近距离煤层采空区下工作面顶板压力的控制

李志海

（山西西山晋兴能源有限责任公司 ，山西 兴县 033600）

0 引言

近年来，随着煤炭资源的高强度开采，很多赋存条件较好的煤层已接近枯竭，由于近距离煤层在我国分布十分广泛，因此对近距离煤层的开采成为很多矿区的必然选择。与单一煤层开采不同，近距离下煤层开采时，由于上部煤层已经回采完毕，下煤层位于采空区下，其顶板结构发生较大变化，并且，由于煤层赋存条件、层间距、层间岩层岩性等因素的不同，近距离煤层采空区下工作面的矿压显现特征也有很大的不同，给工作面的顶板控制带来一定困难[1]。因此，本文以西铭矿43108工作面实际地质条件为工程背景，对工作面顶板结构进行分析研究，并计算得到工作面顶板压力，为工作面顶板控制提供理论依据。

1 工作面概况

西铭矿属于西山煤电集团旗下主力矿井，位于山西省太原市，年生产能力为360万t/a。矿井可采煤层包括2号、3号、8号和9号煤层，43108工作面1018水平西十一采区右翼，工作面主采3号煤层，采用走向长壁后退式综合机械化采煤方法。煤层厚度为1.30～2.80m，平均 2.37m，煤层倾角为 2°～8°，平均5°，工作面走向长度为1315m，倾斜长度为184m，盖山厚度121～328m，平均220m。该工作面上覆2号煤层工作面均已回采，2号煤层与3号煤层间距9～17m，平均12.15m，层间岩层岩性以页岩、砂纸页岩和中粒砂岩为主。

2 工作面顶板结构

2.1 顶板结构分类

根据层间岩层厚度和煤层采高等条件，可将工作面顶板结构分为以下三类[2]：

1）原生顶板结构。原生顶板结构是指开采单一煤层时的顶板结构，是工作面顶板上部没有采空区的情况。此时，工作面直接顶和基本的保持原生岩层结构，其示意图如图1所示。

图1 原生顶板结构示意图

2）类原生顶板结构。类原生顶板结构与原生顶板结构类似，是指工作面上部虽然存在采空区，但是采空区与工作面的距离较远，工作面基本顶上部仍有较厚的岩层，煤层开采时，受采空区的影响极小，可以忽略不计。其顶板结构示意图如图2所示。

3）次生顶板结构。次生顶板结构是指工作面上部存在采空区，且采空区与工作面之间的距离较近，下部煤层开采时，受采空区影响较大，工作面顶板压力与单一煤层开采相比有较大差别。其顶板结构示意图如图3所示。

图3 次生顶板结构

2.2 确定顶板结构

由矿井实际生产条件可知，43108工作面的煤层厚度为1.30～2.80m，平均2.37m，利用传递岩梁理论，考虑基本顶岩梁的弯曲下沉，则工作面的直接顶厚度为[3]：

式中：Hz为工作面直接顶高度，m；M为工作面煤层采高，取2.37m；η为工作面回采率，取0.95；SA为工作面基本顶岩层沉降值，取0.2M=0.474m；KA为采空区冒落岩层的碎涨系数，取1.3。

将数据代入，可得工作面直接顶厚度为Hz=5.925m，根据工作面实际地质资料，可知工作面直接顶应为0.8m厚的页岩和4.9m厚的砂纸页岩，其基本顶为4.6m厚的中粒砂岩。因此，可知43108工作面基本顶上部边界与2号煤层采空区之间的距离仅为1.85m，由此可以判断工作面顶板结构为次生顶板结构。

3 确定顶板压力

3.1 理论计算

若假设43108工作面顶板为原生顶板结构，即工作面上部没有采空区，则此时顶板来压期间工作面顶板压力为：

式中：pT为来压期间工作面顶板压力，MPa；A为工作面直接顶压力，MPa；pE为工作面基本顶压力，MPa。

直接顶压力为：

式中：Hz1为工作面实际直接顶厚度，取5.7m；γz为直接顶岩层平均容重，取24kN/m3；fz为直接顶悬顶系数，取2.53。

式中：HE为工作面基本顶厚度，取4.6m；γE为基本顶岩层平均容重，取24kN/m3；c为基本顶周期来压步距，根据邻近工作面实测数据，取12m；KT为基本顶岩重分配系数，取2；LK为工作面控顶距，取4.23m。

根据以上分析，将数据代入，可得43108工作面直接顶压力为A=0.35MPa，基本顶压力pE=0.16MPa。顶板压力pT=0.51MPa。

3.2 附加载荷计算

在以上分析中，没有考虑上部采空区对工作面的影响，但根据煤层实际赋存条件，工作面上部12.15m处即为2号煤层采空区，根据以往开采经验[4]，此煤层间距较近，导致下煤层开采时，一定会受到上煤层采空区的影响。并且，根据实测数据，在工作面来压期间顶板压力约为0.74MPa，是理论计算值0.51MPa的1.45倍，由此可知，43108工作面上部采空区对工作面顶板产生了附加载荷，不能简单的根据原生顶板结构进行计算。

43108工作面上部2号煤层厚度平均为1.85m，其附加载荷主要就是2号煤层采空区内垮落矸石的重量。与原生顶板结构不同，次生顶板结构下上方采空区内的矸石重量不仅由工作面前方煤壁和后方采空区矸石承受，还会有部分载荷施加至下方工作面支架上。

工作面上的附加载荷大小即为顶板压力实测数值和理论计算值之间的差值，即

式中：pf为工作面顶板附加载荷的大小，MPa；pT1为工作面顶板压力实测值，取0.74MPa；其余符号含义与前面相同。

将数据代入式（5），可得工作面顶板附加载荷pf=0.23MPa。

工作面顶板压力附加系数是指下方工作面顶板附加载荷与上覆工作面采空区采高之间的比值，其表达式为：

式中：T为工作面顶板压力附加系数；M1为上部2号煤层平均厚度，取1.85m；γ1为上部2号煤层顶板岩层平均容重，取24kN/m3；其余符号含义与前面相同。

将数据代入，可得工作面顶板压力附加系数T=5.18。

通过计算结果，可知工作面顶板压力的附加系数为5.18，即附加载荷为5.18倍的2号煤层采高岩重，约为上部2号煤层直接顶岩层的容重。

3.3 支架选型验算

在矿井生产实际中，43108工作面选择ZY5000－12/28型两柱掩护式液压支架，其主要参数见表1。

在工作面生产过程中，该面采用跟顶跟底进行开采，最大采高2.6m，最小采高1.6m，平均采高2.37m。当工作面煤层厚度＞2.6m时，采用跟顶留底进行开采。由表1可知，工作面支架高度为1.2～2.8m，满足生产需求。

由前面分析可知，在工作面来压期间，煤层顶板压力约为0.74MPa，而ZY5000－12/28型液压支架支护强度为0.75MPa，满足生产需求。

由此可知，ZY5000－12/28型液压支架可以满足矿井的生产需求，且在实际生产中，使用该型支架能够在回采期间保障工作面顶板稳定，效果良好，为矿井安全生产奠定了基础。

4 结 论

针对西铭矿采空区下43108工作面实际赋存条件，对工作面顶板压力进行合理研究，得到以下结论：

1）根据煤层间距和煤层厚度等条件的不同，可将采空区下煤层顶板分为原生顶板、类原生顶板和次生顶板三种结构；

2）与原生顶板和类原生顶板不同，次生顶板结构时，不仅承受直接顶和基本顶所施加的载荷，还要承受上覆采空区矸石所施加的附加载荷，附加载荷大小约为上煤层直接顶的重量；

3）根据工作面煤层赋存条件和顶板强度，对ZY5000－12/28型液压支架进行合理验算，结果表明该型支架完全满足生产需求，且在实际应用中效果良好。