乌苏市巴音沟丛龙煤矿 新疆 塔城地区乌苏市 833200
摘要：坚硬顶板作为煤矿生产作业中可预见的一种复杂性顶板条件，其综采作业的矿压显现规律研究，对于确保生产作业的安全性有积极影响。
关键词：坚硬顶板；控制；方法
引言
我国坚硬顶板赋存煤层占30%以上。煤矿坚硬顶板是指在煤层上方直接赋存或在厚度较薄的直接顶上方赋存有坚硬岩层，具有硬度大、整体性好、分层厚度大等特点。随着煤层的开采，坚硬顶板难以及时垮落，在采空区形成大面积悬顶。大范围悬顶及其突然破断易产生冲击荷载、顶板大面积来压、暴风，坚硬顶板弯曲破断引起的应力扰动易诱导冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害。坚硬顶板导致了高效开采与安全保障系列难题。
1我国工作面的顶板分类
随着煤矿生产技术的不断发展，在80年代初的机械化程度提高，为了改善屋顶管理，我国已出台了一项新的《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。例如大同矿区某些顶板有1.0左右的直接顶，老顶为Ⅲ级，甚至Ⅳ级，实践中也往往采取针对性的处理措施，这一点正是生产中需要解决的关键。
2坚硬顶板采场矿山压力显现特征
2.1坚硬顶板其周期性破断较大，来压步距也较大、动载系数高。坚
硬顶板工作面回采后，工作面上方的顶板垮落时间长，支护不及时达到一定的悬露面积后，发生突然破断而冒落。经统计，坚硬顶板一般初次冒落面积超过3000m2，周期冒落也要在1500m2以上。如果是长壁回采工作面，一般的初次来压步距要达到30m以上。直接顶厚度小是造成坚硬顶板强烈来压的另一个重要因素，当岩石垮落时，在工作面采空区形成很薄的垫层，甚至根本无垫层，给老顶垮落提供了较大的空间，在顶板能量释放发生变形的同时，大块岩石由顶板的破裂直接冲击支架。
2.2当坚硬顶板来压时，时间差和步距差非常明显。坚硬顶板工作面上覆岩层破断规律，一般情况都是先出现离层后，离层顶板出现拉应力破坏。基本顶的岩层一般在超前煤壁内出现断裂裂隙，但由于上覆岩层顶板也较为坚硬，对出现断裂裂隙的岩层能够产生夹持作用，使岩块处于暂时的平衡状态，断裂后夹持在上覆岩层和煤层之间以保持平衡。当工作面向前推进至断裂裂隙线附近时，顶板才能垮落，在断裂时和垮落时会产生两个最高的尖峰载荷。当工作面上覆的岩层比较松软时，液压支架阻力有较高的切顶能力，断裂后顶板暂时处于平衡的瞬间，工作面上覆岩石的载荷强制顶板垮落，这一时期的时间差和这一时期的步距差均较小。如果工作面液压支架的支撑力没有较高的切顶能力，整体支撑力差，那么在断裂后顶板暂时处于平衡的瞬间就有可能把煤壁切落，出现台阶下沉。
2.3支架载荷分布不均匀，载荷高而且力的集中点靠近后排支柱。由于坚硬顶板一次性冒落高度大、冒顶面积大。当顶板冒落后，顶板悬臂较长的厚层岩体重力加载到支架上。通过研究表明，由于顶板冒落岩层而冲击支架载荷与岩层岩块质量M成正比，与上覆坚硬顶板及坚硬顶板上的普通顶板重力q2成正比，与来压步距的四次方成正比，并且与来压时支架本身的瞬间可缩量成反比。液压支架在冲击一瞬间，支架上的安全阀能够进行及时排液，支架瞬时下缩量增大，反之当支架受载小时，支架将会承受巨大的峰值载荷。坚硬顶板因其整体较硬、冒落块度较大，当冒落时一般在切顶后方留有悬顶3m-5m左右，这部分悬顶造成了顶板对支架载荷分布不均。如要改善支架的受力分布，对顶板要及时处理，主要是最大限度的减少工作面顶板的悬露面积。
3坚硬顶板导致的问题
3.1采煤工作面端头悬顶
在坚硬顶板采煤工作面，由于回采巷道煤柱侧巷帮的支撑及端头处巷道顶板高强度的支护，端头顶板大多存在不能及时冒落的问题，容易出现端头悬顶。端头悬顶突然垮落会把采空区的有毒有害气体突然挤出采空区、挤入采煤工作面，造成工作面安全问题；尤其是对于高瓦斯矿井，采空区的瓦斯被突然挤入采煤工作面，导致工作面瓦斯超限，造成安全隐患，严重影响煤矿的安全生产。同时，端头悬顶突然破断垮落，冒落岩块间的碰撞可能会产生火花，存在诱导采空区内积聚瓦斯爆炸的安全隐患。
3.2采煤工作面切眼悬顶
坚硬顶板长壁采煤工作面初采时，由于悬空面积小，采动应力小，支护强度大，顶板不能及时垮落。随着工作面的推进，悬顶面积逐渐增大，导致初采期间切眼区域容易形成大面积的悬顶。由于坚硬顶板岩性偏脆性，会导致顶板在矿山压力的作用下突然垮落。大面积的顶板突然垮落将产生冲击荷载、顶板大面积来压、暴风，坚硬顶板弯曲破断引起的应力扰动易诱导冲击矿压；在高瓦斯矿井，由此引起的冲击还会诱导煤与瓦斯突出等动力灾害。当顶板大面积垮落时，易把采空区积聚瓦斯突然挤出，造成瓦斯超限影响工作面安全生产；采空区顶板垮落不实时，容易造成工作面向采空区侧漏风，形成安全隐患。
3.3采煤工作面中部悬顶
在一些埋深较浅且上方赋存有坚硬厚顶板的煤层开采初期，由于顶板坚硬、厚度大且矿山压力显现不明显，随着工作面的推进，上部坚硬厚顶板难以及时垮落，容易在工作面中部形成大范围悬顶。
4工作面坚硬顶板控制
4.1控制顶板的断裂位置
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：
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。
4.2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。
4.3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。
结语
控制顶板的断裂位置简单、经济，但受许多地质条件的影响，不太准确。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]杜计平，苏景春.煤矿深井开采的矿压显现及控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000：95-106.
论文作者:鲁宁涛
论文发表刊物:《防护工程》2018年第4期
论文发表时间:2018/7/3
标签：顶板论文; 工作面论文; 坚硬论文; 采空区论文; 岩层论文; 支架论文; 载荷论文; 《防护工程》2018年第4期论文;