顶板岩石分类.doc

3.顶板分类 提要由于煤层地质条件的多样化，因而必须将顶板按其组成、强度及有关开采条件进行分类，尔后根据分类提出各自的控制措施，此外，介绍了1981年部颁顶班分类方案及其分类的主要原则，指标选取办法及各类顶板条件下支架架型及参数选择原则，各主要矿区的顶板类别以及河南地区的顶板分类上的实践，在此基础上分析了原有分类方案的不足及应改善的方向为了进一步完善顶板分类方案，使其为生产实践服务，本条目录还介绍了国外（主要是原苏联、波兰、英国等）的顶板分类方法及所选择的主要指标为了支架选型、确定支架参数以及采空区处理方法，煤炭部于１９８１年颁发了“缓斜煤层工作顶板分类”试行方案方案中对老顶来压强度进行了分级，所使用的指标见表３－１表３－１　老顶来压强度分级表Ｎ≤0.3、Ｌ＞５００．　分　　级　老顶来压显现IIIIVIII不明显明　　显Ｎ＞３～５强　　　烈极　强　烈１． ３＜Ｎ≤３～５Ｌ＝２５～５０２．0.3＜Ｎ≤３~５、Ｌ＝５０Ｎ＜0.3、Ｌ＝25~30３．在此分类中主要引入直接顶厚度∑h与采高M的比值N及老顶来压步距L分类认为：（1）N＞3～５，这种老顶的垮落或错动对工作面支架受力无多大影响其典型柱状如图3-1a所示，成为无周期来压或周期来压不明显的顶板；（2）0.3＜N≤3～５，且L=25～50m，这时老顶的失稳对工作面支架受载荷有较为严重的影响。

其典型柱状如图3-1b；（3）0.3＜N≤3～５，且L=50m或N≤0.3、L=25～50m，这时老顶的悬露玉垮落都将对工作面支架有严重影响，典型柱状如图3-1c所示，称为周期来压严重的顶板；（4）N＜0.3且L＞50m，由于老顶特别坚硬，因而常能在采空区悬露上万平方米而不垮落当其垮落时，则在工作面形成剧烈的矿山压力显现，从而要求采取特殊措施加以控制，其典型柱状如图3-1d所示另外如图3-1e所示的柱状，则常常可能出现下位的石灰岩曾发生垮落，而上位则呈现缓慢下沉现象或全部呈现缓慢下沉现象，从而出现各种不同的矿山压力显现因此，其分类将根据具体情况而定3.1 直接顶分类方案及其指标为了直接反应支架对直接顶顶板控制的难易程度，还必须对直接顶板进行分类它所采用的指标将按反映顶板稳定性的岩石单项抗压强度（R）与节理裂隙间距（I）和分层厚度（h)综合而成的强度指数（D)来确定，如此可将直接顶板分为四类（表3-2）表3-2 部颁试用方案直接顶分类指标 类 别指 标IIIIIIIV不稳定顶板中等稳定顶板稳定顶板坚 硬 顶 板主要指标强度指标D＜3031～7071100＞100无直接顶，岩层厚度在2～5 m以上，Rc＞60～80MN.m-1；I和h＞1m参考指标直接顶初次垮落步距L.m＜89～1819～25＞25表中：D为强度指标，D=10R·C1·C2式中 R——岩石单向抗压强度，MN/m2；C1——节理裂隙影响系数；C2——分层厚度影响系数；C1、C2可按所测量的节理裂隙间距（I）和分层厚度（h）分别由3-3及表3-4查得。

表3-3 I与C1值得关系I,m0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.2C10.30.320.340.370.390.410.430.460.480.50.520.55表3-4 h与C1值的关系H,m0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.2C20.240.250.270.29030.320.350.360.380.390.41 　测定岩石的单向抗压强度R的岩样可取自采空区，制作成直径为48～56mm,高径比为1.8～2.2的试样，然后按部颁标准在实验室测定节理裂隙间距Ｉ以在巷道内肉眼可见的最发育的一组构造裂隙为准用有代表性的10个观测数据的平均值作为计算指标分层厚度ｈ指的是不同岩性的岩层间和同一岩层内沿层理面间距可以在巷道、工作面控顶区或采空区冒落区观测统计有代表性的10～15个数据，用它的平均值作为分类的技术指标如果最下面的岩层厚度大于１ｍ时，就以该层为准否则，取直接顶下位岩层1.5～2m内各分层厚度的平均值为了预防可能出现的测量和计算误差，在直接顶分类中，可采用工程指标——直接顶初次垮落步距（）对分类指标进行检验，见表３－２。

直接顶初次垮落步距（）以直接顶冒高超过１～1.1m占全工作面二分之一以上时，从工作面切顶线到开切眼煤壁之间的距离作为分类计算指标如果工作面长度a与之比小于3时，可采用等效步距′=作为分类的参数指标事实上，直接顶板分类的目的，原来的意图主要是选择液压支架架型，对单体支柱工作面则涉及到护顶方式的选择，同时也将影响到支架工作阻力的确定3.2 顶板分类与支架选型及参数选择 在部颁试行的方案中，对各类顶板应使用的支架架型及支护强度佐料如表３－５的规定 3－５ 各类顶板使用支架架型及支护强度老顶级别IIIIIIIV直接顶类别１２３１２３１２３４４液压支架架型掩护掩护支撑掩护掩护或支撑掩护支撑枝城掩护诸城掩护支撑或枝城掩护支撑或枝城掩护支撑（采高小于2.5m）或支撑掩护（采高大于2.5m）液压支架支护强度KN/m2采高1m采高2m采高3m采高4m300350（250）450（350）550（450）1.3×3001.3×350（250）1.3×450（350）1.3×550（450）1.6×3001.6×3501.6×4501.6×550＞2×300＞2×350＞2×450＞2×550应结合深孔爆破、软化顶板等措施处理采空区单体支柱支护强度KN/m2采高1m采高2m采高3m1502503501.3×1501.3×2501.3×3501.6×1501.6×2501.6×350按采空区处理方法确定单体支柱支护与采空区处理措施控顶区超前梁和密背板顶梁和背板或顶梁顶梁或点柱顶梁和背板或顶梁顶梁或点柱顶梁和密背板顶梁和背板或顶梁顶梁或点柱点柱且顶线无密集柱必要时密集柱密集柱密集柱采空区处 理垮落法垮落法垮落法结合强制放顶的垮落法深孔爆破或软化顶板的垮落法有关的说明如下：1）计算液压支架支护强度时的支护面积应为：支架中心距×（顶梁长度+移架后的端面距）。

表中括号内数字系掩护支架顶梁上的支护强度，设计和选用时应根据括号内数字除以支撑效率，即为所需的支架总阻力表中所列的支护强度根据各矿实际可允许±5%的波动范围2）表中支护强度栏内的1.3、1.6和2为老顶分级的增压系数，即II、III、IV级来压强度与I级来压强度的增压比值，系根据同类型顶板统计分析所得IV级顶板由于地质条件变化较大，故只给出最低值2，一般可以根据实际情况确定其适宜值3）单体支柱的只护密度应根据表中的支护强度除以支柱实际达到的支撑力而得4）表中采高系指最大采高，具体采高的支护强度可根据表内值用插值法确定5）充填法和厚煤层下分层工作面的支护强度可以根据实际情况自行确定6）根据支柱对顶板合力作用点的位置、切顶能力并照顾到当前使用的习惯，可按下列划分选择具体架型：7）表中所列的架型、支护强度和顶板管理方法适用于缓斜煤层有关液压支架的选型也应做如下说明：液压支架架型的选择虽然主要取决于顶板条件，但还应根据其他地质条件结合各类支架的不同性能和特点，最终选择一种较为合理的架型液压支架架型 掩护式 支撑掩护式 支撑式 节 式插腿 不插腿 一或二柱支在掩护梁 二柱支在顶梁上四柱支在顶梁上四柱支在顶梁上垛 式 1）煤层厚度 根据我国煤层赋存的特点，厚度超过2.5m、顶板有侧向推力或水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不宜用支撑式支架。

根据煤层的不同硬度，厚度达到2.5～2.8m以上时，需要选择带有护帮装置的掩护式和支撑掩护式支架煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式或双伸缩支柱的支架2）煤层倾角 倾角在10°～15°（支撑式支架取下限，掩护式和支撑掩护式支架取上限）以上时，应选用带防滑装置的支架倾角在18°以上时，应同时带防滑防倒装置3）底板强度 应使用对底板的载荷集度不超过底板的允许抗压入强度，在底板较软的条件下，选用时应作验算4）瓦斯含量 对瓦斯涌出量大的工作面，应符合煤矿安全规程的要求，并优先选用通风断面较大的支撑式和支撑掩护式支架5）地质构造 断层十分发育，煤层厚度变化过大，顶板的允许暴露面积和时间在5～8m、20min以下时，暂不宜使用综采6）设备成本 在同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架3.3 国内顶板分类实践表3-6列出了自从颁布顶板分类试行方案以来各主要矿区进行测定的老顶即直接顶分级情况显然，这只是一个初步的结果事实证明，有很多矿区，即使在同一煤层中，显示出的顶板级别也不同，从而为管理带来困难其次，目前所采用的支护参数并没有严格按照各类级别要求从另一方面讲，分类方案中对于一些难于管理的顶板（如分类方案中的I-1， II-1及 III-1直接顶板为不稳定顶板以及有些特别坚硬的顶板，如大同矿区有些可悬顶达几十万平方米，初次来压步距可达100～160m,为了控制这类顶板常采用贮水软化的办法以及采用7500KN/架的液压支架），并没有提出特别的主意。

近几年随着矿山压力科学研究的进展，例如如何管理单体支柱工作面的复合顶板问题，初撑力在管理顶板中的作用，综采工作面如何防止端面冒顶以及固化顶板技术的发展，将有可能对直接顶松软、老顶特别坚硬等条件作出更进一步的分类，使原有的分类方案更完善表3-6 我国定案分类成果汇总矿区煤矿工作面煤层名称或代号ImhmσMPaDMPaLmN倍L1mL2m顶板类级淮北阜新西山韩城铜川双鸭山淮北阜新铁法鹤壁双鸭山鹤壁阜新徐州铁法铜川阜新邢台铁法西山大同韩城鹤壁晋城双鸭山西山大同双鸭山大同双鸭山徐州晋城徐州双鸭山。