煤矿分层开采时的矿压显现与顶板管理

杨发军

【摘 要】资源是国家经济发展的根本，煤炭资源的有效开采是当今社会关注的热点。目前，很多煤矿企业在进行资源开采之前不做任何的调查与研究，资源开采过程中使用的开采技术落后，开采的煤炭质量不高、产量不高。那么，如何有效地解决上述问题，分层开采技术应运而生。所谓分层开采，就是当煤层很厚时，将煤层分成若干层，一般为2层或3层，分别进行开采。此外，煤炭资源开采必须以安全、高效为主要目标，采用分层开采技术能提高煤炭产业的安全性。文章主要对煤矿分层开采时的矿压显现与顶板管理做出以下浅析。

【关键词】煤矿；分层开采；矿压显现；顶板管理

【中图分类号】TD322 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）10-0084-03

在煤矿开采之前，煤矿中的岩石经过长年的累积，形成了一种平衡状态，而当对煤矿进行开采时，形成了地下空间，打破了原来岩石之间的原始引力，是岩体之间的应力重新分布，并且要再次达到新的相对平衡为止。在应力重新分布时，围岩不断变形、移动、破坏，对工作面、巷道及围岩产生压力，增加了开采工作的难度。我们通常将开采过程中由于岩石变形等引起的应力而对支架围岩所产生的作用力，称之为矿压。

1 何为顶板管理

为保障安全生产和职工的人身安全，防止顶板事故，河南能源化工集团新疆投资控股有限公司根据《集团公司顶板管理实施细则》和《集团公司安全质量标准化检查考核办法》制定了煤矿开采规定。

顶板管理方法因顶板的性质不同而不同，与煤层的厚度也有直接的关系，根据顶板的性质与煤层的厚度，顶板管理通常采用以下4个方法。

（1）垮落法（陷落法）：就是在工作面不断向前推进的过程中，把工作面中接近采空区的支架支护去掉，让直接顶通过自身的重力自己垮落，或者人为地让其垮落，也就是我們常说的回柱放顶。垮落下来的岩块、碎石等将采空区充填满，以此来减小工作面顶板的压力和降低开采难度。

（2）充填法：由地面或井下把充填材料（砂砾、碎石等）送到工作面，充填采空区支撑顶板，不让它垮落。

（3）煤柱支撑法：工作面推进一定距离后，在采空区内适当地留下一定宽度的煤柱支撑顶板。适用于顶板岩石特别坚硬、人工强制放顶也很难垮落的顶板条件。

（4）缓慢下沉法。有一种顶板岩层韧性较大，回柱后顶板岩层能不垮落而完全下沉，直到与底板自然合拢。适用于薄煤层工作面。

一些厚度比较厚而无法进行一次性采全高的煤层，一般都采用分层开采的办法，由于采煤方法不同，分层开采分为上行开采即开采顺序是由底板向顶板方向，下行开采即开采顺序是由顶板向底板方向。由于厚煤层开采具有自身特点，所以矿压显现规律和顶板管理方法应有所不同。现就对此问题进行以下分析。

2 下行开采时的矿压显现与顶板管理

下层开采一般采用煤柱支撑法，第一层的矿压显现和顶板管理方法与单一煤层开采时的矿压显现与管理方法区别不大。比如：河南能源化工集团新疆投资控股有限公司拜城县众维煤业有限公司某开采项目第一层工作面地面对应位置为天山南麓低山带，地面无建筑物。工作面掘进及回采对地表没有任何影响，所以开采第一层时的矿压显现和顶板管理方法仍采用单一煤层开采时的矿压显现与管理方法。但是，进行第二分层开采工作时，工作面顶板是第一个分层回采，它是冒落的破碎岩块及上下分层间粉砂岩，间距较小，给顶板管理带来了困难。因此，进行下行开采时，在第二个分层及以下分层为避免第一分层破碎岩块冒落，需采取特殊支护。以前采用的是媒皮护顶的方法，但这种方法造成了大量煤炭资源的浪费，同时无法有效保证作业人员的安全和生产安全，与顶板管理制度中的安全生产要求不符，所以要用金属网代替媒皮进行顶板护理。

在进行第一层煤矿开采时，难度并不是很大，但越往下开采，难度会随着开采工作面深度的增加而增加。在第二层煤矿开采时，顶板已经经过一次压实，在第二层又要进行一次压实，其冒落带的高度比回采第一层高。

厚而坚硬的岩石，其冒落带的高度变化不会很大，在进行第一层煤矿开采时，其矿压显现可能比较明显，但在进行第二层煤矿开采时，矿压可能会减弱，当然也会有矿压增加的情况。现就下层煤矿开采时的矿压显现做几点总结。

（1）采场支架载荷较小。所谓采场支架就是通过直接顶、老顶、直接岩层顶等方式对矿压显现进行防护的方式，它主要有2个特性：{1}必须具备一定的可缩量；{2}必须具备一定的支撑性能，即一定的支撑阻力。

（2）基本顶初次来压步距较小，强度较低。基本顶初次破裂在采煤工作面引起的矿压显现叫初次来压。基本顶由于岩层较厚而比较坚硬，能位置占很大面积，一旦垮落，矿压显现强烈或极强烈。从开始切的第一步到基本顶的工作面的初次来压时，与工作面切顶线之间的距离称之为初次来压步距。

（3）顶板下沉量变化较大。通常是指煤层的煤壁到采空区边缘暴露出来的顶板的相对移近量。在工作面不断推进的过程中，顶底板随着工作面的移动而不断移近。缓斜及其工作面的顶底板的鼓起量相对较小，可以忽略不计，将顶底板的移近量称为顶板下沉量。

以河南能源化工集团新疆投资控股有限公司拜城县众维煤业有限公司煤矿为例：12032采煤工作面为下行开采，该工作面与上部采空区间距较小，该工作面下顺槽采用内错布置在采空区下方，与原工作面顺槽预留5 m煤柱，由于上部为已压实的破碎矸石，巷道施工过程中无明显压力显现的情况。

12032工作面为弱含水煤层，工作面水源主要来自顶板砂岩裂隙水。受采动影响，顶板垮落后，产生大量裂隙沟通含水层，含水层水沿裂隙涌入工作面，成为采空区老空积水补给源，Ⅳ13煤层顶板岩体整体质量指标为中等，但煤层顶底板砂岩多为泥硅质胶结，水的浸润导致岩石的强度降低，易出现冒顶现象，因此在开采过程中除应重视裂隙发育地段及断裂破碎带的支护外，更应注意巷内的排水，以避免不良工程地质现象的发生。

在施工期间，应注重安全生产，在施工前，主要负责人应先对施工场所进行严格的排查，确保施工时的安全，所有支架必须牢固，并且具有防倒柱措施。工作人员应先对采煤场所进行一次严格的调查，对其地质有一个详细的掌握，确保施工场所和工作人员的安全。

3 上行开采时的矿压显现与顶板管理

上行开采不同于单一煤层开采，也不同于下行煤层开采，在开采时一般用填充法处理采空区，上行开采时的第二层及以上各层均是以协议分层的填充为底板，上行开采有自身独特的特点。

3.1 支架载荷

上行开采是由下向上开采，因此第一层煤矿开采的压力最大，所以此时的支架载荷是最大的，但又因为煤层厚度不同，其结构也各不相同，支架所承受的载荷也不同。因此，将上行开采时的支架载荷分为3个部分，即第一层支架载荷、第二层支架载荷、第三层支架载荷，探讨上行开采时的矿压显现与顶板管理。

（1）第一层支架载荷。因第一层煤层是靠近基本层最近的煤层，要最先打破原本的地质平衡，造成其顶板压力与支架载荷最大，所以其支架载荷较大。以河南能源化工集团新疆投资控股有限公司拜城县众维煤业有限公司的煤矿为例：Ⅳ13煤层煤质为低灰分、特低硫、特低磷、高热值瘦煤、焦煤，为一级含砷煤，其基本顶厚度大概在24.9 m，主要为含炭泥质粉砂岩，该煤层厚度变化不大，坚固性系数f=0.98，施工过程中矿压显现比较明显，偶有顶板离层、巷帮变形现象，因此在第一层一般采用较大初撑力支架以保护顶板支护质量。在第一层支架支护开采时要特别谨慎，确保第一步开采工作顺利实施。

（2）第二层支架载荷。因第一层支架支护时的地质达到了一个短暂的相对平衡，所以其支架载荷不是很大，此时可适当降低支护密度，但是支护密度不能过大，否则会降低工作的安全性，容易造成事故。

（3）第三层支架载荷。对由第二层支架支护达到的短暂的相对平衡又进行了一次破坏，造成其顶板活动不稳定，所以第三层支架载荷也随着顶板活动的加剧而增加，此时支架之间的间距应是与第一层支架之间的间距一样，坑木直径也应相同。

在进行支架支护时，要确保支架的稳定性、牢固性，确保所有工作万无一失。

3.2 顶板完整情况

上行开采时，单一煤层与厚度不同的煤层的顶板完整情况是不同的，單一煤层的顶板完整不仅要求工作面完整，也要求采空区侧顶板面完整，而厚度不同的煤层仅仅要求其工作面完整。

3.3 工作面的老顶来压

老顶的初次来压是指在工作面直接顶垮落后，老顶发生第一次断裂并随之发生回转，由此而导致其工作面顶板加速下沉的过程，工作面顶板出现大量的来压现象，称之为老顶的初次来压。表现为老顶一般都不会垮落，但是当老顶断裂时，对工作面的影响是比较明显的，因直接顶板的加速下沉，导致其支架载荷也随之加速增加。

具体情况应根据地质、煤层厚度、结构的不同而改变，不能按一种方式进行不同煤矿的开采。

4 结语

煤炭资源一直是人类经济发展的必要资源，煤炭资源的开采也越来越需要先进技术的辅助，以确保煤炭资源的有效开采。在保证煤矿质量的前提下，还要确保其生产效率。同时，安全生产是资源开采改革要求的目标之一，确保施工安全、工作环境安全是煤炭资源开采应高度重视的工作内容。资源开采应在科技手段的运用下创造一个安全、高效的工作环境。

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[责任编辑：陈泽琦]