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新集三矿可采煤层的覆岩破坏分析

新集三矿可采煤层的覆岩破坏分析
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陈佳松

(福建省197地质大队地勘院 福建泉州 362011)

摘要 从覆岩运动的规律出发,探讨导水裂隙带高度的主要影响因素和计算方法;分析采动后覆岩离层发生的位置及其

扩展规律.结合新集三矿实例就煤层覆岩破坏作进一步讨论。

关键词 覆岩破坏 导水裂高

中图分类号:TD163.1 文献标识码:A 文章编号:1672—9064(2012)01—082—03

八里塘井田(也即新集三矿)位于淮河北岸.风台县城西

4kn外.其行政区划属凤台县刘集乡管辖.距安徽省淮南市

蔡家岗约25km.属新集矿区东段.东与老区孑L集矿隔淮河相

望 西与新集一矿及花家湖井田相毗邻。

1 煤层的覆岩特征

1.1 煤层覆岩的地质特征

由表1可以看出.井田内8层可采煤层的顶底板大多以

泥岩、砂质泥岩为主,个别煤层局部为砂岩,层、节理发育,部

分泥岩遇水膨胀.使巷道侧压增大.底臌,局部地段使原有的

梯形棚变成侧梯形.甚至三角形 区内含可采和主要可采煤

层8层:即14#煤、13—1 煤、11—2 煤、8-2 煤、8-1 煤、6-1

煤、3 煤和1 煤。(各煤层直接顶底板岩性见表1)

(1)主要可采煤层顶底板岩性:14 、13—1 、11-2",8—1 、6—

1 煤层直接顶板岩性以泥岩.砂质泥岩为主.少量粉砂岩~中

细砂岩:其底板大部分为泥岩,少量含炭泥岩,粉细砂岩,中

细砂岩

(2)岩石物理力学性质:从泥岩到砂岩及菱铁层:比重,

孑L隙率、干容重和抗压强度逐渐增大,符合一般规律。试验成

果如表2。

根据物理力学性质试验成果.结合野外岩芯鉴定.直接

顶底板岩性的裂隙发育程度评价.八里塘矿区煤层顶底板多

为泥岩。砂质泥岩.也有少数砂岩.其顶底板为软弱 中等坚

硬。各煤层顶板抗压强度如下(单位MPa):14 煤:30~4O;l3一

表2 岩样物理力学性质试验成果汇总表

1 煤:3O~35;l1一 煤:30~125:8-2 煤:45±;8-1 煤:35~45;

6-1 煤:25~30:3 煤:45~60:l 煤:25~35。

从实际揭露及开采情况看.各煤层顶底板一般为软一中

硬岩石,较易垮落.这对于防止煤层抽冒有利.但11-2 煤顶

板较硬.在后期开采中要采取强制放顶手段.以达到安全开

采的目的 对掘进过程中的顶底板管理也采取相应的安全技

术措施 根据岩样试验报告.3 煤顶板抗拉强度平均为

2.77MPa;11—2 煤顶板1.19MPa:14 煤顶板2.63MPa;其它煤

层顶板的抗拉强度均在0.5MPa以下

1.2 煤层开采时覆岩破坏特征

表1 煤岩覆岩地质特征表

情况警 ~ 0. 6~夹2矸 . 0m 蓬裘 ~5_5 鐾 j~片 1. 状 3~夹l矸 .8m 鼹 6 蒺 。·4 ¨ , m z m

直接顶 3· 粉 褥鼙碧 f =4. 脱 5 13 f 3 0 3 5 f 3 0 12 5 岩f 3至 5 4 5质 矗。f 4状 5 6 0砂泥岩 ‘ :.~. =.~. =.~. ‘ J ‘ u =.~.

直接底 嚣瓣局 嘉暑部粉砂 泥岩 砂 f=质 4

.

0

5~4.5 5~3.。 泥岩 泥岩

f=3.5~4.5 f=3.5 4.0 一 ’ ⋯ ⋯

作者简介:陈佳松(1983~),毕业于trent工大学,工程师。

2012. NO. 1 o

1.2.1 覆岩破坏概述

煤炭采出之后.在地下形成采空区.其上覆岩层失去支

撑.岩层的原始状态发生变化.顶板岩层发生移动、变形以至

破坏和冒落 随着开采面积的不断扩大.岩层的移动与变形

从煤层顶板一直发展到地表.最后在覆盖岩层内部形成破

坏,在地表形成下沉盆地和塌陷坑、裂缝等破坏现象。

影响覆岩破坏的因素很多,其中主要的有:①煤层回采

后所形成的开采空间。②顶底板类型(一般煤层上覆岩性,从

直接顶到老顶,可以概括为软弱一软弱型、坚硬一坚硬型、软

弱一坚硬型、坚硬一软弱型4种类型)。③地质构造。④采煤方

法和顶板管理方法

1.2.2 新集三矿覆岩破坏及其导水裂高的计算方法

受采动影响,覆岩破坏可分为“三带”:即冒落带.裂隙带

和整体移动带。其中冒落带,裂隙带合称为导水裂隙带,带内

裂隙发育.联通性好.既有较大的储水空间.又是良好的导水

通道.属破坏性影响带:而整体移动带属非破坏性影响带。

经对八里塘煤矿(即是新集三矿)地质条件的重新研究

和认识,2003年该矿分别在121302、128202、128102等3个

工作面回采.通过工作.现已初步掌握主采煤层回采工作面

上方的覆岩破坏规律

安全防水煤柱包括导水裂隙带和安全保护带两部分.根

据新生界沉积层富水性特征和风化带的含(隔)水性.安全保

护带应不小于17m

1.2.2.1 经验公式计算法

八里塘煤矿地层倾角75~90。.属近直立煤层矿井 煤层

顶底板多为泥岩或砂质泥岩,软弱至中硬,易随回采而垮落,

有利于抑制导水裂缝带发育 预测裂高采用“三下”采煤规程

中的计算公式,如下:

(1)对于隔水性较好的中硬和软弱覆岩,如8—1 .6一l*,

13—1 煤层:

HtF +7.3

(2)对于隔水性不好的坚硬覆岩,如1 1-2煤层:

+8.4

式中:H 为冒落带及导水裂隙带高度/m:M为煤层回采

最大厚度/(m,取平均值),13—1 煤取4.5m;11-2 煤取3.3m;

8-1 煤取3.1m;6—1 煤取2.8m;h为回采段高/m;±7-3、±8. 4

为中误差值,一般取零,若计算式中±值取正值,其结果为预

计最大裂高

13—1 煤顶底板皆属中硬一软弱岩性.8一l 煤顶底板属

坚硬类型,两煤倾角均在82~以上.裂高预计采用部颁《矿井

水文地质规程》所附经验公式(同上),见表3。

表3 裂高计算经验公式

根据淮南老区生产矿井孑L集矿的开采经验.这2个公式

2O/2.No./

媳 跪

的适用条件为累计采深不超过lOOm.否则预计值偏大.失去

意义。

1.2.2.2 类似条件比拟法

淮南矿务局孑L集煤矿位于淮南二道河.隔淮河与新集三

矿相连,地质条件类似,煤系地层均为厚达40~115m.新生界

松散层所覆盖.地层倾角70~90~.直立倒转 淮矿同样采用

掩护支架法“长走向,小阶段,间歇开采”。

三矿地质条件与孑L集煤矿基本相似.根据孑L集矿开采实

测冒落带高度的经验数据以及孑L集矿对软弱~中硬类型与坚

硬顶板类型两种条件开采的覆岩破坏实测结果.可对三矿回

采工作面安全性作出评价

根据淮南矿务局同类矿井回采经验.距开切眼25~30m

处为最大裂高发育带.工作面推进后1~4月裂高发育最充

分.而且煤层较其顶底相比则更高

13—1 煤121302工作面裂高孔在实际施工过程中根据

现场观测.最大导水裂隙带为一162.278m.距煤层露头

24.303m,距回风巷顶34.427m.与预测结果34.36m符合

8—1 煤回采工作面128102裂高据钻孑L实际揭露.冒落

带标高为一148.15m.冒落带高度为51.85m.与预计冒落带高

度52.75m基本相符

以上所述2种回采工作面裂高预计方法与实测结果均

相符合。因此,回采上限标高在一200m情况下,矿井生产是安

全的。

1.3 覆岩破坏特征及破坏高度的相关因素

目前各矿区对于安全开采深度的确定.都是在首先确定

覆岩冒落带和导水裂隙带的最大高度的基础上.再加上一定

厚度(高度)的保护层。这个数值作为需要留设煤岩柱的高

度。从水体底部或富含水层底板往下算起.煤岩柱的下边界

线.即为安全开采上限

1-3.1 覆岩破坏形态的特征

覆岩破坏形态大多数呈两边高中间低的“马鞍形” 按煤

层倾角的大小。将煤层分为倾角<25o的缓倾斜煤层.倾角在

25~45。之间的倾斜煤层.倾角>45o的急倾斜煤层 习惯上常

将倾角>60。的煤层称为立槽煤 煤层覆岩的垮落空间形态概

括有倒梯形(近水平及缓倾斜煤层)、偏三角形(倾斜煤层)和

倒三角形(急倾斜煤层)。该矿属于急倾斜煤层。

1.3.2 覆岩破坏高度的相关因素

从上述及表格数据.结合三矿具体情况可总结以下几

点:

(1)覆岩破坏高度与采高的关系。本区内覆岩破坏高度

Hli随采高h的增加而增加。经统计分析,最大导水裂缝带高

度与采高可用公式表示(见经验公式计算法一段).经换算如

下:

1 00M

-+7.3或Hu= 1 00M h+8 . 4

(2)覆岩破坏高度与顶板岩性结构的关系。由以上各表

综合可知以坚硬中一细砂岩组成的顶板,导高值最大:以中等

硬度砂质泥岩和粉砂岩组成的顶板导高值相对较小:而以软

弱一中硬类型泥岩和泥质砂岩组成的顶板.导高值最小 在

相同采矿地质条件下.愈临近松散层底部开采.顶板岩层大

多数已风化.风化粉细砂岩变软.强度降低.泥质类岩层塑性

增强,能够抑制采动冒落带、裂隙带向上发展,致使覆岩破坏

高度的发展受到严重限制

(3)覆岩破坏高度与原生裂隙也有一定的关系。

(4)覆岩破坏高度与时间的关系。实际观测表明,观测钻

孑L距同采工作面的距离或观测滞后采动的时间对获得冒裂

带发展到最大高度以后.随着时间的延续.或者随着滞后回

采距离的不断增加.冒裂带最大高度会有不同程度的降低.

而且.采空区中部边界附近明显 降低的幅度同上覆岩层的

岩性有密切的关系

(5)覆岩运动破坏与矿压显现的关系 矿压和覆岩破坏

高度等大量观测资料充分证明.煤层开采后的覆岩破坏性影

响的范围及2带发育高度与工作面的矿压显现之间存在着

较为密切的内在联系 采场矿山压力和采空区上方冒落裂缝

带的形成、发展与变化,都是覆岩运动引起的,是覆岩运动的

不同表现形式

煤层顶板为比较坚硬的中细砂岩时.直接顶垮落后不能

完全充满采空区.随着工作面的推进.直接顶上薄层硬岩在

极限跨距下仍会下沉断裂而充填采空区.老顶层位的厚层砂

岩逐渐挠曲下沉.达到极限跨距时,断裂下压,因而中硬覆岩

冒落发展高度较高,矿山压力显现剧烈,来压步距大。煤层顶

板为风化软弱泥岩或粉砂岩时.据井下目测.顶板岩层随采

随冒.岩块较破碎.基本充满采空区.处于冒落带以上的风化

岩层由于塑性好.则随之均匀地弯曲下沉.因而此类条件下

冒落裂缝发展不高.矿山压力显现不明显.来压步距较小 且

随着老顶岩层及上覆岩层载荷的下压.比较破碎松散的冒落

带岩层较易压实.其上部采动裂缝较易压合 对于较坚硬顶

板的冒落破碎矸石较难压实.所以上部采动裂缝较难压合

2 结语

通过本文的计算以及相关讨论.其结论对于该矿覆岩破

坏理论研究及水体下采煤实践具有一定的指导作用

参考文献

1 国投新集能源股份有限公司.新集三矿矿井地质报告.2001

2 马庆云.采动支承压力及上覆岩层运动规律的研究.徐州:中国矿业

大学.1997

3 淮南矿业学院.等.矿井地质与矿井水文地质.煤炭工业出版社.

1989

4 陈荣万.影响煤层顶底板稳定性的地质因素.煤矿开采.2003f4)

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(上接第81页)

边钻孑L揭露情况一致.说明本区基本上缺失了二叠系上统、

三叠系整套及侏罗系下统之间的地层.对火山岩覆盖区下找

煤较为有利

3.4 对火山岩下找煤的“星火”效应

ZK14—1号孔距天湖山煤矿区西部边缘直距达2.3kn.

是目前深人火山岩地层中最远的一个钻孑L 该孔揭露到煤系

地层.并发现有可采煤层.犹如在火山岩地层中点燃了一盏

“星星之火”.点亮了火山岩下找煤的“火种”.为周边大面积

的火山岩覆盖区下找煤工作提供了有力的地质依据 从而基

本可以推断.矿区周边约50km2面积范围内的火山岩下.隐

伏着大量的煤炭资源.预计煤炭资源远景储量达1亿t。

4 结束语

新村两矿区ZK14—1号孑L虽然未能完整地揭露 煤系

地层.但它证实了本区火山岩覆盖区下赋存有煤系地层.为

研究覆盖层——长林组火山岩地层的沉积规律提供了第一

手资料 它与北部的含春北矿区共同拉开了福建省天湖山煤

矿区西部火山岩下找煤的序幕.对于创新深部成矿和找矿理

论、指导福建省火山岩下找煤具有重大意义。

参考文献

1 福建省197地质大队.福建省永春县新村西矿区煤矿地质预查小

结.2011

2 福建省197地质大队.福建省永春县含春北矿区煤矿预查地质报

告.2009

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德国和瑞士相继宣布逐步退出核电使法国备受压力 但法国

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