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摘要:在煤巷掘进过程中,有时会发生煤巷冒顶,引起煤巷冒顶的原因是多方面的,其中地质构造不清、顶板压力显现规律不明是发生冒顶事故的主要因素。对煤矿开采获取可靠的地质煤层资料是重要且必需的。文章分析了煤层的特性与影响煤层稳定性的因素,从煤层顶、底板的构成,水文地质条件,地温地质条件等方面进行了探讨。
关键词:煤层稳定性;煤矿开采;顶板;水文地质
中图分类号:TD824文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)18-0092-02
煤矿开采技术条件是影响煤矿建设、生产与安全的各种因素,随着煤矿机械化程度的不断提高,对煤矿开采技术条件及其研究程度的要求也越来越高,因此,加强开采技术条件方面的勘探和研究意义重大。
一、煤层特性分析
(一)厚度、结构及其稳定性
通常根据开采技术特点,可将煤层厚度分为3级,即:薄煤层(≤1.3m)、中厚煤层(1.31～3.50m)和厚煤层(>3.50m)。根据煤层中有无夹石层情况,把煤层分为简单结构和复杂结构。根据煤层厚度和结构在井田范围内的变化大小,通常将煤层划分为稳定煤层、较稳定煤层、不稳定煤层和极不稳定煤层。不同的采煤机械适用于不同硬度的煤层。
(二)煤层的产状和构造
煤层的产状、褶皱和断层的发育程度,以及岩浆岩的影响程度等是构造复杂程度的主要方面,以此把构造复杂程度划分为简单、中等、复杂、极复杂四类。按煤层倾角大小,将煤层分为缓倾斜煤层、倾斜煤层、急倾斜煤层。习惯上常将倾角<5°的煤层称为近水平煤层;将倾角>60°的煤层称为立槽煤。
(三)在地质复杂带找煤开采,稳定矿井生产能力
根据我矿F2、F3……等断层沿走向展布的规律,剖面上以叠瓦状形式出现,断层构造为压性构造面,构造中破碎带、构造泥、牵引、擦痕等都不明显,具有隐蔽性强,密度大等特征,难以发现,给开采带来很大困难。为解决这一问题,通过对各采区构造分析,实施跨断层联采,进行层位分析,提高可采价值,合理工作面布置,实现稳产高效。在4208采区:分析F2、F3走向逆断层发展趋势,煤层具有重叠连接性,层位较厚,开采价值大,因而确定实施跨断层联采,破局部断层上盘尖子岩石,倾斜长2～20/12m,厚2m,走向40m,降低开采层位,确保正常推进循环作业。在生产过程中,进一步整理分析,煤层赋存与断层关系,通过补切,甩掉工作面头上破壁层位,由F2上盘进入F2下盘层位,消除了断层尖子壁的影响,实现稳产高效,月产在0.25万吨以上。在3204采区出山,成功分析F2走向逆断层的展布规律,在布置3204出山切眼时,出现35°～40°等大坡度底板,此现象属由F2断层引起的牵引所致,在开采过程中,从安全和储量的角度上考虑,我们果断地实施了在工作面大坡度处,破底板进入F2断层下盘煤,将坡度降下来进行开采,破底板倾斜长1～25/10m,厚度0.5～2m,走向长58m,成功实施了3204出山工作面的正常开采,并确保月产在0.25万吨以上。
二、煤层稳定性因素
(一)煤层顶、底板的构成
根据岩层与煤层的位置和其垮落性能的差异,煤层顶底板可划分为老顶、直接顶、伪顶、伪底、直接底及老底等6部分。对于某一个具体煤层来说,这6个组成部分不一定发育俱全。
1.老顶。通常由砂岩、砾岩、石灰岩等组成,它在采空区能维持很大临控面而不随直接顶垮落。
2.直接顶。通常是由砂质页岩、泥岩、粉砂岩等比较容易垮落的岩层组成,厚度可达几米,采动后随回柱而自行垮落,有时则需人工放顶。生产实践表明,砂岩顶板比粉砂岩顶板稳定,粉砂岩顶板比泥质岩顶板稳定。同一岩性的顶板厚度越大,稳定性越好。顶板的厚度还影响着小断层的发育程度,而小断层的发育在很大程度上影响着顶板的坚固性和整体性。
3.伪顶。一般是由强度低、易垮落的炭质泥岩组成,厚度在0.3～0.5m左右,与煤体采出同时脱落。当顶板悬空时,沿层面易出现离层,进而发生顶板冒落。岩层层数越多,其顶板的整体性就越差,因此容易发生冒落。煤层顶板稳定性主要取决于靠近煤层之上3m以内顶板岩层的稳定性,而不是整个顶板岩层。
4.伪底。位于煤层之下的薄层软弱岩层,通常多为炭质泥岩和泥岩构成。
5.直接底。通常由泥岩、粘土岩组成。当直接底为坚硬岩石时,可作为支架的良好底座;当为松软岩石时,则易造成底鼓和支柱陷入底板等显现,或遇水常易滑动。
6.老底。一般由比较坚硬稳定的砂岩、石灰岩组成。
(二)顶板分类
煤层顶板的稳定性系指煤层采空后顶板岩层变形破坏的难易程度,主要涉及对矿山压力的控制。根据我国煤矿常见顶板岩石特征和来压情况不同,直接决定回采工作面的支护方式和采空区的处理方法,所以顶板的稳定性最为重要。
顶板的稳定性主要是由不同岩性和其破碎程度,以及有无伪顶而决定的。根据煤层顶板岩层分层厚度、裂隙的发育程度和岩石单向抗压强度等指标、分为不稳定顶板、中等稳定顶板、稳定顶板、坚硬顶板四类。
1.不稳定顶板。分层厚度<2m的炭质泥岩、粘土岩、页岩和裂隙发育的砂质页岩。岩石单向抗压强度<29.42MPa;一般裂隙在3组以上,平均间距在0.3m以下。
2.中等稳定顶板分层厚度为2～5m的页岩、砂质页岩和裂隙发育的砂岩。为29.42～49.03MPa;裂隙中等发育,裂隙为2～3组。平均间距0.3～1m以上。
3.稳定顶板。分层厚度为5～7m的砂质页岩和砂岩。为49.03～78.45MPa;裂隙不发育,一般1～2组,平均间距1m以上。
4.坚硬顶板。基本上无直接顶,老顶为厚层状砂岩、砾
岩。
根据我矿的顶底板的特性,采用液压支柱支护就能更好地管理好顶板。我们在+60水平西401、402、404采区分别采用了液压支柱作为支护材料,保证上下两个安全出口畅通无阻,工人在这样的作业环境里工作感觉到很安全,同时采煤工作面的单产量也大幅度提高。实践证明我矿在采用正规采煤方法和支护改革上尝到了甜头,企业的经济效益提高了,安全生产得到了保障,杜绝了顶板事故的发生。
(三)水文地质条件
在煤田普查与勘探时,应做好水文地质条件的调查和研究工作,分析矿床的充水因素,预测矿井涌水量,为矿井设计提供必要的水文地质资料,对地下水的防治和综合利用,以及矿区可能产生的环境水文地质、工程地质提出建议。
矿井涌水量大小可用绝对涌水量Q来表示,它系指单位时间内流入矿井的总水量,单位是m3/h,矿井按绝对涌水量分类。
(四)瓦斯
瓦斯是在成煤过程中生成,目前主要系指煤体和围岩中涌出的气体。瓦斯主要成分是沼气,它是无毒且使人窒息而死的气体,当空气中甲烷达到一定体积分数时,遇火容易引起爆炸,所以它对人和煤矿安全生产都会带来极大的危害。
(五)煤尘
煤尘是指矿井生产过程中所产生的煤的微粒。煤尘的危害性主要表现为煤尘燃烧与爆炸;此外,煤尘还污染空气,严重影响人体健康。我国煤矿有80%左右有煤层爆炸危险性。
影响煤尘爆炸的主要因素是煤的挥发分含量。煤的挥发分越高,煤尘爆炸性越大。因此可利用挥发分含量作为初步评价煤尘爆炸性的指标,即:Vdaf<10%为不爆炸煤层;Vdaf为10%～15%,为爆炸性弱的煤层;Vdaf>15%,为爆炸性开始迅速增加的煤层。此外,评价煤尘爆炸性的其它指标有灰分、水分,煤的粒度和肉眼煤岩类型。
(六)地温地质条件
地温随着开采深度的增加而升高。地温评价的主要指标是地温梯度及热害区的深度与范围。地温梯度小于3℃/100m的地方为正常增温区;地温梯度大于3℃/100m的地区为异常增温区。地温为31℃～37℃的地区为一级热害区;地温大于37℃的地区为二级热害区。
三、结语
煤层厚度、结构及其变化可影响采煤方法的选择、采区的布置,以及矿井的生产能力与煤炭的质量。煤层的产出状态对煤矿的设计、建设与生产至关重要,它是拟定矿井开拓方案和选择采煤方法,以及采煤机械的基本依据。煤层顶、底板岩层的构成对煤层顶板的稳定性有着密切的关系。煤矿床的水文地质条件是决定该矿床开拓及开采条件的重要因素之一。瓦斯对煤矿设计、建设与生产有多方面影响,其中最主要的是矿井瓦斯是矿井通风设计及确定矿井瓦斯管理制度的重要依据。煤尘对矿井的通风设计有一定的影响。当开采有煤尘爆炸性危险的矿井时,要严格限制风速,以防落尘飞扬。在《煤矿安全规程》规定:精查地质报告,必须有所有煤层的煤尘爆炸性鉴定资料,以利于矿井的设计与建设。
作者简介:胡国庆 (1966-),男,江西萍乡人,萍乡市潘家冲煤矿副矿长,副书记,助理工程师,研究方向:煤矿开采。
关键词:煤层稳定性;煤矿开采;顶板;水文地质
中图分类号:TD824文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)18-0092-02
煤矿开采技术条件是影响煤矿建设、生产与安全的各种因素,随着煤矿机械化程度的不断提高,对煤矿开采技术条件及其研究程度的要求也越来越高,因此,加强开采技术条件方面的勘探和研究意义重大。
一、煤层特性分析
(一)厚度、结构及其稳定性
通常根据开采技术特点,可将煤层厚度分为3级,即:薄煤层(≤1.3m)、中厚煤层(1.31～3.50m)和厚煤层(>3.50m)。根据煤层中有无夹石层情况,把煤层分为简单结构和复杂结构。根据煤层厚度和结构在井田范围内的变化大小,通常将煤层划分为稳定煤层、较稳定煤层、不稳定煤层和极不稳定煤层。不同的采煤机械适用于不同硬度的煤层。
(二)煤层的产状和构造
煤层的产状、褶皱和断层的发育程度,以及岩浆岩的影响程度等是构造复杂程度的主要方面,以此把构造复杂程度划分为简单、中等、复杂、极复杂四类。按煤层倾角大小,将煤层分为缓倾斜煤层、倾斜煤层、急倾斜煤层。习惯上常将倾角<5°的煤层称为近水平煤层;将倾角>60°的煤层称为立槽煤。
(三)在地质复杂带找煤开采,稳定矿井生产能力
根据我矿F2、F3……等断层沿走向展布的规律,剖面上以叠瓦状形式出现,断层构造为压性构造面,构造中破碎带、构造泥、牵引、擦痕等都不明显,具有隐蔽性强,密度大等特征,难以发现,给开采带来很大困难。为解决这一问题,通过对各采区构造分析,实施跨断层联采,进行层位分析,提高可采价值,合理工作面布置,实现稳产高效。在4208采区:分析F2、F3走向逆断层发展趋势,煤层具有重叠连接性,层位较厚,开采价值大,因而确定实施跨断层联采,破局部断层上盘尖子岩石,倾斜长2～20/12m,厚2m,走向40m,降低开采层位,确保正常推进循环作业。在生产过程中,进一步整理分析,煤层赋存与断层关系,通过补切,甩掉工作面头上破壁层位,由F2上盘进入F2下盘层位,消除了断层尖子壁的影响,实现稳产高效,月产在0.25万吨以上。在3204采区出山,成功分析F2走向逆断层的展布规律,在布置3204出山切眼时,出现35°～40°等大坡度底板,此现象属由F2断层引起的牵引所致,在开采过程中,从安全和储量的角度上考虑,我们果断地实施了在工作面大坡度处,破底板进入F2断层下盘煤,将坡度降下来进行开采,破底板倾斜长1～25/10m,厚度0.5～2m,走向长58m,成功实施了3204出山工作面的正常开采,并确保月产在0.25万吨以上。
二、煤层稳定性因素
(一)煤层顶、底板的构成
根据岩层与煤层的位置和其垮落性能的差异,煤层顶底板可划分为老顶、直接顶、伪顶、伪底、直接底及老底等6部分。对于某一个具体煤层来说,这6个组成部分不一定发育俱全。
1.老顶。通常由砂岩、砾岩、石灰岩等组成,它在采空区能维持很大临控面而不随直接顶垮落。
2.直接顶。通常是由砂质页岩、泥岩、粉砂岩等比较容易垮落的岩层组成,厚度可达几米,采动后随回柱而自行垮落,有时则需人工放顶。生产实践表明,砂岩顶板比粉砂岩顶板稳定,粉砂岩顶板比泥质岩顶板稳定。同一岩性的顶板厚度越大,稳定性越好。顶板的厚度还影响着小断层的发育程度,而小断层的发育在很大程度上影响着顶板的坚固性和整体性。
3.伪顶。一般是由强度低、易垮落的炭质泥岩组成,厚度在0.3～0.5m左右,与煤体采出同时脱落。当顶板悬空时,沿层面易出现离层,进而发生顶板冒落。岩层层数越多,其顶板的整体性就越差,因此容易发生冒落。煤层顶板稳定性主要取决于靠近煤层之上3m以内顶板岩层的稳定性,而不是整个顶板岩层。
4.伪底。位于煤层之下的薄层软弱岩层,通常多为炭质泥岩和泥岩构成。
5.直接底。通常由泥岩、粘土岩组成。当直接底为坚硬岩石时,可作为支架的良好底座;当为松软岩石时,则易造成底鼓和支柱陷入底板等显现,或遇水常易滑动。
6.老底。一般由比较坚硬稳定的砂岩、石灰岩组成。
(二)顶板分类
煤层顶板的稳定性系指煤层采空后顶板岩层变形破坏的难易程度,主要涉及对矿山压力的控制。根据我国煤矿常见顶板岩石特征和来压情况不同,直接决定回采工作面的支护方式和采空区的处理方法,所以顶板的稳定性最为重要。
顶板的稳定性主要是由不同岩性和其破碎程度,以及有无伪顶而决定的。根据煤层顶板岩层分层厚度、裂隙的发育程度和岩石单向抗压强度等指标、分为不稳定顶板、中等稳定顶板、稳定顶板、坚硬顶板四类。
1.不稳定顶板。分层厚度<2m的炭质泥岩、粘土岩、页岩和裂隙发育的砂质页岩。岩石单向抗压强度<29.42MPa;一般裂隙在3组以上,平均间距在0.3m以下。
2.中等稳定顶板分层厚度为2～5m的页岩、砂质页岩和裂隙发育的砂岩。为29.42～49.03MPa;裂隙中等发育,裂隙为2～3组。平均间距0.3～1m以上。
3.稳定顶板。分层厚度为5～7m的砂质页岩和砂岩。为49.03～78.45MPa;裂隙不发育,一般1～2组,平均间距1m以上。
4.坚硬顶板。基本上无直接顶,老顶为厚层状砂岩、砾
岩。
根据我矿的顶底板的特性,采用液压支柱支护就能更好地管理好顶板。我们在+60水平西401、402、404采区分别采用了液压支柱作为支护材料,保证上下两个安全出口畅通无阻,工人在这样的作业环境里工作感觉到很安全,同时采煤工作面的单产量也大幅度提高。实践证明我矿在采用正规采煤方法和支护改革上尝到了甜头,企业的经济效益提高了,安全生产得到了保障,杜绝了顶板事故的发生。
(三)水文地质条件
在煤田普查与勘探时,应做好水文地质条件的调查和研究工作,分析矿床的充水因素,预测矿井涌水量,为矿井设计提供必要的水文地质资料,对地下水的防治和综合利用,以及矿区可能产生的环境水文地质、工程地质提出建议。
矿井涌水量大小可用绝对涌水量Q来表示,它系指单位时间内流入矿井的总水量,单位是m3/h,矿井按绝对涌水量分类。
(四)瓦斯
瓦斯是在成煤过程中生成,目前主要系指煤体和围岩中涌出的气体。瓦斯主要成分是沼气,它是无毒且使人窒息而死的气体,当空气中甲烷达到一定体积分数时,遇火容易引起爆炸,所以它对人和煤矿安全生产都会带来极大的危害。
(五)煤尘
煤尘是指矿井生产过程中所产生的煤的微粒。煤尘的危害性主要表现为煤尘燃烧与爆炸;此外,煤尘还污染空气,严重影响人体健康。我国煤矿有80%左右有煤层爆炸危险性。
影响煤尘爆炸的主要因素是煤的挥发分含量。煤的挥发分越高,煤尘爆炸性越大。因此可利用挥发分含量作为初步评价煤尘爆炸性的指标,即:Vdaf<10%为不爆炸煤层;Vdaf为10%～15%,为爆炸性弱的煤层;Vdaf>15%,为爆炸性开始迅速增加的煤层。此外,评价煤尘爆炸性的其它指标有灰分、水分,煤的粒度和肉眼煤岩类型。
(六)地温地质条件
地温随着开采深度的增加而升高。地温评价的主要指标是地温梯度及热害区的深度与范围。地温梯度小于3℃/100m的地方为正常增温区;地温梯度大于3℃/100m的地区为异常增温区。地温为31℃～37℃的地区为一级热害区;地温大于37℃的地区为二级热害区。
三、结语
煤层厚度、结构及其变化可影响采煤方法的选择、采区的布置,以及矿井的生产能力与煤炭的质量。煤层的产出状态对煤矿的设计、建设与生产至关重要,它是拟定矿井开拓方案和选择采煤方法,以及采煤机械的基本依据。煤层顶、底板岩层的构成对煤层顶板的稳定性有着密切的关系。煤矿床的水文地质条件是决定该矿床开拓及开采条件的重要因素之一。瓦斯对煤矿设计、建设与生产有多方面影响,其中最主要的是矿井瓦斯是矿井通风设计及确定矿井瓦斯管理制度的重要依据。煤尘对矿井的通风设计有一定的影响。当开采有煤尘爆炸性危险的矿井时,要严格限制风速,以防落尘飞扬。在《煤矿安全规程》规定:精查地质报告,必须有所有煤层的煤尘爆炸性鉴定资料,以利于矿井的设计与建设。
作者简介:胡国庆 (1966-),男,江西萍乡人,萍乡市潘家冲煤矿副矿长,副书记,助理工程师,研究方向:煤矿开采。