采空区边缘附近煤层顶板的断裂与沉积相研究

采空区边缘附近煤层顶板的断裂与沉积相研究

在开采煤炭后，采空区顶板出现裂缝、坍塌和沉降。采空区边缘附近煤层顶板的断裂与垮落及断裂线位置、高度、形态,不仅对于认识和研究煤矿采场矿压理论具有重要参考价值,对于选择沿空巷道的布置方式、支护方法,更具有重要的指导意义。相关研究认为,在采空区边缘煤层上方的顶板将发生断裂,断裂的岩体将发生旋转,在受到相邻断裂岩体的水平推力作用后将形成稳定的绞接结构—沿空巷道围岩的“大结构”。在此“大结构”掩护下的沿空巷道可以采用锚杆进行支护。然而,在采空区倾斜方向的上、下边缘处,煤层顶板的断裂、垮落受到地质、采矿等多种因素的影响,具有很大的不确定性,难以进行定量的分析与研究。对采空区边缘煤层顶板的断裂、垮落与沉降形态采用巷探和钻探的方式进行探查,这对于深入了解采空区边缘煤层顶板活动的实际性状,无疑是很有意义的。2综放面煤层赋存特点探查工作是在某矿2322(3)综放面上风巷进行的。该巷道被外错布置在上阶段2312(3)工作面的采空区内,距2322(3)综放面实体煤边缘即2312(3)采空区下边界9.4m。2312(3)综采面采高3.0m,已于4年前回采完毕(见图1),其采空区底部尚留有2m左右的煤层。2312(3)综放面回采的煤层赋存较稳定,煤层厚5.8～6.7m,平均6.2m。煤层倾角7～9°。煤层直接顶是平均厚度6.9m的砂质泥岩或砂泥岩互层,老顶是平均厚度3.0m的细中砂岩,煤层底板平均厚度5.5m的泥岩、砂质泥岩及薄煤层。3检查屋顶断裂和倾斜的方法3.1分层开采,进入实体煤内探查研究采用两种方法进行。一种是开挖巷道探查,另一种是钻孔探查。探查巷道从采空区中的2322(3)上风巷的下帮沿煤层倾向按10°上山向下山方向掘进(见图1)。探巷掘进9.4m后到达2312(3)下顺槽的下帮,即到达未开采煤层的边缘;随后,探巷开始进入2322(3)综放面的实体煤区;进入实体煤层后,探巷改按11°下山在煤层内继续向前掘进7.1m。因此,探巷掘进始于采空区底部而终止于实体煤内,且是从采空区顶板方向进入实体煤内的。探巷探查巷道的折线长度共16.5m。巷道采用爆破方式掘进,宽2.3m,高2m,断面积4.6m2,采用梯形木棚支护。3.2探伤孔的技术参数顶板垮落探查钻孔布置在采空区中的巷道内,即布置2322(3)上风巷内(见图2)。共布置3个探查钻孔。3个探查孔布置在同一个探查剖面的巷道下帮上及巷道顶板上。探查孔沿煤层倾斜方向钻进,3个探查孔距离巷道底板的高度分别是2500mm、2800mm、2950mm,其与水平面的夹角分别是43°、60°、85°,其终孔深度分别是11180mm、11280mm、7150mm。在巷道横剖面上,3个探查孔构成一扇形探查剖面,探查孔的技术参数见表1。施工钻孔采用的是SGZ-1B型钻机。4结果与分析4.1采空区内冒落岩石的压实、断裂与塌落在探巷中,可以直观和清楚地看到采空区冒落岩石的块度及其充填和压实情况,也可以直观和清楚地看到采空区边缘煤层顶板沿倾向垮落的形态和高度。巷探及观察表明:1)在采空区的倾斜方向上,在距实体煤14m的采空区范围内,采空区内冒落的岩石经压实胶结,再生成新的岩层。在探巷掘进过程中,未有发生片邦或冒顶现象。2)在采空区倾斜方向上,距煤层边缘不同距离范围内,采空区内冒落岩石的压实性基本相同,并未随着距煤层距离的增加而呈现明显的差异。3)在采空区的高度方向上,距采空区底板3m以下的冒落岩石的块度较小,而3m以上的冒落岩石的块度渐大。4)煤层顶板2m以下的岩层(直接顶)的断裂与垮落发生在实体煤内2m左右处,而煤层顶板2m之上的岩层的断裂线位于采空区边缘处。5)采空区边缘煤层顶板的断裂与垮落高度约为3.5m。4.2勘探结果表明4.2.1钻进状态下钻进进尺的确定煤层顶板主要是泥岩或砂质泥岩。煤层回采后,煤层顶板冒落并充填采空区,采空区冒落岩石的块度由下而上逐渐增大,采空区的裂隙也会由下而上逐渐减小至闭合,采空区内冒落的岩石在地层压力下将重新压实胶结形成再生岩层。因此,在采空区钻探中,当钻孔较浅时,钻机的钻进速度应该较快些,钻进应该平稳些,应该较少发生卡钻现象,一种钻进状态下的进尺应该更长些。随着钻孔深度的增加,由于岩石块度的增大和岩石硬度的增加,钻进速度会减慢,钻进状态会发生较频繁的变化,如钻机震动、声响、卡钻等。因此,在探查孔施工期间,全程连续记录钻机的钻进速度变化、钻机的震动、钻机声响、回水、卡钻等情况,可以此作为各项分析判断的依据。根据3个探查钻孔的钻进情况,确定分析判断2312(3)采空区边缘顶板冒落破碎带高度的主要因素是:(1)钻进速度;(2)钻进声响;(3)钻进平稳性;(4)卡钻情况;(5)一种钻进状态下的钻进进尺数。根据上述因素,确定出划分顶板冒落破碎带与断裂裂隙带的基本标准:冒落破碎带:(1)钻进平稳;(2)钻进速度快;(3)一种钻进状态下的进尺大于1000mm;(4)不卡钻。断裂裂隙带:(1)钻进时钻机震动;(2)钻进速度明显变慢;(3)钻进声响较大;(4)卡钻;(5)一种钻进状态下的进尺小于600mm。断裂裂隙带:(1)钻进时钻机震动;(2)钻进速度明显变慢;(3)钻进声响较大;(4)卡钻;(5)一种钻进状态下的进尺小于600mm。4.2.2煤层老顶结构根据上述判断划分标准,并结合其它采矿地质因素对探查孔的钻进情况进行综合分析,得出:1)第1～第3探查孔的冒落破碎带孔深分别为8800mm、7000mm和4600mm。冒落破碎带的上面是断裂裂隙带。如果用N1、N2、N3分别表示第1～第3探查孔中冒落破碎带与断裂裂隙带的分界点,则N1～N3点处的冒落破碎带厚度分别是7105mm、7153mm、5160mm。与此相对应,N1～N3距2312(3)采空区边缘的水平距离分别是3090mm、6335mm、10465mm(见图3)。2)煤层老顶的断裂线位于采空区边缘处,即位于开采煤层的边界处,顶板的断裂角约为76°。3)在煤层倾斜方向上,在采空区边界附近,采空区内的顶板冒落破碎带的形态类似于一个倒扣的锅底形状,即在煤层边界处,顶板的冒落破碎带高度较小;随着距煤层边界距离的增加,顶板的冒落破碎带高度很快增加,并在距煤层边界约6m左右处达到最高,随后又开始降低;大约在距煤层边界10m以外,顶板的冒落破碎带高度便不再有变化。4)由于探查深度的限制,各孔未能穿过顶板岩层裂隙带而进入整体沉降带。不过,根据钻探结果判断,顶板断裂裂隙带岩层的层厚应不小于3.5m。5顶板冒落破碎带形态特征在煤层之上10m范围内的顶板岩层是泥岩、砂质泥岩或砂泥岩互层的地层条件下,在煤层采厚3m、采空区顶板活动已经稳定的采矿条件下,采用巷探和钻探方法对采空区边界处顶板的断裂、垮落与沉降进行的探查表明:1)在倾斜方向上,采空区边缘煤层直接顶的断裂位置位于煤层内2m左右处,而老顶的断裂位置位于采空区边界处,顶板岩层的断裂角76°左右,断裂高度大于5.5m。2)在倾斜方向上,采空区边缘附近的顶板冒落破碎带的形态类似于一个倒扣的锅底形状,即从回采边界向采空区,顶板的冒落破碎带高度由低到高,再由高到低;采空区边缘附近