荣泰煤矿坚硬顶板采场支护控制技术研究

石建军，严德忠

(1.河北省自然灾害重点实验室，北京东燕郊 101601;2.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601;3调度室，山西冀中能源集团荣泰煤矿，山西吕梁 033000)

采场上覆岩层运动破坏的形式对矿山压力显现规律有决定性的作用，也是采取岩层控制对策的重要依据，覆岩的岩性、结构和厚度及采动的充分程度，都影响到岩层的破裂高度和程度，而覆岩破断的范围及形成的结构又决定了其对采场能够施加的压力。

覆岩运动和破坏是在采矿活动的影响下，采场上覆岩层下沉、离层、断裂和垮落的活动现象。对于采场覆岩运动的研究是一个传统的课题，研究这一课题的主要目的是为了减轻覆岩运动对采场和地面的破坏及影响，经过长期的研究和探索，国内外学者在覆岩运动规律的研究领域取得了大量的理论成果。尤其随着我国西部浅埋煤层的开采，越来越多的学者以经典的矿压理论为基础，对浅埋煤层的矿压显现规律进行了研究，研究得出了浅埋煤层典型的覆岩结构及其运动规律。

1 地质条件

荣泰煤矿10104工作面开采10#煤层位于太原组下部，埋深220－240 m，L1石灰岩标志层下方，含0～2层夹矸，结构简单，厚度稳定。切眼以北无采区。煤的硬度系数为1.03～1.28，产状平缓，煤层倾角1～8°左右，工作面内无断层.直接顶为L1灰岩，厚度9.09m，致密均一，直接底为泥岩，厚度为3.5 m。

本井田的煤层上覆岩层基岩比较薄，松散载荷层厚度比较大，属于典型的浅埋煤层，工作面顶板一般为单一关键层结构类型，关键层承担表土层的全部荷载。上覆岩层基本上分为冒落带和裂隙带，无弯曲下沉带。具有典型浅埋煤层的覆岩结构及其运动规律。［1－3］

2 合理顶板压力分析

10104工作面顶板为单一关键层灰岩顶板，属于坚硬顶板采场，顶板压力主要来自直接顶。从直接顶的外部形态看，其剖面为一菱形，特征参数为断面角β，厚度M及长度L，如图1所示。

图1 顶板压力分析示意图

计算合理直接顶压力基于以下原则:

当断线在煤壁处时，支架承受的压力最大，因此以此状态为计算依据;

当岩块重心落在2/3控顶距内时，合理的顶板压力等于岩块的重量;

当岩块重心落在2/3控顶距外时，认为支架应采取让压的方针，让顶板回转一定的角度，使其采空区端与已冒矸石接触(在层厚大采高时可实现)，使支架承受岩块的部分作用力。

设沿顶板倾向每米长度支架需要的阻力为E，合力点作用在2/3控顶处，岩块重力为G(G=LMγ)，岩块重心距离煤壁的距离为R，则:

Ls为悬顶距，Lk为顶板合力位置。

式中 S——采空区中矸石对顶板的支撑反力。

解之得:

E折算成支护强度时，

3 坚硬顶板的冲击载荷

坚硬顶板断裂后的迅速下沉，在短时间内给支架以巨大的冲击载荷，往往造成支架的折损，甚至发生恶性的顶板事故。因此，在有些采场，考虑冲击载荷是必须的。冲击载荷的计算结果，可以应用于坚硬顶板采场的综采支架选型、单体支架工作面的支护设计以及预计采场的来压强度;对于采用“让压”方案的综采支架，可以通过顶板运动的分析，确定大流量卸载阀的安全流量。［4－7］

坚硬直接顶有单层、多层迭合及带有软载层等多种形式，为分析方便起见，均以单层坚硬直接顶为分析对象，其它形式下可以通过迭加、折合等方法应用单层分析的结果。

一般说来，能产生冲击载荷的直接顶存在以下几种运动形式，下面仅分析两种情况下的冲击载荷大小。

直接顶悬顶部分在切顶线切下，产生“负冲击载荷”;

直接顶在煤壁附近断裂，沉降过程中被支架反力顶住时在支架上产生冲击载荷;

3.1 直接顶在切顶线切下时的冲击载荷

这种情况经常出现在爆破强放悬顶和用密集支柱切顶的采场。

图2 悬顶断裂时的状态和力学模型图

图2中，悬顶简化成一个一端简支、另一端自由的杆，控顶区内的支架简化成绞支座，悬顶在自重作用下绕支座旋转，旋转开始后，支座上将承受动载荷(支座此时即为支架)。

在悬顶断裂瞬时，设以角加速度ε向下回转，此时悬顶受支座反力R，重力Q及惯性力F的作用，三个力在运动方向必须平衡，因此，只要求出惯性力F后，支架上受的力就可方便的求出。

根据质点系的动量矩定理，刚体对定轴的转动惯量与角加速度的乘积，应该等于作用于刚体上的主动力对该轴的力矩的代数和，即式(7)必须成立。

式中 IO——杆绕O点的转动惯量。

C——悬顶长度;

ε——角加速度;

g——重力加速度。

其它符号含义同前。

冲击载荷R由式(10)求出。

式中 R——冲击载荷;

F——惯性力。

由式(10)得:

而:

将F代入式(10)得:

即悬顶断裂瞬间，支架仅承受其1/4的重力，而没断时，支架必须承受其全部重力，外加附加力矩。

设冲击后与冲击前支架载荷之差为冲击量△Q:

负号表示冲击量△Q的方向相背于支架受力方向，即为负冲击载荷，此时动载系数将小于1.

由以上计算可知，悬顶断裂瞬间，支架首先承受3Q/4的负冲击量。在综采面，表现为支架载荷突然下降和立柱的回升;在单体面，则有可能发生倒柱，或柱头与顶梁错位，这种情况在坚硬顶板采场时有发生。

3.2 直接顶在煤壁附近断裂时的冲击载荷

直接顶在煤壁处断裂后，在重力作用下迅速下降，而顶板控制要求采场不产生很大的下沉量，因此支架将付出很大的反力使之停止运动，这个过程在极短的时间内完成，其结果是在支架上产生冲击载荷。

此状态下的岩层状态及计算简图如图2所示。

直接顶的运动分成两个阶段;断裂后的加速和支架反力作用下的减速。

由于支架不允许直接顶下沉很大的角度，它必须在顶板没有发生很大下沉前使之停止运动，因此，假设顶板在α的下沉角中(如图2的虚杆位置)，前一部分α1以ε加速，后一部分α2在支架反力作用下以－ε减速(因α很小，近似认为减速过程与加速过程中ε在量值上相等，方向相反)。

断裂时的角加速度可由动量矩定理求得。

式中 N——支架合力作用点到煤壁的距离;

R0——顶板运动过程中支架的平均合力(有时可用初撑力代替，该力可实测到，也可根据支架性能参数估计)。

支架停止运动时，角速度ω=0，此时支架受的作用力最大，且惯性力F的方向与Q的方向相同，F=MCε/2。

根据O点的力矩平衡方程，最大冲击载荷R为:

式中 α——顶板停止运动时的下沉角。

将F代入式(16)得(因α较小，故令cosα=1);

冲击量△Q为:

要使支架不承受冲击载荷，只要令△Q=0，可得:

4 坚硬顶板支护控制分析

10104综采工作面坚硬直接顶厚度9 m，最大悬顶长5m，密度25kN/m3，控顶距4m，支架合力作用点距煤壁3米，顶板在支架处于初撑状态时在煤壁处断裂，实测初撑力沿倾斜1700 kN/m，确定支架沿倾向每米承受的最大冲击载荷及动载系数。

由式(19)得最大冲击载荷R为:

得最大冲击量△Q为:

设动载系数为冲击前后支架载荷之比β，则本采场的动载系数为:

由此可见:

1)沿倾斜方向该采场支架对付直接顶的工作阻力不应小于4040.7 kN/m，否则支架将被直接顶摧垮。

2)只要知道了顶板的几何参数和断裂前支架的工作阻力(在现场可方便地测到)，支架的动载系数是可以预先计算的，亦即采场来压的强度是可以预报的，这就为现场有效的控制动压提供了理论依据。

3)增加支架的初撑力可以减小冲击载荷，降低动载系数。

5 现场观测结果

对10104工作面两顺槽顶板离层观测数据分析可得，顶板稳定，离层不明显，结合工作面周期来压观测分析结果可知，在工作面周期来压时，两顺槽顶板也不会出现明显离层，顶板完整，无破损。

6 结论

综合运用材料力学、岩体力学及矿山压力理论分析10104工作面煤层埋藏特征和工作面上覆岩层运动规律，初步确定了采动影响下坚硬直接顶对采场矿压影响及运动特征。

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