浅埋煤层矿山压力特点与支护技术
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【摘 要】矿山压力是由于工作面岩层被开采，导致上覆岩层破断引起。了解矿山压力的特点与规律，可以更好地选择工作面支架的支撑力，提高工作面回采速率，提高煤矿产量，增加企业收入，对于煤矿开采有重要的意义。
【Abstract】The mine pressure is caused by the overlying strata breaking due to the working face strata are mined. Knowing the characteristics and rules of mine pressure can help to choose the support force of working face support better， improve the mining rate of working face， increase the output of coal mine and increase the income of enterprise， which is of great significance for coal mining.
【关键词】浅埋煤层；矿山压力；特点
【Keywords】shallow buried coal seam； mine pressure； characteristics
【中图分类号】TD31 【文獻标志码】A 【文章编号】1673-1069（2019）04-0169-02
1 引言
相较于其他一次能源，煤炭资源在我国储量丰富，属于主体能源，即使未来几十年，也是主要的一次能源。浅埋煤田在全世界都有分布，但主要分布在中国、美国和俄罗斯。一般认为埋藏深度在100m左右的煤层为浅埋煤层，其地面一般为表土层。与国外浅埋煤层相比，我国西部浅埋煤层主要特点就是煤层上部地表土层松软，煤层倾角小，主要为近水平煤层。相较于其他深度的煤层，开采浅埋煤层时，容易引起地表沉陷，矿山压力大且难以控制。
2 矿山压力显现的基本规律
针对矿山压力研究，主要有砌体梁理论，该理论由钱鸣高院士在20世纪80年代提出，并得到了广泛的应用[1]。然后继续发展为“关键层理论”，“关键层理论”认为：在煤系地层中，由于岩层经历的地质历史不同，形成了层厚和地质力学特性各不相同的岩层，在煤层的上覆岩层中，一些硬度较高的厚岩层对其他层位的岩层变形破坏有着较强的控制作用，这些控制岩层就被称为关键层。当煤矿采场上覆岩层中存在多个关键层时，会把其中起到主要作用的岩层作为主关键层，其他被称为亚临界层。
2.1 矿山压力显现程度常见指标
工作面是处于地层大结构中的小结构，大结构的变形会影响小结构的变形，通过观测小结构的变形就可以推断出大结构的状态。矿压大小主要由以下标准进行观测和鉴别：
①顶板下沉速度：是工作面顶板向采空区自由空间移动的速度，也就是单位时间内的顶板下沉量。
②顶板下沉量：一般指煤壁到采空区部分的顶板向自由空间的移近量。有时会和工作面的推进量进行对比，将工作面每推进1m距离的顶板下沉距离作为顶板下沉量。
③支柱变形与破坏程度：在老顶破断回转过程中，工作面顶板将过高的压力传递到工作面支架的支柱上，此时支柱的柱帽会产生明显的变形甚至破坏。
④顶板破碎情况：冒顶面积占顶板管理总面积的百分比，是衡量顶板管理好坏的重要指标。
⑤局部冒顶：采矿工作面的向下破碎冒落，在一定范围内形成空腔导致局部坍塌，严重时会阻碍工作面的进尺。
⑥大面积：是指回采工作面顶板沿这煤壁上边缘整体切落，导致整个顶板压到液压支架上，对工作面造成严重的影响。
2.2 老顶初次来压与周期来压
随着工作面向前推进，老顶岩层由简支梁结构，逐渐变为悬臂梁结构，后由于内部节理裂隙发育导致岩层破断失稳。在此过程中，老顶的第一次破断被称为初次来压。矿压显现强度一般随着老顶跨度增加而增强，在这种周而复始的工程中，每当老顶失稳就会对工作面产生压力。这种周而复始的顶板来压现象称为工作面顶板的周期来压。
一般情况下，老顶初次来压和周期来压的显现强度受到老顶岩层结构的影响，是由几层岩层共同作用的结果，也与工作面支架的布置、选型、开采计划和采空区破碎岩体的堆积程度相关。
3 浅埋煤层矿山压力特点
在我国，井工煤矿遇到的问题，大部分是由于采用长臂开采方法引起围岩活动导致的地质力学问题。但随着深度的不同，这些问题会呈现出不同的特点和不同的原理。根据煤层埋藏深度，依次将其划分为：露天煤层、浅埋煤层、浅部煤层和深部煤层[2]。
某矿4206工作面顶板岩性为粉砂岩或砂质泥岩，底板岩性为砂质泥岩。该工作面煤层埋藏深度66～106m，为浅埋煤层，与上部的3-1煤层间距28～77m，平均69.25m。与下部的5-1煤层间距24.52～39.15m，平均31.95m。
矿压观测结果表明，此工作面的矿压显现有以下显著特征[3]：①顶板和地表活动具有同时性，即上覆岩层破断垮落时，上覆表土层会在极短的时间内向下陷落；②工作面支架支撑阻力较小时，顶板下速度快，下沉量大，顶板的变形数据曲线具有明显的分阶段平台形状；③工作面液压支架支承阻力较高时，顶板下沉量会减小，但会沿着支架后方切落；④矿压来压速度快，显现时间短，与深部的准静压相比，具有明显的动压特征；⑤相对于地表深度在85～110m时，工作面来压量最大，台阶下沉量在180～280mm，但当工作面老顶岩层较厚时，不同深度的工作面来压差别趋于相同。
4 浅埋煤层工作面维护改进
4.1 选择合适支架工作阻力
选择合理的支架型号与初撑阻力，使工作面支架与围岩有良好的耦合关系，这是决定支架成败的关键因素之一[4]。针对某矿4206工作面矿压显现特点，选用ZY6600/18/37型两柱式掩护支架，该液压支架的额定工作阻力为6600kN，大于计算的液压支架工作阻力3328.7kN，支护高度1.8～3.7m，满足2.3m采高。 4.2 选择适合的支架结构
支架的结构主要包括：单体立柱，顶梁和底座等部件，选择合适的尺寸可以便于支架的运输、安装和拆解；减少支架对顶板反复支撑的次数，减小支架对顶板的破坏；支架动作简单，简化电液配套，增加支架的移架速度；增大支架对工作面煤壁的支护力，有利于维护顶板的完整性，使其更适合工作面的设计。
4.3 选择合适的平衡千斤顶
平衡千斤顶是两柱掩护式液压支架的重要部件，它的型号是否与支架匹配，决定支架的性能，主要表现在以下两个方面：①调节支架顶梁与顶板的耦合点的位置与耦合力的大小，提高支架对顶板变形的适应性；②当支架处于卸载或半卸载工况时，可以调节支架顶梁的角度，使支架处于较好的工况条件。
值得注意的是，支架在以下几种条件下，平衡千斤顶及其连接耳易发生损坏：①当工作面顶板破碎时，支架顶梁无法与顶板完全接触，出现有顶梁的后端与顶板接触的情况，如果此时遇到顶板来压，导致平衡千斤顶额定行程被全部使用，其与支架的连接转换为刚性连接导致平衡千斤顶被拉坏或连接耳座损坏；②支架初撑阻力不足时，顶板断裂位置相较于正常情况下前移，顶梁在顶板回转压迫下，出现后端下沉，前端向上倾斜的情况，将平衡千斤顶拉坏；③支架结构与形状不合理，支架的掩护梁向顶板的投影面积过大，导致掩护梁承载过大；④平衡千斤顶选型不合理，推拉力不能满足现场需要，容易被高压损坏。
4.4 选择质量好的工作面支架
當支架的选项合理，避开了上述3种工况，但由于质量问题，仍然会导致支架无法满足现场需要，不能很好地控制及匹配顶板的活动规律。
5 结语
本文总结了矿压规律，通过现场监测分析了浅埋煤层的矿压特点，提出了工作面支架维护和改进的重点，最终分析了工作面支架的选型，取得了显著的经济效益。
【参考文献】
【1】钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.
【2】李和平.浅埋煤层大采高综采面矿压规律的研究[J].煤矿现代化，2019（01）：50-52.
【3】黄克军，黄庆享，王苏健，等.浅埋煤层群采场周期来压顶板结构及支架载荷[J].煤炭学报，2018，43（10）：2687-2693.
【4】曹方梅. ZY8800/22/45D型液压支架有限元分析及强度优化[D].成都：电子科技大学，2008.
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