论文部分内容阅读
[摘 要]坚硬顶板的回采工作面在煤层开采后顶板大面积悬露而不易垮落，造成工作面来压步距长矿山压力显现剧烈，严重时甚至发生矿震，因而对工作面的回采安全形成极大的威胁， 本文通过了解坚硬顶板采场矿山压力显现特征提出了控制坚硬顶板工作面的方法。
中图分类号：TD327.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0391-01
一 引言
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。坚硬顶板采场与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。
二 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[2]。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见表1，按来压强度将基本顶分为四级见表2，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，表3。
这种分类方法中的强度指数为。
式中Rc-岩石单轴抗压强度，MPa；捣碎法测定时，按表4计算。
C1-节理裂隙影响系数
C2-分层厚度影响系数
表4 捣碎法测定Rc的计算表
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25～50 m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。
三 坚硬顶板采场矿山压力显现特征
坚硬顶板的硬、整、厚的工程力学性质决定了其有如下显著的采场矿山压力显现特征。
3.1周期性的破断来压步距大、动载系数高
坚硬顶板的一大特點就是煤层采出后，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1500 m2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，也就是说工作面长度和来压步距近似相等时，往往易发生工作面开采过程中的顶板最剧烈活动。
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。
3.2支架载荷高，且分布不均匀，合力点靠近后排支柱
支架载荷高是由于坚硬顶板岩层一次冒落高度大、冒顶面积大。顶板冒落时，支架要承受厚层且悬臂较长的顶板岩体重力。该岩体在破断之前的变形和蠕变，会使支架载荷迅速增高。研究表明，冒落岩层冲击支架与其岩块质量M成正比，与坚硬顶板及其上的软弱顶板的重力q的平方成正比，与来压步距的四次方成正比，同时与支架本身瞬间的可缩量成反比。也就是说，在冲击瞬间安全阀可及时排液，支架瞬时下缩量大，则支架受载小，反之支架会承受很大的尖峰载荷。
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。
3.3坚硬顶板来压具有明显的时间差和步距差
坚硬顶板的破断规律一般是先离层后拉应力破坏。基本顶岩层的断裂裂隙往往超前在煤壁内，断裂后由于上覆岩层亦为坚硬岩层，则产生夹持作用，使断裂的岩块夹持在岩层和煤层之间，保持暂时平衡状态。只有当工作面即将推进至断裂线附近时，顶板才垮落，断裂与垮落都将产生两个尖峰载荷。暂时平衡时期，支架载荷高，相对稳定。如果上覆岩层较松软，支架又有强大的切顶能力，在暂时平衡瞬间，上覆载荷将迫使顶板垮落，这时的时间差和步距差较小。如果采场支架整体支撑力不足，那么在暂时平衡期间有可能切落煤壁，形成台阶下沉。
四 工作面坚硬顶板控制
当遇到复杂的断层构造时，工作面顶板虽然较坚硬，但局部顶板相对较脆，伴生的节理和裂隙多，易断裂破碎，容易发生冒顶事故。因此，必须加强顶板支护和现场管理。
4.1加强顶板支护
加强特殊地段支护，当采面过断层破碎带和地质条件发生变化时，应加大支护密度并超前支护。铺网护顶，将金属网铺设在煤层与支架顶部，割煤拉架后将其置于支架上，它能有效将顶矸阻挡在支架之上，既保证顶板不漏顶不冒顶，又能保证生产的原煤不受矸石污染，提高原煤质量。当工作面上下端头出现缺梁、缺柱或元支柱时必须立即补齐，及时支护。
4.2加强现场管理
首先制订操作性强、针对性强的技术措施，并严格落实。当遇到地质构造时，参考矿压情况及时制订针对性强的、专门的安全技术措施，相关管理部门认真监督贯彻执行。班组是企业实现安全生产的基础和煤炭企业最小生产单位，也是有效控制事故发生的基本环节，要实现煤矿的安全生产和安全管理的各项工作。安检科等监察部门要严格执行《煤矿安全管理条例》，严查“三违”人员，一经查出，必须参加“三违”学习班，学习合格后方可上岗。
五 结语
工作面坚硬顶板是复杂多变的，要想随时了解顶板的变化，一般都要通过安装矿压监测设备，采用相关软件分析研究矿压监测数据，总结工作面推进速度对矿压的影响以及工作面的矿压现总体特点，探索出工作面老顶来压一般规律。并通过制订针对性强的安全支护措施、加强相关人员的安全培训和建设监察执法力度等，实现煤矿工作面连续安全高效生产。
参考文献
[1] 马念杰，侯朝炯.采准巷道矿压理论及应用[M].北京：煤炭工业出版社，1995.
中图分类号：TD327.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0391-01
一 引言
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。坚硬顶板采场与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。
二 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[2]。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见表1，按来压强度将基本顶分为四级见表2，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，表3。
这种分类方法中的强度指数为。
式中Rc-岩石单轴抗压强度，MPa；捣碎法测定时，按表4计算。
C1-节理裂隙影响系数
C2-分层厚度影响系数
表4 捣碎法测定Rc的计算表
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25～50 m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。
三 坚硬顶板采场矿山压力显现特征
坚硬顶板的硬、整、厚的工程力学性质决定了其有如下显著的采场矿山压力显现特征。
3.1周期性的破断来压步距大、动载系数高
坚硬顶板的一大特點就是煤层采出后，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1500 m2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，也就是说工作面长度和来压步距近似相等时，往往易发生工作面开采过程中的顶板最剧烈活动。
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。
3.2支架载荷高，且分布不均匀，合力点靠近后排支柱
支架载荷高是由于坚硬顶板岩层一次冒落高度大、冒顶面积大。顶板冒落时，支架要承受厚层且悬臂较长的顶板岩体重力。该岩体在破断之前的变形和蠕变，会使支架载荷迅速增高。研究表明，冒落岩层冲击支架与其岩块质量M成正比，与坚硬顶板及其上的软弱顶板的重力q的平方成正比，与来压步距的四次方成正比，同时与支架本身瞬间的可缩量成反比。也就是说，在冲击瞬间安全阀可及时排液，支架瞬时下缩量大，则支架受载小，反之支架会承受很大的尖峰载荷。
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。
3.3坚硬顶板来压具有明显的时间差和步距差
坚硬顶板的破断规律一般是先离层后拉应力破坏。基本顶岩层的断裂裂隙往往超前在煤壁内，断裂后由于上覆岩层亦为坚硬岩层，则产生夹持作用，使断裂的岩块夹持在岩层和煤层之间，保持暂时平衡状态。只有当工作面即将推进至断裂线附近时，顶板才垮落，断裂与垮落都将产生两个尖峰载荷。暂时平衡时期，支架载荷高，相对稳定。如果上覆岩层较松软，支架又有强大的切顶能力，在暂时平衡瞬间，上覆载荷将迫使顶板垮落，这时的时间差和步距差较小。如果采场支架整体支撑力不足，那么在暂时平衡期间有可能切落煤壁，形成台阶下沉。
四 工作面坚硬顶板控制
当遇到复杂的断层构造时，工作面顶板虽然较坚硬，但局部顶板相对较脆，伴生的节理和裂隙多，易断裂破碎，容易发生冒顶事故。因此，必须加强顶板支护和现场管理。
4.1加强顶板支护
加强特殊地段支护，当采面过断层破碎带和地质条件发生变化时，应加大支护密度并超前支护。铺网护顶，将金属网铺设在煤层与支架顶部，割煤拉架后将其置于支架上，它能有效将顶矸阻挡在支架之上，既保证顶板不漏顶不冒顶，又能保证生产的原煤不受矸石污染，提高原煤质量。当工作面上下端头出现缺梁、缺柱或元支柱时必须立即补齐，及时支护。
4.2加强现场管理
首先制订操作性强、针对性强的技术措施，并严格落实。当遇到地质构造时，参考矿压情况及时制订针对性强的、专门的安全技术措施，相关管理部门认真监督贯彻执行。班组是企业实现安全生产的基础和煤炭企业最小生产单位，也是有效控制事故发生的基本环节，要实现煤矿的安全生产和安全管理的各项工作。安检科等监察部门要严格执行《煤矿安全管理条例》，严查“三违”人员，一经查出，必须参加“三违”学习班，学习合格后方可上岗。
五 结语
工作面坚硬顶板是复杂多变的，要想随时了解顶板的变化，一般都要通过安装矿压监测设备，采用相关软件分析研究矿压监测数据，总结工作面推进速度对矿压的影响以及工作面的矿压现总体特点，探索出工作面老顶来压一般规律。并通过制订针对性强的安全支护措施、加强相关人员的安全培训和建设监察执法力度等，实现煤矿工作面连续安全高效生产。
参考文献
[1] 马念杰，侯朝炯.采准巷道矿压理论及应用[M].北京：煤炭工业出版社，1995.