坚硬难冒顶板大面积垮落控制方法

姚文宏

(淮南矿业(集团)有限责任公司潘二煤矿，安徽 淮南 232091)

1 概述

坚硬难冒顶板在我国山西、内蒙、新疆和北京等省、市均大量存在。开采坚硬难冒顶板的煤层，采空区易形成大面积悬顶，在超过极限面积后，顶板就会突然冒落，造成剧烈的动力现象。大面积顶板在极短时间内冒落，不仅对回采工作面支护产生严重的破坏，而且会形成巨大的暴风，造成人员伤亡，对附近巷道甚至矿井破坏性极大。

山西大同矿务局和北京矿务局在我国最早开采坚硬难冒顶板煤层。通过长期、大量的开采实践，总结出了防治顶板大面积来压和大面积垮落的基本原则是采取措施使采空区悬顶不过大。目前，我国在控制坚硬难冒顶板大面积垮落的主要方法是提前爆落顶板控制法、充填式顶板控制法、煤柱式控制顶板法。3种方法均在不同矿井得到了运用。

2 提前爆落顶板控制法

建国以来，大同矿务局率先对坚硬顶板采用了提前强制爆落顶板的控制方法，这是由于大同矿务局最上部的2#煤层顶板为厚层状的侏罗纪砂砾岩层，厚度近百米，整体性强，历史上采用刀柱控制顶板方法曾发生过顶板大面积垮落的特大事故。因此，采取提前强制爆落顶板的方法，使坚硬难冒顶板垮落。该方法主要分地面深孔爆破和井下爆破强制放顶两种。

2.1 地面深孔爆破放顶

该方法主要用于人员无法进入的老采空区悬顶区。在悬顶区上方相应的地面打钻至采空区顶板，然后进行扩孔和大药量爆破崩落顶板，见图1。

图1 地面深孔爆破顶板示意图

2.2 井下爆破强制放顶

井下爆破强制放顶主要有两种方法。

1)对刀柱法形成的采空区悬顶进行强制崩落，当已形成大面积悬顶区时，则可配合地表钻孔放顶进行综合处理。放顶的具体方法是:在刀柱一侧向顶板打钻孔，钻孔沿垂直工作面的方向布置，见图2。

2)在工作面前方未采动煤层顶板打平行于工作面的长钻孔，煤层开采后在采空区内装药爆破，见图3。

图2 刀柱采空区深孔放顶炮眼布置示意图

图3 平行于工作面深孔爆破顶板示意图

这种平行于工作面长钻孔强制放顶是隔一定距离(小于来压步距)对顶板处理一次，在采空区上方形成一定高度的破坏沟槽，使坚硬顶板的下部岩层能分层分段冒落，减弱顶板冒落时对工作面造成的压力。

也有垂直于工作面钻孔强制放顶的方法，即垂直于工作面方向向采空区顶板钻孔爆破。放顶方式为步距式双栏槽和循环台阶式放顶两种，见图4。

图4 垂直于工作面深孔爆破顶板示意图

前者适用于周期来压步距变化小的工作面;后者适用于压力显现频繁的工作面。步距式双栏槽放顶是在工作面推进过程中每隔一定距离，便在周期来压前沿工作面打两排钻孔，通过连续两次爆破在顶板形成一个一定宽度的沟槽。

2.3 提前强制爆落顶板应用情况

地面深孔爆破放顶虽然效果好，便于施工，但工程量大，费用高，孔内又是明火放炮，如果采空区内瓦斯含量大，安全上难以保证。因此，除大同矿务局曾用过该法之外，目前国内在地面实施爆破顶板的矿井还不多见。

井下爆破强制放顶在工作面初次放顶中是常用的一种方法，利用平行工作面长钻孔或垂直工作面钻孔的方法预先爆落顶板在国内也有，而对刀柱法形成的采空区悬顶进行强制崩落顶板在国内并不多见。这是因为采用刀柱开采方法的矿井已经不多，大部分坚硬顶板煤层矿井改为房柱式开采，房柱的留设使顶板悬空面积大大减小，而不再专门采用爆破强制放顶。但为了防止房柱开采造成大面积顶板压垮煤柱，各省规定房柱开采到一定面积时，必须留设隔离煤柱。

3 充填式顶板控制法

充填式控制方法与提前爆落顶板控制方法相比，其工程难度和费用相对较小、较低，特别是对开采后地表环境的保护是非常有利的;与煤柱式控制顶板方法相比，丢煤少，资源回收率高。近年来，某些矿井已着手进行充填开采的研究与实践，并取得了成效。从目前国内充填实践来看，已经有两种充填类型，一种是巷柱式充填方法，另一种是长壁式充填法。

3.1 巷柱式开采充填方法

陕西榆林榆阳区使用了浅埋薄基岩含水层下巷柱式放顶煤充填开采方法，其工艺见图5。

图5 榆阳区巷柱式放顶煤机械风积砂充填示意图

采用充填与采煤平行作业，即本工作面回采时，对已采空的工作面进行充填。地表风积砂经矿车或注砂井、注砂孔运入采区或盘区储砂硐室，转入充填机，由充填机前端输送带进行抛砂充填。

3.2 长壁式膏体、矸石联合充填

新汶矿业集团翟镇采用矿矸石充填，工作面矸石充填工艺见图6。

图6 翟镇矿矸石充填示意图

充填工艺:采煤机进刀后，随刮板输送机及相应支架前移，顺直支架后悬挂充填刮板输送机。先开动充填刮板输送机，再启动轨道巷的矸石充填系统进行充填，刮板输送机的上链运输矸石，下链推平矸石。矸石溜矸孔每次打开2个，自下而上进行充填。采空区充填完成后，系统随工作面采煤机割煤及支架推移，进入下一个循环。

4 煤柱式控制顶板法

留煤柱控制坚硬难冒顶板在我国北方中小煤矿中应用较普遍，常用的方法有房柱式、刀柱式、巷柱式。该法与提前爆落顶板法、充填法相比，优势是简单易行、投资少等，其缺点是资源采出率低，更为严重的是当达到一定的开采空间和面积时，因煤柱在大面积顶板压力作用下，强度逐渐降低，支撑力下降，可能发生顶板大面的冒落，对人员和矿井产生毁灭性灾害。

房柱式、刀柱式、巷柱式等方法不能有效控制坚硬顶板大面积垮落的原因主要是煤柱留设不合理，如房柱式开采，煤柱留设分散，单个煤柱容易被压垮;刀柱式开采所留设的刀柱并不是为了永久性支撑顶板，因此，煤柱留设宽度也不是通过对支撑顶板的计算而按要求留设的，其宽度相对较窄。为了使煤柱能有效地控制坚硬难冒顶板大面积的垮落，某些矿井引用了建(构)筑物下压煤开采的理论与实践，把对保护地面建(构)筑物留设条带的方法应用到了留条带煤柱控制坚硬难冒顶板大面积垮落的方法中。

4.1 条带煤柱控制顶板的原理

条带开采是部分开采法中的一种，即在被采煤层中采一条，留一条，保留的条带煤柱支撑上覆岩层，从而减少覆岩的沉陷，控制地表的移动和变形，实现对顶板大面积垮落控制以及对地面建筑物、地形、地貌以及地下结构物的保护。

4.2 条带煤柱与房柱、刀柱的异同

条带开采与房柱式开采、刀柱式开采同属于部分开采方法，都是部分地采出地下煤炭资源而保留一部分煤炭资源，以煤柱的形式支撑上覆岩层，都存在回收率低的问题，所不同的是:

条带开采后煤柱是长条形，其稳定性是根据煤层强度及开采的宽度及支撑上覆岩体的重量等计算得出的。因此，煤柱是变化的，且宽度一般较大，而房间式开采的采面、煤柱是正方形或接近正方形的短形，其煤柱宽度由采房确定，由于开采条件的限制，一般仅为几米;刀柱式开采的刀柱也是长方形，但刀柱开采的采面在推过30～50 m后才留设5～7 m的煤柱，煤柱的宽度一般较小。

4.3 条带在国内、外的研究与应用

由于条带开采能够控制顶板破坏垮落带、断裂带的发育，减少覆岩与地表沉陷，有利于对地面建(构)筑物、地形、地貌的保护及安全生产，因此，广泛应用于国内外煤炭资源相对丰富而又不具备对坚硬顶板提前爆落条件、充填开采条件的矿井。

1)条带开采在欧洲采煤国的研究与应用。

欧洲的主要采煤国波兰、原苏联、英国等于20世纪50年代开始应用条带开采法回采建筑物尤其是村镇、城市下压煤，已经取得了较为丰富的实践经验。

2)条带开采在我国的研究与应用。

我国自1967年开始应用条带开采法回采建筑物下、铁路下、水体下及其它保护对象下压煤，迄今已在我国十几个省的近百个条带开采试验区进行了研究和试验，取得了成功。

5 结论

目前，我国控制坚硬难冒顶板大面积垮落的主要方法是提前爆落顶板控制法、充填式顶板控制法、煤柱式控制顶板法。

1)提前爆落顶板控制法主要分地面深孔爆破和井下爆破强制放顶两种。井下爆破强制放顶主要有两种方法。一种是对刀柱法形成的采空区悬顶进行强制崩落;另一种是在工作面前方未采动煤层顶板打平行于工作面的长钻孔，煤层开采后在采空区内装药爆破;也有垂直于工作面钻孔强制放顶的方法，即垂直于工作面方向向采空区顶板钻孔爆破。

2)充填式控制方法与提前爆落顶板控制方法相比，其工程难度和费用相对较小、较低，特别是对开采后地表环境的保护是非常有利的。与煤柱式控制顶板方法相比，丢煤少，资源回收率高。目前，充填式控制有两种充填类型，一是巷柱式充填方法，另一是长壁式充填法。

3)留煤柱控制坚硬难冒顶板常用的方法有房柱式、刀柱式、巷柱式。该法与提前爆落顶板法、充填法相比，优势是简单易行、投资少等，其缺点是资源采出率低。房柱式、刀柱式、巷柱式等方法不能有效控制坚硬顶板大面积垮落的原因主要是煤柱留设不合理。

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