极近距离煤层下分层开采矿压显现规律分析

【摘 要】煤炭为国民经济发展提供了充足发展能源，煤炭占据国内一次性能源结构的67%以上，且长时期占据主导。因成煤条件的不同，造成赋存条件也各不相同，煤层厚度的层间距离也千变万化。赋存条件多样与复杂性，对企业经济效益有直接影响。在我国煤炭开采中，开采的多是近距离煤层。分层开采近距离煤层时，将会有新的岩层应力分布于回采空间，出现应力集中于煤柱之上，且分层开采造成了不规律与不明显的煤层顶板来压，对布置与维护回采巷道造成影响。

【关键词】极近距离煤层；分层开采；矿压显现规律

在煤炭开采研究中，对单一煤层开采的研究比较丰富，但缺乏对近距离煤层开采的探讨，对于极近距离煤层开采技术做系统分析也是少见。国内在研究极近距离煤层开采中，重点在于经验性、实践性的归纳总结，有必要做理论上的研究。

1 极近距离煤层开采中的不足

因存在煤层层间间距差异，影响开采程度的不同，如果煤层间存在较大距离，下部煤层开采会受到上部煤层开采较小程度作用。这样，开采方法、矿压显现规律是不受到任何制约的，开采方法同于单一煤层。若煤层间存在较小距离，那么煤层上下间则存在较大的作用力。若煤层间距非常小，开采上部煤层造成了顶板完整性受损，开采下部煤层就面临新的力学环境。若顶板管理以长壁垮落阀实施，散体边界条件为开采下部煤层时的边界条件。如果以刀柱采煤法开采上部煤层，集中压力将形成于开采完成上部煤层得到的煤柱，集中荷载边界条件为开采下部煤层时的边界条件。根据边界条件的差异，矿压现象必然出现在开采下部煤层之时，如压力传递规律、支架承载特征、顶板活动规律、矿压现象程度等。但是，矿压机理与现象并不能又现有的近距离煤层开采与单一煤层开采时采用的控制顶板岩层理论与经验得以解决，在开采极近距离煤层时，必然出现技术难点。长时间的生产经验表明，在开采完成上部煤层后，再开采下部煤层，顶板漏、冒事故经常发生，出现工作面漏风，采空区沟通，对生产能力与安全构成了不小威胁。

对于极近距离煤层，巷道支护与布置时，没有太多的硬性指标，如，系统认知支护对策、支护原则与原理，这也是初步认知怎样确定极近距离下部煤层开采巷道的位置。在完成开采上部煤层后，开采下部煤层时的围岩因上部集中压力而出现位移场与应力场，难以维护巷道。通常说来，开采下部煤层时，可将回采巷道布置在应力降低区内，维护轻松。但在实践中，即使如此，也存在明显的巷道压力，严重的破坏与变形，难以维护。支护巷道的办法有可缩性U型支架、金属网、锚索、锚杆等，但支出大，没有多大效率。

在以上分析中，我们可以归纳出极近距离煤层开采时，存在有哪些不足。首先，支架――围岩关系与矿压显现规律的模糊，没有科学的设计支护选型办法。上层采动易影响下部煤层，冒顶、漏顶以及支架压埋常常出现，极易造成火灾出现。其次，无有效的理论指导开采，工作面出现了严重的破坏与变形，较大的支出成本，难以获得预期经济效益，回采率很低。在今后，有待于在以下几个方面做好研究：①开采极近距离煤层时的覆岩结构和运动规律；②开采极近距离煤层时的控制围岩技术理论；③极近距离煤层开采技术可靠性与工艺方式研究；④开采极近距离下部煤层时的矿压显现规律分析。

2 极近距离煤层概念与距离判定

2.1 极近距离煤层概念分析

因煤层层间距离与赋存条件存在的差异，开采煤层时也出现不同的影响程度。在开采煤层下行时，如果煤层间间距在逐渐缩小，则煤层间就有更密切的影响关系。在煤层层间距离足够小时，采动上部煤层时非常容易破坏下部煤层顶板，因破坏了的顶板，开采下部煤层时，顶板漏、冒情况就非常容易发生在工作面。所以，下部煤层受到的上部煤层影响表现在自然灾害防治、巷道围岩控制与下部煤层工作面控制上。为此，以定性分析看极近距离煤层，可以解释为煤层间有很近的距离，在开采时彼此间的影响程度非常显著。

从定量定义出发，因开采上部煤层，应力将在其底板再次出现分布，底板越深，应力集中程度则会衰减。如果底板岩层与应力衰减达到值相同，那么可设 为损伤深度或底板岩层深度，极近距离煤层可根据 进行划分，即若 ，hj为煤层间距。

2.2 判定极近距离煤层的依据

在理论上，我们可以通过以下式子判断极近距离煤层：

3 判定极近距离煤层实例分析

3.1 煤矿甲

该煤矿煤层开采条件：215m为上部10#煤层采深，25kN/m?为上覆岩层容重的平均值，156m的工作面长，1.92m的煤层均厚M，粉细砂岩为下部煤层11-1#2-1#与10#煤层合并间岩石类型，以61.8MPa为单轴抗压强度，0.32的节理裂隙系数， =29.5°的内摩擦角，因节理裂隙的存在，以1.08MPa为C，以3.6为应力集中系数（回采导致），0为pi（煤帮受到的支架阻力），0.2为顶底板岩层和煤层间的摩擦接触系数。

有了以上数据，结合极近距离煤层的定量分析公式，得到该煤矿存在5.43m与3.84m的最大间距。考虑极近距离煤层内涵以及不利于开采煤矿的条件，明确该煤矿存在5.5m》 的间距比较值。极近距离上下部煤层存在0.4-3.0m的层间距离，所以，该部分为极近距离煤层。

3.2 煤矿乙

300m为下组煤层群的埋深，25kN/m?为上覆岩层容重平均值，3.0，m的平均煤层厚度，150m的平均工作面长，以55.2-86MPa为砂岩类（煤层间岩层）单轴抗压强度，取64MPa的平均值，33°的煤层间岩层摩擦角，0.37的节理裂隙系数。以30°为煤层内摩擦角，1.8MPa为内聚力。0为煤帮受到的支架阻力，3.6为因回采造成的应力集中系数。0.2时顶底板岩层和煤层间存在的摩擦接触面系数。

通过以上数据，根据公式，可得到5.91与5.16m的最大极近距离煤层间距。考虑开采煤层不利制约因素与极近距离煤层的概念，以 为极近距离煤层间距比较值，也就是说，极近距离煤层为小于6m时的煤层群层间距位置。

4 极近距离煤层下分层开采矿压显现规律分析

4.1 王村煤矿极近距离煤层赋存分析

在王村煤矿，11-1#、11-2#、12-1#主要分布着极近距离煤层，超过667.5万吨储量。观测极近距离煤层下分层的矿压显现，主要为404盘区的8406与8407两个工作面（11-2#煤层）以及8803工作面（408盘区）。11-1#为11-2#的上部，以3.33m为平均厚度，是采空区，地表存在顶板冒落情况，内错式为布置回采巷道的方式。

8803工作面：450m的可采深度，78m的工作面长度。3.0m平均煤层厚度，2.6m采高，147-168m的埋深，1.2-1.6m是11-1#与11-2#煤层间距，以1.4m为平均值，时细砂岩与粉砂岩互层区，泥质胶结，石英、长石为主要成分，薄层状。

8806工作面：326m可采长度，106m工作面长度，2.2m平均煤层厚，122-158m的埋深，2-4°的倾角。以3-6m的11-1#与11-2#的煤层间距，取3.9m的平均值，时细砂岩、粉砂岩互层。

8807工作面：以2.5m为平均煤厚，450m的可采长度，114m的工作面长。1-3°煤层倾角，110-158m煤层埋深。2.5-4.1m为11-1#与11-2#的煤层间距，区3.6m的平均值。岩层层理发育，以84.3MPa的上部岩样抗压强度，3.7MPa的抗拉强度。而下分层则是非常的层理发育，以10-140mm的层理间距，大约为1.0-1.6m的厚度，存爱68.3MPa的岩样抗压强度。

4.2 王村极近距离煤层下分层开采时矿压显现规律分析

我们从以下几个方面分析该煤矿极近距离煤层下分层开采时的矿压显现规律：

（1）工作面顶板初次来压

观察三个工作面，当开切眼与工作面存在3m距离时，顶板裂隙在采空区增加，且出现了顶的离层情况。如果开切眼与工作面存在10m距离时，冒落在采空区顶板出现，且冒落伴随开采。但冒落矸石块度很小，为1.1的岩石碎胀系数。回采工作面时，周期来压与初次来压没有出现，冲击动压情况也未出现。片帮为大面积出现在煤壁。

（2）支架载荷

首先，支架初撑力。以液压支架进行支撑，通过实测，发现了2092.3-2401kN的的平均初撑力，其范围值为41.8%-48%的额定工作阻力。同时得出2000-2538kN的初撑力范围，存有较低的工作面支架初撑力。

综合实测的工作面结果，得出：极近距离下层煤层开采时，开采时的工作支架阻力并没多大变化，是低阻状态，没有明显的显现压力。若得到1.5m支架宽、4.66m顶距，区25kN/m?的平均上覆岩层容重。实测结果得到8803为岩柱重量的5.4倍平均支架重量，可得到7.3倍岩柱重量；同样，8046工作面以8.4倍岩柱重量进行支架维持，得到10倍的岩柱重量；8047工作面以7.2倍岩柱重量做支架维持，得到8.8倍的岩柱重量。从实测得出，11-2#煤层赋存深壁支架载荷大，证明了一定结构的工作面顶板存在于极近距离下层煤层，上覆岩层重量主要施加到支架上。

（3）上下顺槽采动情况

本工作面很少影响到上下顺槽，在距离煤壁0-13.5的范围内，是主要的超前影响区。可见下图2。通过实测，当8407工作面煤壁位置有顺槽时，存在27mm的相对顶板移近量，当8803工作面煤壁与顺槽存2.8m的距离时，存15.6mm的相对顶底板移近量，当8406工作面煤壁位置有顺槽时，存在33.8mm的相对顶底板移近量。

（4）活住下缩量与顶底板移近量

通过观测数据，发现研究的几个工作面没有存在多大的下沉量。移架前到移架后之间，是顶板下沉速度最快的时期，存在00.289mm/min与0.17mm/min的下沉平均速度。活柱下缩量未在循环内出现。

（5）顶板断裂位置

在推进工作面时，顶板锻炼线也在发生位置变化。当慢速的推进工作面，顶板断裂线会做前移，但在支架梁端后。若推进工作面速度快，出现了顶板断裂线往后移动情况，非常破碎。

5 极近距离煤层下分层开采时的安全保障

5.1 工作面通风

在开采极近距离煤层下分层时，容易勾通上部煤层采空区，若周围存在较多小煤窑，将会破坏采掘布局，对矿井通风构成危害。因复杂多变的通风网络，全风压通风系统可能在回采工作面无法构建，无法排出有毒气体。所以，有必要做好矿井通风工作。“U”型是较常用的通风形式，进风、回风都通过顺槽，以矿井全风压的现实条件，具备稳定的通风系统。

5.2 防火

某些极近距离煤层下分层开采时，出现破碎顶板情况，工作面不能及时推进，明显有利于遗煤的自然。所以，要提出合理的防火方案。气雾阻化防火在煤炭开采时较为常用。隔绝作用、负催化剂作用于吸水降温作用是阻化剂防火的主要作用体现。隔绝作用，主要是媒体裂隙中因氯化物溶液的渗入，同时在煤表面覆盖，隔绝空气；负催化作用，主要是阻化处理煤之后，煤表面有阻化剂，降低了氧与煤合力；吸水降温作用，主要是因氯化物有很强的吸水性，使得煤表面含有大量水分，起到降温作用，发火期得到延长。氯化镁因无毒、无害，是应用较为广泛的水类阻化剂，能最小腐蚀机械，所以，应是合理之选。雾化、管路系统与雾化泵站是主要的汽雾阻化系统。电器开关、储液箱、过滤器、雾化泵设置于雾化泵站，接头、高压球阀、高压管构成系统管理，雾化器为雾化部分。

其他防灭火措施：定期测风，确保工作面风量正常，以及顺槽间漏风量；在极近距离煤层下分层开采时，需要在上隅角、回风口测试CO气体，以及温度变化的定期检测；回采时，如果回风风流、上隅角出现0.0024%以上的CO浓度，则必须撤人、断电，及时处理；工作面的配风量应当低于1300m?/min，确保进回风两巷的压差足够低。

5.3 防治瓦斯积聚策略

（1）配风的计划性，确保新鲜风能及时到达工作面。

（2）设有两道风门，不可同时打开。在通风区，开关传感器、闭锁与拉簧是风门必备。

（3）在工作面尾部打风障，且存1300m?/min的风量，同时存在超过1%的瓦斯浓度，则需要抽排风。

（4）瓦电闭锁装置要安装于工作面。

6 结语

在以节能减排、发展新能源政策下，煤炭资源依然占我国能源利用的主导地位。极近距离煤层开采并没有深入的理论研究，下分层开采更会出现应力的重新分布，出现来压不规律与不明显情况。本文主要极近距离煤层做了概念阐述，并通过案例用以深入理解什么是极近距离煤层，同时分析了极近距离煤层开采时的不足。在以王村煤矿几个工作面的矿压分析后，得知极近距离煤层下分层开采时需要注意的几个层面的矿压显现规律。当然，采矿安全是重中之重，需要采取各项措施，保证矿工的生命安全。

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