王海軍，馬 良，朱玉英

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

煤礦安全事故是制約煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵性問(wèn)題，其中頂板、水害、瓦斯、火災(zāi)以及沖擊地壓等是主要的礦井安全事故。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，雖然我國(guó)煤礦安全形勢(shì)有所提高，但是煤礦安全事造成的人員死亡數(shù)量居世界首位，尤其是采場(chǎng)的頂板安全事故一直居高不下[1]。因此，對(duì)煤層頂板穩(wěn)定性做出合理評(píng)價(jià)、挖掘頂板隱藏的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，是掌握煤礦煤層采動(dòng)后頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而控制因煤礦采動(dòng)形成重大安全事故，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)頂板安全事故的關(guān)鍵。而煤層頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作的基礎(chǔ)是對(duì)煤層頂板巖性、厚度進(jìn)行合理劃分以及對(duì)相關(guān)參數(shù)的選取、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的選擇等。

雖然國(guó)內(nèi)的規(guī)范、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、專著以及教科書中均有對(duì)煤層頂板厚度、巖性等相關(guān)參數(shù)選取的論述，均將其劃分為偽頂、直接頂板和基本頂板3 種類型[2-3]。所有關(guān)于頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作是在3 種類型劃分的基礎(chǔ)上采用三維地震[4]、頂板沉積學(xué)[5-8]、地球物理測(cè)井及地質(zhì)鉆探技術(shù)[8]、分形理論[9]、相關(guān)因素[10]、聚類分析等各種數(shù)學(xué)模型[11-12]進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并取得了理想的效果。通過(guò)對(duì)各種評(píng)價(jià)方法的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)在對(duì)各類頂板評(píng)價(jià)關(guān)鍵參數(shù)中頂板厚度參數(shù)的選取主要存在頂板厚度參數(shù)的選取標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、不同階段不管是地質(zhì)勘查階段還是礦井生產(chǎn)階段，頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、直接頂和基本頂板板厚度的劃分等標(biāo)準(zhǔn)是一致的，未區(qū)別對(duì)待[13-15]。煤田地質(zhì)勘探階段提交的地質(zhì)勘探報(bào)告和礦井生產(chǎn)階段提交的各類地質(zhì)報(bào)告中對(duì)煤層頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的參數(shù)選取是一致的，結(jié)果導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，不能很好的指導(dǎo)礦井設(shè)計(jì)和礦井生產(chǎn)中的頂板支護(hù)管理。二者的評(píng)價(jià)結(jié)果應(yīng)該是有所不同的，因?yàn)樵诳碧诫A段的評(píng)價(jià)是為了如實(shí)的反應(yīng)地下巖體的工程地質(zhì)特征，進(jìn)而為礦井設(shè)計(jì)服務(wù)，目的是為了揭示地質(zhì)特征，對(duì)礦井的設(shè)計(jì)、開(kāi)采方式等尚未確定，其學(xué)者的參數(shù)只能通過(guò)鉆孔巖性的描述，且這種描述具有主觀性，而礦井開(kāi)采中在開(kāi)采工藝確定的情況下各類頂板是確定的，其厚度、巖性取值是具有客觀性的；而在礦井生產(chǎn)階段頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的目的是為了揭示在現(xiàn)有的開(kāi)采設(shè)計(jì)、工藝等條件下煤層頂板在井、巷道掘進(jìn)過(guò)程中頂板存在的工程地質(zhì)、水文以及其它可能潛在的開(kāi)采技術(shù)條件問(wèn)題，如堅(jiān)硬頂板長(zhǎng)期懸頂、沖擊地壓等，進(jìn)而為頂板支護(hù)管理提供參數(shù)；因此，不能按照地質(zhì)勘查階段的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，應(yīng)更多的結(jié)合礦井生產(chǎn)、開(kāi)采工藝、采區(qū)的設(shè)計(jì)等確定的參數(shù)，如垮落距、垮落帶高度、跨落的巖性、厚度等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。究其根本，是由于現(xiàn)有規(guī)范中對(duì)3 類煤層頂板的定義不夠準(zhǔn)確、厚度劃分含糊不清所導(dǎo)致的，針對(duì)這一問(wèn)題提出重新建立煤層頂板劃分原則和標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范頂板的統(tǒng)一劃分。具體劃分方法不再贅述，并應(yīng)用該劃分方法對(duì)同一研究區(qū)內(nèi)應(yīng)用新舊2 種劃分方法對(duì)煤層頂板類型進(jìn)行劃、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，對(duì)比劃分及評(píng)價(jià)結(jié)果，并通過(guò)生產(chǎn)礦井進(jìn)行驗(yàn)證。

1 煤層頂板類型劃分方案

1.1 新型煤層頂板劃分的原則

在對(duì)煤層頂板類型進(jìn)行劃分時(shí)應(yīng)該堅(jiān)持頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是為了指導(dǎo)巷道支護(hù)、頂板管理、礦井涌水量計(jì)算，更好的保障礦機(jī)安全、高效生產(chǎn)更好的服務(wù)礦井生產(chǎn)的目標(biāo)導(dǎo)向。綜合考慮相對(duì)位置、巖性及其組合特征、頂板開(kāi)采后的垮落程度、煤層開(kāi)采方式、頂板管理以及安全生產(chǎn)等因素。

1.2 新型頂板類型重新定義及其劃分標(biāo)準(zhǔn)

按照上述原則采用傳統(tǒng)的頂板類型劃分名稱，即將其劃分為偽頂、直接頂板、基本頂板3 種類型。而在頂板厚度和巖性等參數(shù)的選取過(guò)程中綜合考慮頂板相對(duì)位置、巖性、頂板厚度的同時(shí)兼顧評(píng)價(jià)對(duì)象所處的階段，新型煤層頂板分類標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 新型煤層頂板分類標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standard of new coal seam roof

對(duì)3 類頂板進(jìn)行重新定義，具體定義如下：

1）偽頂。是指直接位于煤層之上在煤巷及工作面推進(jìn)過(guò)程中凡是隨著煤層采出同時(shí)垮落的巖層，巖性主要以薄層泥巖、頁(yè)巖、炭質(zhì)泥巖為主，厚度一般不大于0.50 m，厚度可參考實(shí)際礦井的測(cè)量值。

2）直接頂板。是指直接位于煤層之上或偽頂之上隨煤層采出和支架的回收或人工房頂后煤層頂板垮落的巖層，在厚度上等于煤層采出后形成的垮落帶高度。煤層頂板結(jié)構(gòu)及其類型劃分如圖1。

3）基本頂板。是指位于直接頂板之上或垮落帶之上，隨著直接頂板的填充采出空間逐級(jí)壓實(shí)而整體破裂彎曲下沉的巖層，在厚度上為導(dǎo)水?dāng)嗔褞У母叨戎怠?/p>

2 不同標(biāo)準(zhǔn)下的煤層頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

煤層頂板巖性、巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度、地質(zhì)構(gòu)造、巖石的硬度以及裂隙的發(fā)育程度、頂板巖層的厚度、沉積構(gòu)造等因素是影響煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性的主要地質(zhì)因素[5-8]。本次開(kāi)展煤層頂板類型劃分、穩(wěn)定性主要采用的參數(shù)為不僅選擇了傳統(tǒng)的頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)所選擇的直接頂板的巖性、巖石的軟化系數(shù)、巖石飽和抗壓強(qiáng)度、RQD 和內(nèi)摩擦系數(shù)等參數(shù)，同時(shí)選用了巖層厚度、沉積環(huán)境、各種巖性面積占比等參數(shù)進(jìn)行綜合分析其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，煤層直接頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比圖如圖2。

圖1 煤層頂板結(jié)構(gòu)及其類型劃分圖Fig.1 Structure and type division of coal seam roof

圖2 煤層直接頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比圖Fig.2 Comparison of evaluation results of direct roof stability of coal seam

2.1 研究區(qū)概況

以陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田永隴礦區(qū)麟北煤田為例，主力煤層為侏羅系延安組的3#煤層，厚度2.56～13.69 m，平均6.65 m[10]；發(fā)育地層有侏羅系延安組、直羅組、安定組，白堊系宜君及洛河組，其中煤層頂板延安組砂巖和直羅組底部砂巖以及洛河組、宜君組、礫巖組為主要含水層，富水性由弱依次增強(qiáng)；隔水層以延安組頂部的泥巖和安定組的泥巖組為主。此外，延安組頂部的泥巖具有遇水易于崩解，同時(shí)直羅組底部砂巖具有膠結(jié)弱，極易崩解俗稱“豆腐渣砂巖”。經(jīng)過(guò)計(jì)算垮落帶高度為10.24～54.27 m，垮落帶主要在延安組內(nèi)部，局部地段可突破延安組頂部的隔水層進(jìn)入直羅組的底部；導(dǎo)水?dāng)嗔褞У淖畲蟾叨戎饕诎捕ńM內(nèi)部，局部地段可突破安定組頂界，直達(dá)白堊系礫巖組的底部[11]。

2.2 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)井田勘探工程施工過(guò)程中，在15 個(gè)鉆孔中采集的60 組3 煤層頂?shù)装宀煌瑤r性巖石力學(xué)樣品測(cè)試結(jié)果，按照MT/T 1091—2008《煤礦區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》、GB 12719—91《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》和GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》中提供的RQD 值法、巖體質(zhì)量系數(shù)法（式1）和巖體質(zhì)量指標(biāo)法（式2）對(duì)比評(píng)價(jià)個(gè)巖層巖體質(zhì)量及其完整性，評(píng)價(jià)方法見(jiàn)表 2～表 5 和式（1）、式（2）。

表2 巖石堅(jiān)硬程度分級(jí)表Table 2 Rock hardness grading table

表3 巖石質(zhì)量等級(jí)表Table 3 Rock quality grade table

表4 巖體Z 值范圍及其優(yōu)劣分級(jí)表Table 4 Z value range of rock mass and its pros and cons grading table

表5 巖體質(zhì)量分級(jí)表Table 5 Grading table of rock mass

RQD 值評(píng)價(jià)法：巖石質(zhì)量等級(jí)和巖體完整性。

式中：Z 為巖體質(zhì)量系數(shù)；M 為巖體質(zhì)量指標(biāo)；I為巖體完整系數(shù)（以RQD 值代替）；f 為結(jié)構(gòu)面摩擦系數(shù)；S 為巖塊堅(jiān)硬系數(shù)（S=Rc/10）；Rc為巖石飽和抗壓強(qiáng)度，MPa。

2.3 按舊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)

按照傳統(tǒng)的煤層頂板劃分方法進(jìn)行劃分和頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。由煤層頂板劃分結(jié)果（圖1）可以看出，偽頂以泥巖為主，僅分布在個(gè)別鉆孔周邊如S0212鉆孔；直接頂板巖性以單層泥巖為主，見(jiàn)炭質(zhì)泥巖、泥巖與砂巖互層，厚度 0.94～23.12 m，平均 3.42 m；基本頂板巖性以細(xì)粒砂巖為主，見(jiàn)中、粗粒砂巖，厚度 1.40～6.28 m，平均 2.23 m。評(píng)價(jià)結(jié)果（圖 2（a））顯示，泥巖直接頂板發(fā)育區(qū)穩(wěn)定性差，砂巖直接頂板發(fā)育區(qū)頂板穩(wěn)定性中等，總體上頂板穩(wěn)定性屬于差～中等。

2.4 按新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)

按照新型方法進(jìn)行劃分（表1）和評(píng)價(jià)（表2），從頂板類型劃分圖1 可以看出，偽頂以泥巖為主，全區(qū)大面積分布，厚度0～0.50 m；直接頂板巖為多層巖性不同的巖層組成，各巖層厚度不一，頂板厚度3.20～54.76 m，平均 26.60 m；基本頂板巖性為多層復(fù)合頂板，厚度大于12 m 且厚度普遍比較大。評(píng)價(jià)結(jié)果圖2（b）顯示，整個(gè)直接頂板發(fā)育區(qū)總體上以泥巖占主體，局部發(fā)育薄層和厚層砂巖；總體穩(wěn)定性差，在薄層砂巖發(fā)育區(qū)頂板穩(wěn)定性差～中等，在厚層砂巖頂板發(fā)育區(qū)頂板穩(wěn)定性中等。同時(shí)在泥巖區(qū)存在頂板大面積垮落，頂板之上為直羅組砂巖含水層，客觀上形成了離層水害的條件；在煤層厚度厚度大于10 m 且頂板泥巖發(fā)育的區(qū)域內(nèi)，垮落帶可達(dá)安定組導(dǎo)水?dāng)嗔褞Э刹暗[巖底界，安定組巨厚層的泥巖是該區(qū)的基本頂板，基本頂板的彎曲下沉在礫巖底界易形成離層空間，因此，該區(qū)域是白堊系次生水害區(qū)；在薄層砂巖、厚層砂巖頂板發(fā)育區(qū)，頂板雖然穩(wěn)定，但頂板砂巖富水。

2.5 2種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果對(duì)比

按照新舊2 種頂板劃分方法對(duì)麟北煤田侏羅紀(jì)的主采煤層3#煤頂板進(jìn)行劃分并采用相同的頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法開(kāi)展了評(píng)價(jià)，麟北煤田3#煤層直接頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)表見(jiàn)表6。

對(duì)比分析2 種方法對(duì)頂板參數(shù)的選取和評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)果表明二者主要存在以下幾個(gè)方面的差異：

1）在偽頂?shù)恼J(rèn)識(shí)和劃分上2 種方法對(duì)偽頂厚度的范圍取值上并無(wú)爭(zhēng)議，但是在偽頂巖性的分布及組合形式上存在差異。新方法中偽頂分布的范圍明顯大于舊標(biāo)準(zhǔn)，如在巨厚層泥巖頂板發(fā)育區(qū)內(nèi)，泥巖既是偽頂也是直接頂板同時(shí)也是基本頂板。雖然3種頂板的巖性相同但是發(fā)育在不同的空間位置上。此外，偽頂?shù)膸r性不僅僅局限于泥巖、頁(yè)巖、炭質(zhì)泥巖類，凡是隨著煤層采出一同垮落的巖層即為偽頂。

2）直接頂板的厚度、巖性以及巖石力學(xué)參數(shù)的選取上兩者存在較大的差異，新方法劃分的煤層直接頂板厚度遠(yuǎn)大于舊方法；新方法下頂板厚度與煤層厚度呈正相關(guān)性，而后者則無(wú)這一關(guān)系；各鉆孔之間劃分的厚度值相差不大，而后者相差較大；前者為多種巖性組成的復(fù)合層，而后多數(shù)報(bào)告中劃分的結(jié)果相對(duì)單一；因此在巖石力學(xué)參數(shù)上產(chǎn)生了較大的差異，導(dǎo)致頂板評(píng)價(jià)結(jié)果相差較大。

表6 麟北煤田3#煤層直接頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)表Table 6 Evaluation table of direct roof stability of No.3 coal seam in Linbei Coalfield

3）新標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)結(jié)將垮落、斷裂帶高度、頂板含隔水層發(fā)育情況等綜合考慮，便于分析煤層頂板在掘進(jìn)、垮落過(guò)程中出現(xiàn)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)問(wèn)題。如在泥巖發(fā)育區(qū)域頂板大面積垮落，面臨支護(hù)困難，存在直羅組透水天窗；在巨厚型泥巖發(fā)育區(qū)域則存在基本頂板彎曲下沉形成離層空間，存在直羅組離層水害危險(xiǎn)；在煤厚大于10 m 的區(qū)域，垮落、斷裂帶達(dá)安定組存在安定組泥巖彎曲下沉與上部洛河組產(chǎn)生次生離層水害的危險(xiǎn)。對(duì)礦井安全生產(chǎn)及頂板管理更具有指導(dǎo)意義。

2.6 生產(chǎn)礦井驗(yàn)證

為驗(yàn)證該方法的合理性和適用性，以礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件與其基本相同郭家河煤礦、崔木煤礦等生產(chǎn)礦井在生產(chǎn)過(guò)程中揭露的頂板工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征資料對(duì)比驗(yàn)證。按照傳統(tǒng)的煤層頂版劃分方法進(jìn)行劃分，各煤層偽頂發(fā)育范圍較小，直接頂板巖性主要以中等為主，而實(shí)際揭露以穩(wěn)定性差為主。礦井在生產(chǎn)過(guò)程中頂板大面積垮落，裂采比22.5～33.0 倍[7，16-17]，實(shí)際驗(yàn)證高度遠(yuǎn)大于依據(jù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算的結(jié)果，這也印證了實(shí)際頂板的穩(wěn)定性遠(yuǎn)差于應(yīng)用傳統(tǒng)方法評(píng)價(jià)的穩(wěn)定性，此外，郭家河煤礦曾發(fā)生過(guò)多次直羅組離層水突水，突水過(guò)程中往往伴隨著涌砂的現(xiàn)象，而崔木煤礦也發(fā)生多次礦井突水，突水水源為直羅組砂巖離層水和洛河組礫巖次生離層水，離層水害是威脅煤礦礦井安全生產(chǎn)的主要因素[16-17]。

3 結(jié) 論

1）提出的頂板類型劃分標(biāo)準(zhǔn)可以客觀的反映研究區(qū)及其周邊礦井頂板特征，評(píng)價(jià)結(jié)果不僅能夠反映頂板穩(wěn)定性而且能夠揭露潛在的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)等安全隱患問(wèn)題。

2）以麟北煤田為研究對(duì)象應(yīng)用新型頂板劃分方案對(duì)3#煤層頂板進(jìn)行了劃分，并開(kāi)展了煤層頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，結(jié)果更符合實(shí)際生產(chǎn)觀測(cè)情況，可為礦井頂板支護(hù)管理、涌水量計(jì)算、礦井探放水防治水提供服務(wù)，從而保障礦井安全高效開(kāi)采，驗(yàn)證了該劃分方法的可行性。

3）隨著近年來(lái)礦井沖擊地壓?jiǎn)栴}的凸顯，未來(lái)勘探階段、生產(chǎn)階段對(duì)煤層頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中應(yīng)當(dāng)關(guān)注煤層頂板是否存在堅(jiān)硬頂板及其發(fā)育厚度、范圍的問(wèn)題。

4）該劃分方法主要針對(duì)我國(guó)煤礦目前廣泛采取的綜合機(jī)械化一次采全高的礦井，對(duì)于近距離多煤層組的重復(fù)采動(dòng)、填充開(kāi)采、留頂煤開(kāi)采等礦井是否適用有待于在今后的工作中進(jìn)一步驗(yàn)證、修改完善。