淺析近距離煤層覆巖結(jié)構(gòu)及其防控方法

＊梁曉波

（山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局 山西 030045）

煤炭開(kāi)采目前仍是我國(guó)煤炭資源的重要獲取途徑，在當(dāng)前我國(guó)煤炭資源量不斷下降的情況下，一些相對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層的開(kāi)采工作受到重視。近距離煤層在開(kāi)采過(guò)程中覆巖結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化比較大，容易在開(kāi)采過(guò)程中造成不利影響，因而本文將針對(duì)相關(guān)煤層的覆巖結(jié)構(gòu)以及開(kāi)采防控策略進(jìn)行分析。

1.近距離煤層的覆巖結(jié)構(gòu)

(1)煤層結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律

一般來(lái)講煤層結(jié)構(gòu)直接決定了開(kāi)采難度，因此在分析煤層結(jié)構(gòu)的過(guò)程中分為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層和復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層兩大類，這其中復(fù)雜煤層結(jié)構(gòu)還需要根據(jù)夾矸情況來(lái)分析其復(fù)雜程度。而我國(guó)煤炭資源雖然相對(duì)豐富但是不同煤礦的煤層結(jié)構(gòu)差異也比較大，開(kāi)采過(guò)程中的難度各不相同。近距離煤層在開(kāi)采過(guò)程中面臨較大的支護(hù)問(wèn)題，想要進(jìn)一步保障近距離煤層的開(kāi)采安全就必須深入了解相應(yīng)煤層的分布規(guī)律。根據(jù)近年來(lái)編制研究的煤礦地質(zhì)報(bào)告統(tǒng)計(jì)，近距離煤層層間距小于10m大約是總數(shù)的50%左右，下煤層與上煤層之間的間隔范圍具有相應(yīng)的可變化性；根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，上組煤層中以中厚煤層居多；近距離煤層散布的重點(diǎn)范圍是0-10m的層間距，也代表了這個(gè)范圍是近距離煤層擾亂影響的重點(diǎn)分析范圍；根據(jù)煤層的傾角數(shù)據(jù)分析，近距離煤層中主要為近水平平緩傾斜[1]。

(2)覆巖構(gòu)造劃分與活動(dòng)順序

依據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，在上煤層進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，上煤層底板已經(jīng)破壞，其破壞深度受上層煤的工作面長(zhǎng)度、埋深、煤層厚度以及煤層傾角等因素的影響。它利用上煤層與下煤層之間的巖層來(lái)影響下煤層的開(kāi)發(fā)與采用。巖層的坍塌、掉落，不穩(wěn)定性是煤層開(kāi)采過(guò)程中礦壓顯示的主要影響原因，伴著巖層之間的距離以及構(gòu)造變動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致下煤層開(kāi)采時(shí)，其頂板位于上層煤底板破壞帶和下層煤垮落帶交匯處，致使頂板破碎、支護(hù)困難及成本增加等影響。另外，在近距離煤層開(kāi)采過(guò)程中構(gòu)造對(duì)煤層的開(kāi)采影響也較大。當(dāng)上、下兩煤層之間的層間距較小時(shí)，上層煤和下層煤之間如果沒(méi)有厚層巖層，這樣的巖石因?yàn)樯厦簩拥装宓膿p壞影響，在開(kāi)采前期裂痕就已經(jīng)充足的成長(zhǎng)，當(dāng)進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，巖石呈塊狀破裂，很容易會(huì)導(dǎo)致直接頂?shù)拿奥?，使工作面壓迫乃至覆蓋支架。當(dāng)層間巖石的強(qiáng)度很低時(shí)，大多數(shù)是一邊開(kāi)采一邊導(dǎo)致坍塌。本次列舉對(duì)寧武縣莊旺煤業(yè)2號(hào)煤層和3號(hào)煤層開(kāi)采的研究結(jié)果，其2號(hào)煤層和3號(hào)煤層的層間距平均在7m左右，2號(hào)煤層厚度平均為3.60m，3號(hào)煤層厚度平均為1.64m，經(jīng)過(guò)計(jì)算2號(hào)煤層開(kāi)采后的底板破壞深度達(dá)到了20m以上，3號(hào)煤層的垮落帶高度平均在6m左右，由此可見(jiàn)3號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)的頂板位于2號(hào)煤層底板破壞深度和3號(hào)煤層垮落帶重疊范圍的兩帶交匯處。造成對(duì)3號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)頂板破碎、支護(hù)困難、成本太高等影響。由此可見(jiàn)，這樣的基本頂徹底處在上、下煤層的損壞范圍內(nèi)，跟著作業(yè)面的一直增加一直到開(kāi)采結(jié)束，在開(kāi)采區(qū)下面的下煤層的基本頂全部損壞，在進(jìn)行下煤層開(kāi)采中，基本頂破裂成零碎的巖石碎塊，不能變成“砌體梁”構(gòu)造，沒(méi)有了支撐力，與下面巖石共同支撐作業(yè)面，作業(yè)面的礦壓顯示規(guī)律也將會(huì)被影響。

頂板部分受損主要表現(xiàn)為上、下煤層層間距偏大，上層煤對(duì)底板的破壞深度和下層煤開(kāi)采后的垮落帶高度部分重合。這樣的近距離煤層因?yàn)橄聦用旱捻敯宀糠治挥趦蓭Ы粎R處，在上煤層開(kāi)采后的動(dòng)壓作用下，僅僅會(huì)在下層煤頂板比較薄的部分產(chǎn)生破損，頂板抵御拉扯能力減少，破裂的長(zhǎng)短范圍變小，在煤石的開(kāi)采過(guò)程中，頂板破裂變成受損的巖石碎塊，然后由這些破裂受損的巖石碎塊形成彼此鏈接的“砌體梁”構(gòu)造，但是還會(huì)有支撐力，但是因?yàn)檫@種破裂的巖石碎塊形成的構(gòu)造與沒(méi)有受損的構(gòu)造不一樣，作業(yè)面的礦壓顯示順序會(huì)有相應(yīng)的改變。

圖1 開(kāi)采過(guò)程中上層底板受影響情況比較嚴(yán)重

頂板沒(méi)有受損主要表現(xiàn)為近距離煤層中的層間距比較大，下層煤頂板所處位置是上煤層底板破壞范圍之外的近距離煤層。這樣的近距離煤層因?yàn)橄聦用喉敯逅幬恢檬巧厦簩拥装迤茐姆秶獾?，所以它不?huì)被上煤層底板聚集應(yīng)力的作用而產(chǎn)生變化。在進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，基本頂依舊是完好的，破裂后變成的構(gòu)造也具備很好的支撐力。開(kāi)采中的礦壓顯示順序和單一煤層基本相同。這種的近距離煤層開(kāi)采中的礦壓顯示順序變化沒(méi)有很大[2]。

(3)近距離煤層開(kāi)采過(guò)程中遇到的問(wèn)題

圖2 砌體梁結(jié)構(gòu)

根據(jù)大量的數(shù)據(jù)分析可以看出，近距離煤層開(kāi)采時(shí)，上、下煤層之間巖層位于下層煤垮落帶和上層煤底板破壞深度兩帶交匯處的占大多數(shù)，頂板部分位于兩帶交匯處的也較多，頂板沒(méi)有受損的較少見(jiàn)。上、下煤層之間巖層覆巖運(yùn)動(dòng)不止與巖層的破裂掉落方式有聯(lián)系，還會(huì)和作業(yè)面的底板損壞范圍還有破損巖石的破裂特點(diǎn)有聯(lián)系。所以要對(duì)近距離煤層開(kāi)采中覆巖運(yùn)動(dòng)順序?qū)嵭邢鄳?yīng)的解析。首先，根據(jù)前文分析可以知道，近距離煤層的開(kāi)發(fā)與采用會(huì)被上煤層的開(kāi)發(fā)所影響，一般會(huì)表現(xiàn)在上煤層在開(kāi)采時(shí)對(duì)下煤層頂板的損壞，如果下煤層的頂板巖石正好位于上煤層底板的破損區(qū)間內(nèi)，這就會(huì)導(dǎo)致下煤層在開(kāi)采過(guò)程中其頂板巖石受到破壞從而產(chǎn)生本質(zhì)變化，在上層煤底板的破壞范圍內(nèi)，因?yàn)椴煌攸c(diǎn)的支撐力有區(qū)別，所以底板不同地點(diǎn)的巖石破損水平也會(huì)有所區(qū)別，破損巖石的殘余水平也會(huì)有所區(qū)別。由破損巖石組成的破裂構(gòu)造也會(huì)與之前沒(méi)有受到破損的巖石組成的構(gòu)造不同，所以明確上煤層底板的破壞深度和程度是能夠正確判定下層煤開(kāi)采時(shí)其頂板巖石活動(dòng)特點(diǎn)的先決條件。然后要對(duì)下煤層作業(yè)面頂板進(jìn)行巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，分析其平穩(wěn)性。對(duì)于下層煤有較為完整的直接頂板的煤層，也許會(huì)導(dǎo)致巖層破裂長(zhǎng)度變短。如果巖石破裂較小，將會(huì)不能形成“砌體梁”構(gòu)造，任意一種形式都可以對(duì)作業(yè)面的礦壓產(chǎn)生影響。其次，下煤層作業(yè)面的支撐力與防護(hù)方法。根據(jù)前文可以得知，不同的煤層之間巖石的力學(xué)性質(zhì)有很大不同，因?yàn)榻嚯x煤層開(kāi)采中，下層煤開(kāi)采時(shí)有頂板破損現(xiàn)象屬不可避免的情況，所以在煤層開(kāi)采中不僅要采取正確的支撐防護(hù)方法外，還要有相應(yīng)的輔佐方法，并且對(duì)已擺放好在作業(yè)面上的支架要進(jìn)行合理解析，看其是否符合當(dāng)前位置[3]。

2.覆巖活動(dòng)的防控方法

(1)掌握計(jì)算下煤層頂板負(fù)荷

下煤層的頂板負(fù)荷是了解下層煤開(kāi)采時(shí)礦壓的有效方法，在下煤層進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，因?yàn)樯厦簩拥装宓暮芏嘀饕獛r層都已經(jīng)產(chǎn)生破裂，導(dǎo)致下煤層頂板的支撐力發(fā)生變化，從最初完好的巖層變成破碎的巖石塊對(duì)下煤層的頂板產(chǎn)生壓力。在計(jì)算過(guò)程中要清晰上煤層掉落的巖石構(gòu)造和活動(dòng)特點(diǎn)。要根據(jù)巖石重量來(lái)推算出工作面的支架支撐強(qiáng)度，然后通過(guò)底板比壓進(jìn)行驗(yàn)算，最后根據(jù)支架支撐強(qiáng)度來(lái)確定支架的工作阻力，從而可以更好的掌握下煤層頂板負(fù)荷。

(2)解析下煤層覆巖的穩(wěn)定性

下煤層頂板的負(fù)荷情況以及破損程度會(huì)導(dǎo)致巖石之間可能沒(méi)有辦法形成“砌體梁”構(gòu)造，將會(huì)對(duì)作業(yè)面的礦壓產(chǎn)生影響。即使破裂后的頂板巖石碎塊能夠形成“砌體梁”構(gòu)造，它們之間不同的穩(wěn)定性也會(huì)使礦壓產(chǎn)生變化。所以在下煤層開(kāi)采時(shí)也要注意解析其頂板的穩(wěn)定性，它的穩(wěn)定性對(duì)作業(yè)面的礦壓有很大影響因素。這就需要煤礦在開(kāi)采過(guò)程中及時(shí)對(duì)下層煤的頂板和上層煤的底板進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，并根據(jù)開(kāi)采過(guò)程中的實(shí)際情況及時(shí)掌握巖層的穩(wěn)定性。

(3)近距離煤層開(kāi)采時(shí)要采取相應(yīng)的支撐和防護(hù)措施

不同類別的近距離煤層的覆巖構(gòu)造也是有很大區(qū)別的，所以開(kāi)采過(guò)程中支架的阻力也是不同的，在開(kāi)采中首先要有正確的支撐，也可以稱為加固法，在底板設(shè)置封閉的支架，然后可以先將兩側(cè)的煤采出，再注入相應(yīng)的支護(hù)阻力進(jìn)行支撐穩(wěn)定。最后可以由后向前分成多個(gè)節(jié)段進(jìn)行挖掘施工。在施工過(guò)程中還要進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)助辦法，要充足的解析當(dāng)前處于作業(yè)面支架是否符合所處位置。

3.總結(jié)

煤炭是我國(guó)能源資源中相對(duì)來(lái)說(shuō)比較富饒的能源，但也是有限能源不能重復(fù)生產(chǎn)的，所以人們也會(huì)越來(lái)越注重對(duì)煤炭資源的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。不僅要注意節(jié)約能源，還要在能源開(kāi)采過(guò)程中采取正確的方法進(jìn)行開(kāi)采，以減少近距離煤層開(kāi)采時(shí)對(duì)巖層的破壞造成的地下水運(yùn)移變化等的破壞。