张 伟

（山西晋神沙坪煤业有限公司，山西 河曲 036500）

我国很多煤田厚煤层存在夹矸或者分叉的现象。夹矸或者分叉现象的存在增加煤层结构的复杂程度，特别是煤层夹矸或者分叉后层间距超过一定厚度，无法作为同一煤层开采时，需要进行分层开采。而上分层开采后垮冒的矸石对底板造成的破坏必然对下分层回采产生影响，增加了下分层的安全开采的难度[1-5]。山西晋神沙坪煤业主采8#煤层，在现回采区域煤层出现分叉现象，层间距最大可达8 m，上分层已经回采完毕。为了最大限度的开发煤炭资源，提高煤炭资源回收率，需要对8#下分层进行回采。因此，对上下分层间矸石岩性和厚度对下分层回采安全的影响进行研究，确定下分层开采的安全岩柱，并对小于安全岩柱的区域采取必要的安全技术措施，对矿井安全高效回采具有重要意义。

1 煤层分叉区域地质条件概述

沙坪煤业主采煤层为8#煤层，煤厚6.6～8.2 m，平均7.3 m。井田范围内煤层厚度存在一定变化，局部分叉为两层，分别为8#上、8#下，两层煤均全区可采，层间距0～8.8 m。该矿2008年至今，回采范围内煤层夹矸厚度较大，仅回采上分层，目前已基本回采结束，需要进行下分层的回采；未回采区域局部存在煤层夹矸较薄的情况，需要对其回采工艺进行优化，并采取相应措施，解决下分层回采顶板管理难题。

已经回采的8#上煤层厚度3.6 m，直接顶板为3.4 m厚粉砂质泥岩，其单轴抗压强度为17.56 MPa，基本顶为12.3 m厚细砂岩，抗压强度为46.7～75.86 MPa，直接底板为泥岩及中细粒砂岩，其在分叉区域成为下分层顶板。8#煤下分层煤厚3.7 m，直接顶为泥岩和中细粒砂岩，厚度0～8.8 m，泥岩的单轴抗压强度在18.21～34.82 MPa之间，平均25.9 MPa，抗拉强度2.38 MPa；中、细砂岩局部赋存，厚度5.2～6.1 m，单轴抗压强度46.4 MPa，直接底为泥岩，基本底为细砂岩。8#煤分叉区域各工作面层间岩性和发育情况见表1。

表1 分叉区域层间岩性及主要力学参数

2 分叉区域层间距安全评价模型选择

8#煤分叉情况下，其下分层开采时工作面顶板稳定性的主要决定因素为：顶板岩性、厚度、结构、上分层回采垮冒高度与载荷等。由于顶板主要以泥岩为主，且厚度不大，采后一般直接冒落，在工作面内仅仅依靠液压支架和岩层自身强度保持稳定。通常上分层回采结束后，煤层直接顶板垮落后会将采空区填满，可对均布载荷集度进行计算；下分层回采期间，可将顶板全厚视为均布载荷进行计算，则下分层顶板总载荷集度可由下式计算[6]：

式中：q为8#下分层顶板的载荷集度，MPa；qs为冒落带的载荷集度，MPa；qx为直接顶板的载荷，MPa；∑h为冒落带高度，m；γ1为上分层的顶板重率，MN/m3；hcj为直接顶板的厚度，m；γ2为下分层的顶板重率，MN/m3；Kp为岩石碎涨系数；M1为上分层回采高度，m。

若要保持工作面回采空间顶板的相对稳定，需要保证在最大控顶距内的煤层顶板不会受到破坏断裂，按照悬臂梁模型[7]进行计算，则有：

由式（2）推导：

解方程可得：

在式（2）、（3）、（4）中：M1、γ1、γ2定义同式（1）；Lk为下分层回采时的控顶距，m；[σt] 为下分层顶板抗拉强度，MPa；σl为最大控顶距状态下分层顶板抗拉强度，MPa。

式（4）是近煤层群下分层回采中，在忽略液压支架的情况下，层间岩层稳定性计算的力学判断依据。

若考虑支架支撑作用对顶板的影响，按照类似的推导，则有：

式中：qp为支架的支撑强度，MPa。此式是在考虑支架支撑强度情况下，层间岩层稳定性计算的力学判断依据。

由式（4）和式（5）可知，考虑液压支架支护时，层间岩层的安全厚度要小于不考虑液压支架支护时的理论计算值。

3 8#煤分叉区域下分层顶板厚度安全开采临界值计算

3.1 考虑液压支架支护时顶板安全厚度计算

8#煤下分层的回采高度为 3.7 m，γ1=γ2=0.025 MN/m2，最大控顶距Lk=4.550 m，最小控顶距Lk=3.850 m，M1=3.7m，直接顶泥岩抗拉强度[σt]=2.38 MPa，Kp=1.25，在考虑液压支架支护情况下，设移架时支撑强度qp=0.1 MPa，通过计算可得最大、最小控顶距时安全开采顶板厚度临界值分别为3.01 m、2.56 m。

3.2 不考虑液压支架支护时顶板安全厚度计算

不考虑支护情况下，根据上述参数可计算出确保安全开采的下分层最小顶板厚度3.08 m。最大控顶距Lk=5.413 m时，计算可得确保下分层安全开采的最小顶板岩层厚度3.54 m。由此可知，不考虑液压支架支护情况下，层间岩层厚度安全开采厚度最大增加至3.54 m。

综上所述，在下分层顶板为泥岩时，确保安全回采的顶板岩层厚度为2.5～3.0 m，此时可按照普通情况下进行回采，能够保证8#煤下分层安全回采。

3.3 8#煤下分层回采安全分析

对8#煤分叉区域顶底板岩层的实际发育情况进行分析，在分叉区内设计的采煤工作面中，按照层间岩层厚度可以大致分为3 种：

（1）能够保证回采安全的工作面，例如8302、8303、8304、8306 等工作面，其下分层顶板厚度普遍超过3.0 m，所以不需要采取额外的安全措施即可保证下分层顶板的有效控制和安全回采。

（2）能够基本保证回采安全的工作面，例如8404 工作面，下分层顶板厚度平均1.95 m，发育较稳定，厚度变化不大，在下分层开采时对工作面铺设顶网即可基本保证工作面的安全回采。

（3）不能保证回采安全的工作面，例如分叉区域8401、8402 工作面下分层顶板厚度较小，平均厚度分别为0.56 m、0.70 m，由于层间距过小，无法对下分层开采时工作面顶板进行有效控制，无法实现安全回采。

4 顶板厚度小于安全开采临界值时安全开采技术措施

8#煤层分叉区域下分层顶板厚度为2.5～3 m时，可以保证下分层工作面安全回采。在实际回采期间，由于支架的工作阻力对顶板形成反作用力，因此可根据顶板岩层发育情况，将保证安全回采的顶板厚度临界值适当降低[8]至2～2.5 m左右；但如果顶板岩层厚度小于2 m，甚至小于1.0 m的情况下，则无法对顶板进行有效控制，容易发生工作面漏顶情况。根据以往工程经验和现场试验，存在如下两种解决方案：

1）煤层夹矸厚度较薄的未回采区域，在8#煤上分层工作面回采时铺设底网，下分层工作面回采时铺设顶网，参照破碎顶板控制方案对下分层回采工作面煤层顶板进行控制，解放下分层煤炭资源。

2）根据未回采区域下分层顶板岩层厚度，对不同厚度下的工作面采取不同的回采方案，若下分层顶板岩层接近1.5～2.0 m范围时，可分别对上下分层设计工作面进行回采；若下分层顶板小于0.5 m时，可采用大采高一次采全高或者综放工艺进行回采；若下分层顶板岩层较小但无法进行大采高或综放回采工艺时，可对下分层破碎顶板采用化学注浆的方法进行加固，防止工作面发生漏顶。

5 结语

在考虑液压支架支撑作用力的情况下，通过对煤层分叉区域层间距进行安全分析，得出如下结论：

1）对8#煤分叉区域进行下分层顶板安全回采厚度进行计算，考虑液压支架支护和不考虑液压支架支护时，最大控顶距和最小控顶距下保证安全开采的顶板岩层厚度分别为3.01 m、2.56 m和3.08 m、3.54 m。

2）工作面正常回采时，在下分层顶板为泥岩的情况下，确保下分层安全回采层间距临界值约为3.0 m，在采取一定安全措施后，层间距2.0～3.0 m的情况下也可以对下分层顶板进行有效控制，从而确保下分层安全回采；

3）在下分层顶板厚度小于安全回采临界值时，可根据不同情况，采取如下安全回采措施：①8#煤上分层工作面回采时铺设底网，下分层工作面回采时铺设顶网，按照煤层破碎顶板进行管理。②按照下分层顶板厚度对工作面进行分区回采，改变回采工艺。③对于无法改变回采工艺，下分层顶板接近临界值的可采用化学注浆方案对顶板进行加固后安全回采。