綜采工作面火成巖堅硬頂板合理懸頂長度的研究

白朋軍

【摘要】工作面懸頂長度的合理控制需要綜合考慮頂板來壓、支架承載力等多種因素，通過對頂板受力情況的分析和建立堅硬頂板力學模型，得出長壁工作面條件下堅硬頂板控制的合理支護強度和懸頂距臨界值的計算公式，從而為堅硬頂板下強制放頂步距以及工作面布置長度的合理確定提供了理論依據。

【關鍵詞】綜采工作面 ?火成巖 ?堅硬頂板 ?懸頂長度

堅硬的火成巖頂板具有穩定性好，不易垮落的特點，此類頂板之下的長壁工作面通常初次垮落步距較大，周期斷裂懸頂較長，對于采面安全是重大的威脅。一旦頂板壓力超過支架支撐力并出現大面積懸頂垮落的話，必然會造成井下人員、設備的重大損失。因此，對于此類頂板必須要及時采取強制放頂措施，合理確定工作面布置長度，才能避免大面積懸頂的出現，既保證開采效率又能保證采面安全。工作面懸頂長度的合理控制需要綜合考慮頂板來壓、支架承載力等多種因素，通過對頂板受力情況的分析和建立堅硬頂板力學模型，得出長壁工作面條件下堅硬頂板控制的合理支護強度和懸頂距臨界值的計算公式，從而為堅硬頂板下強制放頂步距以及工作面布置長度的合理確定提供了理論依據。

一、火成巖堅硬頂板運動特點和控制要求

火成巖又成為巖漿巖，是巖漿運動侵入地殼或噴出地表后冷凝而成的巖石，具有較高的硬度，在地殼中廣泛存在。由火成巖構成的堅硬頂板通常直接賦存在煤層之上，具有硬度高、厚度大、整體性和穩定性強的特點，煤層開采后可在采空區形成難以短期內自然垮落的大面積懸頂。受巖體特性影響，火成巖堅硬頂板工作面具有動載系數大、來壓步距大的特點，初次來壓步距最多可達150m以上;并且來壓顯現強烈，冒落巖石塊度大，冒落高度大，大面積懸頂冒落時具有極強的破壞力，可產生強烈的風暴。堅硬頂板初次垮落時一般為整體運動形式，在頂板自身重力的作用下，頂板與上位巖層離層邊界附近的上表面會首先出現拉裂紋，其端部所受彎矩隨之減小。隨后端部裂紋會逐漸發展，頂板的重力作用會越來越多地轉移至頂板巖體中部，并使中部拉應力超過強度極限而出現拉裂斷隙。在頂板沉降過程中，水平的擠壓力可能使擠碎的部分巖塊出現冒落，而大面積的懸露巖層會因端部殘余斷面抗剪能力和下部支架支撐力不足以承擔其重量而出現整體性的下切滑落，最終造成壓垮支架的切頂事故。

堅硬頂板初次垮落后，隨著工作面的推進，采空區側堅硬頂板會成為懸頂，同時對下部支架產生更大的壓力。如果其壓力超過工作面支架承載力，便會因頂板垮落造成支架失穩或被壓垮，引起壓垮型事故。因此，為了防止直接頂大面積懸頂垮落和壓垮型事故的發生，必須在頂板壓力超過支護強度極限之前采取人工放頂措施，以控制懸頂長度和減小頂板壓力;同時合理布置控頂區內支護阻力分布，使堅硬頂板在支架切頂線處冒落。

二、工作面長度與頂板壓力的相關性分析

綜采工作面頂板壓力主要來自于頂板自身重力，包括直接頂作用的靜荷載和基本頂失穩后的動荷載，頂板越厚重，其產生的動靜荷載也越大;為了克服直接頂帶來的荷載，要求工作面液壓支架工作阻力必須大于頂板巖層重量和基本頂失穩時對支架的動載，可用公式P=K×q進行計算。式中K為基本頂失穩時動載系數，q為直接頂巖石重量，P為支架支護強度。其中q由直接頂容重、頂板巖性、工作面采高和斜長因素決定。根據公式可知基本頂失穩時動載系數、直接頂巖石重量與支護強度呈正相關，在支護強度一定的情況下，只能采取控制懸頂長度和極限跨距的辦法來保證支架支撐力與頂板動靜荷載之間的平衡。

三、堅硬頂板初次斷裂前極限跨距的力學模型

（一）雙支點巖梁力學模型

根據支點與煤壁支承變形的關系，巖梁力學模型可分為簡支梁和固支梁兩種。如果支承點為實體煤柱，且煤體變形較小，可視為固支點;如果由小煤柱支承，在應力比較集中的情況下容易出現煤體變形，此支承點為簡支點。實際上，由于巖體結構的復雜性，巖梁荷載并不均勻，巖梁各點變形也不均勻。對于火成巖堅硬頂板來說，由于整體性較強且結構穩定，因而其重力作用可以較為廣泛地分布于各支點，各支點不易出現應力集中，斷破前巖梁總體變形微小。故工程計算可采用均布荷載。

（二）四邊支承巖板力學模型

堅硬頂板一次垮落厚度一般為5～10m，回采面長度通常為110～200m，初次來壓步距一般為35～100m。由此可知懸空頂板寬厚比在1/5～1/20范圍內，符合彈性薄板理論。

（三）模型選擇

基于彎矩理論和馬克斯簡算式得出的巖板及巖梁力學模型，通常工作面長度大于初次來壓步距2倍，即a（巖梁極限跨距與回采面長度之比）≤0.5時，需采用巖梁模型進行估算;a>0.5時，采用巖板模型。

（四）極限跨距

當巖梁實際受到的拉應力大于其允許拉應力時，即滿足了頂板初次斷裂前端部拉開的力學條件。許可拉應力主要與巖梁厚度、巖梁橫截面厚度有關，極限跨距可用公式L=√2H2[σ]/q進行計算。式中H為巖梁高度，[σ]為允許最大拉應力，q為頂板巖梁影響荷載。

四、堅硬頂板合理懸頂長度的確定

在堅硬頂板首次斷裂后，在工作面不斷推進的同時其前方煤壁上會構成一種固支，由此也形成了懸臂梁巖。懸臂巖梁在工作面推進的各種受力影響下，會出現周期性的斷裂，其荷載分布形式可分為集中荷載、均布荷載和非均布荷載。在軟巖層堅硬頂板存有賦存情況，則可在堅硬頂板上將其視為均布荷載，火成巖堅硬頂板可視為此種荷載形式。在均布荷載分布形式下，構建懸臂梁力學模型。設定L為懸臂梁巖總長度，[p]為支護強度，且L=LK+LS，式中LK為支架后巖梁懸頂長度，LS為支架控頂距離（懸頂長度）。懸頂長度可用公式：LS≤LK（√[p]/q-1）予以確定。

參考文獻：

[1]鄧維元.綜采工作面堅硬頂板合理懸頂長度研究[J].山西焦煤科技，2009，（4）.

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