顶板稳定性评价指标体系

适宜性评价指标体系制定的基本思路~

我国CO2地质储存适宜性评价指标体系和评价方法研究尚处于起步阶段。同时，因我国沉积盆地以陆相为主、成因类型复杂、区域地壳稳定性总体较差等特殊条件，决定了适宜性评价指标与评价方法不能完全照搬国外经验，必须有针对性地提出适宜我国沉积盆地地质背景、社会经济条件的评价指标体系与评价方法，进而在短期内从国家层面上对我国沉积盆地CO2地质储存适宜性作出优劣排序，指出CO2地质储存的远景区和目标靶区。
同CO2地质储存潜力评价阶段划分一致，我国CO2地质储存适宜性评价也包括区域级（E级）、盆地级（D级）、目标区级（C级）、场地级（B级）和灌注级（A级）五个阶段（见图2-1和表2-1）。其中，区域级（E级）和沉积盆地级（D级）适宜性评价相当于规划选址阶段；场地级（B级）适宜性评价为工程选址阶段，灌注级（A级）适宜性评价相当于CO2地质储存工程的效果与使用寿命评价；而目标区级（C级）适宜性评价的产出是CO2地质储存目标靶区，具一定的特殊性。一方面，“目标靶区”是盆地级CO2地质储存潜力与适宜性评价得出的，为进一步开展选址研究价值的地区；另一方面，“目标靶区”是CO2地质储存工程选址的起点和主要依据。因此，目标区级适宜性评价处于规划选址与工程选址之间，起承上启下的关键性过渡作用。
在技术维度上，本着上述CO2地质储存适宜性评价以储存场地逐级筛选为主线的思路，将既有可灌注性良好、储存潜力大的储层，又有稳固的盖层，区域地壳稳定性稳定，无贯通性的盖层裂缝、断裂和废弃井等地质缺陷风险因素，确保CO2安全地质储存千年级以上并安全地储存，且不受地表不良地质作用影响，碳源匹配合理，成本相对较低，并符合当地工农业发展规划、相关法律政策和环境保护目标要求，作为CO2地质储存适宜性评价指标体系制定的基本准则。

11. 2. 1 突水因素分析及评价指标体系的建立
影响煤层顶板突水的因素是多方面的，并且各种因素之间的关系又十分复杂。它以地质构造特征( 断层密度、断层落差、断层性质、裂隙发育程度、断层导水性、褶皱程度等) 、含水层条件( 含水层水压、含水层富水性、含水层渗透性等) 及隔水层条件( 隔水层厚度、隔水层强度等) 为背景，以人工开采活动( 开采厚度和矿压) 为场合，是这些因素共同作用的结果。
煤层顶板下承压含水层的存在是煤层顶板突水的先决条件，其中含水层富水性和含水层渗透性是顶板突水的物质基础，含水层水压是顶板突水的动力来源，顶板隔水层则是顶板突水的抑制条件，其抑制能力取决于隔水层厚度、隔水层强度; 地质构造( 即断层、裂隙、褶皱等) 提供突水的通道，其中断层往往是顶板含水层突水的直接原因; 矿压是顶板突水的又一动力来源，而开采厚度则是煤层顶板突水的诱发因素。
11. 2. 1. 1 地质构造特征
地质构造与顶板突水的关系十分密切。断层往往是顶板承压含水层突水的直接原因，其对煤层顶板突水所起的作用是十分复杂的，一般是通过以下几种方式引起突水:
( 1) 断层提供了煤层顶板突水的通道;
( 2) 断层缩短了煤层和含水层之间的距离;
( 3) 断裂导致承压水导升，隔水层的有效厚度减小;
( 4) 断层破碎带降低了煤层顶板隔水层的强度。
褶皱轴部节理裂隙发育，从而破坏了煤层顶板的连续性和完整性，使隔水能力下降，易诱发煤层顶板突水。
这里选取区内断层密度、断层落差、断层性质、裂隙发育程度、断层导水性、褶皱强度 6个指标体现矿井地质构造对煤层顶板突水的影响。
11. 2. 1. 2 含水层条件
煤层顶板下的承压含水层的存在是煤层顶板突水的先决条件，其中含水层富水性和含水层渗透性是突水的物质基础，决定了突水量的大小; 而含水层水压则是顶板突水的动力来源。换言之，顶板突水与否取决于承压含水层水压，而突水量取决于含水层富水性和含水层渗透性。但仅有水源存在，顶板不一定会发生突水，因为顶板突水是含水层水压、含水层富水性及含水层渗透性等多因素共同影响决定的。
含水层水压是煤层顶板突水的动力来源。煤层顶板突水的实质是承压水水压作用于隔水层产生的破坏性结果，在静水及动水压力共同作用下，造成顶板隔水层的形变，使构造裂隙进一步扩大加宽甚至产生新的裂隙，沟通顶板含水层和煤层，增强了突水通道导水性，削弱了顶板的隔水层强度，使之失去了阻水作用，导致顶板突水。水压的大小是判断顶板突水可能与否的重要因素之一，在相同条件下，水压越大，发生顶板突水的可能性越大。
含水层富水性是突水的物质基础，含水层富水性越好，发生顶板突水的涌水量越大，造成的危害也越大。从顶板突水机理来看，其对顶板突水及其突水量具有重要的控制作用。
含水层允许地下水透过的性能称为含水层渗透性，它是顶板突水的另一个物质基础，与顶板突水涌水量成正比。其大小取决于岩石的裂隙率、颗粒直径及水力半径等因素。含水层渗透性指标可用地面抽( 注) 水或井下放水试验资料所计算的渗透系数或渗透率值来表示。
本次选取承压含水层水压、含水层富水性、含水层渗透性 3 个指标体现矿井含水层条件对顶板突水的影响。
11. 2. 1. 3 隔水层条件
顶板隔水层指的是回采工作面( 或巷道) 与煤层顶板充水含水层间的隔水岩层。隔水层的存在可以阻止含水层中的水涌入矿井。影响隔水层阻水作用的因素主要有顶板隔水层厚度和隔水层强度。
隔水层的厚度是指回采工作面( 或巷道) 至顶板充水含水层顶部的法向距离。顶板隔水层在带压开采中起着阻碍承压含水层突水的作用。显然顶板隔水层的厚度越大，抵抗水压、矿压破坏的能力越强，隔水和阻水能力越好。可见，在正常地质构造条件下，顶板隔水层厚度越大的区域，突水的可能性越小; 反之，突水的几率越大。
隔水层隔水能力除了与隔水层的厚度有关外，还与隔水层强度及岩性组合有关。在隔水层厚度相同的情况下，不同岩性组合的隔水层阻水能力是不同的。在地质构造、含水层条件、开采方式等其他条件都相似的情况下，有些工作面突水，有些则不突水，这说明隔水层岩性组合对突水起到了作用。坚硬脆岩层和软岩层的隔水能力都较弱，软硬相间的岩层却能相互弥补各自的缺陷，提高抗水压能力。
本章选取隔水层厚度、隔水层强度两个指标体现矿井隔水层条件对顶板突水的影响。
11. 2. 1. 4 开采活动
开采活动对煤层顶板突水起触发作用，是煤层顶板突水的诱发因素。
开采活动会造成矿山压力的变化，这是其作为突水的诱发因素的主要原因。矿压是指工作面开采和井下巷道掘进过程中，对工作面及巷道周围岩体引起的应力集中及其作用过程。煤层的开采作用会破坏岩层的连续性，造成应力重分布。一方面破坏了顶板的连续性，使隔水层中的裂隙进一步扩大，造成隔水层的阻水能力降低; 另一方面可能导致进一步原始导升。这两方面都相当于减小了有效隔水层厚度，为突水创造了条件。由于在天然条件下水压的作用与隔水层阻力能力已经大体上处于相对平衡状态，一旦加上矿压的作用，这种相对平衡的状态遭到破坏，顶板突水随之发生。煤层厚度、煤层倾角、工作面斜长、开采深度等因素是衡量矿压的破坏程度的主要因素。一般来说，开采煤层越厚、煤层倾角越大、工作面越长、开采深度越大、矿压破坏带深度越大，对顶板的破坏作用也就越强。
开采厚度简称采厚，它是破坏煤层顶板的诱发因素，采厚愈大，形成的矿山压力愈大，对煤层顶板破坏的程度也愈大。这是因为开采厚度愈大，顶板变形的范围愈大，从而顶板及煤壁所应承受的支撑应力愈大，导致煤层顶板遭到破坏。
本章选取开采厚度、矿压两个指标体现矿井开采活动对顶板突水的影响。
通过以上突水因素的分析建立了如图 11. 2 所示的煤层顶板突水评价指标体系。

图 11. 2 煤层顶板突水评价指标体系

11. 2. 2 评价指标的数据采集
突水评价指标的恰当选择不仅决定了 BN 模型的输入层结构，同时也影响着分析评价的准确性，因此煤层顶板突水评价指标的数据采集就十分重要。通过对荆各庄矿区突水资料的研究以及对突水因素的分析，在数据采集过程中，做了如下考虑:
( 1) 荆各庄矿区威胁 9 煤层开采顶板的主要充水含水层为 9 煤 ～7 煤砂岩裂隙承压含水层( Ⅳ) 、5 煤以上砂岩裂隙承压含水层( Ⅴ) 、第四纪底部卵石孔隙承压含水层( Ⅶ) 。因此，在突水因素采集时主要考虑与这 3 个含水层突水有关的数据，即作用于 9 煤的水压，及其至 9 煤的隔水层厚度和隔水层强度。
( 2) 从地质构造特征考虑，井田内断层和褶皱对顶板突水起了至关重要的作用，它们的分布、规模大小和发育情况对顶板突水起到了关键性的作用。所以在考虑含水层条件和隔水层条件的同时，还必须收集这些因素的数据。
( 3) 人工开采活动是导致煤层顶板突水的直接场合，因此还必须收集与开采活动有关的数据。
综合以上考虑，结合图 11. 2 中煤层顶板突水评价指标体系的分析，本项目选取参与分析处理的顶板突水评价指标: ①顶板的含水层的水压，②顶板的含水层的富水性，③顶板的含水层的渗透性，④顶板的隔水层厚度，⑤顶板的隔水层强度，⑥开采厚度，⑦矿压，⑧断层密度、断层落差、断层性质、裂隙发育程度、断层导水性、褶皱强度。
11. 2. 3 专题图的建立
利用 GIS 与 BN 耦合技术进行顶板突水预测预报时，首先需要将所采集的数据输入计算机编制成专题图形式，从而进一步进行分析和处理。专题图的建立可由 GIS 自动完成:首先将收集到的钻孔数据或水位点观测数据的坐标及属性量化值输入到计算机中，生成相应的数据文件，然后利用 GIS 软件读取数据，并进行网格剖分和插值等处理，最终量化后的结果以图形的形式显示出来，并通过图形输出系统输出成果图。
根据收集到的荆各庄矿区 9 煤层顶板突水评价指标的原始数据，利用 GIS 的数据存储和处理功能生成数据库，利用 GIS 工具进行插值计算处理或空间分析处理，建立各评价指标的专题图。各评价指标的专题图建立方法和相应图件分叙如下:
11. 2. 3. 1 地质构造特征专题图的建立
( 1) 断层
根据荆各庄地质报告和综合水文地质图，利用 GIS 的数字化功能，建立断层线分布专题图( 如图 11. 3) 。此专题图包含了断层落差、断层性质、断层规模等属性信息。

图 11. 3 断层分布专题图

利用 GIS 的空间分析功能，对断层线专题图进行缓冲区分析，根据断层的性质、断层落差等因素综合考虑，将断层导水性按照从弱到强的顺序分为 11 个等级，以此得到断层导水性专题图( 图 11. 4) 。
( 2) 褶皱
利用 GIS 的缓冲区分析功能，对褶皱线进行缓冲区分析，得到褶皱影响带专题图。缓冲区内褶皱强度较大，赋大值 10; 缓冲区之外褶皱强度较小，赋小值 1，以此作为褶皱强度专题图( 图 11. 5) 。

图 11. 4 断层导水性专题图


图 11. 5 褶皱强度专题图

11. 2. 3. 2 含水层条件专题图的建立
荆各庄矿中对 9 煤顶板突水影响较大的 3 个含水层为: 9 煤 ～7 煤砂岩裂隙承压含水层( Ⅳ) 、5 煤以上砂岩裂隙承压含水层( Ⅴ) 、第四纪底部卵石孔隙承压含水层( Ⅶ) 。针对这 3 个含水层，分别作其专题图。
( 1) 含水层水压
煤层顶板突水的实质是含水层的水头压力作用于经过多种因素影响破坏后的隔水层的失稳结果。水压越大，突水的几率也就越大。水压的大小可以用含水层水位标高表示，由于水压随时间呈动态变化，故本章分别选取近几年的含水层平均水位标高作为水压专题层图生成的依据，以此绘制出含水层水压等值线图、生成第四纪含水层水压专题图( 图 11. 9) 、5 煤含水层水压专题图( 图 11. 14) 、9 煤 ～ 7 煤含水层水压专题图( 图 11. 19) 。
( 2) 含水层渗透性
含水层渗透性可根据井下放水或地面抽( 注) 水试验资料所计算的渗透率值或渗透系数来确定。本项目选取含水层渗透系数作为含水层渗透性的量化值，以此建立了第四纪含水层渗透性专题图( 如图 11. 10) 、5 煤含水层渗透性专题图( 图 11. 15) 、9 煤 ～7 煤含水层渗透性专题图( 图 11. 20) 。
( 3) 含水层富水性。含水层富水性，可以描述成含水介质的含水性和给水性，指含水层的含水程度或释放水量的能力。顶板的含水层富水性大小将直接影响顶板突水的突水量与突水持续时间。衡量含水层富水性的指标主要有井下探水钻孔的钻孔涌水量、抽水试验获得的单位涌水量、冲洗液消耗量和岩心采区率等，其中最理想的是钻孔的单位涌水量。根据所收集到的抽水钻孔单位涌水量大小，形成了第四纪含水层富水性专题图( 如图 11. 11) ，5 煤含水层富水性专题图( 图 11. 16) ，9 煤 ～7 煤含水层富水性专题图( 图11. 21) 。
11. 2. 3. 3 隔水层条件专题图的建立
隔水层的存在可以阻止含水层的水涌入矿井，而隔水层能力与隔水层厚度、隔水层强度及岩性组合有关。
影响 9 煤顶板突水的隔水层: 第四纪底部卵石孔隙承压含水层( Ⅶ) 的底部是粉粘土层弱透水层，5 煤以上砂岩裂隙承压含水层( Ⅴ) 底部是五煤 ～ 七煤弱透水层，9 煤 ～7 煤砂岩裂隙承压含水层( Ⅳ) 底部是炭质泥岩弱透水层。
( 1) 隔水层厚度
因为隔水层不是由单一岩性的岩层组成，故必须考虑不同岩性组合对隔水能力的影响。9 煤顶板隔水层主要由泥岩和粉砂岩组成，在考虑岩性组合特征时，依据煤科院西安地勘分院总结出的等效系数，将隔水层中不同岩性的岩层厚度换算成相应的等效厚度，累加成隔水层等效厚度。在对隔水层厚度量化时，我们还考虑了导升和矿压的影响，在等效厚度基础上减去了原始导升高度和矿压破坏带厚度，依据最后累加的厚度建立了第四系底部隔水层有效厚度等值线图( 如图 11. 12) 、5 煤底部隔水层有效厚度等值线图( 图 11. 17) 、9 煤 ～7煤底部隔水层有效厚度等值线图( 图 11. 22) 。
( 2) 隔水层强度
隔水层强度由隔水层的岩性组合决定，而弹性模量 E 是代表岩性的一个主要指标，因此我们用弹性模量作为衡量隔水层强度的指标，利用隔水层中岩性分布以及其对应的弹性模量，绘制出第四系底部隔水层强度等值线专题图( 如图 11. 13) 、5 煤底部隔水层强度等值线专题图( 图 11. 18) 、9 煤 ～7 煤底部隔水层强度等值线专题图( 图 11. 23) 。
11. 2. 3. 4 开采活动专题图的建立
( 1) 开采厚度
开采厚度是破坏煤层顶板的主导因素。其专题图的生成分为两步，首先，通过钻孔资料提取 9 煤层厚度相关数据，以此为依据进行插值处理，生成 9 煤层厚度等值线图; 其次，在9 煤层厚度等值线图形成的基础上，结合荆各庄 9 煤工作面布置图，绘制出 9 煤开采厚度专题图( 图 11. 6) 。
( 2) 矿压
矿压的破坏深度取决于煤层厚度、煤层倾角、工作面斜长、开采深度和煤层顶板的岩性等因素。一般来说，开采煤层越厚、煤层倾角越大、工作面越长、开采深度越大、矿压破坏带深度越深，对顶板的破坏作用越强。根据现有资料和数据，本章采用了 9 煤顶板距离地表垂直的深度这个指标来反映矿压对顶板的破坏程度，通过钻孔资料提取相关数据，以此绘制出矿压等值线专题图( 图 11. 7) 。

图 11. 6 开采厚度专题图


图 11. 7 矿压专题图

11. 2. 3. 5 突水点专题图的建立
与其他评价方法不同，基于 BN 模型的危险性评价，不仅需要各评价指标的专题图，同时也需要建立突水点专题图。根据荆各庄地质报告及井下突点台账资料，建立相应数据文件，利用 GIS 的数据管理功能，自动生成荆各庄突水点专题图( 图 11. 8) 。

图 11. 8 突水点专题图


图 11. 9 第四纪含水层水压专题图


图 11. 10 第四纪含水层渗透性专题图


图 11. 11 第四纪含水层富水性专题图


图 11. 12 第四纪隔水层厚度专题图


图 11. 13 第四纪隔水层强度专题图


图 11. 14 5 煤含水层水压专题图


图 11. 15 5 煤含水层渗透性专题图


图 11. 16 5 煤含水层富水性专题图


图 11. 17 5 煤隔水层厚度专题图


图 11. 18 5 煤隔水层强度专题图


图 11. 19 9 煤 ～7 煤含水层水压专题图


图 11. 20 9 煤 ～7 煤含水层渗透性专题图


图 11. 21 9 煤 ～7 煤含水层富水性专题图


图 11. 22 9 煤 ～7 煤隔水层厚度专题图


图 11. 23 9 煤 ～7 煤隔水层强度专题图

11. 2. 4 属性数据库的建立
利用 GIS 的空间数据管理功能，将突水评价指标的属性数据( 量化值) 输入到计算机中生成属性数据库，并建立图形与属性数据库之间的联系。各个评价指标的专题图和它们各自的属性数据表是进行顶板突水危险性评价的基础，以供用于各评价指标专题图的复合叠加、数据的查询和统计。图 11. 24 为渗透系数专题图的属性数据库。

图 11. 24 含水层渗透性专题图的属性数据库

11. 2. 5 专题图复合叠加
一个突水评价因子专题图只包含一个因素的信息，因此，它不能满足通过一个评价模型进行多因素综合分析处理的要求。在进行多因素分析之前，首先必须进行复合叠加处理，把各个有关因素的信息存储层复合成一个信息存储层，使所生成的信息存储层中包含所有相关因素的属性信息，同时形成单一条件矢量评价单元。
针对 3 个含水层以及对应的 3 个隔水层得到 3 个叠加图层。
复合叠加分析分为以下两个步骤:
( 1) 初步叠加分析: Union 叠加分析，确定评价单元，生成初步属性表，每个含水层叠加成一个图层。
这里复合处理实质上就是把多个图层配准合成一个新的图层并重建拓扑形成新的拓扑关系属性表，利用 GIS 的空间分析功能对断层导水性、褶皱强度、含水层水压、含水层富水性、含水层渗透性、隔水层厚度、隔水层强度、开采厚度以及矿压 9 个专题图进行联合叠加分析。生成的复合图层的属性表包含了所有参与叠加处理的评价因子图层所包含的属性信息。叠加的过程如图 11. 25 所示，得到 3 个含水层的叠加图层。

图 11. 25 专题图联合叠加过程

通过对专题图进行初步复合叠加处理后，我们把新生成复合图层中的新的拓扑单元作为我们的评价单元，显然此评价单元为单一条件矢量单元。
( 2) 后续叠加分析: 空间联合叠加分析，复合断层信息与突水点信息，生成全属性空间数据库。
将断层专题图、突水点专题图与初步叠加分析生成的复合图层进行空间联合叠加分析，生成新的 3 个复合图层，在此基础上进一步统计各个评价单元内发育的断层面密度、断层性质、断层落差及是否发生过突水。最终建立 3 个属性表，每个含水层的最终复合图层对应一个属性表，如图 11. 26 所示，它包含了评价所需的全部属性信息。

图 11. 26 叠加后图层的全属性数据库

煤层顶板稳定性影响因素众多，但是不同地区差异很大，要寻找顶板稳定性评价指标，必须从其影响因素入手，可以说，指标体系的建立是在影响因素基础上提炼而成的。

7.1.1 影响煤层顶板稳定性的地质因素

7.1.1.1 煤层顶板岩性

岩性是影响煤层顶板稳定性的最基本也是最重要的因素。煤层顶板岩性几乎全为沉积岩层，极少数为岩浆岩。岩性不同，抗压强度截然不同 ( 表7.1) ，同一岩性层的抗压强度变化范围很大。例如同是细砂岩，由于矿物成分比例、胶结物成分、胶结类型不一，其抗压强度明显不同。一般地，硅质胶结的石英砂岩强度最大，岩性在直接顶板分类中起着至关重要的作用。据不完全统计，泥岩、页岩为不稳定顶板的占 67%。而砂岩、石灰岩则几乎都为稳定顶板。粉砂岩和砂质页岩之类则多为中等稳定顶板。

表7.1 不同岩性的抗压强度

不稳定型顶板的岩性往往是薄层泥质岩。如淮北海孜矿七煤顶板在东南部的不稳定区就是厚度小于 1m 的泥岩直接顶。大屯煤电公司姚桥矿 7602 工作面发生 9 起冒顶事故，有 2 起是由于泥岩顶局部冒落造成的。有的煤层是由含丰富的植物根化石的岩层组成的不稳定顶板。如美国东部某些煤层，当主采煤层和薄顶煤层间的页岩中广泛分布植物根化石时，页岩强度非常小，即使锚杆密集也无济于事。

直接顶板岩层的组合形式对稳定性也有很大影响，它是反映顶板整体性的最重要因素。这种组合形式也叫 “复合顶板”。复合顶板一般由下软上硬的不同岩性层组成。由于软硬岩层下沉不同步，软的快而硬的慢，从而导致软硬岩层 “离层”。如果顶板中间夹有一层煤线或软弱岩层，就会加快离层。如某矿 7103 工作面，煤层之上为 1m 左右页岩，再上为 1.6m 的砂页岩，其间夹 0.1～0.2m 的炭质泥岩。采掘中发生过冒顶。再如美国怀俄明州某矿 3 号煤层之上 1m 处有一薄煤层 ( 或煤线) ，多次冒顶几乎都是由于薄煤层或煤线与 3 号煤层顶板离层而致。而薄煤层缺失时，情况则截然不同。

有些顶板岩层组合中夹有砂岩透镜体，此时透镜体很容易剥离而发生冒落，尤其是透镜体的边缘部位。

事实已证明，直接顶板中的薄层砂岩往往是潜在的祸根。薄层砂岩的变形不同于其他岩层，它易造成离层而冒落。砂岩冒落的后果比粉砂岩、泥岩严重，往往呈大块岩体下落，造成人身伤亡和设备毁坏。

7.1.1.2 煤层顶板厚度

直接顶板的厚度一般为 2m 左右，但影响岩体强度的却是分层厚度。如果将顶板岩层视为梁，则悬壁梁的抗弯曲能力与分层厚度的三次方成正比，即分层厚度大 2 倍时，其抗弯能力可增加 8 倍。所以，分层厚度越大，直接顶越不容易弯曲变形，其稳定性越好。据不完全统计，在不稳定顶板中，0.1～0.3m 厚的分层厚度占 67%。

7.1.1.3 岩层的层理面

层理面其实也是一种弱面，当顶板悬空时，沿层理面易出现离层而发生顶板冒落。层理越发育，其顶板的整体性越差，因而易发生冒落。如页岩的整体性比厚层泥岩就差得多，前者易破碎，而后者则稳固些。一般认为，层面光滑的水平层理比层面粗糙不平的斜层理或波状层理更易产生离层; 岩性变化形成的层理比由植物碎片、结核等顺层分布所形成的层理更易产生离层。

7.1.1.4 地质构造

地质构造是影响煤层顶板稳定性最重要的因素，尤其是小型构造，它的出现使顶板岩层的整体性、坚固性完全破坏，强度大大减弱。需要强调的是，硬度大、厚度偏大的岩层，其破坏性大。煤矿的冒顶事故，有很多都是由于构造尤其是小断层造成的。

( 1) 小断层

小断层常常出现于顶板中尤其是脆性岩层的顶板中，落差小于煤厚的小断层，虽然对工作面布置关系不大，但对顶板的稳定性却影响很大，应特别注意。

工作面中出现小断层时，不论是正断层还是逆断层，在断层下盘靠近断层面附近最易冒顶。这时断层面为薄弱面，工作面推进时，使下盘岩层与上盘岩层 “离层”而发生冒落，有人把这种包括断层面在内的顶板也叫 “复合顶板”。

小断层走向与工作面的推进方向也有很大关系。当小断层与工作面斜交时，由于顶板被断层面分割为上、下盘两大块，其间失去了连接力，也就不存在抗弯、抗剪和抗拉的能力。因此，两盘岩体会向煤层倾向方向或老塘方向滑移，使支架失稳而产生冒落。当断层与工作面平行时，冒顶范围可能影响到整个工作面控顶区，尤其当工作面倾向煤壁时情况更为严重。因为控顶区顶板正是上述包括断层面在内的 “复合顶板”。断层面是一弱面，它可以导致上、下盘岩体离层，下盘岩体冒落。当断层走向与工作面近似垂直时，其上、下盘局部范围内都有冒顶区。断层下盘冒顶主要是由所谓 “复合顶板”中断层这一弱面起关键作用。断层面上盘冒顶主要是由于顶板向煤层倾向方向或老塘方向滑移，造成支架失稳，尤其当回柱放顶位置距断层很近 ( 一般在 5～ 8m) 时，顶板整体性更差，冒落块体更加活动，就更易发生下滑而冒落。

当工作面内出现两条以上断层时，冒顶的可能性更大。特别是当两条断层的倾向相反组成地垒时，在两断层面之间更易发生冒顶。例如某矿某工作面直接顶为页岩，厚2m，往上为3m厚的砂岩，倾角20°。平行运输巷遇一正断层F₁，倾角30°，H=2m。工作面14m处又有一正断层F₂，倾角45°，H=1.5m。工作面回采后，初次放顶期间，首先从工作面下端冒顶，继而14m以下部分全部推垮，造成重大事故(图7.1)。

图7.1 某矿某工作面运输巷由于断层存在导致冒顶事故

(2)裂隙

顶板中出现裂隙的多少，直接反映其整体性和坚固性。在直接顶板分类中，把裂隙作为计算强度指数的系数之一。一般以在回采巷道内测得最发育的一组裂隙间距为基准，以具代表性的10～15个观测数据的平均值作为计算指标。但要注意不要把采动形成的裂隙统计在内。据不完全统计，在不稳定顶板中，裂隙间距为0.3m以下的占75%以上。所以，裂隙越发育，密度越大。其间距越小，顶板的稳定性就越差，冒落的可能性就越大。事实上，许多局部冒顶事故都与裂隙密切相关。

例如，当两裂隙面倾向相反时，造成中间岩体呈“A”字形(图7.2(a))，煤采出后最易造成局部冒顶。有的顶板裂隙成弧形，使岩体像一顶草帽盖在煤层之上，称为“草帽裂隙”(图7.2(b))。有的裂隙使岩体像大锅一样支在煤层之上，称为“锅底状裂隙”(图7.2(c))。这些裂隙都有可能造成局部冒顶。锅底状裂隙先是在边缘发生局部冒顶，而后整个“锅”下落，如措施不力，将会压垮支架，造成大冒顶事故。有的顶板被四周裂隙切割成六面体或菱面体的“游离岩块”，当这种游离岩块悬空时，可能造成局部冒顶，特别是当游离岩块厚度为1m左右的硬砂岩时，其危害更大。

图7.2 顶板裂隙与冒顶的关系(据毕华照，1991)

当裂隙面倾向煤壁时，回采空间淋水增大，使工作条件变劣，降低顶板岩石强度，并使支架经受侧向推力，易造成冒顶。当裂隙面倾向采空区时，顶板将缓慢下沉，冒顶事故少，但片帮严重。

( 3) 褶曲

小褶曲对顶板稳定性也有较大影响。一般认为小褶曲的轴部裂隙发育，易造成局部冒顶。当工作面经过向斜时，由于顶板岩层下沉极易离层，或下沉产生张裂隙，从而导致顶板冒落。工作面推过褶曲时，时而采上坡，时而采下坡，造成顶板管理非常困难。采下坡时，采空区垮落岩石可能冲向工作面，撞倒支架，引起冒顶。当回采巷道位于向斜轴部时，由于压应力集中，顶板极易冒落，管理更为困难。但回采巷道如果位于背斜的轴部，由于上拱作用，顶板不易冒落。

( 4) 倾角及其变化

顶板岩层倾角的变化程度也反映顶板破坏程度。有两种区域: 一是倾角相对变化较大的区域; 二是相邻控制点的倾角变化无规律的区域。这两种情况都可能反映顶板岩层发生了断裂或揉皱。总之，岩层整体性、坚固性发生了变化，其强度被大大减弱。因此，上述两种区域的煤层顶板稳定性较差，须特别提防。若煤层倾角较大，直接顶破碎，则顶板岩体易向下滑移，造成局部冒顶。从而使支架失稳，导致工作面压垮。

7.1.1.5 冲刷、相变

在后生冲刷的边缘，由于冲刷体与原顶板岩体粘结力弱，易离层，往往是顶板冒落的潜在危险区; 在顶板相变边缘地带，易发生顶板冒落区，这些冒落区的范围，可以通过对直接顶板岩性分布的分析确定。

7.1.1.6 水文地质条件

水文地质条件对顶板稳定性也有一定影响，其中影响最大的是粘土岩顶板。当岩层中含有遇水易膨胀的粘土矿物 ( 如蒙脱石、伊利石等) 时，矿物晶胞间吸收水分子造成“粒内膨胀”，以及矿物颗粒扩散厚度增大造成 “粒内膨胀”，最终导致岩层发生膨胀，使其与其他岩层发生剥离而造成顶板冒落。若顶板为软硬相间的层状岩体，尤其是为上硬下软顶板时表现更为突出，因硬岩层易产生裂隙，透水性好，而软岩层透水性差 ( 或不透水) ，这样，地下水易在两个岩层面之间富集，使软岩层大量吸水软化，削弱了其坚固性。发生膨胀后，易离层而造成顶板冒落。

考虑水文地质条件时，主要注意下列因素: ①矿物成分及含量，具有膨胀性的矿物遇水后才能发生膨胀，而粘土矿物含量在达到一定比例时，才能表现出显著的膨胀性; ②胶结物及胶结程度，显然，泥质胶结的岩石最易发生膨胀，实验表明，钙质的存在，削弱了岩石的膨胀性，胶结程度越高的岩石，其膨胀率较小; ③含水层、隔水层与顶板的相对位置，这种情况较为复杂，要对具体情况做具体分析。一般含水层离顶板较远，或有隔水层隔离时，影响小。

7.1.1.7 顶板上覆岩层厚度

顶板上覆岩层的厚度越大，其压力越大，顶板的稳定性就越差。美国犹他州某矿就发现，顶板塌落的次数随覆盖层厚度的增加而增加。顶板塌落出现的高百分率位置在厚度接近或超过 600m 的覆盖层下。

7.1.2 指标体系的建立

顶板稳定性评价因素至今在国内仍没有一个完整的指标体系，不同区域根据不同的现实情况采用不同指标进行评价。在选择指标时应根据以下原则: 所选的评选指标应便于实际操作; 应全面反映目标煤矿生产能力; 应能反映煤矿可持续发展能力; 所选指标应具有可比性。

根据山东龙固井田实际的区域情况，选择四大类指标来评价 3 煤层顶板稳定性，即:顶板沉积条件、构造展布、岩性力学性质、其他因素 ( 地震、开采技术) ，每一大类指标又包括若干个指标，共 11 个具体的指标，如图7.3 所示。其中，顶板沉积条件分析主要从岩层组合方式、岩性及层理等 3 个方面进行评价，顶板构造等方面主要从区域构造展布、小构造分布、强岩层效应值以及结构面发育情况进行研究，岩石岩性力学分析主要从结构面发育情况、岩石力学指标及岩石物理性质等因素进行分析，其他因素诸如地震、开采技术条件等应该根据实际情况进行研究。总之，煤层顶板稳定性影响因素繁多，从力学角度、沉积角度等多个方面进行指标综合分析是解决某一个具体问题的关键。

图7.3 顶板稳定性影响因素的递阶层次模型

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