云南省一四三煤田地质勘探队 云南曲靖 655000
摘要：随着我国经济的高速发展，对能源的消耗量持续增加，各种煤田工程越来越多，对煤田开采要求不断提升。在煤田工程进行过程中，煤层顶板工程发挥着非常重要的作用，其地质特征及稳定性对工程施工效果，有着非常直接的影响。为此，笔者将要在本文中对煤层顶板工程地质特征及稳定性进行分析，希望对促进我国煤矿开采事业的发展，可以起到有利的作用。
关键词：煤层顶板；地质特征；稳定性分析
1前言
煤层顶板稳定性对煤田工程开采有着直接的影响，不同地质条件，煤层顶板差异较大。因此，有必要对地质因素对顶板稳定性的影响进行分析，然后及时提出针对性的解决方法。
2煤层顶板稳定性
煤层顶板（coal seam roof）它是泥炭堆积后覆盖在泥炭层上的沉积物。常见的煤层顶板岩石以细碎屑岩和石灰岩为主；也有粗碎屑岩，这时煤层常受到明显冲蚀。煤层顶板性质与煤质，尤其是煤中的硫含量，有一定关系。针对现今煤层顶板分类方法存在计算量大、人工参与多、智能化程度低，为煤矿生产不能提供快速指导的问题，结合煤矿现场实际情况，确定了煤层顶板稳定性的影响因素。以层次分析和模糊聚类为理论核心，建立了煤层顶板稳定性层次分析模型，得出了影响因素的隶属度和合成运算方法。以Visual Basic6.0为编译环境，将Matlab与Surfer进行二次混合编程，对钻孔数据以及地质资料进行分析整理，自动绘制煤层顶板稳定性类型分区图，形成煤层顶板稳定性智能预测分区系统【1】。
在煤矿工程开采的过程中，可以根据顶板岩层变形和垮落难易程度，可以将煤层顶板分为伪顶、直接顶和基本顶三种。煤层顶板的稳定性是指在煤被采动之后，其顶板允许暴露的面积和时间。根据相关统计显示，大部分冒顶事故都是在采煤工作面发生的。顶板的稳定性非常关键，只有其顶是稳定的，才能保证采煤工作面和掘进巷道是安全的。
3煤层顶板稳定性地质因素分析
3.1煤层顶板岩性。岩性对煤层顶安全性有着非常直接的影响。煤层顶板岩性大部分为沉积岩，很少是火山岩，不同岩性的抗压强度差别较大。同一岩性岩层的抗压强度变化范围就相对较大。通常来说，硅质胶结石英砂岩的强度是最大的。岩性是顶板分类的重要指标，根据相关统计显示，泥岩、页岩占到不安全顶板的67%，砂岩、石灰岩则大部分都是安全顶板，粉质岩、砂质岩多为中等安全顶板。
3.2煤层顶板的厚度。煤层顶板厚度在2米左右，顶板分层厚度对岩体强度的影响是最大的。如果将顶板岩层看作梁，悬臂梁的抗弯能力与分层厚度的三次方成正比关系，分层厚度增加两倍，岩体的抗弯能力增加8倍。因此，分层厚度越大，顶板越不容易被压弯变形。根据相关统计显示，在不稳定的顶板当中，0.1-0.3米分层厚度可以占到总数量的67%。
3.3煤层顶板存在的软弱结构面。岩性越坚硬、整体性越好，顶板越不容易出现冒落现象，但在顶板当中容易出现结构面，在主采煤层之上经常会存在不稳定的薄煤层。薄煤层之间构成了上下岩体之间的软弱结构面，对顶板岩体的完整性造成较大的影响。在实际开采的过程中，薄煤层很容易与上部坚硬的顶板发生分离，从而导致冒顶事故的发生。顶板岩层中的层理面、节理裂隙面就属于一种结构面，在顶板悬空后，容易沿层面发生冒落不良工程地质现象。节理裂隙越发育，顶板岩层的整体性也就越差，越容易发生冒落不良工程地质现象。在通常的情况下，层理面越光滑越容易发生离层现象【2】。
3.4地质构造。地质构造对顶板安全性影响最为直接，尤其是小断层的出现对顶板岩层的整体性影响最大，直接破坏煤层的坚固性，岩层的硬度和厚度越大，其破坏性就越强。很多煤矿冒顶事故的发生就是由于小断层所造成的。一、小断层。落差小于煤层厚度的断层被称为小断层，其经常出现在脆性岩层顶板当中。一旦工作面出现了小断层，容易在靠近断层破碎带影响地段易发生冒顶事故。其断层面就是一个结构面，下盘岩层与上盘岩层之间的联结力相对较弱，采空、剥离后其凌空面易发生冒顶、垮落等不良工程地质现象。小断层断煤交线方向与工作面的推进方向的不同，就会造成不同的冒顶区。如果断煤交线与工作面斜交，就会由于断层面的存在，让上下盘顶板之间失去联结力。因此，顶板岩体容易朝着煤层倾向滑移，从而发生顶板冒落不良工程地质现象。如果断煤交线与工作面平行，冒顶范围就会对工作面控顶区造成直接的影响，断层面倾向煤壁的问题会变得更加严重，断层面的存在很容易导致上下层岩体离层问题，最终导致下盘岩体垮落。二、构造裂隙。顶板当中构造裂隙情况对顶板的整体性和坚固性，有着非常直接的影响。根据相关统计显示，在各种不安全顶板当中，裂隙间距在0.3米以下的可以占到75%。因此，裂隙构造越发育，密度越大，岩体的整体性和坚固性就越差，对顶板的稳定性造成非常直接的影响。例如，在两组裂隙倾斜形成人字形裂隙时，中间岩体就容易呈现出游离态。如果某些块体悬空，就很容易导致局部冒顶问题的出现，后果相对比较严重【3】。三、顶板岩层倾角。顶板岩层倾角变化可以直接反映顶板的破坏程度。通常会存在两个区域，一个是倾角变化相对较大的区域，另外一个是相邻控制点倾角变化无规律的区域。这两种情况都可以直接反映顶板岩层的揉皱，对岩体的整体性和坚固性造成非常直接的影响，难以保证岩体的强度。这两种区域顶板的稳定性最差，需要在工程施工的过程中引起足够的重视。
3.5冲蚀带、相变带。在煤层遭受流水冲蚀之后，就容易产生冲蚀滞留带的堆积物，冲蚀滞留带堆积物与原顶板岩层的界面就是一个软弱结构面，它们之间的胶结程度较差，在冲蚀带的边缘很容易出现离层冒落问题。很多煤层顶板并不是由单一岩性所组成的，经常会出现岩性的相变带，两种差别较大的岩性分界面就属于一种软弱结构面。由于它的存在，容易在其下方出现冒顶区域。
4工程地质特征的具体情况分析
岩体类型。在顶板岩层控制阶段，顶板岩体的质量发挥着非常重要的作用，其岩性和厚度会直接受到围岩压力的影响，且可以通过岩体强度的变化来对围岩的安全性、稳定性造成一定的影响。通过对该煤矿岩体类型进行分析，其具体数据如下所示：
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岩性
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厚度范围（m）
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平均（m）
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含量范围（%）
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含量平均（%）
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粉砂岩
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0-32.24
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5.65
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0-67.35
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11.64
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砂岩
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0-24.73
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9.65
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0-49.91
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20.81
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泥岩
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6-50.34
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31.58
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12.31-99.34
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68.34
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表一：该煤矿顶板岩性厚度及含量
岩体质量。通过对该煤矿地层岩体结构类型进行分析，可以直接确定其岩体质量类型，其主要包括薄层状、层状和散体结构。下表为其岩体质量分级结果。
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岩体解结构分类
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岩石饱和抗压强度（MPa）
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结构面摩擦系数
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岩体质量等级评价
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岩体质量系数法
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RQD值法
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岩体质量指标法
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Z
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质量等级
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RQD/%
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岩石完整性
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M
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质量等级
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散体结构
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极坏
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极破碎
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差
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薄层状结构
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7.78-69.71
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0.7
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0.12
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坏
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71
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中等完整
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0.06
|
差
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层状结构
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25.31-70.80
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0.75
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0.31
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一般
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77
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较为完整
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0.13
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中等
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通过对煤矿岩石质量评价后发现，该矿区岩石相对比较完整，岩石质量为差-中等。
在通常的情况下，该工程地质的特征主要包括矿体及井巷围岩的厚度、岩性、岩石的物理性质等指标。实际上，岩石力学强度直接由岩性及胶结程度所决定，在本次研究当中，矿顶板岩性为粉砂岩、泥岩、砂岩，硬度较高，具有比较高的稳定性。
结语
随着时代的不断发展，对煤层顶板工程施工提出了更高的要求。为了保证煤层顶板施工的安全性，就需要认真做好煤层顶板工程地质特征及稳定性分析工作，然后及时采取针对性的对策，避免对工程施工的安全性，造成直接的影响。
参考文献
[1]刘少伟,张辉,李耀晖,张祥,姚宝珠.煤层顶板稳定性智能分区实现及工程应用[J].煤炭学报.2013(09)：22-23.
[2]邱占林,王世潭,刘晶晶,罗城,任开林,郭新强.谢桥矿区主采煤层顶板类型及沉积环境分析[J].煤矿安全.2013(10)：37-38.
[3]王延国,郑国廷,孙祥鑫.充填综采岩层移动特征数值模拟研究[J].煤.2013(09)：55-56.