火成岩顶板矿压规律计算分析及其控制技术分析

于德宇

摘要：提高火成岩顶板控制技术，对加大采煤工作面顶板管理力度意义重大，而掌握矿压规律则是采取科学控制措施的前提。文章主要论述了火成岩顶板矿压规律的计算理论方法，针对工况提出了有效的控制技术，以期能够为相关的实践提供些许参考。

关键词：火成岩顶板；矿压规律；计算理论；控制技术；采煤工作面

中图分类号：TD32 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）30-0136-02

火成岩顶板岩层的存在给采煤工作面顶板的控制工作增加了诸多困难，包括煤壁出现严重片帮问题、顶板中悬顶面积增大、煤和瓦斯突出频率增大、支护结构不稳定等。为解决这些控制难题，只有对火成岩顶板矿压规律进行科学分析和计算，才能对症下药，采取合理的措施，以提高煤采掘过程的效率和安全。

1 火成岩顶板矿压规律计算理论分析

煤矿综采面火成岩顶板的形成通常是由于火成岩的局部入侵所致，虽然火成岩入侵属于比较普遍的地理现象，但是形成厚度较大的火成岩顶板还是较为罕见，现阶段在淮南、淮北和华北的部分煤矿中已被揭示，对岩层板矿压规律的研究也受到业内的普遍重视。

当前的矿压规律分析理论核心内容主要包括三个方面，分别为测定基本顶岩层的物理力学性质、构建基本顶岩层地质结构模型、对基本顶极限跨度和支架荷载的测定。总结国内外学者专家的研究成果，基于薄板矿压理论，计算和分析火成岩顶板的矿压规律可以取得较为理想的效果。采场薄板矿压理论的主要内容是将综采工作面上部分的顶板岩层处于尚未产生断裂的时候，看成是薄板结构，当产生断裂之后就看成为铰接板，利用设置假设条件和状况，根据弹性薄板的相关理论，在采掘过程中建立和工作面具体情况相符合的力学模型体系，运用力学模型来对火成岩顶板性质特征进行定性和定量的双重分析，并通过岩层的来压步距（即极限跨度）和来压强度（即支架荷载）的数据计算，得出各项指标的准确值，以此作为判断火成岩顶板矿压规律的依据。

煤矿开采工作面的顶板岩层虽然不是严格意义上的理想的弹性力学连续性介质，这是因为顶板岩层中具有节理发育、裂隙裂缝等特点，并且在采掘过程中顶板的受力状况也是处于不断变化之中。然而正是由于回采过程中工作状态处于不断变化中，这和弹性薄板的特性有着类似特征，所以可以将火成岩顶板岩层的作业情况模拟为理想的弹性薄板，利用薄板理论计算矿压就变得比较容易。同时，相关的研究也表明，顶板岩层结构较为稳定时，其内部的节理发育特征，不会给岩层的受力变形带来影响，也不会对顶板破断形式产生影响，只和顶板刚度有关。

2 火成岩顶板控制技术分析

针对煤层采掘作业特点，提高对火成岩顶板的控制技术，首先要科学准确地选定技术参数，其次是要做好各个部位的放顶控制措施，以确保整个采掘过程的高效顺利进行。

2.1 初次放顶控制技术

初次放顶的参数选择对提高技术效用意义重大。根据矿压理论可知，当强制放顶过程中，煤矸石没有填满采空区，则开采工作面支撑结构的单体支架阻力要大于10000kN，此时的爆破岩层碎胀系数为1.25，但取值为1.30时，煤层采掘高程为3米，放顶高度大于9米，则能够达到采空区煤矸石和顶板的接顶效果。在该作业中，初次放顶的高度取10米可以实现预期的目的。根据开采工况，最小抵抗线的取值范围在2～4米之间，放顶的组数和孔深根据作业环境和经济条件来确定，炮孔的深度控制要综合考虑对开采作业影响程度以及装药的难易程度。该工程中孔深为18米，孔数为7个。影响炮眼的角度因素包括钻机打孔的难易程度和钻孔角度的变化，钻孔时确保炮眼完整，每一炮眼之间的距离控制在200mm。装药深度不能超过炮眼深度的2/3，而封孔的长度一定要达到炮眼深度的1/3，导爆索长度的选择和装药量成正比。炸药采用二级煤矿允许使用的乳化炸药，雷管则采用煤矿允许使用的电雷管，人工装填炸药，爆破的网络运行串联方式，采取正向爆炸，通过毫秒雷管引爆导爆索，再引爆炸药。

2.2 步距放顶控制技术

若初次放顶的效果不够理想，尤其是顶板垮落程度不符合相关标准，则要对火成岩顶板实施步距放顶。根据火成岩顶板的岩石特点来确定参数，一般放顶的步距取10米，根据工况可做适当调整。步距放顶的目的是防止采掘工作面出现大面积悬板，因此要在两个顺槽中分别打一组孔，间隔相同的距离促使顶板产生断裂。此时，对炮眼深度的选择要依据工作面的具体情况，通常不应超过工作面长度的一半。炮眼水平角度的确定也至关重要，由于步距放顶为的是将火成岩顶板进行一定距离的切断和破坏，所以炮眼的水平角度要适中，不可过大防止影响断裂的效果，采用爆破时还要确保液压支架不被损坏，所以炮眼的水平角度宜取15°，而仰角参数则根据孔深和最小抵抗线的长度来定。装药长度不能大于炮眼深度的2/3，而封孔的长度一定要超过炮眼深度的1/3，放炮的位置要和支架尾梁保持1.3米以上的距离，其他的技术参数和初次放顶技术参数相同。

2.3 采掘工作面局部放顶技术控制

为了充分确保综采工作面局部位置稳定性，防止出现塌落现象，提高局部放顶技术水平非常关键。

采掘过程中两个端头悬板超出了预计的标准时，就应该采用端头局部放顶方式，若悬板的面积小于50平方米，则不必放顶，当其面积在50～100平方米范围内，为实现最佳的放顶效果，同时要依据采掘中悬板的实际大小，对孔的深度与角度进行及时调整。

若采掘工作面的悬板超出了预计的标准时，就应该采用工作面局部放顶方式。首先，根据具体的开采环境选择适宜的钻机，一般情况下，工作面所打的孔都比较浅，深度皆在10米以内，因此选择轻便型钻机即可，不仅钻孔时便于搬运，还可以缩短打孔的时间，减小成本的支出。其次，要确定钻孔的具体位置，为了保证采掘过程顺利进行，通常在每1～2架打一个单层孔，若打孔时阻力较大，通过降低液压支架的方式来增强力度或者将液压支架稍向后退也能够克服钻孔的困难。再次，要根据实际需要选择钻孔和爆破的参数，由于钻孔的位置通常在液压支架之间，所以钻孔的水平角度一般和采掘工作面的煤壁之间保持垂直角度，此时钻孔的仰角则要控制在60°，相应的炮眼的钻孔深度则为7.5米，封孔长度取2.5米，装药长度取5米，总量为10千克，爆破的导火线采用8米单股导爆索，炸药采用二级煤矿允许使用的乳化炸药，可降低对采掘设备的损坏，雷管则采用煤矿允许使用的瞬发电雷管，运用大串联法完成联炮过程。最后，要确定放炮的具体位置，一般选在液压支架全部通过炮孔下放之后，周围人员撤离后就可实施放炮爆破。

3 结语

综上所述，提高火成岩顶板控制水平不仅为煤层采掘作业提供了更为便利的条件，同时降低了事故的发生率，为采掘人员营造了安全的作业环境，确保了采掘作业的顺利进行。在选择控制方法时，要综合考虑火成岩顶板矿压产生规律和综采工作面的工况，以充分确保控制技术的时效性和经济性。

参考文献

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