影響煤礦頂板事故的地質(zhì)因素

1、影響煤礦頂板事故的地質(zhì)因素         摘要：煤礦頂板事故是煤礦發(fā)生頻率最高、死亡人數(shù)最多的傷害事故，為有效預(yù)防煤礦頂板事故，本文分析了煤層頂?shù)装鍘r性組合、地質(zhì)構(gòu)造、節(jié)理和裂隙、煤層賦存特征及地下水等地質(zhì)因素對(duì)煤礦頂板事故的影響，論述了較典型的煤礦復(fù)合頂板推垮型冒頂、傾向斷層壓垮型冒頂和漏垮型冒頂發(fā)生的原因及預(yù)防措施。關(guān)鍵詞：煤礦；煤層頂板；頂板事故；地質(zhì)因素；影響由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，煤礦企業(yè)傷亡人數(shù)占國(guó)內(nèi)工業(yè)死亡人數(shù)的60以上，煤礦企業(yè)事故原因較多，究其根本原因是人們對(duì)煤礦企業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境條件認(rèn)識(shí)不足，致

2、使相應(yīng)的法律制度無(wú)法健全、管理方法不能完善、技術(shù)手段難以提高。為充分發(fā)揮人們的主觀能動(dòng)性，適應(yīng)地質(zhì)規(guī)律，本文淺析影響煤礦頂板事故的地質(zhì)因素。國(guó)營(yíng)重點(diǎn)煤礦中，頂板事故死亡人數(shù)占全部死亡人數(shù)的40-45，而工作面頂板事故占頂板事故的70左右。保證工作面不發(fā)生冒頂事故的直接維護(hù)對(duì)象是直接頂，老頂巖層斷裂引起的老頂巖塊失穩(wěn)(滑落失穩(wěn)、變形失穩(wěn))也是通過(guò)直接頂對(duì)支架施加作用力，大部分頂板事故是直接頂本身失穩(wěn)引起的；直接頂內(nèi)裂隙發(fā)育情況、離層狀態(tài)及老頂巖塊回轉(zhuǎn)對(duì)直接頂應(yīng)力狀態(tài)均有影響。1、直接頂?shù)姆诸惡屠享數(shù)姆旨?jí)對(duì)直接頂分類是為了反應(yīng)控制直接頂?shù)碾y易程度。直接頂分類的主要指標(biāo)是直接頂強(qiáng)度指數(shù)(D)，由于強(qiáng)

3、度指數(shù)在井下較難測(cè)定，而用直接頂初次垮落步距作為直接頂分類的參考指標(biāo)。強(qiáng)度指數(shù)：D10Rc×C1×C2其中：R2巖石單向抗壓強(qiáng)度，MN/m2；C1節(jié)理裂隙間距影響系數(shù)；C2巖石分層厚度影響系數(shù)。袁莊煤礦31煤層直接頂Rc一般為15.2-60MN/m2，直接頂節(jié)理裂隙間距I為0.3-0.5m，對(duì)應(yīng)的系數(shù)C1為0.37，頂板巖石分層厚度h為0.3-0.4m，對(duì)應(yīng)的系數(shù)C2為0.28，直接頂強(qiáng)度指數(shù)D為15.7-62.2。因此，該礦直接頂屬于不穩(wěn)定到中等穩(wěn)定頂板，直接頂初次垮落步距一般為6-15米；穩(wěn)定和堅(jiān)硬的直接頂較少見(jiàn)。老頂?shù)姆旨?jí)主要反映老頂來(lái)壓時(shí)的強(qiáng)度顯現(xiàn)分級(jí)的指標(biāo)為N(直

4、接頂厚h與采高M(jìn)的比值)和老頂周期來(lái)壓步距L。袁莊煤礦31煤直接頂厚一般為采高的1-4倍，老頂來(lái)壓強(qiáng)度一般為不明顯到明顯，很少有強(qiáng)烈來(lái)壓。2、影響頂板事故的地質(zhì)因素2.1煤層頂板巖性及巖層組合由于沉積環(huán)境的變化，造成煤層頂板巖性不穩(wěn)定，頂板中經(jīng)常含有煤線和炭質(zhì)泥巖，形成復(fù)合頂板(見(jiàn)圖1)。典型的復(fù)合頂板有下列特征：頂板由下“軟”上“硬”不同巖性的巖層組成，“軟”“硬”巖層間夾有煤線或薄層軟巖下部“軟”巖可以為一個(gè)整層或幾個(gè)分層，總厚一般為0.5-3.0m。開(kāi)采復(fù)合頂板煤層，工作面易發(fā)生冒頂事故，冒頂類型多為推垮型冒頂，發(fā)生復(fù)合頂板推垮型冒頂必須同時(shí)具備以下幾個(gè)條件：離層。有軟弱面(煤線)，即煤

5、體開(kāi)采后，頂板滑面產(chǎn)生，復(fù)合頂板軟硬巖層下沉不一致，軟巖離層，脫離頂板。由于地質(zhì)構(gòu)造、巷道布置等原因，下部軟巖中斷裂出一個(gè)六面體。去路。與六面體相鄰的某一部分已冒空、采空或復(fù)合頂板下部軟巖尖滅。傾角。由于傾角較大，離層后的六面體向下方產(chǎn)生具大推力，六面體向自由空間的推力大于阻力，六面體滑動(dòng)推垮支架而發(fā)生冒頂事故(見(jiàn)圖2)。袁莊煤礦3145工作面1999年1月2次垮面，都是由于支撐力不夠，頂板破碎，局部漏空，使上覆巖體形成游離六面體，而造成推垮工作面。復(fù)合頂板推垮型冒頂多發(fā)生在頂板較軟地段、地質(zhì)破碎帶、構(gòu)造尖滅處、傾角較大時(shí)、頂板淋水地段、開(kāi)切眼附近、老巷處、掘進(jìn)破壞復(fù)合頂板地點(diǎn)、局部冒頂處和工

6、作面仰采時(shí)。預(yù)防復(fù)合頂板推垮型冒頂發(fā)生的根本措施就是消除形成復(fù)合頂板推垮型冒頂?shù)臈l件，具體預(yù)防措施有：控制漏頂，消除巖體去路；實(shí)行炮前、回柱前、抵車回柱后“三補(bǔ)液”，加強(qiáng)支柱初撐力；在工作面材料道使一排順山托棚，穩(wěn)固支柱，增強(qiáng)工作阻力。以上三點(diǎn)，可有效控制頂板，防止復(fù)合頂推垮型冒頂?shù)陌l(fā)生。         2.2斷層和褶曲斷層破壞了頂板的完整性，因而斷層附近易發(fā)生局部漏冒型冒頂，同時(shí)斷層的存在也改變了初次放頂、初次來(lái)壓和周期來(lái)壓的步距。褶曲有時(shí)會(huì)改變應(yīng)力分布，從而改變工作面區(qū)域頂板的受力狀態(tài)，大褶曲僅只是造成煤層發(fā)

7、生變化，對(duì)工作面頂板壓力影響較小，而小褶曲可能使頂板局部破碎，易冒頂。大斷層兩側(cè)，往往伴生雁行中小斷層和裂隙，基產(chǎn)狀與主斷層相近似，這些小斷層賦存在煤層頂板叫頂壓，在底板稱底凸。頂?shù)装逯械男鄬友由熘了绍浢簩訒r(shí)往往消失或斷距減小，這種現(xiàn)象在頂?shù)装鍨楹駥訝钌皫r的工作面猶為常見(jiàn)。盡管小斷層不影響工作面布置和回采，但在頂板巖層中產(chǎn)生了弱面，特別是小斷層密集區(qū)段，不同傾向的兩條斷層可產(chǎn)生離層三角巖塊，對(duì)頂板管理危害極大。若直接頂不足采高的2-4倍，直接頂冒落不能填滿采空區(qū)，老頂來(lái)壓時(shí)，當(dāng)頂板中存在平行于工作面的斷層時(shí)，斷層切斷頂板，改變了應(yīng)力分布，起不到懸梁護(hù)頂?shù)淖饔?，老頂回轉(zhuǎn)巖塊下方負(fù)荷集中的“吃勁

8、”柱處，極易發(fā)生壓垮型冒頂(見(jiàn)圖3)。因此，遇到平行工作面的傾向斷層時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，擴(kuò)大工作面控頂距，采取一些特殊的過(guò)斷層措施，不得正常回柱。斜交和走向斷層在工作面方向上距離短，比傾向斷層安全程度好。2.3層間滑動(dòng)巖層中應(yīng)力分布的不均衡和應(yīng)力差異的新平衡，產(chǎn)生了褶曲和斷層。煤層是比較松軟的巖層，它的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度較巖層小得多，在地應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生變形和滑動(dòng)。巖層間的位移，往往利用煤層作中介面，通過(guò)層間滑動(dòng)達(dá)到應(yīng)力新平衡。層滑構(gòu)造使煤層滑動(dòng)、揉褶是伴隨巖層褶曲和斷裂同時(shí)產(chǎn)生的一種地質(zhì)現(xiàn)象，其影響范圍可達(dá)數(shù)采區(qū)，也可僅為工作面的某一小局部。復(fù)合頂板各巖層力學(xué)性質(zhì)相差懸殊，亦能隨煤層發(fā)生層間

9、滑動(dòng)，泥巖可被揉成團(tuán)狀，粉砂巖成光亮滑面的順層透鏡體，滑面上布有擦痕和炭質(zhì)薄膜，滑動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)可產(chǎn)生光滑的摩擦鏡面。層滑構(gòu)造使煤層頂板巖層破碎，滑面發(fā)育，原生層間結(jié)構(gòu)被破壞，強(qiáng)度降低，層間結(jié)合松弛，容易離層脫落，管理困難。2.4擠壓帶和破碎帶擠壓帶是煤層受擠壓局部變薄或變厚的地帶。工作面經(jīng)過(guò)煤層變薄帶，由于頂板巖層下壓，極易離層和破裂，并可能發(fā)生頂板短時(shí)急劇下沉，易冒頂。破碎帶是指巖石和煤層突然破碎的地帶。破碎帶往往與擠壓因素有關(guān)，也可能自然生成，工作面經(jīng)過(guò)破碎帶將給頂板管理帶來(lái)許多困難。          

10、            2.5節(jié)理和裂隙由于原生或地質(zhì)構(gòu)造影響，無(wú)論煤層還是頂板巖層中，均存在大量的節(jié)理和裂隙，煤層頂板中的多組交叉裂隙將頂板切成各種形狀具有光滑破裂面的離散孤立巖塊，爆破落煤后，如支護(hù)不及時(shí)，極易發(fā)生局部冒頂和片幫。在煤層傾角較大時(shí)，如支護(hù)性能較差，可在無(wú)任何預(yù)兆的情況下，頂板突然冒落，造成大面積漏垮型冒頂。2.6煤層傾角隨著煤層傾角增加，頂板下沉量將逐漸減小。由于傾角增大，采空區(qū)頂板冒落的矸石不一定留在原地，很可能沿著底板滑移，從而改變上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(見(jiàn)圖4)。在同樣的條件下，采用沿傾斜向下推進(jìn)的傾斜長(zhǎng)壁工作面(俯采)，由于頂板內(nèi)部存在指向煤壁的壓力，易在上覆巖石中形成對(duì)工作面的高壓結(jié)構(gòu)。2.7“不穩(wěn)定巖塊”“不穩(wěn)定巖塊”是指斷層三角塊、同生結(jié)核和砂巖包裹體等。存在于煤層頂板的這些巖塊因原生沉積或構(gòu)造原因生成，巖塊與圍巖結(jié)合很差，又破壞了煤層頂板的原生結(jié)