新集三礦可采煤層的覆岩破壞分析

陳佳鬆

(福建省197地質大隊地勘院 福建泉州 362011)

摘要 從覆岩運動的規律出發，探討導水裂隙帶高度的主要影響因素和計算方法;分析采動後覆岩離層發生的位置及其

擴展規律.結合新集三礦實例就煤層覆岩破壞作進一步討論。

關鍵詞 覆岩破壞 導水裂高

中圖分類號：TD163.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672—9064(2012)01—082—03

八裏塘井田(也即新集三礦)位於淮河北岸.風台縣城西

4kn外.其行政區劃屬鳳台縣劉集鄉管轄.距安徽省淮南市

蔡家崗約25km.屬新集礦區東段.東與老區孑L集礦隔淮河相

望 西與新集一礦及花家湖井田相毗鄰。

1 煤層的覆岩特征

1.1 煤層覆岩的地質特征

由表1可以看出.井田內8層可采煤層的頂底板大多以

泥岩、砂質泥岩為主，個別煤層局部為砂岩，層、節理發育，部

分泥岩遇水膨脹.使巷道側壓增大.底臌，局部地段使原有的

梯形棚變成側梯形.甚至三角形 區內含可采和主要可采煤

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

煤、3 煤和1 煤。(各煤層直接頂底板岩性見表1)

(1)主要可采煤層頂底板岩性：14 、13—1 、11-2",8—1 、6—

1 煤層直接頂板岩性以泥岩.砂質泥岩為主.少量粉砂岩～中

細砂岩：其底板大部分為泥岩，少量含炭泥岩，粉細砂岩，中

細砂岩

(2)岩石物理力學性質：從泥岩到砂岩及菱鐵層：比重，

孑L隙率、幹容重和抗壓強度逐漸增大，符合一般規律。試驗成

果如表2。

根據物理力學性質試驗成果.結合野外岩芯鑒定.直接

頂底板岩性的裂隙發育程度評價.八裏塘礦區煤層頂底板多

為泥岩。砂質泥岩.也有少數砂岩.其頂底板為軟弱 中等堅

硬。各煤層頂板抗壓強度如下(單位MPa)：14 煤：30～4O;l3一

表2 岩樣物理力學性質試驗成果彙總表

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。

從實際揭露及開采情況看.各煤層頂底板一般為軟一中

硬岩石，較易垮落.這對於防止煤層抽冒有利.但11-2 煤頂

板較硬.在後期開采中要采取強製放頂手段.以達到安全開

采的目的 對掘進過程中的頂底板管理也采取相應的安全技

術措施 根據岩樣試驗報告.3 煤頂板抗拉強度平均為

2.77MPa;11—2 煤頂板1.19MPa：14 煤頂板2.63MPa;其它煤

層頂板的抗拉強度均在0.5MPa以下

1.2 煤層開采時覆岩破壞特征

表1 煤岩覆岩地質特征表

情況警 ~ 0. 6~夾2矸 . 0m 蓬裘 ~5_5 鐾 j~片 1. 狀 3~夾l矸 .8m 鼴 6 蒺 。·4 ¨ ， m z m

直接頂 3· 粉 褥鼙碧 f =4. 脫 5 13 f 3 0 3 5 f 3 0 12 5 岩f 3至 5 4 5質 矗。f 4狀 5 6 0砂泥岩 ‘ ：.～. =.～. =.～. ‘ J ‘ u =.～.

直接底 囂瓣局 嘉暑部粉砂 泥岩 砂 f=質 4

.

泥

0

岩

5~4.5 5~3.。 泥岩 泥岩

f=3.5～4.5 f=3.5 4.0 一 ’ ⋯ ⋯

作者簡介：陳佳鬆(1983～)，畢業於trent工大學，工程師。

2012. NO. 1 o

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箝

源

一

1.2.1 覆岩破壞概述

煤炭采出之後.在地下形成采空區.其上覆岩層失去支

撐.岩層的原始狀態發生變化.頂板岩層發生移動、變形以至

破壞和冒落 隨著開采麵積的不斷擴大.岩層的移動與變形

從煤層頂板一直發展到地表.最後在覆蓋岩層內部形成破

壞，在地表形成下沉盆地和塌陷坑、裂縫等破壞現象。

影響覆岩破壞的因素很多，其中主要的有：①煤層回采

後所形成的開采空間。②頂底板類型(一般煤層上覆岩性，從

直接頂到老頂，可以概括為軟弱一軟弱型、堅硬一堅硬型、軟

弱一堅硬型、堅硬一軟弱型4種類型)。③地質構造。④采煤方

法和頂板管理方法

1.2.2 新集三礦覆岩破壞及其導水裂高的計算方法

受采動影響，覆岩破壞可分為“三帶”：即冒落帶.裂隙帶

和整體移動帶。其中冒落帶，裂隙帶合稱為導水裂隙帶，帶內

裂隙發育.聯通性好.既有較大的儲水空間.又是良好的導水

通道.屬破壞性影響帶：而整體移動帶屬非破壞性影響帶。

經對八裏塘煤礦(即是新集三礦)地質條件的重新研究

和認識，2003年該礦分別在121302、128202、128102等3個

工作麵回采.通過工作.現已初步掌握主采煤層回采工作麵

上方的覆岩破壞規律

安全防水煤柱包括導水裂隙帶和安全保護帶兩部分.根

據新生界沉積層富水性特征和風化帶的含(隔)水性.安全保

護帶應不小於17m

1.2.2.1 經驗公式計算法

八裏塘煤礦地層傾角75～90。.屬近直立煤層礦井 煤層

頂底板多為泥岩或砂質泥岩，軟弱至中硬，易隨回采而垮落，

有利於抑製導水裂縫帶發育 預測裂高采用“三下”采煤規程

中的計算公式，如下：

(1)對於隔水性較好的中硬和軟弱覆岩，如8—1 .6一l*，

13—1 煤層：

HtF +7.3

(2)對於隔水性不好的堅硬覆岩，如1 1-2煤層：

+8.4

式中：H 為冒落帶及導水裂隙帶高度/m：M為煤層回采

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為回采段高/m;±7-3、±8. 4

為中誤差值，一般取零，若計算式中±值取正值，其結果為預

計最大裂高

13—1 煤頂底板皆屬中硬一軟弱岩性.8一l 煤頂底板屬

堅硬類型，兩煤傾角均在82~以上.裂高預計采用部頒《礦井

水文地質規程》所附經驗公式(同上)，見表3。

表3 裂高計算經驗公式

根據淮南老區生產礦井孑L集礦的開采經驗.這2個公式

2O/2.No./

媳 跪

的適用條件為累計采深不超過lOOm.否則預計值偏大.失去

意義。

1.2.2.2 類似條件比擬法

淮南礦務局孑L集煤礦位於淮南二道河.隔淮河與新集三

礦相連，地質條件類似，煤係地層均為厚達40～115m.新生界

鬆散層所覆蓋.地層傾角70～90~.直立倒轉 淮礦同樣采用

掩護支架法“長走向，小階段，間歇開采”。

三礦地質條件與孑L集煤礦基本相似.根據孑L集礦開采實

測冒落帶高度的經驗數據以及孑L集礦對軟弱～中硬類型與堅

硬頂板類型兩種條件開采的覆岩破壞實測結果.可對三礦回

采工作麵安全性作出評價

根據淮南礦務局同類礦井回采經驗.距開切眼25～30m

處為最大裂高發育帶.工作麵推進後1～4月裂高發育最充

分.而且煤層較其頂底相比則更高

13—1 煤121302工作麵裂高孔在實際施工過程中根據

現場觀測.最大導水裂隙帶為一162.278m.距煤層露頭

24.303m，距回風巷頂34.427m.與預測結果34.36m符合

8—1 煤回采工作麵128102裂高據鑽孑L實際揭露.冒落

帶標高為一148.15m.冒落帶高度為51.85m.與預計冒落帶高

度52.75m基本相符

以上所述2種回采工作麵裂高預計方法與實測結果均

相符合。因此，回采上限標高在一200m情況下，礦井生產是安

全的。

1.3 覆岩破壞特征及破壞高度的相關因素

目前各礦區對於安全開采深度的確定.都是在首先確定

覆岩冒落帶和導水裂隙帶的最大高度的基礎上.再加上一定

厚度(高度)的保護層。這個數值作為需要留設煤岩柱的高

度。從水體底部或富含水層底板往下算起.煤岩柱的下邊界

線.即為安全開采上限

1-3.1 覆岩破壞形態的特征

覆岩破壞形態大多數呈兩邊高中間低的“馬鞍形” 按煤

層傾角的大小。將煤層分為傾角<25o的緩傾斜煤層.傾角在

25～45。之間的傾斜煤層.傾角>45o的急傾斜煤層 習慣上常

將傾角>60。的煤層稱為立槽煤 煤層覆岩的垮落空間形態概

括有倒梯形(近水平及緩傾斜煤層)、偏三角形(傾斜煤層)和

倒三角形(急傾斜煤層)。該礦屬於急傾斜煤層。

1.3.2 覆岩破壞高度的相關因素

從上述及表格數據.結合三礦具體情況可總結以下幾

點：

(1)覆岩破壞高度與采高的關係。本區內覆岩破壞高度

Hli隨采高h的增加而增加。經統計分析，最大導水裂縫帶高

度與采高可用公式表示(見經驗公式計算法一段).經換算如

下：

1 00M

-+7.3或Hu= 1 00M h+8 . 4

(2)覆岩破壞高度與頂板岩性結構的關係。由以上各表

綜合可知以堅硬中一細砂岩組成的頂板，導高值最大：以中等

硬度砂質泥岩和粉砂岩組成的頂板導高值相對較小：而以軟

。

弱一中硬類型泥岩和泥質砂岩組成的頂板.導高值最小 在

相同采礦地質條件下.愈臨近鬆散層底部開采.頂板岩層大

多數已風化.風化粉細砂岩變軟.強度降低.泥質類岩層塑性

增強，能夠抑製采動冒落帶、裂隙帶向上發展，致使覆岩破壞

高度的發展受到嚴重限製

(3)覆岩破壞高度與原生裂隙也有一定的關係。

(4)覆岩破壞高度與時間的關係。實際觀測表明，觀測鑽

孑L距同采工作麵的距離或觀測滯後采動的時間對獲得冒裂

帶發展到最大高度以後.隨著時間的延續.或者隨著滯後回

采距離的不斷增加.冒裂帶最大高度會有不同程度的降低.

而且.采空區中部邊界附近明顯 降低的幅度同上覆岩層的

岩性有密切的關係

(5)覆岩運動破壞與礦壓顯現的關係 礦壓和覆岩破壞

高度等大量觀測資料充分證明.煤層開采後的覆岩破壞性影

響的範圍及2帶發育高度與工作麵的礦壓顯現之間存在著

較為密切的內在聯係 采場礦山壓力和采空區上方冒落裂縫

帶的形成、發展與變化，都是覆岩運動引起的，是覆岩運動的

不同表現形式

煤層頂板為比較堅硬的中細砂岩時.直接頂垮落後不能

完全充滿采空區.隨著工作麵的推進.直接頂上薄層硬岩在

極限跨距下仍會下沉斷裂而充填采空區.老頂層位的厚層砂

岩逐漸撓曲下沉.達到極限跨距時，斷裂下壓，因而中硬覆岩

冒落發展高度較高，礦山壓力顯現劇烈，來壓步距大。煤層頂

板為風化軟弱泥岩或粉砂岩時.據井下目測.頂板岩層隨采

隨冒.岩塊較破碎.基本充滿采空區.處於冒落帶以上的風化

岩層由於塑性好.則隨之均勻地彎曲下沉.因而此類條件下

冒落裂縫發展不高.礦山壓力顯現不明顯.來壓步距較小 且

隨著老頂岩層及上覆岩層載荷的下壓.比較破碎鬆散的冒落

帶岩層較易壓實.其上部采動裂縫較易壓合 對於較堅硬頂

板的冒落破碎矸石較難壓實.所以上部采動裂縫較難壓合

2 結語

通過本文的計算以及相關討論.其結論對於該礦覆岩破

壞理論研究及水體下采煤實踐具有一定的指導作用

參考文獻

1 國投新集能源股份有限公司.新集三礦礦井地質報告.2001

2 馬慶雲.采動支承壓力及上覆岩層運動規律的研究.徐州：中國礦業

大學.1997

3 淮南礦業學院.等.礦井地質與礦井水文地質.煤炭工業出版社.

1989

4 陳榮萬.影響煤層頂底板穩定性的地質因素.煤礦開采.2003f4)

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(上接第81頁)

邊鑽孑L揭露情況一致.說明本區基本上缺失了二疊係上統、

三疊係整套及侏羅係下統之間的地層.對火山岩覆蓋區下找

煤較為有利

3.4 對火山岩下找煤的“星火”效應

ZK14—1號孔距天湖山煤礦區西部邊緣直距達2.3kn.

是目前深人火山岩地層中最遠的一個鑽孑L 該孔揭露到煤係

地層.並發現有可采煤層.猶如在火山岩地層中點燃了一盞

“星星之火”.點亮了火山岩下找煤的“火種”.為周邊大麵積

的火山岩覆蓋區下找煤工作提供了有力的地質依據 從而基

本可以推斷.礦區周邊約50km2麵積範圍內的火山岩下.隱

伏著大量的煤炭資源.預計煤炭資源遠景儲量達1億t。

4 結束語

新村兩礦區ZK14—1號孑L雖然未能完整地揭露 煤係

地層.但它證實了本區火山岩覆蓋區下賦存有煤係地層.為

研究覆蓋層——長林組火山岩地層的沉積規律提供了第一

手資料 它與北部的含春北礦區共同拉開了福建省天湖山煤

礦區西部火山岩下找煤的序幕.對於創新深部成礦和找礦理

論、指導福建省火山岩下找煤具有重大意義。

參考文獻

1 福建省197地質大隊.福建省永春縣新村西礦區煤礦地質預查小

結.2011

2 福建省197地質大隊.福建省永春縣含春北礦區煤礦預查地質報

告.2009

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