坚硬顶板的一般特点与控制措施

郑永锋+杨磊+陈亚鹏

摘 要：坚硬顶板是指煤层顶板岩石强度和弹性模数高、节理裂隙不发育、厚度大、整体性强、自承能力强的顶板。煤层开采后顶板大面积悬露而不垮落，工作面初次及周期来压步距大，顶板来压时压力大。坚硬顶板采场與普通采场矿山压力显现的主要差别是周期性来压强烈，因此，掌握坚硬顶板采场矿山压力基本规律，有针对性的采取措施有效控制，是采场安全生产、消除重大顶板事故的关键。矿山坚硬顶板回采工作面和普通回采工作面的矿山压力显现有着明显的不同，坚硬顶板回采工作面其矿山压力显现较为剧烈，由于顶板坚硬难于垮落造成顶板悬空面积增大、初次垮落步距加大、顶板大面积在无预兆下发生大面积冲击垮落，不仅使大量的金属支柱遭受损坏，而且还危及工作面工人的人身安全，如果控制不好，后果危害极大。本文通过对坚硬顶板的特点提出了常用的控制方法，为同类其它矿井提供了一定的指导意思。

关键词：坚硬顶板；初次来压；顶板控制；显现特征；

一、我国工作面的顶板分类

随着煤矿生产技术的不断发展，回采工作面机械化程度的提高，80年代初，为了改善顶板管理，我国颁布了新的《缓斜和倾斜煤层回采工作面顶板分类》方案。该方案首先明确了伪顶、直接顶、基本顶的基本概念，然后按稳定性将直接顶分为四类，按来压强度将基本顶分为四级，最后由两者类级别的不同组合，将采场顶板分为11类，其中属于坚硬顶板的有Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3、Ⅲ4、VI4五类，我国现行的这种顶板分类对Ⅲ级来压强烈顶板有了较细的划分，但Ⅳ级顶板太笼统，而且控制方法也未加区别，针对性不强。在Ⅲ级顶板中，Ⅲ1、Ⅲ2类可以用全部垮落法，Ⅲ3、Ⅲ4类必须强制放顶，显然不够确切，因为l、2类顶板只表明了它的直接顶稳定性差，并不表明岩层的厚度大小，从0.3～5的N值变化范围很大，其中25～50m来压步距的顶板必有来压强烈，甚至极强烈的。

二、坚硬顶板采场矿山压力显现特征

2.1周期性的破断来压步距大、动载系数高

坚硬顶板的一大特点就是煤层采出后，采空区上方的顶板不能及时垮落，当悬露较大面积后，才突然破断冒落。根据统计，初次冒落的面积一般在3000m2以上，而周期冒落面积也在1500m2以上。对于长壁采场来说，初次来压步距在30m以上，整体性强的顶板往往呈正方形的悬露面积时，顶板活动产生的压力最大。

造成坚硬顶板来压强烈的另一个重要因素是直接顶厚度小，垮落岩石在采空区形成的垫层很薄，或者无垫层，老顶垮落的空间高度大，在变形能量释放的同时，大块顶板的岩石直接冲击在支架上。

除此之外坚硬顶板压力还与采深有着一定的关系。随着采深不断增加，应力曲线不断上扬，煤层受到的整体应力也相应增大，当采深为1200m时，应力峰值达到了55MPa；在煤层的非弹性区的前面部分应力曲线基本重合，说明煤壁塑性区受到的应力大小几乎不受采深变化的影响，主要取决于煤体的峰后特性；当靠近应力峰值附近，煤壁的受力是随着采深的增加而增加；在煤壁前方20m左右以远应力线趋于平稳，说明煤层受力从此位置开始基本不再受到采动的影响，接近原岩应力，其绝对量随采深的增加而增加。

图1不同采深下直接顶受垂直应力分布

直接顶的受力是研究水平直线所示层面的应力分布情况.以煤壁竖直方向的延长线和直接顶上层截面的交叉点为原点，向采空区方向为负，向右为正建立坐标系来分析直接顶板受力与采深的关系。

不同采深下直接顶受到的垂直应力分布如图1所示（图中纵坐标所表示的应力中，正值表示压应力，负值表示拉应力，以后各图均延用此假定）.应力曲线在煤壁两侧变化范围较大，采空区侧的应力值明显小于煤壁侧的应力；直接顶受到的垂直应力在采空区端部为压应力，当采深达到1200m时端部2m范围内应力值明显增大；在控顶区后侧6m左右范围内，直接顶受到拉应力，随采深的变化不大；直接顶控顶区受到的垂直应力随采深变化不大，甚至有所减小；直接顶受到的垂直应力的峰值随采深的增加而增加，但在采深1000m和1200m时其峰值基本相等。

2.2支架载荷高，且分布不均匀，合力点靠近后排支柱

由于坚硬顶板由于整体性硬、冒落的块度大。一般在冒落切顶后方均有3-5m左右的悬顶，它是造成载荷分布不均的主要原因。欲改善受力分布，应及时处理顶板，尽可能减少顶板悬露面积。

三、工作面坚硬顶板控制

3.1控制顶板的断裂位置

为减轻坚硬顶板对工作面的危险可先计算出顶板的断裂位置。下位坚硬顶板在控顶区内断裂后，随着采面的推进，支柱的前移，断裂顶板发生回转下沉，其下面支柱就会逐渐倾斜、失稳，最终失去平衡，从而发生推垮支柱的顶板事故。因此，把顶板控制在切顶线外断裂，保持控顶区顶板完整性，是避免发生此类顶板事故的重要因素。

顶板断裂位置可根据回采工作面开采初期的巷道布置，按照薄板的假设计算原理计算得出。假设其厚度（h）与宽度（a）的比值h/a=1/7～1/15。根据开采条件及边界煤柱大小，又可将老顶岩层假设为四种情况：四边固支、三固一简、两固两简及一固三简。四边固支条件下基本顶垮落步距计算如下：

（1）

则老顶初次断裂步距可以写成：

（2）

式中：ω—表示“边-长”系数，

lm—表示顶板步距准数，

i=1，2，3，4分别表示上述四类边界条件。

3.2强制放顶法

强制放顶法包括采后爆破和采前预爆破两类。采后爆破是在工作面后方采空区，向顶板打眼装药，用爆破的方法强迫顶板冒落。采前预爆破是在工作面前方顶板打眼装药，用爆破的方法预先松动顶板，当工作面采过后顶板可自行冒落的方法。

3.3压力注水弱化顶板

压力注水弱化顶板就是在工作面前方预先向顶板钻孔注压力水，利用水对岩体的压裂和软化作用，破坏顶板的完整性和降低顶板岩石强度，当工作面采过后，顶板可正常垮落，减小来压对工作面的威胁。岩石有吸水软化特性，人为地向岩体内注水，除了水可以降低岩石的内聚力和内摩擦系数外，水的压裂作用是十分明显的，压裂破坏了岩体的完整性，从而达到放顶目的。

四、结语

爆破法放顶破坏岩体的完整性是一种可行的顶板处理方法，其中采前预爆破，干扰回采工序较小，但炸药消耗量大，成本高，特别是大量的炸药在井下爆破，污染严重。注水目前存在着效率低，某些顶板软化效果差等缺点，提高注水弱化顶板的效率，减少工程量，降低注水成本等是今后研究的发展注水法的重点。

参考文献：

[1]靳钟铭，徐林生.煤矿坚硬顶板控制[M].北京：煤炭工业出版社，1998：58-61.

[2]钱鸣高.矿山压力及其控制[M].北京：煤炭工业出版社，1994：132-135.endprint