摘要:本文从地质岩性方面出发,研究地质岩性对煤矿压力的影响,煤矿主要成分是沉积岩,因此就从沉积岩这个角度来研究煤矿压力的影响,最后提出了一些支护策略。
关键词:地质岩性 煤矿压力 采空地区 支护策略
0 引言
大多数煤矿都产生于大断裂带的边缘地带,因为煤是由远古时期的植物腐枝叶在地下发醇而成的。而大断裂带的边缘大多属于丘陵地貌,适合植物的生长;而且这些地方的土质很松,容易出现滑坡和泥石流,利于腐植质的发醇,容易形成肥沃的土壤。
煤炭中有机质含有复杂的高分子有机化合物,主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷等元素组成,而碳、氢、氧三者总和约占有机质的96%以上;煤中的无机质中也含有少量的碳、氢、氧、硫等元素。碳是煤中最重要的组成成分,其含量随煤化程度的加深而不断增高。
煤炭资源为不可再生资源,随着社会经济的不断发展,煤炭资源的需求量在不断增加,矿山开采规模和强度将不断增大,而矿山面临的压力也越来越大,因此研究地质岩性对煤矿压力的影响,是值得探讨的课题。
1 煤矿中沉积岩的结构和特征
煤矿大多数是沉积岩,多是断层、褶曲发育地质构造。因此我们要先研究沉积岩的结构及特征。
沉积岩是三种组成地球岩石圈的主要岩石之一,另外两种岩石是岩浆岩和变质岩。是在地表不是太深的地方,将其他岩石的风化产物和一些火山喷发物,经过水流或冰川的搬运、沉积、成岩作用才形成的岩石。因此也称为水成岩。在地球地表,有80%的岩石是沉积岩,但如果从地球表面到17公里深的整个岩石圈算,沉积岩只占10%。沉积岩主要有石灰岩、砂岩、页岩等组成。沉积岩中所含有的矿产,占全部世界矿产蕴藏量的85%。
沉积岩的基本特点:首先是层理构造显著;其次是沉积岩中常含古代生物遗迹,经石化作用即成化石;最后有的沉积岩具有干裂、孔隙、结核等。常见的沉积岩有:直径大于4毫米的砾和磨圆的卵石及被其它物质胶结而形成的砾岩,由3毫米到0.06毫米直径的砂粒胶结而成的砂岩,由颗粒细小的粘土矿物组成的页岩,由方解石为其主要成分,硬度不大的石灰岩等。
2 地质岩性对煤矿压力的影响
2.1 煤矿附近采空区地面塌陷 由于煤矿大多数是沉积岩所形成的,地下煤矿体被开采后,开采区域周围的、岩体的原始地应力平衡遭到破坏,本来沉积岩硬度不大,容易遭到分化侵蚀,随着煤矿开采活动的进行,采空区上方岩层在重力作用下发生弯曲、离层以致冒落而形成。一般煤矿采空地面塌陷多为缓变型,平面形态呈圆形、椭圆形盆状。其危险对象主要为周围的耕地、农作物及民房,破坏地表各类建筑物,如村庄、铁路、桥梁、管道、输电线路等,其严重影响矿区生态环境,危害严重地段造成部分农田因地面沉陷而积水成潭或成沼泽,农作物被毁坏或整块田地无法耕作而丢弃。
塌陷发生发展过程及地表形态特征主要取决于煤层埋藏深度、开采厚度、顶板岩性、工程地质特征等,个人认为最重要是顶板岩性。直接顶的岩性是影响采场稳定性的最重要因素;而老顶的岩性对采场稳定性的影响较弱。由于地下的煤被采空,产生了冒顶错落带,岩石风化后强度进一步降低,产生蠕变,破坏了岩石的完整性和稳定性,一是影响了山体、斜坡稳定,诱发了滑坡,二是造成地面塌陷和地裂缝,使房屋出现裂缝甚至倒塌,道路中断;另一方面,由于矿山排放的废渣常堆积于山坡或沟谷,为泥石流提供了丰富的物源,在暴雨诱发下极易发生泥石流。据不完全统计,因采煤引发的有滑坡27处,地面塌陷207处,地裂缝193处;采煤影响的村庄已达554个,18万多间房屋开裂破坏。造成的经济损失已达14.9亿元。
2.2 煤矸石排放造成煤矿排土场边坡失稳 煤矸石是碳质、泥质和砂质页岩的混合物,具有低发热值。它是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物,是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。这包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。煤炭开采中矸石固体废弃物乱堆放,结构又松散,而且排土场未作有效地防护处理,每年汛期一到都会出现滑坡、崩塌等现象,堵塞乡村道路,加剧水土流失,引发泥石流,并破坏地形地貌景观而引起生态环境恶化。
2.3 底层岩性是引发煤矿塌陷的根源 大多数煤矿都位于大断裂带的边缘地区,这些地方的土质很松,而且煤矿大多是沉积岩,多是断层、褶曲发育地质构造。沉积岩形成过程是这样的:风化的岩石颗粒,经大气、水流、冰川的搬运作用,到一定地点沉积下来,受到高压的成岩的作用,慢慢地形成了岩石。沉积岩记载了许多地球的历史信息,包括有古代动植物化石,沉积岩的层理有地球气候环境变化的信息。沉积岩的物质来源主要有以下3个渠道。首先,风化作用是最重要的一个渠道,它包括机械风化、化学风化和生物风化。机械风化指得是以崩解的方式把已经形成的岩石破碎成大小不同的碎屑;化学风化是利用水、氧气、二氧化碳引起的化学作用使岩石分解形成碎屑;细菌、真菌、藻类等生物风化作用也能分解岩石。其次,火山爆发喷射出大量的火山物质也是沉积物质的来源之一;第三,植物和动物有机质在沉积岩中也占有一定比例。本来沉积岩硬度很弱,容易造到分化侵蚀,而煤矿的岩石80%以上是这样的沉积岩,很容易引发煤矿倒塌。
3 煤矿的支护策略
3.1 从理论和技术上完善煤矿的支护工具 当前支护工具存在很多种理论,但这些理论与实际应用技术的发展完全不能适应。因此有必要在进一步深入研究巷道围岩矿压显现规律的基础上,探索和完善支护工具的理论和技术。要完善煤巷支护理论,最重要的就是提高煤巷支护工具形式和参数选择的科学性、实用性,这是促进采准巷道支护工具的技术发展的根本条件。总而言之,我们要学习先进国家的煤巷支护工具的工程监控设计方法,就要消化吸收国外先进的支护理论和设计方法,再结合我国煤矿的具体情况,建立起适合我国由地质调查到初始设计,再从工程监测到修改设计的设计方法,从而提高煤巷支护设计方案的科学性和实用性。
3.2 加强培训教育,提高使用支护工具人员的操作技术水平 支护操作人员是一切工作计划的执行者,无论从结构合理、质量上乘的锚杆到性能优良的锚固剂,还是从灵活高效的锚杆钻装机具到灵敏精密的监测仪器仪表,都需要员工来操作。我国煤矿施工队伍人员素质普遍较低,加上监督管理不到位,往往施工质量难以保证。所以,要重视和加强支护技术人员和施工工人的技术培训和岗位训练,必然有助于我国煤矿支护技术的发展和先进支护工具的普及,保证安全生产。
3.3 提高支护工具的监测技术,创新设计方案 当支护工具安装在井下实施后,要对它进行全方位监控,以此来检验初始设计的合理性以及可靠性,并且给修正初始设计方案提供科学依据。当前支护工具的综合监控内容有:采用十字布点法来监控表面位移,采用顶板离层指示仪测试顶板岩层锚固范围内外位移值,支护工具测力计测量锚固端部和全长的工作阻力的大小。平时监控的主要内容是:锚固力抽检、顶板离层、预紧力矩检测。
但在日常生产过程中,一些必要的监控工作没有很好进行,而其应有的作用没有得到很好的发挥。所以,我们应在大力宣传的基础上,进行必要的强制约束,进一步深入开展这方面的研究工作,以实现安全生产的目的。
3.4 引进国外掘锚新机具,提高支护速度 对目前我国落后的施工技术来说,影响快速掘进的重要因素有两个因素:首先是掘进机割煤的速度;其次是锚杆机打眼及安装的速度。当前这种方法的主要矛盾是掘进工作面的开机率较低,一般在25%以下,支护时间过长,完全跟不上机掘的进度,影响机器工作水平的提高。因此引进国外掘锚联合机组,实现“掘支锚一体化”平行作业,将是加快煤巷锚杆支护单进速度的必要手段。它将是我国煤巷快速掘进的发展的重要保证。
4 结论
地质岩性对煤矿压力的影响是巨大的,由于煤炭资源的需求量在不断增加,矿山开采规模和强度将不断增大,而矿山面临的压力也越来越大,所以我们应积极开展地应力测量工作完善我国煤巷锚杆支护理论,形成科学的实用设计方法。
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