近距離煤層采空區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任公司 ，山西 興縣 033600）

0 引言

近年來，隨著煤炭資源的高強度開采，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的必然選擇。與單一煤層開采不同，近距離下煤層開采時，由于上部煤層已經回采完畢，下煤層位于采空區下，其頂板結構發生較大變化，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，近距離煤層采空區下工作面的礦壓顯現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工作面實際地質條件為工程背景，對工作面頂板結構進行分析研究，并計算得到工作面頂板壓力，為工作面頂板控制提供理論依據。

1 工作面概況

西銘礦屬于西山煤電集團旗下主力礦井，位于山西省太原市，年生產能力為360萬t/a。礦井可采煤層包括2號、3號、8號和9號煤層，43108工作面1018水平西十一采區右翼，工作面主采3號煤層，采用走向長壁后退式綜合機械化采煤方法。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號煤層工作面均已回采，2號煤層與3號煤層間距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 工作面頂板結構

2.1 頂板結構分類

根據層間巖層厚度和煤層采高等條件，可將工作面頂板結構分為以下三類[2]：

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

圖1 原生頂板結構示意圖

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

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

圖3 次生頂板結構

2.2 確定頂板結構

由礦井實際生產條件可知，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為采空區冒落巖層的碎漲系數，取1.3。

將數據代入，可得工作面直接頂厚度為Hz=5.925m，根據工作面實際地質資料，可知工作面直接頂應為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號煤層采空區之間的距離僅為1.85m，由此可以判斷工作面頂板結構為次生頂板結構。

3 確定頂板壓力

3.1 理論計算

若假設43108工作面頂板為原生頂板結構，即工作面上部沒有采空區，則此時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，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，根據鄰近工作面實測數據，取12m；KT為基本頂巖重分配系數，取2；LK為工作面控頂距，取4.23m。

根據以上分析，將數據代入，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 附加載荷計算

在以上分析中，沒有考慮上部采空區對工作面的影響，但根據煤層實際賦存條件，工作面上部12.15m處即為2號煤層采空區，根據以往開采經驗[4]，此煤層間距較近，導致下煤層開采時，一定會受到上煤層采空區的影響。并且，根據實測數據，在工作面來壓期間頂板壓力約為0.74MPa，是理論計算值0.51MPa的1.45倍，由此可知，43108工作面上部采空區對工作面頂板產生了附加載荷，不能簡單的根據原生頂板結構進行計算。

43108工作面上部2號煤層厚度平均為1.85m，其附加載荷主要就是2號煤層采空區內垮落矸石的重量。與原生頂板結構不同，次生頂板結構下上方采空區內的矸石重量不僅由工作面前方煤壁和后方采空區矸石承受，還會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測數值和理論計算值之間的差值，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測值，取0.74MPa；其余符號含義與前面相同。

將數據代入式（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是指下方工作面頂板附加載荷與上覆工作面采空區采高之間的比值，其表達式為：

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

將數據代入，可得工作面頂板壓力附加系數T=5.18。

通過計算結果，可知工作面頂板壓力的附加系數為5.18，即附加載荷為5.18倍的2號煤層采高巖重，約為上部2號煤層直接頂巖層的容重。

3.3 支架選型驗算

在礦井生產實際中，43108工作面選擇ZY5000－12/28型兩柱掩護式液壓支架，其主要參數見表1。

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

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型液壓支架支護強度為0.75MPa，滿足生產需求。

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

4 結 論

針對西銘礦采空區下43108工作面實際賦存條件，對工作面頂板壓力進行合理研究，得到以下結論：

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

2）與原生頂板和類原生頂板不同，次生頂板結構時，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矸石所施加的附加載荷，附加載荷大小約為上煤層直接頂的重量；

3）根據工作面煤層賦存條件和頂板強度，對ZY5000－12/28型液壓支架進行合理驗算，結果表明該型支架完全滿足生產需求，且在實際應用中效果良好。