近距離煤層采空區(qū)下工作面頂板壓力的控制

李志海

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 ，山西 興縣 033600）

0 引言

近年來，隨著煤炭資源的高強(qiáng)度開采，很多賦存條件較好的煤層已接近枯竭，由于近距離煤層在我國分布十分廣泛，因此對近距離煤層的開采成為很多礦區(qū)的必然選擇。與單一煤層開采不同，近距離下煤層開采時(shí)，由于上部煤層已經(jīng)回采完畢，下煤層位于采空區(qū)下，其頂板結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，并且，由于煤層賦存條件、層間距、層間巖層巖性等因素的不同，近距離煤層采空區(qū)下工作面的礦壓顯現(xiàn)特征也有很大的不同，給工作面的頂板控制帶來一定困難[1]。因此，本文以西銘礦43108工作面實(shí)際地質(zhì)條件為工程背景，對工作面頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，并計(jì)算得到工作面頂板壓力，為工作面頂板控制提供理論依據(jù)。

1 工作面概況

西銘礦屬于西山煤電集團(tuán)旗下主力礦井，位于山西省太原市，年生產(chǎn)能力為360萬t/a。礦井可采煤層包括2號(hào)、3號(hào)、8號(hào)和9號(hào)煤層，43108工作面1018水平西十一采區(qū)右翼，工作面主采3號(hào)煤層，采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法。煤層厚度為1.30～2.80m，平均 2.37m，煤層傾角為 2°～8°，平均5°，工作面走向長度為1315m，傾斜長度為184m，蓋山厚度121～328m，平均220m。該工作面上覆2號(hào)煤層工作面均已回采，2號(hào)煤層與3號(hào)煤層間距9～17m，平均12.15m，層間巖層巖性以頁巖、砂紙頁巖和中粒砂巖為主。

2 工作面頂板結(jié)構(gòu)

2.1 頂板結(jié)構(gòu)分類

根據(jù)層間巖層厚度和煤層采高等條件，可將工作面頂板結(jié)構(gòu)分為以下三類[2]：

1）原生頂板結(jié)構(gòu)。原生頂板結(jié)構(gòu)是指開采單一煤層時(shí)的頂板結(jié)構(gòu)，是工作面頂板上部沒有采空區(qū)的情況。此時(shí)，工作面直接頂和基本的保持原生巖層結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖1所示。

圖1 原生頂板結(jié)構(gòu)示意圖

2）類原生頂板結(jié)構(gòu)。類原生頂板結(jié)構(gòu)與原生頂板結(jié)構(gòu)類似，是指工作面上部雖然存在采空區(qū)，但是采空區(qū)與工作面的距離較遠(yuǎn)，工作面基本頂上部仍有較厚的巖層，煤層開采時(shí)，受采空區(qū)的影響極小，可以忽略不計(jì)。其頂板結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3）次生頂板結(jié)構(gòu)。次生頂板結(jié)構(gòu)是指工作面上部存在采空區(qū)，且采空區(qū)與工作面之間的距離較近，下部煤層開采時(shí)，受采空區(qū)影響較大，工作面頂板壓力與單一煤層開采相比有較大差別。其頂板結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 次生頂板結(jié)構(gòu)

2.2 確定頂板結(jié)構(gòu)

由礦井實(shí)際生產(chǎn)條件可知，43108工作面的煤層厚度為1.30～2.80m，平均2.37m，利用傳遞巖梁理論，考慮基本頂巖梁的彎曲下沉，則工作面的直接頂厚度為[3]：

式中：Hz為工作面直接頂高度，m；M為工作面煤層采高，取2.37m；η為工作面回采率，取0.95；SA為工作面基本頂巖層沉降值，取0.2M=0.474m；KA為采空區(qū)冒落巖層的碎漲系數(shù)，取1.3。

將數(shù)據(jù)代入，可得工作面直接頂厚度為Hz=5.925m，根據(jù)工作面實(shí)際地質(zhì)資料，可知工作面直接頂應(yīng)為0.8m厚的頁巖和4.9m厚的砂紙頁巖，其基本頂為4.6m厚的中粒砂巖。因此，可知43108工作面基本頂上部邊界與2號(hào)煤層采空區(qū)之間的距離僅為1.85m，由此可以判斷工作面頂板結(jié)構(gòu)為次生頂板結(jié)構(gòu)。

3 確定頂板壓力

3.1 理論計(jì)算

若假設(shè)43108工作面頂板為原生頂板結(jié)構(gòu)，即工作面上部沒有采空區(qū)，則此時(shí)頂板來壓期間工作面頂板壓力為：

式中：pT為來壓期間工作面頂板壓力，MPa；A為工作面直接頂壓力，MPa；pE為工作面基本頂壓力，MPa。

直接頂壓力為：

式中：Hz1為工作面實(shí)際直接頂厚度，取5.7m；γz為直接頂巖層平均容重，取24kN/m3；fz為直接頂懸頂系數(shù)，取2.53。

式中：HE為工作面基本頂厚度，取4.6m；γE為基本頂巖層平均容重，取24kN/m3；c為基本頂周期來壓步距，根據(jù)鄰近工作面實(shí)測數(shù)據(jù)，取12m；KT為基本頂巖重分配系數(shù)，取2；LK為工作面控頂距，取4.23m。

根據(jù)以上分析，將數(shù)據(jù)代入，可得43108工作面直接頂壓力為A=0.35MPa，基本頂壓力pE=0.16MPa。頂板壓力pT=0.51MPa。

3.2 附加載荷計(jì)算

在以上分析中，沒有考慮上部采空區(qū)對工作面的影響，但根據(jù)煤層實(shí)際賦存條件，工作面上部12.15m處即為2號(hào)煤層采空區(qū)，根據(jù)以往開采經(jīng)驗(yàn)[4]，此煤層間距較近，導(dǎo)致下煤層開采時(shí)，一定會(huì)受到上煤層采空區(qū)的影響。并且，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，在工作面來壓期間頂板壓力約為0.74MPa，是理論計(jì)算值0.51MPa的1.45倍，由此可知，43108工作面上部采空區(qū)對工作面頂板產(chǎn)生了附加載荷，不能簡單的根據(jù)原生頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

43108工作面上部2號(hào)煤層厚度平均為1.85m，其附加載荷主要就是2號(hào)煤層采空區(qū)內(nèi)垮落矸石的重量。與原生頂板結(jié)構(gòu)不同，次生頂板結(jié)構(gòu)下上方采空區(qū)內(nèi)的矸石重量不僅由工作面前方煤壁和后方采空區(qū)矸石承受，還會(huì)有部分載荷施加至下方工作面支架上。

工作面上的附加載荷大小即為頂板壓力實(shí)測數(shù)值和理論計(jì)算值之間的差值，即

式中：pf為工作面頂板附加載荷的大小，MPa；pT1為工作面頂板壓力實(shí)測值，取0.74MPa；其余符號(hào)含義與前面相同。

將數(shù)據(jù)代入式（5），可得工作面頂板附加載荷pf=0.23MPa。

工作面頂板壓力附加系數(shù)是指下方工作面頂板附加載荷與上覆工作面采空區(qū)采高之間的比值，其表達(dá)式為：

式中：T為工作面頂板壓力附加系數(shù)；M1為上部2號(hào)煤層平均厚度，取1.85m；γ1為上部2號(hào)煤層頂板巖層平均容重，取24kN/m3；其余符號(hào)含義與前面相同。

將數(shù)據(jù)代入，可得工作面頂板壓力附加系數(shù)T=5.18。

通過計(jì)算結(jié)果，可知工作面頂板壓力的附加系數(shù)為5.18，即附加載荷為5.18倍的2號(hào)煤層采高巖重，約為上部2號(hào)煤層直接頂巖層的容重。

3.3 支架選型驗(yàn)算

在礦井生產(chǎn)實(shí)際中，43108工作面選擇ZY5000－12/28型兩柱掩護(hù)式液壓支架，其主要參數(shù)見表1。

在工作面生產(chǎn)過程中，該面采用跟頂跟底進(jìn)行開采，最大采高2.6m，最小采高1.6m，平均采高2.37m。當(dāng)工作面煤層厚度＞2.6m時(shí)，采用跟頂留底進(jìn)行開采。由表1可知，工作面支架高度為1.2～2.8m，滿足生產(chǎn)需求。

由前面分析可知，在工作面來壓期間，煤層頂板壓力約為0.74MPa，而ZY5000－12/28型液壓支架支護(hù)強(qiáng)度為0.75MPa，滿足生產(chǎn)需求。

由此可知，ZY5000－12/28型液壓支架可以滿足礦井的生產(chǎn)需求，且在實(shí)際生產(chǎn)中，使用該型支架能夠在回采期間保障工作面頂板穩(wěn)定，效果良好，為礦井安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

針對西銘礦采空區(qū)下43108工作面實(shí)際賦存條件，對工作面頂板壓力進(jìn)行合理研究，得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)煤層間距和煤層厚度等條件的不同，可將采空區(qū)下煤層頂板分為原生頂板、類原生頂板和次生頂板三種結(jié)構(gòu)；

2）與原生頂板和類原生頂板不同，次生頂板結(jié)構(gòu)時(shí)，不僅承受直接頂和基本頂所施加的載荷，還要承受上覆采空區(qū)矸石所施加的附加載荷，附加載荷大小約為上煤層直接頂?shù)闹亓浚?/p>

3）根據(jù)工作面煤層賦存條件和頂板強(qiáng)度，對ZY5000－12/28型液壓支架進(jìn)行合理驗(yàn)算，結(jié)果表明該型支架完全滿足生產(chǎn)需求，且在實(shí)際應(yīng)用中效果良好。