淺埋煤層礦山壓力特點(diǎn)與支護(hù)技術(shù)

王雁峰

【摘 要】礦山壓力是由于工作面巖層被開(kāi)采，導(dǎo)致上覆巖層破斷引起。了解礦山壓力的特點(diǎn)與規(guī)律，可以更好地選擇工作面支架的支撐力，提高工作面回采速率，提高煤礦產(chǎn)量，增加企業(yè)收入，對(duì)于煤礦開(kāi)采有重要的意義。

【Abstract】The mine pressure is caused by the overlying strata breaking due to the working face strata are mined. Knowing the characteristics and rules of mine pressure can help to choose the support force of working face support better， improve the mining rate of working face， increase the output of coal mine and increase the income of enterprise， which is of great significance for coal mining.

【關(guān)鍵詞】淺埋煤層；礦山壓力；特點(diǎn)

【Keywords】shallow buried coal seam； mine pressure； characteristics

【中圖分類號(hào)】TD31 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）04-0169-02

1 引言

相較于其他一次能源，煤炭資源在我國(guó)儲(chǔ)量豐富，屬于主體能源，即使未來(lái)幾十年，也是主要的一次能源。淺埋煤田在全世界都有分布，但主要分布在中國(guó)、美國(guó)和俄羅斯。一般認(rèn)為埋藏深度在100m左右的煤層為淺埋煤層，其地面一般為表土層。與國(guó)外淺埋煤層相比，我國(guó)西部淺埋煤層主要特點(diǎn)就是煤層上部地表土層松軟，煤層傾角小，主要為近水平煤層。相較于其他深度的煤層，開(kāi)采淺埋煤層時(shí)，容易引起地表沉陷，礦山壓力大且難以控制。

2 礦山壓力顯現(xiàn)的基本規(guī)律

針對(duì)礦山壓力研究，主要有砌體梁理論，該理論由錢(qián)鳴高院士在20世紀(jì)80年代提出，并得到了廣泛的應(yīng)用[1]。然后繼續(xù)發(fā)展為“關(guān)鍵層理論”，“關(guān)鍵層理論”認(rèn)為：在煤系地層中，由于巖層經(jīng)歷的地質(zhì)歷史不同，形成了層厚和地質(zhì)力學(xué)特性各不相同的巖層，在煤層的上覆巖層中，一些硬度較高的厚巖層對(duì)其他層位的巖層變形破壞有著較強(qiáng)的控制作用，這些控制巖層就被稱為關(guān)鍵層。當(dāng)煤礦采場(chǎng)上覆巖層中存在多個(gè)關(guān)鍵層時(shí)，會(huì)把其中起到主要作用的巖層作為主關(guān)鍵層，其他被稱為亞臨界層。

2.1 礦山壓力顯現(xiàn)程度常見(jiàn)指標(biāo)

工作面是處于地層大結(jié)構(gòu)中的小結(jié)構(gòu)，大結(jié)構(gòu)的變形會(huì)影響小結(jié)構(gòu)的變形，通過(guò)觀測(cè)小結(jié)構(gòu)的變形就可以推斷出大結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。礦壓大小主要由以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行觀測(cè)和鑒別：

①頂板下沉速度：是工作面頂板向采空區(qū)自由空間移動(dòng)的速度，也就是單位時(shí)間內(nèi)的頂板下沉量。

②頂板下沉量：一般指煤壁到采空區(qū)部分的頂板向自由空間的移近量。有時(shí)會(huì)和工作面的推進(jìn)量進(jìn)行對(duì)比，將工作面每推進(jìn)1m距離的頂板下沉距離作為頂板下沉量。

③支柱變形與破壞程度：在老頂破斷回轉(zhuǎn)過(guò)程中，工作面頂板將過(guò)高的壓力傳遞到工作面支架的支柱上，此時(shí)支柱的柱帽會(huì)產(chǎn)生明顯的變形甚至破壞。

④頂板破碎情況：冒頂面積占頂板管理總面積的百分比，是衡量頂板管理好壞的重要指標(biāo)。

⑤局部冒頂：采礦工作面的向下破碎冒落，在一定范圍內(nèi)形成空腔導(dǎo)致局部坍塌，嚴(yán)重時(shí)會(huì)阻礙工作面的進(jìn)尺。

⑥大面積：是指回采工作面頂板沿這煤壁上邊緣整體切落，導(dǎo)致整個(gè)頂板壓到液壓支架上，對(duì)工作面造成嚴(yán)重的影響。

2.2 老頂初次來(lái)壓與周期來(lái)壓

隨著工作面向前推進(jìn)，老頂巖層由簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，逐漸變?yōu)閼冶哿航Y(jié)構(gòu)，后由于內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育導(dǎo)致巖層破斷失穩(wěn)。在此過(guò)程中，老頂?shù)牡谝淮纹茢啾环Q為初次來(lái)壓。礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度一般隨著老頂跨度增加而增強(qiáng)，在這種周而復(fù)始的工程中，每當(dāng)老頂失穩(wěn)就會(huì)對(duì)工作面產(chǎn)生壓力。這種周而復(fù)始的頂板來(lái)壓現(xiàn)象稱為工作面頂板的周期來(lái)壓。

一般情況下，老頂初次來(lái)壓和周期來(lái)壓的顯現(xiàn)強(qiáng)度受到老頂巖層結(jié)構(gòu)的影響，是由幾層巖層共同作用的結(jié)果，也與工作面支架的布置、選型、開(kāi)采計(jì)劃和采空區(qū)破碎巖體的堆積程度相關(guān)。

3 淺埋煤層礦山壓力特點(diǎn)

在我國(guó)，井工煤礦遇到的問(wèn)題，大部分是由于采用長(zhǎng)臂開(kāi)采方法引起圍巖活動(dòng)導(dǎo)致的地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題。但隨著深度的不同，這些問(wèn)題會(huì)呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)和不同的原理。根據(jù)煤層埋藏深度，依次將其劃分為：露天煤層、淺埋煤層、淺部煤層和深部煤層[2]。

某礦4206工作面頂板巖性為粉砂巖或砂質(zhì)泥巖，底板巖性為砂質(zhì)泥巖。該工作面煤層埋藏深度66～106m，為淺埋煤層，與上部的3-1煤層間距28～77m，平均69.25m。與下部的5-1煤層間距24.52～39.15m，平均31.95m。

礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，此工作面的礦壓顯現(xiàn)有以下顯著特征[3]：①頂板和地表活動(dòng)具有同時(shí)性，即上覆巖層破斷垮落時(shí)，上覆表土層會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)向下陷落；②工作面支架支撐阻力較小時(shí)，頂板下速度快，下沉量大，頂板的變形數(shù)據(jù)曲線具有明顯的分階段平臺(tái)形狀；③工作面液壓支架支承阻力較高時(shí)，頂板下沉量會(huì)減小，但會(huì)沿著支架后方切落；④礦壓來(lái)壓速度快，顯現(xiàn)時(shí)間短，與深部的準(zhǔn)靜壓相比，具有明顯的動(dòng)壓特征；⑤相對(duì)于地表深度在85～110m時(shí)，工作面來(lái)壓量最大，臺(tái)階下沉量在180～280mm，但當(dāng)工作面老頂巖層較厚時(shí)，不同深度的工作面來(lái)壓差別趨于相同。

4 淺埋煤層工作面維護(hù)改進(jìn)

4.1 選擇合適支架工作阻力

選擇合理的支架型號(hào)與初撐阻力，使工作面支架與圍巖有良好的耦合關(guān)系，這是決定支架成敗的關(guān)鍵因素之一[4]。針對(duì)某礦4206工作面礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)，選用ZY6600/18/37型兩柱式掩護(hù)支架，該液壓支架的額定工作阻力為6600kN，大于計(jì)算的液壓支架工作阻力3328.7kN，支護(hù)高度1.8～3.7m，滿足2.3m采高。

4.2 選擇適合的支架結(jié)構(gòu)

支架的結(jié)構(gòu)主要包括：?jiǎn)误w立柱，頂梁和底座等部件，選擇合適的尺寸可以便于支架的運(yùn)輸、安裝和拆解；減少支架對(duì)頂板反復(fù)支撐的次數(shù)，減小支架對(duì)頂板的破壞；支架動(dòng)作簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化電液配套，增加支架的移架速度；增大支架對(duì)工作面煤壁的支護(hù)力，有利于維護(hù)頂板的完整性，使其更適合工作面的設(shè)計(jì)。

4.3 選擇合適的平衡千斤頂

平衡千斤頂是兩柱掩護(hù)式液壓支架的重要部件，它的型號(hào)是否與支架匹配，決定支架的性能，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①調(diào)節(jié)支架頂梁與頂板的耦合點(diǎn)的位置與耦合力的大小，提高支架對(duì)頂板變形的適應(yīng)性；②當(dāng)支架處于卸載或半卸載工況時(shí)，可以調(diào)節(jié)支架頂梁的角度，使支架處于較好的工況條件。

值得注意的是，支架在以下幾種條件下，平衡千斤頂及其連接耳易發(fā)生損壞：①當(dāng)工作面頂板破碎時(shí)，支架頂梁無(wú)法與頂板完全接觸，出現(xiàn)有頂梁的后端與頂板接觸的情況，如果此時(shí)遇到頂板來(lái)壓，導(dǎo)致平衡千斤頂額定行程被全部使用，其與支架的連接轉(zhuǎn)換為剛性連接導(dǎo)致平衡千斤頂被拉壞或連接耳座損壞；②支架初撐阻力不足時(shí)，頂板斷裂位置相較于正常情況下前移，頂梁在頂板回轉(zhuǎn)壓迫下，出現(xiàn)后端下沉，前端向上傾斜的情況，將平衡千斤頂拉壞；③支架結(jié)構(gòu)與形狀不合理，支架的掩護(hù)梁向頂板的投影面積過(guò)大，導(dǎo)致掩護(hù)梁承載過(guò)大；④平衡千斤頂選型不合理，推拉力不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，容易被高壓損壞。

4.4 選擇質(zhì)量好的工作面支架

當(dāng)支架的選項(xiàng)合理，避開(kāi)了上述3種工況，但由于質(zhì)量問(wèn)題，仍然會(huì)導(dǎo)致支架無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，不能很好地控制及匹配頂板的活動(dòng)規(guī)律。

5 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了礦壓規(guī)律，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析了淺埋煤層的礦壓特點(diǎn)，提出了工作面支架維護(hù)和改進(jìn)的重點(diǎn)，最終分析了工作面支架的選型，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

【參考文獻(xiàn)】

【1】錢(qián)鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

【2】李和平.淺埋煤層大采高綜采面礦壓規(guī)律的研究[J].煤礦現(xiàn)代化，2019（01）：50-52.

【3】黃克軍，黃慶享，王蘇健，等.淺埋煤層群采場(chǎng)周期來(lái)壓頂板結(jié)構(gòu)及支架載荷[J].煤炭學(xué)報(bào)，2018，43（10）：2687-2693.

【4】曹方梅. ZY8800/22/45D型液壓支架有限元分析及強(qiáng)度優(yōu)化[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.