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第二节矿井地质基础知识 一、煤层的顶底板 煤层顶底板岩石是指煤系中位于煤层上、下一定距离内的岩层，按照沉积的次序，先于煤生成的岩层是煤层底板，后生成的是煤层顶板。在正常情况下，煤层顶板位于煤层之上，而煤层底板位于煤层之下。 煤层顶底板岩层一般是由砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩、黏土岩或石灰岩等组成。由于岩性和厚度等不同，在回采过程中破裂、冒落的情况也不一样。根据顶板岩层变化和垮落的难易程度，可将煤层顶板分为伪顶、直接顶和基本顶。煤层的底板可分为直接底和基本底，如图1-6所示。 图1-6煤层项底板结构示意图 1.顶板 1伪顶。伪顶是指紧贴在煤层之上、极易垮落的薄岩层。其厚度一般在0.5m以下，常由炭质页岩、泥质页岩等硬度较低的岩层所组成。伪顶在回采时随落煤而同时垮落。 2直接顶。直接顶位于伪顶或煤层无伪顶时之上，一般由一层或几层厚度不定的泥岩、页岩、粉砂岩等比较容易垮落的岩层所组成，通常能够随回柱放顶在采空区及时垮落。 3基本顶。基本顶一般指位于直接项之上有时也直接位于煤层之上厚而坚硬的岩层，常由砂岩、石灰岩、砂砾岩等岩层所组成。基本顶能在采空区维持很大的悬露面积后才能折断而垮落。 多数煤层同时具有伪顶、直接顶和基本顶，但有的煤层只有直接顶和基本顶，而没有伪顶，也有的煤层没有伪顶、直接顶，煤层上面直接就是基本顶。 2.底板 1直接底。直接底是指直接位于煤层之下厚度较小约0.2-0.4m的岩层，该岩层常由泥岩、页岩、黏土岩等组成。 直接底为黏土岩时，遇水，风容易膨胀发生底鼓，支架容易插入钻底，在倾角大的工作面由于底板容易滑落，往往引起工作面支架倾倒而发生冒顶。 2基本底。基本底位于直接底之下，一般由砂岩或石灰岩等坚固的岩层所组成。有的煤层下面没有直接底，紧贴着基本底。 3.顶板分类 原煤炭工业部于1981年颁发了“缓倾斜煤层工作面顶板分类”试行方案，其主要内容有以下两方面 1直接顶分类指标及方案 用反映顶板稳定性的岩石单向抗压强度σ、节理裂隙间距i及分层厚度h综合而成的强度指数D作为岩性指标，将直接顶分为4类。 为预防可能出现的测量和计算误差，用工程指标直接顶初次垮落步距L作为分类指标进行检验。 强度指数计算公式如下 D10σC1C2 式中D一岩石的强度指数； σ一一岩石单向抗压强度，MN/m气 C1节理裂隙影响系数； C2-三层厚度影响系数。 C1、C2值的大小与节理裂隙间距i和分层厚度h有关，当i和h增大时，C1和C2也随着增大。 当直接顶初次垮落步距L以直接顶垮落高度超过11.5m，占全工作面长度1/2以上时，从工作面切顶线到开切眼煤壁的距离作为分类计算指标。直接顶分类方案见表1-1,C1、C2与i、h的对应关系见表1-2、表1-3。 表1-1 直接顶分类方案 指标 1 2 3 4 类别 不稳定顶板 中等稳定顶板 稳定顶板 坚硬顶板 主要指标 强度指数D ≤30 31-70 71120 120 无直接顶岩层厚度25m以上，RC600800kg/cm3,i和h1m的整体岩层 参考指标 直接顶初次垮落步距L/m ≤8 9-18 19～25 25 表1-2 节理裂隙影响系数 i/m 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 C1 0.3 0.32 0.34 0.37 0.39 0.41 0.43 0.46 0.48 0.50 0.52 0.55 表1-3 分层厚度影响系数 h/m 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 C2 0.24 0.25 0.27 0.29 0.3 0.32 0.33 0.35 0.36 0.38 0.39 0.42 2基本顶分级指标及方案 根据直接顶厚度和采高的比值N及基本顶来压步距L，将基本顶分为4级。计算公式如下 NHm 式中N一直接顶厚度与采高之比值； H直接顶厚度，m; m采高，m。 基本顶初次来压步距可根据现场实测或矿压显现特征确定。基本顶分级方案见表1-4。 表1 -4 基本顶分级方案 分级 I II III IV 周期来压显现 不明显 明显 强烈 极强烈 指标 N35 0.3N≤3-5 L25-50m 0.350m或N≤0.3 L2550m N≤0.3 L50m 测定岩石单向抗压强度可从采空区内垮落的岩石或直接向顶板打钻取样，然后在实验室进行测定。若不具备实验室测定条件，则可用“捣碎法”测定。 捣碎法的要点是以一个24kg固定质量的重锤，在600mm高度自由落下冲击试块，根据试块在给定的冲击功作用下，被捣碎后形成的部分粉末数量计算f值。 捣碎法不适用单向抗压强度在800kg/cm，以上的岩石和强度很低的软岩。 节理裂隙间距i是以在巷道内测定肉眼可见的最发育的一组构造裂隙为准，以测得的有代表性的1015个观测数据的平均值，作为计算指标。若在巷道内观测有困难，则可在回采工作面观测，但必须注意不要把回采造成的裂隙统计在内。 分层厚度h是指不同岩性的岩层之间和同一岩性内沿层理的离层面间距。观测分层厚度可以在巷道、工作面控顶区或采空区内进行。观测统计有代表性的1015个数据的平均值，作为分类的计算指标。如果最下面的分层厚度大于1m,即以该层厚度为准，否则取直接顶下面岩层1.52m内各分层厚度的平均值。 4.底板分类 为了合理选择采煤工作面支柱的底面积，使支柱达到不扎底而有效支护顶板的目的，将缓斜煤层采煤工作面的底板，按其允许底板载荷强度由小到大分为5个类别。 Ⅰ类底板极软，如充填砂、泥岩、软煤。 II类底板松软，如泥页岩、煤。 Ⅲ类底板较软，如中硬煤、薄层状页岩、硬煤、致密页岩。 Ⅳ类底板中硬，如致密页岩、砂质页岩。 V类底板坚硬，如厚层砂质页岩、粉砂岩、砂岩。 二、地质构造与煤矿安全生产的关系 在地壳运动的作用下，煤和岩层改变原始的埋藏状态原始状态一般呈水平或近水平且在一定范围内连续完整所产生的变形或变位的形迹称为地质构造。地质构造的形态多种多样，较为常见的有褶皱、断裂和节理。 一褶皱构造与煤矿安全生产的关系 1大型褶曲的核部一般裂隙发育，岩石破碎，易冒落，必须加强支护，否则很容易发生冒顶事故，给顶板管理带来困难。 2小型褶曲常常造成煤层厚度、产状的较大变化，给生产及安全造成困难。 3瓦斯矿井的褶曲核部，瓦斯极易积聚，可能会造成瓦斯突出，给安全生产带来威胁。 二断裂构造与煤矿安全生产的关系 1.节理与煤矿安全生产的关系 1节理与钻眼爆破的关系 岩层的节理发育时，炮眼不能沿主要节理面打，以免卡钎子尤其用一字形钎头时和降低爆破效果。所以，炮眼应尽量垂直于主要节理面。在节理发育的煤层内掘进巷道或在回采工作面钻眼时，同样要使炮眼垂直主要节理面，以便获得最好的爆破效果。一般说来，节理发育的煤层，炮眼的间距可以大一些。 2节理与采掘工作面布置的关系 巷道和回采工作面，应尽可能与主要节理面形成一个锐角小于90的角，以便减少片帮事故，有利于安全生产。 3节理与回采工作面支架和顶板管理的关系 煤层顶板岩石的节理发育时，工作面支架一般不宜用顶柱，而宜采用棚子。同时棚子的顶梁最好按垂直主要节理面的方向安置，从而防止顶板沿节理冒落，保证工作安全。 4节理与矿井水和瓦斯的关系 节理破碎带是水和瓦斯的良好通道，所以破碎带发育地区的涌水量常会增加，有时还可引起井下水患；在瓦斯矿井中，节理破碎带的瓦斯涌出量往往会突然增加。 2断层与煤矿安全生产的关系 1断层与井田和采区划分的关系 为了减少断层给开采工作造成的困难和煤柱损失，将煤田划分为井田时，常常利用较大的断层作为井田的边界。同样，在划分阶段或采区时，一般也尽量用断层作为阶段和采区的边界。由此可见，断层不但能限制井田的范围和影响矿井建设规模的大小，而且还限制着阶段或采区的划分。此外，煤田内的煤层都是薄煤层及中厚煤层时，断层的发育就会大大降低煤田的开采价值。 2断层与巷道掘进量的关系 有时为了寻找断失的煤层，要开掘较多的巷道，这不但增加巷道掘进量，甚至还可能造成无效进尺，从而增加了吨煤成本。 3断层与安全生产的关系 1煤岩层受断层、节理的影响使顶板岩层整体性受到破坏，强度降低，易于冒落。 2当煤层节理面与工作面平行时，工作面很容易发生片帮事故；若顶板岩层节理与工作面平行或节理发育时，容易发生冒顶事故。 3采掘工作进入断层区域时，容易发生瓦斯、水灾事故。 4断层破坏了煤层的连续性，使巷道布置和采煤工艺复杂化，给煤矿生产安全带来不利影响。