采矿过程中煤层顶板的分类、规范

Question

如题所述

Answer 1

2.1.1 ( 1981 年煤炭工业部颁布) 煤层顶板分类规范

中国煤炭科学院北京开采研究所、中国矿业大学等 34 个单位，根据 350 个工作面的矿山压力观测资料，于 1981 年提出了 《缓倾斜煤层工作面的顶板分类方案》。这一方案被煤炭工业部采用为部颁试用方案。其分类依据是由岩石单轴抗压强度 R_c、节理裂隙间距 b、分层厚度 h 综合而成的强度指标 D。此外，再用直接顶初次垮落步距 L 作为参考指标进行检验。根据对350 个回采工作面的观测统计，按稳定性不同将直接顶分为4 类 ( 表2.1 至表2.3) 。

测定岩石单抽抗压强度 R_c的岩样可取老顶，制作成直径为 48～ 56mm，高径比为1.8～ 2.2 的试样，然后按煤炭工业部部颁标准在实验室测定。

节理裂隙间距 b 以在巷道内肉眼可见的最发育的一组构造裂隙为准。用测定有代表性的 10～15 个观测数据的平均值作为计算指标。

分层厚度 h 指的是不同岩性的岩层间和同一岩性内沿层面间距。可在巷道控顶区观测统计有代表性的 10～15 个数据，用其平均值作为分类的计算指标。

直接顶初次垮落步距 L 是当冒高在 -1.5m 以上、范围占全长度 1/2 以上时面切顶线到开切眼煤壁之间的距离。

如果工作面长度 l 与步距 a 之比小于 3，则可采用等效步距 a' = la/( l + a) 作为分类的参考指标。老顶的分级主要采取直接厚度和采高的比值K_m=Σh/m，并参照老顶初次来压步距L，可将老顶分为4级(表2.4)。

表2.1 煤炭工业部部颁试用方案中煤层直接顶分类指标

注:D为强度指标，D=R_cC₁C₂。其中，R_c为岩石单轴抗压强度(MPa);C₁为节理影响系数;C₂为分层厚度影响系数。C₁值可按测量所得到的节理裂隙间距b，然后套表2.2得出;C₂值可按所测得的分层厚度h套表2.3得出。

表2.2 b与C₁值的关系

表2.3 h和C₂值的关系

表2.4 煤炭工业部部颁试用方案中煤层老顶分级指标

2.1.2 ( 1996 年煤炭工业部颁布) 煤层顶板分类规范

( 1) 分类的原则和意义

顶板分类系统是为解决地下工程支护问题而建立的，是经验设计法的一个组成部分，在许多地下结构及采矿设计中，岩体分类已经提供了唯一的系统设计方法，取代了很不可靠的 “误差与验证”方法，成为指导生产实践的有力武器。本分类工作主要遵从了以下几个主要原则:

1) 以煤炭工业部部颁 《缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类》 ( 以下简称 《顶板分类》)为指导;

2) 将区域的顶板岩体按相似变形特征分成若干组，构成不同的等级类型;

3) 分类反映顶板岩层的主要特征、识别并提供影响顶板强度及稳定性的最显著指标，对其进行细化和量化，具有可比性;

4) 把顶板分类级别和各项采掘支护参数指标相联系，使分类具有实用性和可操作性。

通过分类可以为现场工程设计提供定量依据，增强不同区域岩体的对比度，进一步提高现场调查的可靠性，更好地服务工程判断。

( 2) 分类方法及几个主要特点

1996 年 8 月经原煤炭工业部批准，颁布了新的 《顶板分类》 行业标准，并于 1997 年2 月 1 日正式实施。在新标准中，规定了缓倾斜采煤工作面直接顶稳定性分类为 1 类至 4类，及基本顶压力显现为Ⅰ级至Ⅳ级，直接顶分类数据指标为同一煤层采煤工作面直接顶初次垮落步距的平均值 I_v以及以岩性和结构特征做参考要素。基本顶来压级别以基本顶初次来压当量 P_e作为分级指标，按下列公式计算:

煤层顶板稳定性评价、预测理论与方法

式中:P_e———基本顶初次来压当量，kN/m²;

L_f———基本顶初次来压步距，m;

N———直接顶充填系数(直接顶厚度与煤层采高之比);

h_m———煤层采高，m。

该方案较1981年的标准有更好的可操作性和灵活性。方案中关键参数基本顶初次来压步距L_f依赖于矿压实测结果，同时，在工作面支架工作阻力确定方面反映不够直接，特别是在大采高和放顶煤工作面支架工作阻力的确定出现误差时会更大，不能满足工程实际的需要。

尽管顶板来压强度是由直接顶和基本顶共同作用于支架上的载荷决定的，但直接顶载荷是一种恒定载荷，基本顶载荷是伴随初次来压和周期来压而产生的波动载荷，在工作面支架载荷确定时应考虑这种恒定和波动载荷的叠加量级，因而必须考虑顶板来压强度的影响。

2.1.3 采煤过程中煤层顶板分类

井下开采煤层顶板质量取决于顶板岩石成分、结构和沉积构造以及沉积早期差异压实和后期构造作用等，由于煤层顶板岩体受沉积环境演化影响，岩性岩相在横向和纵向上变化很大。位于煤层之上一定距离的岩层都属于顶板岩石这一范畴。位于煤层上面的岩层叫煤层顶板。采矿工程技术人员根据其力学性质、冒落特征、顶板的坚硬程度和距煤层的远近通常将顶板划分为伪顶、直接顶和老顶3种(图2.1)。

图2.1 煤层顶板构成

伪顶:紧贴煤层之上，极易垮落的薄岩层，厚度一般在0.5m以下，多由松软的泥岩、炭质页岩组成。伪顶的特点是随采随落，很难保留在工作面的上方，它的力学强度极低。所以伪顶对顶板的稳定性没有任何意义。有的煤层缺失伪顶。

直接顶:是指位于伪顶之上的岩层，煤层以上无伪顶时它可紧贴煤层。通常由泥岩、页岩、粉砂岩等比较容易垮落的岩层组成，一般厚度为1～2m，均具有一定稳定性。所以当工作面煤层被采落时，直接顶不会立即垮落。多数直接顶在回柱放顶时会垮落，有的则需人工强制放顶。直接顶是采掘工作面的支护对象，如果支护得不好，就会造成冒顶事故。多为页岩、粉砂岩等较易垮落的岩层组成，具有一定的力学强度。直接顶的稳定性是影响工作面回采的关键。有的煤层之上没有伪顶也没有直接顶，仅有老顶。

老顶: 又称基本顶，是指位于直接顶之上、有一定厚度的坚硬岩层。一般厚度较大，坚硬，整体性强，常为砂岩、砾岩、石灰岩等组成，能保持一定的控顶距。其特点是回柱后不自行垮落，往往只发生缓慢下沉。它也可能紧贴煤层之上。基本顶在采空区上方悬露到一定面积后才能垮落，一般只发生缓慢下沉。如果工作面支护不好，往往会造成大面积冒顶事故。因此，它对工作面顶板压力影响很大。

有的煤层上面没有伪顶。直接顶、老顶由下向上依次发育的顶板符合规律性成岩理论，这样的顶板类型简单，容易管理。三者不同时发育，或发育顺序没有一定的规律性时，顶板类型复杂，难于管理，易发生顶板事故。

从顶板管理角度和顶板岩性分析可将顶板分为易垮落的松软顶板、中等垮落顶板、难垮落的坚硬顶板、极难垮落的坚硬顶板和塑性弯曲顶板等 5 类顶板。

1) 易垮落的松软顶板: 一般是较易垮落的岩层，能随回柱垮落并能充满采空区，工作面来压比较缓和。

2) 中等垮落顶板: 直接顶为松散岩层，厚度不大，能随回柱垮落但不能充满采空区，工作面有周期来压现象。

3) 难垮落的坚硬顶板: 是直接覆盖煤层的基本顶，不能随回柱垮落。周期来压较明显，常常造成工作面条件恶化。

4) 极难垮落的坚硬顶板: 煤层之上覆盖极坚硬的厚岩层，采空区悬顶面积可达几千甚至几万平方米而不垮落，一旦垮落常会形成狂风、巨响，易造成重大事故。如大同矿务局某矿 1961 年 10 月的一次大冒顶，面积达 12.8 ×10⁴m²。

5) 塑性弯曲顶板: 指直接顶具有一定厚度的塑性较大的坚硬岩层，回柱后不垮落而随采空面积增大呈缓慢弯曲下沉，逐渐与底板接触。