葉兆勇

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西呂梁033600）

斜溝煤礦8號煤頂?shù)装鍘r層工程地質(zhì)特性研究

葉兆勇*

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西呂梁033600）

斜溝煤礦8號煤層為其主采煤層之一，以8號煤層開采18101工作面的煤頂?shù)装鍘r層特征為例，對斜溝煤礦8號煤層頂?shù)装鍘r層的工程地質(zhì)特征進行了研究，斜溝煤礦8號煤頂板巖性結(jié)構(gòu)以泥巖和砂巖為主，底板巖性結(jié)構(gòu)由砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖組成，分別對其物理力學(xué)性質(zhì)進行了測試，受沉積環(huán)境影響，不同地段頂?shù)装鍘r性組成存在一定差異。這些研究為數(shù)值分析頂?shù)装濉叭龓А备叨?、提出“三帶”高度的?jīng)驗公式提供科學(xué)依據(jù)和實例驗證。

斜溝煤礦；8號煤頂?shù)装?；工程地質(zhì)特性；巖性組合

1　概述

斜溝井田位于河?xùn)|煤田北部遠景普查區(qū)的中南部。主要可采煤層主采8號和13號煤層。

本區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，晝夜溫差大。多年平均降雨量為625mm，年最大降雨量為844.6mm（1964年）；年平均蒸發(fā)量為2090.8mm，最大蒸發(fā)量為2541.0mm（1972年）。本區(qū)屬于剝蝕構(gòu)造低山丘陵地形，區(qū)內(nèi)大面積為第三、四系松散層所覆蓋，石炭、二疊系地層僅在溝谷中出露，地形切割較深，風(fēng)化剝蝕較為強烈，植被不發(fā)育，水土流失嚴重，滑坡、崩塌等不良工程地質(zhì)現(xiàn)象常見。

井田位于河?xùn)|煤田北部遠景普查區(qū)的北中部，區(qū)域地層由老至新為：古生界奧陶系中統(tǒng)，石炭系中統(tǒng)、上統(tǒng)，二疊系下統(tǒng)、中統(tǒng)；中生界三疊系下統(tǒng)、中統(tǒng)；新生界第三系、第四系，見表1。

2　斜溝煤礦8號煤頂?shù)装鍘r層工程地質(zhì)特性研究意義

煤層回采后，頂板覆巖在重力作用下發(fā)生垮落，由下向上依次產(chǎn)生冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶、彎曲變形帶，稱為“三帶”。三帶特征不僅與采礦因素有關(guān)，而且與頂板覆巖工程地質(zhì)特性密切相關(guān)，特別是冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育特征及高度主要受控于頂板覆巖巖性力學(xué)性質(zhì)、巖性組合。

斜溝煤礦8號煤層底板圍巖在煤層未擾動之前處于力學(xué)平衡狀態(tài)。一旦煤層被擾動，應(yīng)力產(chǎn)生釋放，在地應(yīng)力等綜合影響作用下，底板巖層必然受到不同程度的擾動，原有的閉合裂隙將產(chǎn)生活化，甚至形成新的破裂面。一旦新生的破裂面或原有的裂隙面導(dǎo)通底板承壓含水層，承壓含水層水將會大量涌入礦井，甚至造成淹井事故。底板的破壞范圍與深度一方面取決于巖層巖性組合形態(tài)及圍巖原位地應(yīng)力特征，另一方面與隔水層底板所承受的奧陶系灰?guī)r水壓力有關(guān)，此外，回采工作面尺寸、形態(tài)和采掘方式、回采速度以及頂板管理方式也是影響煤層底板擾動破壞深度的因素。

綜上所述，煤層頂?shù)装迤茐木c巖層的工程地質(zhì)特性密切相關(guān)，因而有必要深入研究8號煤頂?shù)装鍘r層的工程地質(zhì)特性，更好地掌握綜放條帶開采條件下圍巖的破壞規(guī)律。

3　斜溝煤礦8號煤頂?shù)装寤绢愋蛣澐?/h2>

煤層頂板質(zhì)量取決于頂板巖層組成、結(jié)構(gòu)和沉積構(gòu)造，以及早期和晚期沉積的構(gòu)造差異，由于受沉積環(huán)境、巖性和巖相的影響，煤層頂板巖相在大的橫向和縱向有很大的變化。距離煤層頂板巖層之上距離一定的巖層屬于這一類。根據(jù)其力學(xué)性質(zhì)與破壞特性頂板一般可以劃分為3種類型：

（1）偽頂：一般厚度比較小的，靠近煤層頂部，容易破碎的巖層（圖1），一些煤層缺少偽頂。軟質(zhì)泥巖，含碳頁巖為其成分。力學(xué)強度極低，隨開采而垮落，此偽頂對煤層頂板的穩(wěn)定性沒有什么有利的作用。

圖1　煤層基本類型

（2）直接頂：大多為容易崩落頁巖，粉砂巖，具有一定的強度，位于偽頂或煤層之上，厚度一般在1～2m之間，此為工作面穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響因素。但僅有老頂?shù)拿簩右泊嬖凇?/p>

（3）老頂：位于直接頂或煤層（無偽頂、直接頂時）之上，一般厚度較大，堅硬，整體性強，常由砂巖、礫巖、石灰?guī)r等強度較大的巖層組成，能保持一定的控頂距，回柱后不自行垮落，往往只發(fā)生緩慢下沉。因此，它對工作面頂板壓力的影響很大。

偽頂、直接頂、老頂從下往上依次發(fā)育，這樣的頂板發(fā)育規(guī)律符合成巖理論，且此類型的頂板結(jié)構(gòu)簡單，易于管理。頂板類型復(fù)雜是指3種頂板沒有同時發(fā)育，或發(fā)育順序沒有一定的規(guī)律性，此類型的頂板難于管理，易發(fā)生頂板事故。

由煤層向下，煤層底板分為偽底、直接底、老底3部分：

（1）偽底：直接位于煤層之下且強度較低的薄層軟弱巖層，多為炭質(zhì)頁巖或泥巖，厚度一般為0.2～0.3m。

（2）直接底：直接位于煤層之下且強度較低的巖層，厚度不均，一般從幾十厘米到1m左右，通常由泥巖、頁巖或粘土巖等組成。若粘土巖為直接底，遇水后易膨脹，可能造成巷道底鼓與支架插底現(xiàn)象，輕者影響巷道運輸與工作面支護，重者可使巷道遭受嚴重破壞。

（3）老底：指位于直接底之下，多為砂層、石灰?guī)r等比較堅硬的巖層。

不過，對于某個特定的煤層來說，其頂?shù)装宓倪@6個組成部分不一定全部發(fā)育，可能缺失某一個或幾個組成部分的巖層。

4　主采煤層頂?shù)装鍘r性及組合特征

18101工作面蓋山厚度較薄，開采對地表破壞嚴重，山溝兩側(cè)容易滑坡。最薄處為麻墕塔村南端河床處，蓋山厚度僅為7m，采過后出現(xiàn)地面塌陷及時組織有關(guān)單位進行回填處理。鉆孔ZK16708、1005位于該工作面內(nèi)，ZK923、0803、ZK922位于工作面東側(cè)。工作面煤層整體南厚北薄，工作面總體煤層厚度穩(wěn)定，工作面切割處煤層較厚，局部可達7.53m，平均煤厚4.80m，黑色，塊狀、條帶狀均有，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有2～4層泥巖夾石。回采中加強地面觀察，及時發(fā)現(xiàn)裂縫、塌陷等情況。工作面東側(cè)接近煤層露頭，埋藏較淺，風(fēng)化嚴重，煤層頂板較破碎，回采后頂板冒落裂隙帶容易與地表溝通，在雨季可能造成工作面涌水量增大。該工作面內(nèi)部有小煤窯采空區(qū)，采空區(qū)跨度較大，回采前隊組要提前進行支護工作，回采時應(yīng)加強頂板管理，對拉底巷道提前進行充填處理，通風(fēng)部門要加強盲頭和盲巷的瓦斯管理。

18101工作面8號煤頂板巖層主要包括泥巖和砂巖，底板主要包括砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖，不同地段頂?shù)装迨艹练e環(huán)境影響，巖性組成存在一定差異（表2）。

表2　斜溝煤礦18101工作面頂?shù)装迩闆r表

18102工作面位于西溝村東側(cè)、白家塔村下及南側(cè)，黃土覆蓋了地表大部分，僅在溝谷中出露基巖，且地形為中低山區(qū)。廟溝和石佛子溝水（季節(jié)性）以南東—北西流向穿過工作面的北部和南部。工作面蓋山厚度233～463m。1403、2203兩鉆孔位于工作面內(nèi)，1003鉆孔位于回撤通道外。18102工作面8號煤頂板巖層主要由泥巖和粗粒砂巖組成，底板主要由砂質(zhì)泥巖和細粒砂巖組成，受沉積環(huán)境影響，不同地段頂?shù)装鍘r性組成存在一定差異（表3）。

5　主采煤層頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性質(zhì)

表3　斜溝煤礦18102工作面頂?shù)装迩闆r表

斜溝煤礦煤層8號煤頂板為泥巖或者砂巖。上述煤層底板絕大多數(shù)為泥巖、砂質(zhì)泥巖或細砂巖。據(jù)斜溝煤礦0702、0703、2403等鉆孔的巖樣試驗結(jié)果：砂質(zhì)泥巖抗壓強度 29.7～83.9MPa，抗拉強度 0.6～0.85MPa；砂巖類抗壓強度69.8MPa，抗拉強度1.0～1.13MPa；細砂巖抗壓強度106.55MPa，抗拉強度0.9～3.4MPa；泥巖抗壓強度41.8～88.8MPa，抗拉強度0.3～0.8MPa；泥灰?guī)r抗壓強度43.05～164.85MPa。具體見表4。

6　結(jié)論

本文以18101工作面8號煤頂?shù)装鍘r層特征為例，對斜溝煤礦8號煤層頂?shù)装鍘r層工程地質(zhì)特征進行了研究，8號煤頂板主要有泥巖和砂巖組成，底板主要由砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖組成，分別對其物理力學(xué)性質(zhì)進行了測試，受沉積環(huán)境影響，不同地段頂?shù)装鍘r性組成存在一定差異。為數(shù)值軟件計算頂?shù)装濉叭龓А备叨?、提出“三帶”高度計算的?jīng)驗公式提供科學(xué)依據(jù)和實際驗證。

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表4　斜溝煤礦頂?shù)装鍘r層力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計表

TD163

A

1004-5716（2016）04-0150-04

表1區(qū)域地層特征表*2015-12-21

2015-12-27 作者簡介：葉兆勇（1986-），男（漢族），山西孝義人，助理工程師，現(xiàn)從事煤礦地質(zhì)工作。

地層名稱界系統(tǒng)組代號新生界第四系地層厚度（m）0～35 23～189主要巖石名稱砂、礫石層淡黃色亞粘土、砂礫石層上第三系Q4Q3N2中生界三疊系全新統(tǒng)上更新統(tǒng)上新統(tǒng)中統(tǒng)下統(tǒng)上統(tǒng)二疊系古生界石炭系奧陶系下統(tǒng)上統(tǒng)中統(tǒng)中統(tǒng)二馬營組和尚溝組劉家溝組石千峰組上石盒子組下石盒子組山西組太原組本溪組峰峰組T2er T1h T1l P2sh P2s P1x P1s C3t C2b O2f 13～138 438.10 201.70～220.40 390.60～396.50 176.10～208.10 335.80 91.60～167.10 40.00～83.00 80.00～110.00 19.00～46.00深紅色粉砂質(zhì)粘土、砂、礫石層灰綠色中砂巖、粗砂巖、泥巖綠色泥巖、磚紅色細砂巖磚紅色中砂巖、粗砂巖、泥巖細砂巖、中、粗粒砂巖、泥巖紫紅色泥巖、粘土巖、含礫粗砂巖紫紅色粘土巖，中、粗粒砂巖，泥巖砂巖、砂質(zhì)泥巖、粘土巖、灰?guī)r、煤層砂巖、泥巖、粘土巖、灰?guī)r、煤層粉砂巖、粘土巖泥巖、灰?guī)r、鋁土礦、煤線灰白色白云質(zhì)灰?guī)r