鄭永鋒+楊磊+陳亞鵬

摘 要：堅硬頂板是指煤層頂板巖石強度和彈性模數(shù)高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大、整體性強、自承能力強的頂板。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壓步距大，頂板來壓時壓力大。堅硬頂板采場與普通采場礦山壓力顯現(xiàn)的主要差別是周期性來壓強烈，因此，掌握堅硬頂板采場礦山壓力基本規(guī)律，有針對性的采取措施有效控制，是采場安全生產(chǎn)、消除重大頂板事故的關(guān)鍵。礦山堅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、頂板大面積在無預兆下發(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。本文通過對堅硬頂板的特點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意思。

關(guān)鍵詞：堅硬頂板；初次來壓；頂板控制；顯現(xiàn)特征；

一、我國工作面的頂板分類

隨著煤礦生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，回采工作面機械化程度的提高，80年代初，為了改善頂板管理，我國頒布了新的《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，按來壓強度將基本頂分為四級，最后由兩者類級別的不同組合，將采場頂板分為11類，其中屬于堅硬頂板的有Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3、Ⅲ4、VI4五類，我國現(xiàn)行的這種頂板分類對Ⅲ級來壓強烈頂板有了較細的劃分，但Ⅳ級頂板太籠統(tǒng)，而且控制方法也未加區(qū)別，針對性不強。在Ⅲ級頂板中，Ⅲ1、Ⅲ2類可以用全部垮落法，Ⅲ3、Ⅲ4類必須強制放頂，顯然不夠確切，因為l、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來壓步距的頂板必有來壓強烈，甚至極強烈的。

二、堅硬頂板采場礦山壓力顯現(xiàn)特征

2.1周期性的破斷來壓步距大、動載系數(shù)高

堅硬頂板的一大特點就是煤層采出后，采空區(qū)上方的頂板不能及時垮落，當懸露較大面積后，才突然破斷冒落。根據(jù)統(tǒng)計，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。對于長壁采場來說，初次來壓步距在30m以上，整體性強的頂板往往呈正方形的懸露面積時，頂板活動產(chǎn)生的壓力最大。

造成堅硬頂板來壓強烈的另一個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，或者無墊層，老頂垮落的空間高度大，在變形能量釋放的同時，大塊頂板的巖石直接沖擊在支架上。

除此之外堅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，應力曲線不斷上揚，煤層受到的整體應力也相應增大，當采深為1200m時，應力峰值達到了55MPa；在煤層的非彈性區(qū)的前面部分應力曲線基本重合，說明煤壁塑性區(qū)受到的應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；當靠近應力峰值附近，煤壁的受力是隨著采深的增加而增加；在煤壁前方20m左右以遠應力線趨于平穩(wěn)，說明煤層受力從此位置開始基本不再受到采動的影響，接近原巖應力，其絕對量隨采深的增加而增加。

圖1不同采深下直接頂受垂直應力分布

直接頂?shù)氖芰κ茄芯克街本€所示層面的應力分布情況.以煤壁豎直方向的延長線和直接頂上層截面的交叉點為原點，向采空區(qū)方向為負，向右為正建立坐標系來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力分布如圖1所示（圖中縱坐標所表示的應力中，正值表示壓應力，負值表示拉應力，以后各圖均延用此假定）.應力曲線在煤壁兩側(cè)變化范圍較大，采空區(qū)側(cè)的應力值明顯小于煤壁側(cè)的應力；直接頂受到的垂直應力在采空區(qū)端部為壓應力，當采深達到1200m時端部2m范圍內(nèi)應力值明顯增大；在控頂區(qū)后側(cè)6m左右范圍內(nèi)，直接頂受到拉應力，隨采深的變化不大；直接頂控頂區(qū)受到的垂直應力隨采深變化不大，甚至有所減??；直接頂受到的垂直應力的峰值隨采深的增加而增加，但在采深1000m和1200m時其峰值基本相等。

2.2支架載荷高，且分布不均勻，合力點靠近后排支柱

由于堅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，應及時處理頂板，盡可能減少頂板懸露面積。

三、工作面堅硬頂板控制

3.1控制頂板的斷裂位置

為減輕堅硬頂板對工作面的危險可先計算出頂板的斷裂位置。下位堅硬頂板在控頂區(qū)內(nèi)斷裂后，隨著采面的推進，支柱的前移，斷裂頂板發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉，其下面支柱就會逐漸傾斜、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)計算原理計算得出。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、兩固兩簡及一固三簡。四邊固支條件下基本頂垮落步距計算如下：

（1）

則老頂初次斷裂步距可以寫成：

（2）

式中：ω—表示“邊-長”系數(shù)，

lm—表示頂板步距準數(shù)，

i=1，2，3，4分別表示上述四類邊界條件。

3.2強制放頂法

強制放頂法包括采后爆破和采前預爆破兩類。采后爆破是在工作面后方采空區(qū)，向頂板打眼裝藥，用爆破的方法強迫頂板冒落。采前預爆破是在工作面前方頂板打眼裝藥，用爆破的方法預先松動頂板，當工作面采過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先向頂板鉆孔注壓力水，利用水對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度，當工作面采過后，頂板可正?？迓?，減小來壓對工作面的威脅。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，從而達到放頂目的。

四、結(jié)語

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，污染嚴重。注水目前存在著效率低，某些頂板軟化效果差等缺點，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。

參考文獻：

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