顶板稳定性

科技工作者之家  |   2020-11-17 18:13

顶板稳定性即未经人工支护的悬露顶板,在某一段时间内保持不冒落的能力。顶板稳定性由岩体顶板力学性质及其岩体中的应力分布规律所决定。

顶板根据顶底板岩层相对煤层的位置和垮落性能,强度等特征的不同,从上至下顶板划分为基本顶(老顶)、直接顶、伪顶三个部分;底板分为伪底、直接底及老底三个部分。不过,对于某个特定的煤层来说,其顶底板的这六个组成部分不一定发育俱全。可能缺失某一个或几个组成部分的岩层.

伪顶:紧贴煤层之上,极易垮落的薄岩层,一般厚度不大,多由松软的泥岩、炭质页岩组成。伪顶的特点是随
采随落,很难保留在工作面的上方,它的力学强度极低。所以伪顶对顶板的稳定性没有任何意义。有的煤层缺失伪顶。
直接顶:直接顶位于伪顶或煤层(无伪顶时)之上,一般厚度为1~2m,多为页岩、粉砂岩等较易垮落的岩层组成,具有一定的力学强度。其特点是随回柱放顶后,立即垮落。直接顶的稳定性是影响工作面回采的关键。有的煤层之上没有伪顶也没有直接顶,仅有老顶。
基本顶:也叫老顶。位于直接顶或煤层(无伪顶、直接顶时)之上,一般厚度较大,坚硬,整体性强,常为砂岩、砾岩、石灰岩等组成,能保持一定的控顶距。其特点是回柱后不自行垮落,往往只发生缓慢下沉。因此,它对工作面顶板压力影响很大。1

影响因素影响顶板稳定性的主要因素包括顶板岩性差异,胶结类型,岩层组合方式,以及古河流的冲刷侵蚀作用。
(1)顶板岩体岩性主要有砂岩(包括粗砂岩、中砂岩、细砂岩等)、泥岩(包括粉砂岩,粉砂质泥岩、炭质泥岩、粘土岩、页岩等)。砂岩具有刚性特征,一般不易变形和破坏,所以由砂岩组成的岩层是相对稳定的部分,但刚性岩体受到强载荷作用时容易产生脆性断裂和剪切破坏。而且砂岩在研究区内存在不同的胶结方式,表现为不同的力学强度。泥岩具有塑性,受力后容易变形产生塑性流动,易形成不同的几何形态,有些粘土岩类还有遇水膨胀的性质,不仅使自身的稳定性降低,而且会影响上下岩层的稳定性。

(2)胶结类型可以分为基底式胶结、孔隙式胶结、接触式胶结和溶蚀胶结。基底式胶结最坚实,孔隙式和接触式胶结坚固性较差。按胶结物成分分为:硅质胶结、泥质胶结、铁质胶结、钙质胶结、粘土质胶结等。硅质胶结、铁质胶结的碎屑岩强度最高,抗水性强;钙质胶结的碎屑岩,强度高,但易被水溶解;泥质粘土质胶结的碎屑岩强度最低,抗水性弱,易泥化和软化。研究顶板岩层的胶结类型主要有硅质胶结,泥质胶结和钙质胶结型式。硅质胶结的砂岩表现出高强度的性质,块状、致密坚硬。泥质胶结的砂岩强度稍低,常含泥质包裹体,发育各种层理。研究区内主要以硅质胶结和泥质胶结为常见类型。
(3)岩层组合方式主要考虑砂岩与泥岩的相对比例关系,并进行定量评价。岩层组合既有不同岩性的岩层组合、又有不同厚度的岩层组合。相同类型的组合,距煤层距离不同,稳定程度也不相同。顶板的分层厚度越大,直接顶越不易弯曲变形,稳定性越好。

(4)层理发育与否、发育类型影响着岩体的稳定性。当层理特别发育时,岩体及层间结合力要弱得多。研究区内层理主要类型有交错层理,波状层理,水平层理等。其中以交错层理的稳定性最差。

(5)古河流的冲刷作用常使顶板岩层与煤层的接触面变的凹凸不平,上覆岩层常含有下伏岩层的包裹体,与正常的顶板岩层相比降低了稳定程度。由于各地冲刷程度不同,煤层呈条带状、乃至岛孤状分布。冲刷带边缘,由于岩性差异较大,在受到构造力作用下易形成应力集中,产生与冲刷面同向的正断层构造,破坏了岩体的完整性。1

顶板稳定性分级一级:岩层完整,完整性系数0.95,节理间隙>3米,层理间距>2米;

二级:岩层较完整,完整性系数0.85,节理间隙1-3米,层理间距1-2米;

三级:岩层一般,完整性系数0.75,节理隙0.4-1米,层理间距0.3-1米;

四级:岩层破碎,完整性系数0.65,节理间隙0.1-0.4米,层理间距0.05-0.3米;

五级:很破碎,完整性系数0.55,节理间隙