 MPa，平均為39.52 MPa(表3)，為軟-中硬巖；底板主要為高嶺質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖和粉砂巖，局部為細～中粒砂巖，水平和波狀層理發(fā)育，厚度介于0.30～3.82 m，抗壓強度介于11.1～94.42 MPa，平均為30.5 MPa(表3)，一般為軟-中硬巖。

表3 3～5#煤層頂?shù)装鍘r石物理力學性質(zhì)表Table 3 Physical and mechanical properties of roof and floor rock of 3～5# coal seam

3～5#煤層頂板類型區(qū)域內(nèi)以直接頂為主，大面積連片分布，偽頂和老頂穿插分布(圖5)，主要為軟-中硬巖，開采過程中需注意頂板支護和放頂冒落防護。

圖5 研究區(qū)3～5#煤層頂板分類圖Fig.5 Roof classification map of 3～5# coal seam in the study area

(5) 8#煤層同樣為研究區(qū)主采煤層之一，厚度介于0～10.9 m，平均為2.97 m，煤層結(jié)構(gòu)較為簡單。偽頂多為薄層炭質(zhì)泥巖、泥巖及粉砂巖，水平層理發(fā)育，厚度介于0.20～0.60 m；直接頂巖性多為中厚層狀粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖，局部為炭質(zhì)泥巖，水平層理和波狀層理發(fā)育，厚度介于0.50～9.69 m，局部為互層結(jié)構(gòu)，一般為2～3層，為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和炭質(zhì)泥巖互層，厚度介于0.50～5.28 m，抗壓強度介于8～68.8 MPa，平均為29.6 MPa(表4)，為軟-中硬巖石；老頂分布較廣，巖性以厚-巨厚層狀粗粒砂巖、砂礫巖和中粒砂巖為主，少數(shù)為細粒砂巖，鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)，交錯層理發(fā)育，厚度介于0.72～16.10 m，抗壓強度介于5.3～75.2 MPa，平均為27.75 MPa(表4)，一般為軟-中硬巖，局部為堅硬巖；底板以粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、高嶺質(zhì)泥巖和泥巖為主，少數(shù)為粗、細粒砂巖，水平層理發(fā)育，厚度介于0.40～11.76 m，抗壓強度介于4.0～95.3 MPa，平均為32.39 MPa，為軟弱-堅硬巖(表4)。

表4 8#煤層頂?shù)装鍘r石物理力學性質(zhì)表Table 4 Physical and mechanical properties of roof and floor rock of 8# coal seam

研究區(qū)8#煤層頂板類型多為直接頂和老頂，偽頂罕見(圖6)，軟-中硬巖皆有存在，開采過程中同樣需注意軟巖的支護問題和直接頂?shù)拿奥浞雷o。

圖6 研究區(qū)8#煤層頂板分類圖Fig.6 Roof classification map of 8# coal seam in the study area

(6) 9#煤層厚度介于0～3.59 m，平均為0.97 m，井田中部局部可采。偽頂多為薄層狀炭質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，發(fā)育波狀層理，厚度介于0.20～0.50 m；直接頂多為中厚層狀粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、高嶺質(zhì)泥巖和泥巖，水平和波狀層理發(fā)育，厚度介于0.60～9.02 m，局部發(fā)育互層構(gòu)造，一般為2～3層，巖性為粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和高嶺質(zhì)泥巖薄層相間互層，穩(wěn)定性較差，抗壓強度介于39.7～44.7 MPa，平均為41.7 MPa(表5)，屬中硬巖；老頂以厚層狀粗、中粒砂巖為主，細粒砂巖及砂礫巖次之，交錯層理發(fā)育，鈣質(zhì)膠結(jié)，厚度介于0.43～14.13 m，抗壓強度介于40.7～55.9 MPa，平均為48.1 MPa(表5)，屬中硬巖；底板多為薄層砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、高嶺質(zhì)泥巖和泥巖，局部為粗粒、中粒和細粒砂巖，水平層理發(fā)育，厚度介于1.34～3.45 m，抗壓強度介于7.4～28.2 MPa，屬軟弱巖(表5)。

表5 9#煤層頂?shù)装鍘r石物理力學性質(zhì)表Table 5 Physical and mechanical properties of roof and floor rock of 9# coal seam

9#煤層頂板類型偽頂、直接頂和老頂皆有存在，軟巖-中硬巖皆有發(fā)育(圖7)，開采過程中偽頂支護難度較大，需特殊對待，直接頂和老頂穩(wěn)定性相對較好，需注意頂板冒落的防護。

圖7 研究區(qū)9#煤層頂板分類圖Fig.7 Roof classification map of 9# coal seam in the study area

4 結(jié)論

通過統(tǒng)計同忻礦鉆孔資料，厘清了各可采煤層展布特征，采集了各煤層頂、底板巖石樣品進行了力學測試，主要得出了以下幾點認識。

(2)煤層的頂板自下而上依次劃分為偽頂、直接頂和老頂，偽頂位于煤層與直接頂之間，巖性多為碳質(zhì)泥巖等軟弱層，厚度為厘米級，不利于支護穩(wěn)定性和礦井安全生產(chǎn)；直接頂位于煤層或偽頂上方，由數(shù)層不穩(wěn)定巖層組成，穩(wěn)定性略好于偽頂，放頂后可于采空區(qū)內(nèi)自行垮落；老頂是位于直接頂上方的穩(wěn)定巖層，煤層開采后需經(jīng)數(shù)次放頂，暴露面積放大后發(fā)生冒落，冒落前需對應(yīng)處理，避免礦井安全事故。