极近距离煤层顶板结构及控制技术研究

姬炎龙

我国许多煤矿所采煤层的赋存均为极近距离煤层。特别在近几年，随着煤炭资源的需求量不断增加，煤层赋存条件较好、容易开采的煤层大多数已经开采完成，许多极近距离煤层开采的矿井正在面临相关的技术难题，因此，有必要对极近距离煤层开采的顶板结构及其控制方法进行研究。

1 矿井地质概况

山西某矿主要赋存煤层为7#煤层和8#煤层。7#煤层作为矿井以前的主采煤层，煤层平均厚度为4.3m。随着7#煤层可采的煤炭资源越来越少，因此决定开始开采下部的8#煤层，8#煤层的平均厚度约为1.38m，与上部的7#煤层相间约1.3～2.1m的泥岩，平均相距1.5m，7#煤层和8#煤层属于极近距离煤层开采，矿井煤层赋存如表1所示。

2顶底板岩层结构

2.17#煤层开采底板破坏深度

由于7#煤层目前已经大部分开采完成，且在煤层开采过中，由于地层赋存的原始应力状态受到干扰，7#煤层底板必将会受到支承压力的影响而产生破坏，根据煤层开采的底板破坏的滑移线场理论分析可知底板最大破坏的深度为：

式中，h为7#煤层埋深，M为7#煤层平均高度，K为7#煤层开采的超前支承压力的集中系数，cm为煤层的内聚力，φ为7#煤层的内摩擦角，γ为岩层的平均容重，fm为7#煤层与上部直接顶岩层的摩擦系数，Pm为煤壁的支护强度，

同时，当Pm=0时，所计算的L最大。故代入得7#煤层开采后底板的最大破坏深度8.69m，底板最大破坏深度所在位置与煤壁的水平距离为1.96m。因此在7#煤层开采后，8煤层顶板就受到了充分的扰动并破坏，对8#煤层开采过程中工作面的支护增加了较大的困难。

2.2煤层开采的顶板冒落高度

煤层开采过后的顶板冒落高度与煤层开采的厚度有直接关系。根据相关经验公式可知，当煤层硬度属中硬时，煤层顶板岩层的冒落高度H为：

式中，Kp为顶板岩层碎胀系数，取1.28;7煤层的平均开采高度为4.3m，8#煤层的平均开采高度为1.38m，利用上式分别得7#煤层开采后，顶板岩层的冒落高度为15.4m，而8煤层开采，顶板岩层的冒落高度为4.9m。

由此可知，在8#煤层开采过程中，顶板岩层的冒落高度为4.9m，将7#煤层与8#煤层之间层间岩层泥岩层厚度1.5m减掉后，上部顶板岩层仍然需要3.4m的冒落高度。这时，8#煤层开采后顶板岩层的冒落高度与7#煤层开采后顶板岩层的冒落高度重合。也就是说，在8#煤层开采过程中，7#煤层在其自身开采过后形成的采空区上的冒落的岩层会受到8#煤层开采的影响。显然，在8#煤层中的工作面不断向前推进时，当中部1.5m的泥岩发生断裂，但8#煤层顶板岩层的最大冒落高度4.9m小于7#顶板岩层的最大冒落高度16.9m，因此8#煤层中工作面液压支架所承受的重量即为7#煤层采空区冒落矸石的重量和层间岩层泥岩层的重量。

2.3 8#煤层顶板岩层的分类

2.3.1直接顶分类

通常情况下，按照直接顶岩层的稳定性将其分为四类，如表2所示。

并且以其直接顶岩层的初次垮落步距作为分类的主要指标，直接顶岩层的初次垮落步距Ly为：

式中：σt为直接顶岩层的强度，MPa;h为直接顶岩层的厚度，m;q为直接顶岩层受到的均布载荷大小，MPa。

根据上述2.2中分析可知，8#煤层直接顶受到的载荷为7#煤层采空区冒落矸石和层间岩层泥岩层两部分的重量即：

将计算结果q=0.35MPa，并取σt=8.5MPa，h=1.5m代入直接顶岩层的初次垮落步距的计算公式可得，Ly=10.1m，属于2类中等稳定顶板

根据此分类标准，该直接顶岩层属于2类中等稳定顶板。

2.3.2基本顶分类

通常情况下，按照上覆采空区矸石的充填系数作为极近距离煤层开采时的基本顶岩层的分类指标，上覆采空区矸石的充填系数Kc为：

3支架工作阻力的确定

3.1根据顶板岩层的冒落高度确定支架工作阻力

由上述分析可知，7#煤层顶板岩层的冒落高度和中部层间泥岩层的厚度之和∑h=16.9m，大于8#煤層的开采高度的6倍，即6M2=8.28m。根据上述2.3中分析可得，8#煤层中工作面液压支架所承受的重量即为7#煤层采空区冒落矸石的重量和层间岩层泥岩层的重量，由此可知，工作面液压支架的工作阻力为：

3.2根据煤层顶板岩层分类确定支架工作阻力

根据上述2.3中分析可知，8#煤层的基本顶岩层的分级为1级来压不明显顶板。结合矿井安全生产的相关规定可知，针对1级来压不明显顶板，当下部煤层的开采高度为1.38m时，支护强度下限Pe为488KPa，则此时，工作面液压支架的工作阻力为：

通过采用上述按照顶板岩层的冒落高度和煤层顶板岩层分类的方式确定工作面液压支架的工作阻力，将两者计算所得的工作面液压支架的合理工作阻力通过计算平均值的方法确定合理的工作阻力，

4注浆加固控制方法

针对该矿极近距离煤层开采条件，由于8#煤层在开采过程中会受到上部7#煤层采空区的影响，使得8#煤层上部顶板岩层较为破碎，围岩强度不高，因而提出采用马丽散对8#煤层顶板进行加固。其中马丽散材料主要存在以下几方面特点：使用方便，节省施工时间;不受季节因素影响;安全，对水资源污染较小;加固注入压力可控;经济合理。

因此综合考虑后，对8#煤层顶板施行马丽散加固，能够实现对8#煤层开采过程中顶板岩层的控制。加固后，通过对现场工程的实践检验，8#煤层工作面漏风量明显降低，同时工作面液压支架顶部受到的载荷也变得均匀。

5结论

针对山西某矿7#煤层和8#煤层煤层赋存存在极近距离的特点，研究分析了上煤层开采的顶底板岩层结构和下煤层开采的顶板岩层结构，并对下煤层工作面液压支架的工作阻力进行了计算，得到如下结论：

7煤层在开采完成以后，底板的最大破坏深度8.69m，底板最大破坏深度所在位置与煤壁的水平距离为1.96m，因此在7#煤层开采后，8煤层顶板就受到了充分的扰动并破坏。

7煤层开采后，顶板岩层的冒落高度为15.4m，8#煤层开采，顶板岩层的冒落高度为4.9m，8#煤层开采后顶板岩层的冒落高度与7#煤层开采后顶板岩层的冒落高度重合，且8煤层中工作面液压支架所承受的重量即为7#煤层采空区冒落矸石的重量和层间岩层泥岩层的重量。

通过采用按照顶板岩层的冒落高度确定工作面液压支架的工作阻力为9989.68kN，采用煤层顶板岩层分类的方式确定工作面液压支架的工作阻力为5764.5kN，将两者计算所得的工作面液压支架的合理工作阻力通过计算平均值的方法确定合理的工作阻力为7877.1kN。

通过对8#煤层顶板岩层施行马丽散加固，工作面漏风量明显减少，支架顶板受到的载荷也能基本实现均匀分布。

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