坚硬顶板综采工作面矿压研究与控制

扈国红

（山西焦煤集团有限公司官地矿，山西 太原030022）

煤矿生产过程中，因地质条件的复杂性经常遇见各种各样的问题，坚硬顶板一直是生产过程中的难题，国内学者李俊斌以淮南矿为背景，研究了急倾斜煤层过程中液压支架的工作受力以及参数的设计，其采用的伪倾斜柔性掩护支架采煤法在实际生产运行过程中对支架的受力起到了很好地作用，为淮南矿的安全生产提供了保障，也为淮南矿带来了可观的经济效益[1]；王栓存、石平五研究了较厚煤层采煤工艺下支架的性能，利用相似材料模拟和三维数值分析了采煤过程中矿山压力以及分布，在数学分析方法下成功地提高了支架的性能，对于巷道支护也提出了很好地见解[2]；张卫民探讨了急倾斜煤层的开采方法以及开采过程中因为顶板等问题造成的生产停滞问题[3]，文中的急倾斜工作条件与本文研究内容类似，本文也是在急倾斜煤层的条件下对坚硬顶板进行了预防处理措施；周邦远、陈显坤、聂春辉等利用自主研制的大倾角液压支架对倾斜煤层进行支护，并在长臂综合机械化采煤工作面进行了试验，试验成功地验证了支架的可行性，支架成功地起到支护作用，控制了顶板移动量，减小工作面因为采动而带来的震动以及大块岩层掉落带来的问题[4]。

本文结合国内众多学者的研究，在急倾斜煤层条件下，针对坚硬顶板问题，从巷道矿山压力角度借助数值模拟软件对爆破后坚硬顶板进行了应力分析，同时，详细地介绍了爆破处理方法中炮孔的位置，炮孔间的距离以及炮孔深度等参数，并在实际工程中取得了良好的结果，为坚硬顶板处理提供了可靠的参数以及数据支持。

1 坚硬顶板综采工作面矿压现状及数值模拟

坚硬顶板是指顶板岩石厚度大、强度高、不容易垮落的岩层。在煤矿生产过程中，坚硬顶板是困扰生产者多年的问题。坚硬的顶板依靠自身质量应力很难实现自己脱落，因此矿井工作人员必须实施人工干扰甚至爆破等方法实现顶板脱落。实施人工干扰后，工作面会瞬间承受较大的压力，严重情况下，会造成矿井地震等情况。因此实施难度较大，危险性较高。

这里借助FLAC3D以及RFPA2D数值模拟软件对工作面顶板应力分布规律进行了模拟，模拟中利用库伦-莫尔准则判断顶板是否破坏：

式中：σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，c为黏结力，ψ为摩擦角。在一般应力作用下，岩层在应力作用下发生拉破坏，当fs＞0时，岩层发生剪切破坏。

在此基础上，利用FLAC3D数值模拟软件对顶板进行了模拟分析，在坚硬顶板模拟图中可以看出，工作面的最大主应力随着距开切眼距离的增加而减小，对于坚硬顶板，选取了开切眼，距离开切眼37 m、44 m以及50 m四个点侧重观察坚硬顶板的受力状况。显然，在开切眼处7 m左右的位置煤壁所受的主应力最大，距离开切眼37 m处，煤壁所受的主应力开始迅速降低，最大主应力随着推进距离的增加持续降低。当工作面推进到距离开切眼50 m时，煤壁的主应力出现突然升高。对爆破软化后的顶板模拟中，选取了开切眼，距离开切眼27 m、48 m以及50 m四个点规律相比坚硬顶板类似，在距离开切眼7 m处煤壁的应力最大，在50 m处会出现应力突增，不同的是，在进行爆破软化处理后的坚硬顶板整体所受的应力相较坚硬顶板下降了一个量级，且自煤壁最大主应力开始，煤壁所受的主应力一直处于迅速下降的趋势。可见，因为爆破处理方式，坚硬顶板受到拉伸破坏和剪切破坏综合破坏方式，岩层的完整性遭到破坏，抗压强度也随着降低。在相同支架的支护作用下，煤壁所受应力也自然减小，这也充分解决了坚硬顶板难处理的问题（见图1）。

在实际煤层开采中，煤层一般都有一定的倾斜角度，支架在支护顶板的过程中，支架的中部和上部承受较大压力，下部承压相对较小。如果碰见顶板坚硬，底板松软的情况，支架极容易陷入底板并且出现倾斜滑倒等情况，如果不对坚硬顶板进行预处理，巷道得不到很好地支护保护作用，掉落的煤炭以及矸石对工作人员会造成一定程度的威胁，煤炭生产会停滞，所以遇见坚硬顶板，实施人工干预是很好地举措。

图1 工作面最大主应力变化曲线

2 坚硬顶板处理方法

通过坚硬顶板的数值模拟机理分析得到，进行坚硬顶板的预处理是解决坚硬顶板问题的必要措施。超前预爆破处理坚硬顶板是效率最高，处理效果较好的方法，我们将详细讨论此方法。

炮孔的布置位置及深度等参数都会影响到爆破的效果，如图2所示。将炮孔分为奇数组和偶数组，奇数组的炮孔布置在端头切断孔、辅助端头孔和辅助老顶孔处，奇数组靠近工作面；偶数孔布置在端头切断孔和辅助老顶孔处，炮孔均匀的布置在回风巷道和运输巷道两条巷道处。在炮孔的布置上采用双侧布孔方法，奇数组布置于老顶切断孔、辅助孔老顶和一个端头孔各一个炮孔；偶数组布置于老顶切断孔、辅助孔老顶孔、端头切断孔和辅助端头孔处各四个炮孔。原理上，炮孔的直径要大于装药的直径，本文炮孔直径大于装药直径30 mm，炮孔与煤层夹角为25°，采用不偶合装药结构，利用2根导火索进行引爆。

图2 炮孔布置平面示意图

此方案为某矿实际工程中我们设计的方案，在实际的实行中，炮孔间距定位7 m，布置好后，引爆导火索，超前预爆破处理坚硬顶板达到了很好的效果，实现了压力的减小。随着工作面的推进，我们依然改进方案，都达到了预期的结果。可见，超前预爆破处理减小了顶板垮落的距离，降低了因为坚硬顶板瞬间大面积垮落带来的突然来压，煤壁脱落等现象。对于工作面液压支架，因为垮落步距的减小，支架中上部承受的压力与会随即减小，能够更好地对巷道起到支护作用，从而保证工作面的顺利推进，实现安全高效生产。

3 结论

1）坚硬顶板会影响到煤矿生产的众多环节，实行人工干预处理的办法能够有效地控制事故的发生。

2）通过FLAC3D数值模拟分析可以得到，爆破弱化后顶板所受的主应力较坚硬顶板所受主应力大小明显得到改善，为坚顶板的处理提供了理论依据。

3）采用不偶合装药结构对坚硬顶板进行超前预爆破处理，结果显示，工作面坚硬顶板垮落步距明显减小，所受压力强度明显降低，为控制顶板因大面积垮落带来的周期性压力、煤块矸石大块掉落以及工作面的正常生产给出了可行性方案。