煤礦分層開采時的礦壓顯現與頂板管理

楊發(fā)軍

【摘 要】資源是國家經濟發(fā)展的根本，煤炭資源的有效開采是當今社會關注的熱點。目前，很多煤礦企業(yè)在進行資源開采之前不做任何的調查與研究，資源開采過程中使用的開采技術落后，開采的煤炭質量不高、產量不高。那么，如何有效地解決上述問題，分層開采技術應運而生。所謂分層開采，就是當煤層很厚時，將煤層分成若干層，一般為2層或3層，分別進行開采。此外，煤炭資源開采必須以安全、高效為主要目標，采用分層開采技術能提高煤炭產業(yè)的安全性。文章主要對煤礦分層開采時的礦壓顯現與頂板管理做出以下淺析。

【關鍵詞】煤礦；分層開采；礦壓顯現；頂板管理

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

在煤礦開采之前，煤礦中的巖石經過長年的累積，形成了一種平衡狀態(tài)，而當對煤礦進行開采時，形成了地下空間，打破了原來巖石之間的原始引力，是巖體之間的應力重新分布，并且要再次達到新的相對平衡為止。在應力重新分布時，圍巖不斷變形、移動、破壞，對工作面、巷道及圍巖產生壓力，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力而對支架圍巖所產生的作用力，稱之為礦壓。

1 何為頂板管理

為保障安全生產和職工的人身安全，防止頂板事故，河南能源化工集團新疆投資控股有限公司根據《集團公司頂板管理實施細則》和《集團公司安全質量標準化檢查考核辦法》制定了煤礦開采規(guī)定。

頂板管理方法因頂板的性質不同而不同，與煤層的厚度也有直接的關系，根據頂板的性質與煤層的厚度，頂板管理通常采用以下4個方法。

（1）垮落法（陷落法）：就是在工作面不斷向前推進的過程中，把工作面中接近采空區(qū)的支架支護去掉，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?？迓湎聛淼膸r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：工作面推進一定距離后，在采空區(qū)內適當地留下一定寬度的煤柱支撐頂板。適用于頂板巖石特別堅硬、人工強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，所以礦壓顯現規(guī)律和頂板管理方法應有所不同?，F就對此問題進行以下分析。

2 下行開采時的礦壓顯現與頂板管理

下層開采一般采用煤柱支撐法，第一層的礦壓顯現和頂板管理方法與單一煤層開采時的礦壓顯現與管理方法區(qū)別不大。比如：河南能源化工集團新疆投資控股有限公司拜城縣眾維煤業(yè)有限公司某開采項目第一層工作面地面對應位置為天山南麓低山帶，地面無建筑物。工作面掘進及回采對地表沒有任何影響，所以開采第一層時的礦壓顯現和頂板管理方法仍采用單一煤層開采時的礦壓顯現與管理方法。但是，進行第二分層開采工作時，工作面頂板是第一個分層回采，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，進行下行開采時，在第二個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。以前采用的是媒皮護頂的方法，但這種方法造成了大量煤炭資源的浪費，同時無法有效保證作業(yè)人員的安全和生產安全，與頂板管理制度中的安全生產要求不符，所以要用金屬網代替媒皮進行頂板護理。

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

厚而堅硬的巖石，其冒落帶的高度變化不會很大，在進行第一層煤礦開采時，其礦壓顯現可能比較明顯，但在進行第二層煤礦開采時，礦壓可能會減弱，當然也會有礦壓增加的情況。現就下層煤礦開采時的礦壓顯現做幾點總結。

（1）采場支架載荷較小。所謂采場支架就是通過直接頂、老頂、直接巖層頂等方式對礦壓顯現進行防護的方式，它主要有2個特性：{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，強度較低?；卷敵醮纹屏言诓擅汗ぷ髅嬉鸬牡V壓顯現叫初次來壓?；卷斢捎趲r層較厚而比較堅硬，能位置占很大面積，一旦垮落，礦壓顯現強烈或極強烈。從開始切的第一步到基本頂的工作面的初次來壓時，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。在工作面不斷推進的過程中，頂底板隨著工作面的移動而不斷移近。緩斜及其工作面的頂底板的鼓起量相對較小，可以忽略不計，將頂底板的移近量稱為頂板下沉量。

以河南能源化工集團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錯布置在采空區(qū)下方，與原工作面順槽預留5 m煤柱，由于上部為已壓實的破碎矸石，巷道施工過程中無明顯壓力顯現的情況。

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。受采動影響，頂板垮落后，產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)老空積水補給源，Ⅳ13煤層頂板巖體整體質量指標為中等，但煤層頂底板砂巖多為泥硅質膠結，水的浸潤導致巖石的強度降低，易出現冒頂現象，因此在開采過程中除應重視裂隙發(fā)育地段及斷裂破碎帶的支護外，更應注意巷內的排水，以避免不良工程地質現象的發(fā)生。

在施工期間，應注重安全生產，在施工前，主要負責人應先對施工場所進行嚴格的排查，確保施工時的安全，所有支架必須牢固，并且具有防倒柱措施。工作人員應先對采煤場所進行一次嚴格的調查，對其地質有一個詳細的掌握，確保施工場所和工作人員的安全。

3 上行開采時的礦壓顯現與頂板管理

上行開采不同于單一煤層開采，也不同于下行煤層開采，在開采時一般用填充法處理采空區(qū)，上行開采時的第二層及以上各層均是以協(xié)議分層的填充為底板，上行開采有自身獨特的特點。

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，所以此時的支架載荷是最大的，但又因為煤層厚度不同，其結構也各不相同，支架所承受的載荷也不同。因此，將上行開采時的支架載荷分為3個部分，即第一層支架載荷、第二層支架載荷、第三層支架載荷，探討上行開采時的礦壓顯現與頂板管理。

（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，主要為含炭泥質粉砂巖，該煤層厚度變化不大，堅固性系數f=0.98，施工過程中礦壓顯現比較明顯，偶有頂板離層、巷幫變形現象，因此在第一層一般采用較大初撐力支架以保護頂板支護質量。在第一層支架支護開采時要特別謹慎，確保第一步開采工作順利實施。

（2）第二層支架載荷。因第一層支架支護時的地質達到了一個短暫的相對平衡，所以其支架載荷不是很大，此時可適當降低支護密度，但是支護密度不能過大，否則會降低工作的安全性，容易造成事故。

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

在進行支架支護時，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，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

老頂的初次來壓是指在工作面直接頂垮落后，老頂發(fā)生第一次斷裂并隨之發(fā)生回轉，由此而導致其工作面頂板加速下沉的過程，工作面頂板出現大量的來壓現象，稱之為老頂的初次來壓。表現為老頂一般都不會垮落，但是當老頂斷裂時，對工作面的影響是比較明顯的，因直接頂板的加速下沉，導致其支架載荷也隨之加速增加。

具體情況應根據地質、煤層厚度、結構的不同而改變，不能按一種方式進行不同煤礦的開采。

4 結語

煤炭資源一直是人類經濟發(fā)展的必要資源，煤炭資源的開采也越來越需要先進技術的輔助，以確保煤炭資源的有效開采。在保證煤礦質量的前提下，還要確保其生產效率。同時，安全生產是資源開采改革要求的目標之一，確保施工安全、工作環(huán)境安全是煤炭資源開采應高度重視的工作內容。資源開采應在科技手段的運用下創(chuàng)造一個安全、高效的工作環(huán)境。

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[責任編輯：陳澤琦]