分叉厚煤層下分層安全開采技術應用

張 偉

（山西晉神沙坪煤業有限公司，山西 河曲 036500）

我國很多煤田厚煤層存在夾矸或者分叉的現象。夾矸或者分叉現象的存在增加煤層結構的復雜程度，特別是煤層夾矸或者分叉后層間距超過一定厚度，無法作為同一煤層開采時，需要進行分層開采。而上分層開采后垮冒的矸石對底板造成的破壞必然對下分層回采產生影響，增加了下分層的安全開采的難度[1-5]。山西晉神沙坪煤業主采8#煤層，在現回采區域煤層出現分叉現象，層間距最大可達8 m，上分層已經回采完畢。為了最大限度的開發煤炭資源，提高煤炭資源回收率，需要對8#下分層進行回采。因此，對上下分層間矸石巖性和厚度對下分層回采安全的影響進行研究，確定下分層開采的安全巖柱，并對小于安全巖柱的區域采取必要的安全技術措施，對礦井安全高效回采具有重要意義。

1 煤層分叉區域地質條件概述

沙坪煤業主采煤層為8#煤層，煤厚6.6～8.2 m，平均7.3 m。井田范圍內煤層厚度存在一定變化，局部分叉為兩層，分別為8#上、8#下，兩層煤均全區可采，層間距0～8.8 m。該礦2008年至今，回采范圍內煤層夾矸厚度較大，僅回采上分層，目前已基本回采結束，需要進行下分層的回采；未回采區域局部存在煤層夾矸較薄的情況，需要對其回采工藝進行優化，并采取相應措施，解決下分層回采頂板管理難題。

已經回采的8#上煤層厚度3.6 m，直接頂板為3.4 m厚粉砂質泥巖，其單軸抗壓強度為17.56 MPa，基本頂為12.3 m厚細砂巖，抗壓強度為46.7～75.86 MPa，直接底板為泥巖及中細粒砂巖，其在分叉區域成為下分層頂板。8#煤下分層煤厚3.7 m，直接頂為泥巖和中細粒砂巖，厚度0～8.8 m，泥巖的單軸抗壓強度在18.21～34.82 MPa之間，平均25.9 MPa，抗拉強度2.38 MPa；中、細砂巖局部賦存，厚度5.2～6.1 m，單軸抗壓強度46.4 MPa，直接底為泥巖，基本底為細砂巖。8#煤分叉區域各工作面層間巖性和發育情況見表1。

表1 分叉區域層間巖性及主要力學參數

2 分叉區域層間距安全評價模型選擇

8#煤分叉情況下，其下分層開采時工作面頂板穩定性的主要決定因素為：頂板巖性、厚度、結構、上分層回采垮冒高度與載荷等。由于頂板主要以泥巖為主，且厚度不大，采后一般直接冒落，在工作面內僅僅依靠液壓支架和巖層自身強度保持穩定。通常上分層回采結束后，煤層直接頂板垮落后會將采空區填滿，可對均布載荷集度進行計算；下分層回采期間，可將頂板全厚視為均布載荷進行計算，則下分層頂板總載荷集度可由下式計算[6]：

式中：q為8#下分層頂板的載荷集度，MPa；qs為冒落帶的載荷集度，MPa；qx為直接頂板的載荷，MPa；∑h為冒落帶高度，m；γ1為上分層的頂板重率，MN/m3；hcj為直接頂板的厚度，m；γ2為下分層的頂板重率，MN/m3；Kp為巖石碎漲系數；M1為上分層回采高度，m。

若要保持工作面回采空間頂板的相對穩定，需要保證在最大控頂距內的煤層頂板不會受到破壞斷裂，按照懸臂梁模型[7]進行計算，則有：

由式（2）推導：

解方程可得：

在式（2）、（3）、（4）中：M1、γ1、γ2定義同式（1）；Lk為下分層回采時的控頂距，m；[σt] 為下分層頂板抗拉強度，MPa；σl為最大控頂距狀態下分層頂板抗拉強度，MPa。

式（4）是近煤層群下分層回采中，在忽略液壓支架的情況下，層間巖層穩定性計算的力學判斷依據。

若考慮支架支撐作用對頂板的影響，按照類似的推導，則有：

式中：qp為支架的支撐強度，MPa。此式是在考慮支架支撐強度情況下，層間巖層穩定性計算的力學判斷依據。

由式（4）和式（5）可知，考慮液壓支架支護時，層間巖層的安全厚度要小于不考慮液壓支架支護時的理論計算值。

3 8#煤分叉區域下分層頂板厚度安全開采臨界值計算

3.1 考慮液壓支架支護時頂板安全厚度計算

8#煤下分層的回采高度為 3.7 m，γ1=γ2=0.025 MN/m2，最大控頂距Lk=4.550 m，最小控頂距Lk=3.850 m，M1=3.7m，直接頂泥巖抗拉強度[σt]=2.38 MPa，Kp=1.25，在考慮液壓支架支護情況下，設移架時支撐強度qp=0.1 MPa，通過計算可得最大、最小控頂距時安全開采頂板厚度臨界值分別為3.01 m、2.56 m。

3.2 不考慮液壓支架支護時頂板安全厚度計算

不考慮支護情況下，根據上述參數可計算出確保安全開采的下分層最小頂板厚度3.08 m。最大控頂距Lk=5.413 m時，計算可得確保下分層安全開采的最小頂板巖層厚度3.54 m。由此可知，不考慮液壓支架支護情況下，層間巖層厚度安全開采厚度最大增加至3.54 m。

綜上所述，在下分層頂板為泥巖時，確保安全回采的頂板巖層厚度為2.5～3.0 m，此時可按照普通情況下進行回采，能夠保證8#煤下分層安全回采。

3.3 8#煤下分層回采安全分析

對8#煤分叉區域頂底板巖層的實際發育情況進行分析，在分叉區內設計的采煤工作面中，按照層間巖層厚度可以大致分為3 種：

（1）能夠保證回采安全的工作面，例如8302、8303、8304、8306 等工作面，其下分層頂板厚度普遍超過3.0 m，所以不需要采取額外的安全措施即可保證下分層頂板的有效控制和安全回采。

（2）能夠基本保證回采安全的工作面，例如8404 工作面，下分層頂板厚度平均1.95 m，發育較穩定，厚度變化不大，在下分層開采時對工作面鋪設頂網即可基本保證工作面的安全回采。

（3）不能保證回采安全的工作面，例如分叉區域8401、8402 工作面下分層頂板厚度較小，平均厚度分別為0.56 m、0.70 m，由于層間距過小，無法對下分層開采時工作面頂板進行有效控制，無法實現安全回采。

4 頂板厚度小于安全開采臨界值時安全開采技術措施

8#煤層分叉區域下分層頂板厚度為2.5～3 m時，可以保證下分層工作面安全回采。在實際回采期間，由于支架的工作阻力對頂板形成反作用力，因此可根據頂板巖層發育情況，將保證安全回采的頂板厚度臨界值適當降低[8]至2～2.5 m左右；但如果頂板巖層厚度小于2 m，甚至小于1.0 m的情況下，則無法對頂板進行有效控制，容易發生工作面漏頂情況。根據以往工程經驗和現場試驗，存在如下兩種解決方案：

1）煤層夾矸厚度較薄的未回采區域，在8#煤上分層工作面回采時鋪設底網，下分層工作面回采時鋪設頂網，參照破碎頂板控制方案對下分層回采工作面煤層頂板進行控制，解放下分層煤炭資源。

2）根據未回采區域下分層頂板巖層厚度，對不同厚度下的工作面采取不同的回采方案，若下分層頂板巖層接近1.5～2.0 m范圍時，可分別對上下分層設計工作面進行回采；若下分層頂板小于0.5 m時，可采用大采高一次采全高或者綜放工藝進行回采；若下分層頂板巖層較小但無法進行大采高或綜放回采工藝時，可對下分層破碎頂板采用化學注漿的方法進行加固，防止工作面發生漏頂。

5 結語

在考慮液壓支架支撐作用力的情況下，通過對煤層分叉區域層間距進行安全分析，得出如下結論：

1）對8#煤分叉區域進行下分層頂板安全回采厚度進行計算，考慮液壓支架支護和不考慮液壓支架支護時，最大控頂距和最小控頂距下保證安全開采的頂板巖層厚度分別為3.01 m、2.56 m和3.08 m、3.54 m。

2）工作面正常回采時，在下分層頂板為泥巖的情況下，確保下分層安全回采層間距臨界值約為3.0 m，在采取一定安全措施后，層間距2.0～3.0 m的情況下也可以對下分層頂板進行有效控制，從而確保下分層安全回采；

3）在下分層頂板厚度小于安全回采臨界值時，可根據不同情況，采取如下安全回采措施：①8#煤上分層工作面回采時鋪設底網，下分層工作面回采時鋪設頂網，按照煤層破碎頂板進行管理。②按照下分層頂板厚度對工作面進行分區回采，改變回采工藝。③對于無法改變回采工藝，下分層頂板接近臨界值的可采用化學注漿方案對頂板進行加固后安全回采。