鄭永鋒+楊磊+陳亞鵬

摘 要：堅(jiān)硬頂板是指煤層頂板巖石強(qiáng)度和彈性模數(shù)高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大、整體性強(qiáng)、自承能力強(qiáng)的頂板。煤層開采后頂板大面積懸露而不垮落，工作面初次及周期來(lái)壓步距大，頂板來(lái)壓時(shí)壓力大。堅(jiān)硬頂板采場(chǎng)與普通采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)的主要差別是周期性來(lái)壓強(qiáng)烈，因此，掌握?qǐng)?jiān)硬頂板采場(chǎng)礦山壓力基本規(guī)律，有針對(duì)性的采取措施有效控制，是采場(chǎng)安全生產(chǎn)、消除重大頂板事故的關(guān)鍵。礦山堅(jiān)硬頂板回采工作面和普通回采工作面的礦山壓力顯現(xiàn)有著明顯的不同，堅(jiān)硬頂板回采工作面其礦山壓力顯現(xiàn)較為劇烈，由于頂板堅(jiān)硬難于垮落造成頂板懸空面積增大、初次垮落步距加大、頂板大面積在無(wú)預(yù)兆下發(fā)生大面積沖擊垮落，不僅使大量的金屬支柱遭受損壞，而且還危及工作面工人的人身安全，如果控制不好，后果危害極大。本文通過(guò)對(duì)堅(jiān)硬頂板的特點(diǎn)提出了常用的控制方法，為同類其它礦井提供了一定的指導(dǎo)意思。

關(guān)鍵詞：堅(jiān)硬頂板；初次來(lái)壓；頂板控制；顯現(xiàn)特征；

一、我國(guó)工作面的頂板分類

隨著煤礦生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，回采工作面機(jī)械化程度的提高，80年代初，為了改善頂板管理，我國(guó)頒布了新的《緩斜和傾斜煤層回采工作面頂板分類》方案。該方案首先明確了偽頂、直接頂、基本頂?shù)幕靖拍?，然后按穩(wěn)定性將直接頂分為四類，按來(lái)壓強(qiáng)度將基本頂分為四級(jí)，最后由兩者類級(jí)別的不同組合，將采場(chǎng)頂板分為11類，其中屬于堅(jiān)硬頂板的有Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3、Ⅲ4、VI4五類，我國(guó)現(xiàn)行的這種頂板分類對(duì)Ⅲ級(jí)來(lái)壓強(qiáng)烈頂板有了較細(xì)的劃分，但Ⅳ級(jí)頂板太籠統(tǒng)，而且控制方法也未加區(qū)別，針對(duì)性不強(qiáng)。在Ⅲ級(jí)頂板中，Ⅲ1、Ⅲ2類可以用全部垮落法，Ⅲ3、Ⅲ4類必須強(qiáng)制放頂，顯然不夠確切，因?yàn)閘、2類頂板只表明了它的直接頂穩(wěn)定性差，并不表明巖層的厚度大小，從0.3～5的N值變化范圍很大，其中25～50m來(lái)壓步距的頂板必有來(lái)壓強(qiáng)烈，甚至極強(qiáng)烈的。

二、堅(jiān)硬頂板采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)特征

2.1周期性的破斷來(lái)壓步距大、動(dòng)載系數(shù)高

堅(jiān)硬頂板的一大特點(diǎn)就是煤層采出后，采空區(qū)上方的頂板不能及時(shí)垮落，當(dāng)懸露較大面積后，才突然破斷冒落。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，初次冒落的面積一般在3000m2以上，而周期冒落面積也在1500m2以上。對(duì)于長(zhǎng)壁采場(chǎng)來(lái)說(shuō)，初次來(lái)壓步距在30m以上，整體性強(qiáng)的頂板往往呈正方形的懸露面積時(shí)，頂板活動(dòng)產(chǎn)生的壓力最大。

造成堅(jiān)硬頂板來(lái)壓強(qiáng)烈的另一個(gè)重要因素是直接頂厚度小，垮落巖石在采空區(qū)形成的墊層很薄，或者無(wú)墊層，老頂垮落的空間高度大，在變形能量釋放的同時(shí)，大塊頂板的巖石直接沖擊在支架上。

除此之外堅(jiān)硬頂板壓力還與采深有著一定的關(guān)系。隨著采深不斷增加，應(yīng)力曲線不斷上揚(yáng)，煤層受到的整體應(yīng)力也相應(yīng)增大，當(dāng)采深為1200m時(shí)，應(yīng)力峰值達(dá)到了55MPa；在煤層的非彈性區(qū)的前面部分應(yīng)力曲線基本重合，說(shuō)明煤壁塑性區(qū)受到的應(yīng)力大小幾乎不受采深變化的影響，主要取決于煤體的峰后特性；當(dāng)靠近應(yīng)力峰值附近，煤壁的受力是隨著采深的增加而增加；在煤壁前方20m左右以遠(yuǎn)應(yīng)力線趨于平穩(wěn)，說(shuō)明煤層受力從此位置開始基本不再受到采動(dòng)的影響，接近原巖應(yīng)力，其絕對(duì)量隨采深的增加而增加。

圖1不同采深下直接頂受垂直應(yīng)力分布

直接頂?shù)氖芰κ茄芯克街本€所示層面的應(yīng)力分布情況.以煤壁豎直方向的延長(zhǎng)線和直接頂上層截面的交叉點(diǎn)為原點(diǎn)，向采空區(qū)方向?yàn)樨?fù)，向右為正建立坐標(biāo)系來(lái)分析直接頂板受力與采深的關(guān)系。

不同采深下直接頂受到的垂直應(yīng)力分布如圖1所示（圖中縱坐標(biāo)所表示的應(yīng)力中，正值表示壓應(yīng)力，負(fù)值表示拉應(yīng)力，以后各圖均延用此假定）.應(yīng)力曲線在煤壁兩側(cè)變化范圍較大，采空區(qū)側(cè)的應(yīng)力值明顯小于煤壁側(cè)的應(yīng)力；直接頂受到的垂直應(yīng)力在采空區(qū)端部為壓應(yīng)力，當(dāng)采深達(dá)到1200m時(shí)端部2m范圍內(nèi)應(yīng)力值明顯增大；在控頂區(qū)后側(cè)6m左右范圍內(nèi)，直接頂受到拉應(yīng)力，隨采深的變化不大；直接頂控頂區(qū)受到的垂直應(yīng)力隨采深變化不大，甚至有所減?。恢苯禹斒艿降拇怪睉?yīng)力的峰值隨采深的增加而增加，但在采深1000m和1200m時(shí)其峰值基本相等。

2.2支架載荷高，且分布不均勻，合力點(diǎn)靠近后排支柱

由于堅(jiān)硬頂板由于整體性硬、冒落的塊度大。一般在冒落切頂后方均有3-5m左右的懸頂，它是造成載荷分布不均的主要原因。欲改善受力分布，應(yīng)及時(shí)處理頂板，盡可能減少頂板懸露面積。

三、工作面堅(jiān)硬頂板控制

3.1控制頂板的斷裂位置

為減輕堅(jiān)硬頂板對(duì)工作面的危險(xiǎn)可先計(jì)算出頂板的斷裂位置。下位堅(jiān)硬頂板在控頂區(qū)內(nèi)斷裂后，隨著采面的推進(jìn)，支柱的前移，斷裂頂板發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉，其下面支柱就會(huì)逐漸傾斜、失穩(wěn)，最終失去平衡，從而發(fā)生推垮支柱的頂板事故。因此，把頂板控制在切頂線外斷裂，保持控頂區(qū)頂板完整性，是避免發(fā)生此類頂板事故的重要因素。

頂板斷裂位置可根據(jù)回采工作面開采初期的巷道布置，按照薄板的假設(shè)計(jì)算原理計(jì)算得出。假設(shè)其厚度（h）與寬度（a）的比值h/a=1/7～1/15。根據(jù)開采條件及邊界煤柱大小，又可將老頂巖層假設(shè)為四種情況：四邊固支、三固一簡(jiǎn)、兩固兩簡(jiǎn)及一固三簡(jiǎn)。四邊固支條件下基本頂垮落步距計(jì)算如下：

（1）

則老頂初次斷裂步距可以寫成：

（2）

式中：ω—表示“邊-長(zhǎng)”系數(shù)，

lm—表示頂板步距準(zhǔn)數(shù)，

i=1，2，3，4分別表示上述四類邊界條件。

3.2強(qiáng)制放頂法

強(qiáng)制放頂法包括采后爆破和采前預(yù)爆破兩類。采后爆破是在工作面后方采空區(qū)，向頂板打眼裝藥，用爆破的方法強(qiáng)迫頂板冒落。采前預(yù)爆破是在工作面前方頂板打眼裝藥，用爆破的方法預(yù)先松動(dòng)頂板，當(dāng)工作面采過(guò)后頂板可自行冒落的方法。

3.3壓力注水弱化頂板

壓力注水弱化頂板就是在工作面前方預(yù)先向頂板鉆孔注壓力水，利用水對(duì)巖體的壓裂和軟化作用，破壞頂板的完整性和降低頂板巖石強(qiáng)度，當(dāng)工作面采過(guò)后，頂板可正?？迓?，減小來(lái)壓對(duì)工作面的威脅。巖石有吸水軟化特性，人為地向巖體內(nèi)注水，除了水可以降低巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦系數(shù)外，水的壓裂作用是十分明顯的，壓裂破壞了巖體的完整性，從而達(dá)到放頂目的。

四、結(jié)語(yǔ)

爆破法放頂破壞巖體的完整性是一種可行的頂板處理方法，其中采前預(yù)爆破，干擾回采工序較小，但炸藥消耗量大，成本高，特別是大量的炸藥在井下爆破，污染嚴(yán)重。注水目前存在著效率低，某些頂板軟化效果差等缺點(diǎn)，提高注水弱化頂板的效率，減少工程量，降低注水成本等是今后研究的發(fā)展注水法的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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