沉积学在煤矿顶板控制中的应用

来源:用户上传      作者: 顾士辉 仲崇坤

　　摘 要:沉积相分析应用于预测开采地质条件,通过利用地质钻孔资料,经过分析。基本掌握矿井可采煤层的岩性变化特征和沉积层序发布规律,配合其他研究,能够为煤矿开采条件进行预测。
　　关键词:沉积相 岩石的组合 顶板控制
　　中图分类号:P618.11 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)09(a)-0116-01
　　煤层上覆顶板由一系列岩性不同、厚度各异的岩层所组成,当顶板中存在坚硬且难于垮落的岩层时,该岩层决定了顶板的初次来压和周期来压步距,步距越长,释放的能量越大,矿压显现就越剧烈;同时该坚硬岩距离煤层的距离也影响矿压显现的烈度,即距离煤层较近的岩层越坚硬来压显现愈强烈,而离煤层近易于垮落的岩层越厚,来压显现愈弱。因此煤矿开采时,顶板岩石的组合关系(即沉积层序)决定了矿井的顶板质量及支护方式。
　　济宁三号煤矿主要开采石炭-二叠系3下、3上煤。石炭-二叠系该矿区为三角洲前缘亚相、三角洲平原亚相和内陆河湖相的陆相沉积,分流河道沉积为沉积组合中最重要的成因相,天然堤、分流间沼泽、分流间湾等沉积夹于分流河道沉积之间,且厚度较薄。
　　
　　13上煤顶板沉积层序
　　3上煤底板粉砂岩至顶板砂岩段厚约20m,含一个小旋回。地层以中至粗砂岩及粉砂岩为主,其次为粘土岩及煤层等。3上煤顶板发育有一层中至粗砂岩,浅灰至灰绿色,成分以石英为主,长石次之,尚有暗色岩屑、燧石、炭屑及云母碎片等,硅质及泥质胶结。
　　3上煤顶板主要为灰白色粉砂岩,厚0.60m～27.35m,局部有厚0.50m～4.39m的粉砂岩与细砂岩直接顶和厚0.33m～0.65m的泥岩或粉砂岩伪顶。岩性、厚度变化较大,为浅水三角洲平原分流河道沉积,其横向变化也比较大,分布特点是呈现透镜状。该砂岩层在井田中部及东部较发育,且对3上煤造成冲刷破坏,砂岩与泥岩交界面由于在成岩后生过程中的差异压实作用而产生滑面和纵向节理,从而降低岩体强度。因此考虑这部分顶板支护时,及要考虑直接顶的不稳定性,又要防止基本顶的大面积突然来压。在河流岸后或天然堤部分,为厚层的粉砂岩,泥岩,砂岩与泥岩层间无滑面时,这种顶板基本不会有太多支护困难;如果砂岩泥岩互层且直接顶泥岩很薄时,直接顶易于冒落。
　　
　　23下煤顶板沉积层序
　　3下煤底板砂岩至顶板砂岩段:厚40m～50m,含一个小旋回。岩性以浅灰、灰白色的细至中砂岩为主,其次为粉砂岩、泥岩及煤层等。3下煤顶板砂岩,浅灰至灰白色,碎屑颗粒以石英为主,斜长石次之,分选中等至较好,次棱角状,孔隙式至接触胶结,胶结物以硅质和泥质为主,局部为钙质。以交错层理为主,局部为斜层理,往上颗粒逐渐变细,渐为水平波状层理所代替。薄片鉴定资料:石英有波状消光现象,石英颗粒内有金红石等副矿物包裹体,见有海绿石及重结晶的硅质岩等。斜长石有次生蚀变现象,其颗粒边沿呈云雾状,局部已高岭土化。该砂岩层至井田西部加厚,且因对3下煤层的冲刷破坏,常使3下煤层顶、底部的砂岩连在一起形成厚层砂岩。
　　3下煤大部为河流沉积层序这类相模式的主要工程地质特征如下。
　　2.1 岩体具层状,但侧向上变化大
　　河道由于受洪水季节性影响,3下煤大面积顶板以中砂岩、细砂岩为主,厚0.60m～60.00m,伪顶分布较零散,主要为泥岩和粉砂岩伪顶,厚0.10m～0.45m,伪顶之上的直接顶板主要为中、细砂岩,厚0.90m～29.65m。抗压强度平均值:粉砂岩为54Mpa,细砂岩为77.2Mpa,中砂岩为67.6Mpa。河道对煤层顶板的冲刷作用强烈时,砂岩与下伏地层的界面光滑,则砂岩下面的伪顶板岩层容易冒落。坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能,在坚硬顶板破碎或滑移过程中,大量的弹性能突然释放,形成强烈震动,导致顶板型冲击地压的发生。该矿井六采区在开采过程中发生多次由于采动引起的冲击地压现象。通过对6303工作面煤岩及其组合的冲击倾向性试验研究,结果表明,煤岩样组合的单向抗压强度比单纯煤样的单向抗压强度大27.6％,而且岩-煤以及岩-煤-岩组合试样发生动态破坏的猛烈程度要远强于纯煤的破坏猛烈程度。
　　2.2 三角洲沉积体系中的沉积物抗风化能力弱
　　由于三角洲沉积物均经过长距离的搬运,其矿物成熟度较高,但在下游部位其水动力条件明显变弱,砂岩多为泥钙质胶结。
　　该矿井的南部3下煤层层序形成于分流间湾或大型决口扇环境。其特点是:岩层主要是由泥岩组成,泥岩中发育多层炭质泥岩或薄煤层的复合型顶板。当复合型泥质顶板厚度较薄时,与上部砂岩顶板组合,由于上硬下软,且有多个层面,极易发生离层,从而破坏了顶板岩石的整体性,因而在无明显矿压显现的情况下发生冒顶;当复合型泥质顶板厚度较厚时,该顶板岩层本身具有足够的支承力,可保持顶板的稳定性。
　　通过系统观测和研究主采煤层顶板的岩性特征、岩石组合特征、不同岩性的厚度变化和沉积弱面构造特征,掌握这些特征在空间的变化规律和形成原因,可对矿山开采过程中可能出现的煤矿顶板灾害进行有效的防范。

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