煤礦分層開采時(shí)的礦壓顯現(xiàn)與頂板管理

楊發(fā)軍

【摘 要】資源是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根本，煤炭資源的有效開采是當(dāng)今社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，很多煤礦企業(yè)在進(jìn)行資源開采之前不做任何的調(diào)查與研究，資源開采過程中使用的開采技術(shù)落后，開采的煤炭質(zhì)量不高、產(chǎn)量不高。那么，如何有效地解決上述問題，分層開采技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。所謂分層開采，就是當(dāng)煤層很厚時(shí)，將煤層分成若干層，一般為2層或3層，分別進(jìn)行開采。此外，煤炭資源開采必須以安全、高效為主要目標(biāo)，采用分層開采技術(shù)能提高煤炭產(chǎn)業(yè)的安全性。文章主要對煤礦分層開采時(shí)的礦壓顯現(xiàn)與頂板管理做出以下淺析。

【關(guān)鍵詞】煤礦；分層開采；礦壓顯現(xiàn)；頂板管理

【中圖分類號】TD322 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）10-0084-03

在煤礦開采之前，煤礦中的巖石經(jīng)過長年的累積，形成了一種平衡狀態(tài)，而當(dāng)對煤礦進(jìn)行開采時(shí)，形成了地下空間，打破了原來巖石之間的原始引力，是巖體之間的應(yīng)力重新分布，并且要再次達(dá)到新的相對平衡為止。在應(yīng)力重新分布時(shí)，圍巖不斷變形、移動(dòng)、破壞，對工作面、巷道及圍巖產(chǎn)生壓力，增加了開采工作的難度。我們通常將開采過程中由于巖石變形等引起的應(yīng)力而對支架圍巖所產(chǎn)生的作用力，稱之為礦壓。

1 何為頂板管理

為保障安全生產(chǎn)和職工的人身安全，防止頂板事故，河南能源化工集團(tuán)新疆投資控股有限公司根據(jù)《集團(tuán)公司頂板管理實(shí)施細(xì)則》和《集團(tuán)公司安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化檢查考核辦法》制定了煤礦開采規(guī)定。

頂板管理方法因頂板的性質(zhì)不同而不同，與煤層的厚度也有直接的關(guān)系，根據(jù)頂板的性質(zhì)與煤層的厚度，頂板管理通常采用以下4個(gè)方法。

（1）垮落法（陷落法）：就是在工作面不斷向前推進(jìn)的過程中，把工作面中接近采空區(qū)的支架支護(hù)去掉，讓直接頂通過自身的重力自己垮落，或者人為地讓其垮落，也就是我們常說的回柱放頂。垮落下來的巖塊、碎石等將采空區(qū)充填滿，以此來減小工作面頂板的壓力和降低開采難度。

（2）充填法：由地面或井下把充填材料（砂礫、碎石等）送到工作面，充填采空區(qū)支撐頂板，不讓它垮落。

（3）煤柱支撐法：工作面推進(jìn)一定距離后，在采空區(qū)內(nèi)適當(dāng)?shù)亓粝乱欢▽挾鹊拿褐雾敯?。適用于頂板巖石特別堅(jiān)硬、人工強(qiáng)制放頂也很難垮落的頂板條件。

（4）緩慢下沉法。有一種頂板巖層韌性較大，回柱后頂板巖層能不垮落而完全下沉，直到與底板自然合攏。適用于薄煤層工作面。

一些厚度比較厚而無法進(jìn)行一次性采全高的煤層，一般都采用分層開采的辦法，由于采煤方法不同，分層開采分為上行開采即開采順序是由底板向頂板方向，下行開采即開采順序是由頂板向底板方向。由于厚煤層開采具有自身特點(diǎn)，所以礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和頂板管理方法應(yīng)有所不同?，F(xiàn)就對此問題進(jìn)行以下分析。

2 下行開采時(shí)的礦壓顯現(xiàn)與頂板管理

下層開采一般采用煤柱支撐法，第一層的礦壓顯現(xiàn)和頂板管理方法與單一煤層開采時(shí)的礦壓顯現(xiàn)與管理方法區(qū)別不大。比如：河南能源化工集團(tuán)新疆投資控股有限公司拜城縣眾維煤業(yè)有限公司某開采項(xiàng)目第一層工作面地面對應(yīng)位置為天山南麓低山帶，地面無建筑物。工作面掘進(jìn)及回采對地表沒有任何影響，所以開采第一層時(shí)的礦壓顯現(xiàn)和頂板管理方法仍采用單一煤層開采時(shí)的礦壓顯現(xiàn)與管理方法。但是，進(jìn)行第二分層開采工作時(shí)，工作面頂板是第一個(gè)分層回采，它是冒落的破碎巖塊及上下分層間粉砂巖，間距較小，給頂板管理帶來了困難。因此，進(jìn)行下行開采時(shí)，在第二個(gè)分層及以下分層為避免第一分層破碎巖塊冒落，需采取特殊支護(hù)。以前采用的是媒皮護(hù)頂?shù)姆椒?，但這種方法造成了大量煤炭資源的浪費(fèi)，同時(shí)無法有效保證作業(yè)人員的安全和生產(chǎn)安全，與頂板管理制度中的安全生產(chǎn)要求不符，所以要用金屬網(wǎng)代替媒皮進(jìn)行頂板護(hù)理。

在進(jìn)行第一層煤礦開采時(shí)，難度并不是很大，但越往下開采，難度會(huì)隨著開采工作面深度的增加而增加。在第二層煤礦開采時(shí)，頂板已經(jīng)經(jīng)過一次壓實(shí)，在第二層又要進(jìn)行一次壓實(shí)，其冒落帶的高度比回采第一層高。

厚而堅(jiān)硬的巖石，其冒落帶的高度變化不會(huì)很大，在進(jìn)行第一層煤礦開采時(shí)，其礦壓顯現(xiàn)可能比較明顯，但在進(jìn)行第二層煤礦開采時(shí)，礦壓可能會(huì)減弱，當(dāng)然也會(huì)有礦壓增加的情況。現(xiàn)就下層煤礦開采時(shí)的礦壓顯現(xiàn)做幾點(diǎn)總結(jié)。

（1）采場支架載荷較小。所謂采場支架就是通過直接頂、老頂、直接巖層頂?shù)确绞綄ΦV壓顯現(xiàn)進(jìn)行防護(hù)的方式，它主要有2個(gè)特性：{1}必須具備一定的可縮量；{2}必須具備一定的支撐性能，即一定的支撐阻力。

（2）基本頂初次來壓步距較小，強(qiáng)度較低?；卷敵醮纹屏言诓擅汗ぷ髅嬉鸬牡V壓顯現(xiàn)叫初次來壓。基本頂由于巖層較厚而比較堅(jiān)硬，能位置占很大面積，一旦垮落，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈或極強(qiáng)烈。從開始切的第一步到基本頂?shù)墓ぷ髅娴某醮蝸韷簳r(shí)，與工作面切頂線之間的距離稱之為初次來壓步距。

（3）頂板下沉量變化較大。通常是指煤層的煤壁到采空區(qū)邊緣暴露出來的頂板的相對移近量。在工作面不斷推進(jìn)的過程中，頂?shù)装咫S著工作面的移動(dòng)而不斷移近。緩斜及其工作面的頂?shù)装宓墓钠鹆肯鄬^小，可以忽略不計(jì)，將頂?shù)装宓囊平糠Q為頂板下沉量。

以河南能源化工集團(tuán)新疆投資控股有限公司拜城縣眾維煤業(yè)有限公司煤礦為例：12032采煤工作面為下行開采，該工作面與上部采空區(qū)間距較小，該工作面下順槽采用內(nèi)錯(cuò)布置在采空區(qū)下方，與原工作面順槽預(yù)留5 m煤柱，由于上部為已壓實(shí)的破碎矸石，巷道施工過程中無明顯壓力顯現(xiàn)的情況。

12032工作面為弱含水煤層，工作面水源主要來自頂板砂巖裂隙水。受采動(dòng)影響，頂板垮落后，產(chǎn)生大量裂隙溝通含水層，含水層水沿裂隙涌入工作面，成為采空區(qū)老空積水補(bǔ)給源，Ⅳ13煤層頂板巖體整體質(zhì)量指標(biāo)為中等，但煤層頂?shù)装迳皫r多為泥硅質(zhì)膠結(jié)，水的浸潤導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度降低，易出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，因此在開采過程中除應(yīng)重視裂隙發(fā)育地段及斷裂破碎帶的支護(hù)外，更應(yīng)注意巷內(nèi)的排水，以避免不良工程地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)生。

在施工期間，應(yīng)注重安全生產(chǎn)，在施工前，主要負(fù)責(zé)人應(yīng)先對施工場所進(jìn)行嚴(yán)格的排查，確保施工時(shí)的安全，所有支架必須牢固，并且具有防倒柱措施。工作人員應(yīng)先對采煤場所進(jìn)行一次嚴(yán)格的調(diào)查，對其地質(zhì)有一個(gè)詳細(xì)的掌握，確保施工場所和工作人員的安全。

3 上行開采時(shí)的礦壓顯現(xiàn)與頂板管理

上行開采不同于單一煤層開采，也不同于下行煤層開采，在開采時(shí)一般用填充法處理采空區(qū)，上行開采時(shí)的第二層及以上各層均是以協(xié)議分層的填充為底板，上行開采有自身獨(dú)特的特點(diǎn)。

3.1 支架載荷

上行開采是由下向上開采，因此第一層煤礦開采的壓力最大，所以此時(shí)的支架載荷是最大的，但又因?yàn)槊簩雍穸炔煌?，其結(jié)構(gòu)也各不相同，支架所承受的載荷也不同。因此，將上行開采時(shí)的支架載荷分為3個(gè)部分，即第一層支架載荷、第二層支架載荷、第三層支架載荷，探討上行開采時(shí)的礦壓顯現(xiàn)與頂板管理。

（1）第一層支架載荷。因第一層煤層是靠近基本層最近的煤層，要最先打破原本的地質(zhì)平衡，造成其頂板壓力與支架載荷最大，所以其支架載荷較大。以河南能源化工集團(tuán)新疆投資控股有限公司拜城縣眾維煤業(yè)有限公司的煤礦為例：Ⅳ13煤層煤質(zhì)為低灰分、特低硫、特低磷、高熱值瘦煤、焦煤，為一級含砷煤，其基本頂厚度大概在24.9 m，主要為含炭泥質(zhì)粉砂巖，該煤層厚度變化不大，堅(jiān)固性系數(shù)f=0.98，施工過程中礦壓顯現(xiàn)比較明顯，偶有頂板離層、巷幫變形現(xiàn)象，因此在第一層一般采用較大初撐力支架以保護(hù)頂板支護(hù)質(zhì)量。在第一層支架支護(hù)開采時(shí)要特別謹(jǐn)慎，確保第一步開采工作順利實(shí)施。

（2）第二層支架載荷。因第一層支架支護(hù)時(shí)的地質(zhì)達(dá)到了一個(gè)短暫的相對平衡，所以其支架載荷不是很大，此時(shí)可適當(dāng)降低支護(hù)密度，但是支護(hù)密度不能過大，否則會(huì)降低工作的安全性，容易造成事故。

（3）第三層支架載荷。對由第二層支架支護(hù)達(dá)到的短暫的相對平衡又進(jìn)行了一次破壞，造成其頂板活動(dòng)不穩(wěn)定，所以第三層支架載荷也隨著頂板活動(dòng)的加劇而增加，此時(shí)支架之間的間距應(yīng)是與第一層支架之間的間距一樣，坑木直徑也應(yīng)相同。

在進(jìn)行支架支護(hù)時(shí)，要確保支架的穩(wěn)定性、牢固性，確保所有工作萬無一失。

3.2 頂板完整情況

上行開采時(shí)，單一煤層與厚度不同的煤層的頂板完整情況是不同的，單一煤層的頂板完整不僅要求工作面完整，也要求采空區(qū)側(cè)頂板面完整，而厚度不同的煤層僅僅要求其工作面完整。

3.3 工作面的老頂來壓

老頂?shù)某醮蝸韷菏侵冈诠ぷ髅嬷苯禹斂迓浜螅享敯l(fā)生第一次斷裂并隨之發(fā)生回轉(zhuǎn)，由此而導(dǎo)致其工作面頂板加速下沉的過程，工作面頂板出現(xiàn)大量的來壓現(xiàn)象，稱之為老頂?shù)某醮蝸韷?。表現(xiàn)為老頂一般都不會(huì)垮落，但是當(dāng)老頂斷裂時(shí)，對工作面的影響是比較明顯的，因直接頂板的加速下沉，導(dǎo)致其支架載荷也隨之加速增加。

具體情況應(yīng)根據(jù)地質(zhì)、煤層厚度、結(jié)構(gòu)的不同而改變，不能按一種方式進(jìn)行不同煤礦的開采。

4 結(jié)語

煤炭資源一直是人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要資源，煤炭資源的開采也越來越需要先進(jìn)技術(shù)的輔助，以確保煤炭資源的有效開采。在保證煤礦質(zhì)量的前提下，還要確保其生產(chǎn)效率。同時(shí)，安全生產(chǎn)是資源開采改革要求的目標(biāo)之一，確保施工安全、工作環(huán)境安全是煤炭資源開采應(yīng)高度重視的工作內(nèi)容。資源開采應(yīng)在科技手段的運(yùn)用下創(chuàng)造一個(gè)安全、高效的工作環(huán)境。

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]