堅硬頂板的一般特點與控制措施

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高、節理裂隙不發育、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律，有針對性的采取措施有效控制，是采場安全生產、消除重大頂板事故的關鍵。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有著明顯的不同，堅硬頂板回采工作面其礦山壓力顯現較為劇烈，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。

關鍵詞：堅硬頂板；初次來壓；頂板控制；顯現特征；

一、我國工作面的頂板分類

隨著煤礦生產技術的不斷發展，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、基本頂的基本概念，然后按穩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，而且控制方法也未加區別，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特征

2.1周期性的破斷來壓步距大、動載系數高

堅硬頂板的一大特點就是煤層采出后，采空區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。根據統計，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；在煤層的非彈性區的前面部分應力曲線基本重合，說明煤壁塑性區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，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

直接頂的受力是研究水平直線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變化范圍較大，采空區側的應力值明顯小于煤壁側的應力；直接頂受到的垂直應力在采空區端部為壓應力，當采深達到1200m時端部2m范圍內應力值明顯增大；在控頂區后側6m左右范圍內，直接頂受到拉應力，隨采深的變化不大；直接頂控頂區受到的垂直應力隨采深變化不大，甚至有所減小；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內斷裂后，隨著采面的推進，支柱的前移，斷裂頂板發生回轉下沉，其下面支柱就會逐漸傾斜、失穩，最終失去平衡，從而發生推垮支柱的頂板事故。因此，把頂板控制在切頂線外斷裂，保持控頂區頂板完整性，是避免發生此類頂板事故的重要因素。

頂板斷裂位置可根據回采工作面開采初期的巷道布置，按照薄板的假設計算原理計算得出。假設其厚度（h）與寬度（a）的比值h/a=1/7～1/15。根據開采條件及邊界煤柱大小，又可將老頂巖層假設為四種情況：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，

lm—表示頂板步距準數，

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，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，頂板可正常垮落，減小來壓對工作面的威脅。巖石有吸水軟化特性，人為地向巖體內注水，除了水可以降低巖石的內聚力和內摩擦系數外，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展注水法的重點。

參考文獻：

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