極近距離煤層頂板結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)研究

姬炎龍

我國許多煤礦所采煤層的賦存均為極近距離煤層。特別在近幾年，隨著煤炭資源的需求量不斷增加，煤層賦存條件較好、容易開采的煤層大多數(shù)已經(jīng)開采完成，許多極近距離煤層開采的礦井正在面臨相關(guān)的技術(shù)難題，因此，有必要對極近距離煤層開采的頂板結(jié)構(gòu)及其控制方法進(jìn)行研究。

1 礦井地質(zhì)概況

山西某礦主要賦存煤層為7#煤層和8#煤層。7#煤層作為礦井以前的主采煤層，煤層平均厚度為4.3m。隨著7#煤層可采的煤炭資源越來越少，因此決定開始開采下部的8#煤層，8#煤層的平均厚度約為1.38m，與上部的7#煤層相間約1.3～2.1m的泥巖，平均相距1.5m，7#煤層和8#煤層屬于極近距離煤層開采，礦井煤層賦存如表1所示。

2頂?shù)装鍘r層結(jié)構(gòu)

2.17#煤層開采底板破壞深度

由于7#煤層目前已經(jīng)大部分開采完成，且在煤層開采過中，由于地層賦存的原始應(yīng)力狀態(tài)受到干擾，7#煤層底板必將會受到支承壓力的影響而產(chǎn)生破壞，根據(jù)煤層開采的底板破壞的滑移線場理論分析可知底板最大破壞的深度為：

式中，h為7#煤層埋深，M為7#煤層平均高度，K為7#煤層開采的超前支承壓力的集中系數(shù)，cm為煤層的內(nèi)聚力，φ為7#煤層的內(nèi)摩擦角，γ為巖層的平均容重，fm為7#煤層與上部直接頂巖層的摩擦系數(shù)，Pm為煤壁的支護(hù)強(qiáng)度，

同時，當(dāng)Pm=0時，所計(jì)算的L最大。故代入得7#煤層開采后底板的最大破壞深度8.69m，底板最大破壞深度所在位置與煤壁的水平距離為1.96m。因此在7#煤層開采后，8煤層頂板就受到了充分的擾動并破壞，對8#煤層開采過程中工作面的支護(hù)增加了較大的困難。

2.2煤層開采的頂板冒落高度

煤層開采過后的頂板冒落高度與煤層開采的厚度有直接關(guān)系。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式可知，當(dāng)煤層硬度屬中硬時，煤層頂板巖層的冒落高度H為：

式中，Kp為頂板巖層碎脹系數(shù)，取1.28;7煤層的平均開采高度為4.3m，8#煤層的平均開采高度為1.38m，利用上式分別得7#煤層開采后，頂板巖層的冒落高度為15.4m，而8煤層開采，頂板巖層的冒落高度為4.9m。

由此可知，在8#煤層開采過程中，頂板巖層的冒落高度為4.9m，將7#煤層與8#煤層之間層間巖層泥巖層厚度1.5m減掉后，上部頂板巖層仍然需要3.4m的冒落高度。這時，8#煤層開采后頂板巖層的冒落高度與7#煤層開采后頂板巖層的冒落高度重合。也就是說，在8#煤層開采過程中，7#煤層在其自身開采過后形成的采空區(qū)上的冒落的巖層會受到8#煤層開采的影響。顯然，在8#煤層中的工作面不斷向前推進(jìn)時，當(dāng)中部1.5m的泥巖發(fā)生斷裂，但8#煤層頂板巖層的最大冒落高度4.9m小于7#頂板巖層的最大冒落高度16.9m，因此8#煤層中工作面液壓支架所承受的重量即為7#煤層采空區(qū)冒落矸石的重量和層間巖層泥巖層的重量。

2.3 8#煤層頂板巖層的分類

2.3.1直接頂分類

通常情況下，按照直接頂巖層的穩(wěn)定性將其分為四類，如表2所示。

并且以其直接頂巖層的初次垮落步距作為分類的主要指標(biāo)，直接頂巖層的初次垮落步距Ly為：

式中：σt為直接頂巖層的強(qiáng)度，MPa;h為直接頂巖層的厚度，m;q為直接頂巖層受到的均布載荷大小，MPa。

根據(jù)上述2.2中分析可知，8#煤層直接頂受到的載荷為7#煤層采空區(qū)冒落矸石和層間巖層泥巖層兩部分的重量即：

將計(jì)算結(jié)果q=0.35MPa，并取σt=8.5MPa，h=1.5m代入直接頂巖層的初次垮落步距的計(jì)算公式可得，Ly=10.1m，屬于2類中等穩(wěn)定頂板

根據(jù)此分類標(biāo)準(zhǔn)，該直接頂巖層屬于2類中等穩(wěn)定頂板。

2.3.2基本頂分類

通常情況下，按照上覆采空區(qū)矸石的充填系數(shù)作為極近距離煤層開采時的基本頂巖層的分類指標(biāo)，上覆采空區(qū)矸石的充填系數(shù)Kc為：

3支架工作阻力的確定

3.1根據(jù)頂板巖層的冒落高度確定支架工作阻力

由上述分析可知，7#煤層頂板巖層的冒落高度和中部層間泥巖層的厚度之和∑h=16.9m，大于8#煤層的開采高度的6倍，即6M2=8.28m。根據(jù)上述2.3中分析可得，8#煤層中工作面液壓支架所承受的重量即為7#煤層采空區(qū)冒落矸石的重量和層間巖層泥巖層的重量，由此可知，工作面液壓支架的工作阻力為：

3.2根據(jù)煤層頂板巖層分類確定支架工作阻力

根據(jù)上述2.3中分析可知，8#煤層的基本頂巖層的分級為1級來壓不明顯頂板。結(jié)合礦井安全生產(chǎn)的相關(guān)規(guī)定可知，針對1級來壓不明顯頂板，當(dāng)下部煤層的開采高度為1.38m時，支護(hù)強(qiáng)度下限Pe為488KPa，則此時，工作面液壓支架的工作阻力為：

通過采用上述按照頂板巖層的冒落高度和煤層頂板巖層分類的方式確定工作面液壓支架的工作阻力，將兩者計(jì)算所得的工作面液壓支架的合理工作阻力通過計(jì)算平均值的方法確定合理的工作阻力，

4注漿加固控制方法

針對該礦極近距離煤層開采條件，由于8#煤層在開采過程中會受到上部7#煤層采空區(qū)的影響，使得8#煤層上部頂板巖層較為破碎，圍巖強(qiáng)度不高，因而提出采用馬麗散對8#煤層頂板進(jìn)行加固。其中馬麗散材料主要存在以下幾方面特點(diǎn)：使用方便，節(jié)省施工時間;不受季節(jié)因素影響;安全，對水資源污染較小;加固注入壓力可控;經(jīng)濟(jì)合理。

因此綜合考慮后，對8#煤層頂板施行馬麗散加固，能夠?qū)崿F(xiàn)對8#煤層開采過程中頂板巖層的控制。加固后，通過對現(xiàn)場工程的實(shí)踐檢驗(yàn)，8#煤層工作面漏風(fēng)量明顯降低，同時工作面液壓支架頂部受到的載荷也變得均勻。

5結(jié)論

針對山西某礦7#煤層和8#煤層煤層賦存存在極近距離的特點(diǎn)，研究分析了上煤層開采的頂?shù)装鍘r層結(jié)構(gòu)和下煤層開采的頂板巖層結(jié)構(gòu)，并對下煤層工作面液壓支架的工作阻力進(jìn)行了計(jì)算，得到如下結(jié)論：

7煤層在開采完成以后，底板的最大破壞深度8.69m，底板最大破壞深度所在位置與煤壁的水平距離為1.96m，因此在7#煤層開采后，8煤層頂板就受到了充分的擾動并破壞。

7煤層開采后，頂板巖層的冒落高度為15.4m，8#煤層開采，頂板巖層的冒落高度為4.9m，8#煤層開采后頂板巖層的冒落高度與7#煤層開采后頂板巖層的冒落高度重合，且8煤層中工作面液壓支架所承受的重量即為7#煤層采空區(qū)冒落矸石的重量和層間巖層泥巖層的重量。

通過采用按照頂板巖層的冒落高度確定工作面液壓支架的工作阻力為9989.68kN，采用煤層頂板巖層分類的方式確定工作面液壓支架的工作阻力為5764.5kN，將兩者計(jì)算所得的工作面液壓支架的合理工作阻力通過計(jì)算平均值的方法確定合理的工作阻力為7877.1kN。

通過對8#煤層頂板巖層施行馬麗散加固，工作面漏風(fēng)量明顯減少，支架頂板受到的載荷也能基本實(shí)現(xiàn)均勻分布。

【參考文獻(xiàn)】

[1]金鑫.極近距離煤層下行開采可行性分析[J].煤礦現(xiàn)代化，2018（5）：148-150.

[2]李亞軍.近距離開采上覆巖層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研究[J].山東煤炭科技，2017（4）：46-48.

[3]楊宇駿.近距離煤層瓦斯抽采技術(shù)研究[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，31（5）：47-49.

[4]趙艷飛.近距離煤層群瓦斯綜合抽放技術(shù)分析[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，31（5）：50-52.

[5]苗雄偉.極近距離煤層下煤層開采礦壓特征研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2017.

[6]王二雨，臧傳偉，陳淼，等.近距離煤層群下煤層開采頂板結(jié)構(gòu)分析及支護(hù)強(qiáng)度確定[J].煤礦安全，2014，45（9）：219-222.

[7]張貴文.殘煤復(fù)采區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)與應(yīng)用[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，31（6）：11-12，15.

[8]郭帥，孔憲法，康天合，等.采空區(qū)下近距離煤層綜采工作面支架栽荷分析[J].煤礦安全，2013，44（5）：214—217.