淺埋煤層礦山壓力特點與支護技術

引言
　　相較于其他一次能源，煤炭資源在我國儲量豐富，屬于主體能源，即使未來幾十年，也是主要的一次能源。淺埋煤田在全世界都有分布，但主要分布在中國、美國和俄羅斯。一般認為埋藏深度在100m左右的煤層為淺埋煤層，其地面一般為表土層。與國外淺埋煤層相比，我國西部淺埋煤層主要特點就是煤層上部地表土層松軟，煤層傾角小，主要為近水平煤層。相較于其他深度的煤層，開采淺埋煤層時，容易引起地表沉陷，礦山壓力大且難以控制。
　　2 礦山壓力顯現的基本規律
　　針對礦山壓力研究，主要有砌體梁理論，該理論由錢鳴高院士在20世紀80年代提出，并得到了廣泛的應用[1]。然后繼續發展為“關鍵層理論”，“關鍵層理論”認為：在煤系地層中，由于巖層經歷的地質歷史不同，形成了層厚和地質力學特性各不相同的巖層，在煤層的上覆巖層中，一些硬度較高的厚巖層對其他層位的巖層變形破壞有著較強的控制作用，這些控制巖層就被稱為關鍵層。當煤礦采場上覆巖層中存在多個關鍵層時，會把其中起到主要作用的巖層作為主關鍵層，其他被稱為亞臨界層。
　　2.1 礦山壓力顯現程度常見指標
　　工作面是處于地層大結構中的小結構，大結構的變形會影響小結構的變形，通過觀測小結構的變形就可以推斷出大結構的狀態。礦壓大小主要由以下標準進行觀測和鑒別：
　　①頂板下沉速度：是工作面頂板向采空區自由空間移動的速度，也就是單位時間內的頂板下沉量。
　　②頂板下沉量：一般指煤壁到采空區部分的頂板向自由空間的移近量。有時會和工作面的推進量進行對比，將工作面每推進1m距離的頂板下沉距離作為頂板下沉量。
　　③支柱變形與破壞程度：在老頂破斷回轉過程中，工作面頂板將過高的壓力傳遞到工作面支架的支柱上，此時支柱的柱帽會產生明顯的變形甚至破壞。
　　④頂板破碎情況：冒頂面積占頂板管理總面積的百分比，是衡量頂板管理好壞的重要指標。
　　⑤局部冒頂：采礦工作面的向下破碎冒落，在一定范圍內形成空腔導致局部坍塌，嚴重時會阻礙工作面的進尺。
　　⑥大面積：是指回采工作面頂板沿這煤壁上邊緣整體切落，導致整個頂板壓到液壓支架上，對工作面造成嚴重的影響。
　　2.2 老頂初次來壓與周期來壓
　　隨著工作面向前推進，老頂巖層由簡支梁結構，逐漸變為懸臂梁結構，后由于內部節理裂隙發育導致巖層破斷失穩。在此過程中，老頂的第一次破斷被稱為初次來壓。礦壓顯現強度一般隨著老頂跨度增加而增強，在這種周而復始的工程中，每當老頂失穩就會對工作面產生壓力。這種周而復始的頂板來壓現象稱為工作面頂板的周期來壓。
　　一般情況下，老頂初次來壓和周期來壓的顯現強度受到老頂巖層結構的影響，是由幾層巖層共同作用的結果，也與工作面支架的布置、選型、開采計劃和采空區破碎巖體的堆積程度相關。
　　3 淺埋煤層礦山壓力特點
　　在我國，井工煤礦遇到的問題，大部分是由于采用長臂開采方法引起圍巖活動導致的地質力學問題。但隨著深度的不同，這些問題會呈現出不同的特點和不同的原理。根據煤層埋藏深度，依次將其劃分為：露天煤層、淺埋煤層、淺部煤層和深部煤層[2]。
　　某礦4206工作面頂板巖性為粉砂巖或砂質泥巖，底板巖性為砂質泥巖。該工作面煤層埋藏深度66～106m，為淺埋煤層，與上部的3-1煤層間距28～77m，平均69.25m。與下部的5-1煤層間距24.52～39.15m，平均31.95m。
　　礦壓觀測結果表明，此工作面的礦壓顯現有以下顯著特征[3]：①頂板和地表活動具有同時性，即上覆巖層破斷垮落時，上覆表土層會在極短的時間內向下陷落；②工作面支架支撐阻力較小時，頂板下速度快，下沉量大，頂板的變形數據曲線具有明顯的分階段平臺形狀；③工作面液壓支架支承阻力較高時，頂板下沉量會減小，但會沿著支架后方切落；④礦壓來壓速度快，顯現時間短，與深部的準靜壓相比，具有明顯的動壓特征；⑤相對于地表深度在85～110m時，工作面來壓量最大，臺階下沉量在180～280mm，但當工作面老頂巖層較厚時，不同深度的工作面來壓差別趨于相同。
　　4 淺埋煤層工作面維護改進
　　4.1 選擇合適支架工作阻力
　　選擇合理的支架型號與初撐阻力，使工作面支架與圍巖有良好的耦合關系，這是決定支架成敗的關鍵因素之一[4]。針對某礦4206工作面礦壓顯現特點，選用ZY6600/18/37型兩柱式掩護支架，該液壓支架的額定工作阻力為6600kN，大于計算的液壓支架工作阻力3328.7kN，支護高度1.8～3.7m，滿足2.3m采高。 　　4.2 選擇適合的支架結構
　　支架的結構主要包括：單體立柱，頂梁和底座等部件，選擇合適的尺寸可以便于支架的運輸、安裝和拆解；減少支架對頂板反復支撐的次數，減小支架對頂板的破壞；支架動作簡單，簡化電液配套，增加支架的移架速度；增大支架對工作面煤壁的支護力，有利于維護頂板的完整性，使其更適合工作面的設計。
　　4.3 選擇合適的平衡千斤頂
　　平衡千斤頂是兩柱掩護式液壓支架的重要部件，它的型號是否與支架匹配，決定支架的性能，主要表現在以下兩個方面：①調節支架頂梁與頂板的耦合點的位置與耦合力的大小，提高支架對頂板變形的適應性；②當支架處于卸載或半卸載工況時，可以調節支架頂梁的角度，使支架處于較好的工況條件。
　　值得注意的是，支架在以下幾種條件下，平衡千斤頂及其連接耳易發生損壞：①當工作面頂板破碎時，支架頂梁無法與頂板完全接觸，出現有頂梁的后端與頂板接觸的情況，如果此時遇到頂板來壓，導致平衡千斤頂額定行程被全部使用，其與支架的連接轉換為剛性連接導致平衡千斤頂被拉壞或連接耳座損壞；②支架初撐阻力不足時，頂板斷裂位置相較于正常情況下前移，頂梁在頂板回轉壓迫下，出現后端下沉，前端向上傾斜的情況，將平衡千斤頂拉壞；③支架結構與形狀不合理，支架的掩護梁向頂板的投影面積過大，導致掩護梁承載過大；④平衡千斤頂選型不合理，推拉力不能滿足現場需要，容易被高壓損壞。
　　4.4 選擇質量好的工作面支架
　　當支架的選項合理，避開了上述3種工況，但由于質量問題，仍然會導致支架無法滿足現場需要，不能很好地控制及匹配頂板的活動規律。
　　5 結語
　　本文總結了礦壓規律，通過現場監測分析了淺埋煤層的礦壓特點，提出了工作面支架維護和改進的重點，最終分析了工作面支架的選型，取得了顯著的經濟效益。