工作面坚硬顶板围岩力学特性及来压特征

（东华理工大学 土木与建筑工程学院 江西 330013）

坚硬顶板条件在矿区开采中普遍存在，随着回采工作面的不断推进，采空区坚硬顶板悬露面积逐渐增大，当达到极限时发生大面积冒落，其极大的冲击力不仅会影响回采工作面的支护设施，而且会将采空区内的空气瞬间排出，威胁井下工作人员及设备安全，严重时还会影响附近的回采巷道[1-4]。因此，有必要对工作面坚硬顶板的物理力学特性开展研究，本文采用室内试验与实际压力数据观测相结合的方法，分析了坚硬顶板围岩力学特性及来压规律，以指导工作面的正常和安全生产，并为以后其它工作面的生产规程和措施的制定提供坚实的依据。

1.工程背景

山西省某矿坚硬顶板工作面走向长度148m，倾斜长度86m，煤层倾角4°～6°，面积约10400m2，煤厚度1.0～1.4m，平均厚度1.2m，采高为全高。该工作面煤层顶底板岩性如表1所示。工作面瓦斯浓度低，无瓦斯突出危险。地温16～17℃，地压无异常，煤的普氏系数2～3，较硬。

表1 煤层顶底板岩性

图1 试验试件

采集该工作面直接顶（K2石灰岩）岩样，取直径为50mm，分别加工成高为50mm和100mm两种试件并编号，试验试件如图1所示。

2.灰岩力学特性及水理性质

(1)力学特性

采用压缩试验分别获取试件的单轴压缩和三轴压缩强度，采用劈裂法试验来间接测试岩块的抗拉强度，操作时在试件直径方向上，施加一对线性荷载，使试件沿传递线性荷载的垫条所对应的直径方向破坏。并根据弹性力学推导的公式近似计算抗拉强度Rt：

式中：P－试样破坏时的荷载，KN；D－试样直径，mm；L－试样高度，mm。

图2为灰岩压缩和拉伸部分试验曲线，试验结果表明：K2灰岩在不同层位中的抗压强度也存在较大差别，其单轴抗压强度在86.854～169.303MPa，平均值为125.396Mpa；三轴抗压强度最大达203.1Mpa，弹性模量为47.967Gpa；围岩硬度系数最大达16.9，顶板为极坚硬顶板；单轴抗拉强度在5.990～8.831MPa，平均值为7.607Mpa。

图2 灰岩力学特性试验曲线

(2)水理性质

研究岩石在水作用下软化性能，对于坚硬顶板的软化控制具有重要意义[5-6]。岩石在水溶液的侵蚀作用下力学性能会出现降低，该损伤比力学因素造成的损伤更为严重，称为化学腐蚀。

试验在大气压力和室温条件下进行，测试时先将岩样烘干，称量干质量，然后再浸水。从试验结果图3中可以看出，岩样的吸水率随着浸水时间的增加而增大，但增速逐渐降低。刚浸水时，吸水率快速增加，在最初的24小时内吸水最多，两天基本达到了饱和，岩样重量也不再变化。试样的吸水率2.9%～3.1%，平均吸水率为3.0%。

在上述试验基础上，将所取的岩样分成三组，每组三个，第一组为天然岩样浸水0天（编号1组），第二组为浸水1天（编号2组），第三组为浸水4天（编号3组），含水率分别为1.7、2.9、3.1，进行单轴抗压试验，试验结果如图4所示。

图3 浸水时间与吸水率关系

图4 不同含水率应力-应变曲线

由图4可以看出，随着浸水时间的增加，岩样含水率增加，且同一应力情况下应变增大；浸水时间0天、1天、4天时的平均抗压强度分别为125.30MPa、119.52MPa、116.30MPa，试样单轴抗压强度随着试样含水率增加而减小，围岩软化系数为0.70左右。随着浸水时间增加，岩样峰值强度降低，岩样脆性降低、呈现塑性破坏趋势增强。

3.来压特征分析

工作面采用DW12-300/100型单体液压支柱支护，实行三、四排管理，排距1.1m，柱距1.2m，工作面最小控顶距3m，放顶距1m。工作面第二排部分单体支柱工作阻力监测结果如图5所示，由图可知：

（1）2019年3月26日之前，所测单体阻力无论是初撑力还是末阻力，都比较小，很多单体在初撑时未达到额定初撑阻力。工作面采用点柱支撑，施工时因初撑力太大使单体顶端爪手刺穿木块直接抓破顶板，给支护造成困难，此时的末阻力并没有达到最大额定阻力。

（2）2019年3月26日至28日，由于条件限制初撑力依然比较小，但是末阻力普遍较大。说明在此期间顶板压力变大，但是此阶段最大工作阻力只达到支架额定最大工作阻力的53%，有很大富裕。

（3）2019年3月28日工作面压力值变化最大，单体增阻很快，支架末阻力普遍达到峰值，其中第二排2-3单体峰值达到35Mpa，矿压显现较明显，采空区悬空直接顶板从采空区中部开始大面积冒落，老顶下沉量变大，工作面压力普遍增大。28日工作面推进距离为28.3m，可以初步判断直接顶初次垮落步距为28.3m。

（4）通过工作面回采过程中宏观观察，采空区顶板随着工作面的开采呈缓慢下沉、随采随冒。在工作面回柱放顶时发生阶梯状垮落，由于该面采高1.2m，垮落矸石很快填充采空区，老顶周期来压不明显。

工作面支柱受力特征总体表明：工作面发生周期较小的直接顶垮落，支架初撑力偏低，最大阻力仅为最大额定工作阻力的87%，未超过支架额定工作阻力，支架可以安全支护顶板，直接顶上层周期垮落不会影响工作面生产，故综合考量下[7-9]得知该工作面支护选型是合理的。

图5 支柱初末阻力曲线

4.结论

本文采用室内试验与现场实测相结合的研究方法，对山西某矿工作面坚硬顶板进行了研究，结论如下：

（1）通过试验室研究得到了该工作面顶板围岩力学参数：其弹性模量为47.967Gpa，变形模量为20.739Gpa，容重单轴抗压强度平均值为125.396Mpa，单轴抗拉强度平均值为7.607Mpa，充分体现了顶板的坚硬性，为工作面的管理提供了依据。

（2）通过试验室研究得到了岩样的吸水率为2.9%～3.1%，平均吸水率为3.0%。随着浸水时间增加，岩样峰值强度降低，岩样脆性降低、呈现塑性破坏趋势增强，软化系数为0.70。为工作面顶板软化提供了参考依据。

（3）通过现场实测单体支柱的压力，对工作面单体支护进行了适应性分析。得出支架初撑力偏低，最大阻力仅为最大额定工作阻力的87%。工作面直接顶初次垮落步距为28.3m，采空区顶板随采随冒，老顶周期来压不明显。综合考量下得知该工作面支护选型是合理的。

（4）工作面选取的支护承载力足够，设计合理，工作面顶板虽为坚硬顶板，但随采随冒、呈缓慢下沉，无需采取高压注水等方法弱化顶板。