導(dǎo)語(yǔ)：煤層開(kāi)采頂板活動(dòng)應(yīng)用一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

以榆陽(yáng)煤礦2302工作面的開(kāi)采實(shí)踐為工程背景，總結(jié)了近淺埋煤層條件下開(kāi)采頂板的活動(dòng)規(guī)律，并利用“梁”“板”兩種力學(xué)模型對(duì)老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距進(jìn)行了分析，由此確定出適合近淺埋地質(zhì)條件下的力學(xué)模型。同時(shí)根據(jù)老頂大面積來(lái)壓對(duì)工作面安全生產(chǎn)所構(gòu)成的威脅，提出了采用深孔預(yù)裂爆破對(duì)堅(jiān)硬頂板實(shí)施強(qiáng)制性放頂，從而保證初采初放期間工作面頂板安全。

1.問(wèn)題的提出

生產(chǎn)實(shí)踐表明，近淺埋煤層長(zhǎng)壁工作面開(kāi)采時(shí)，地面局部區(qū)域出現(xiàn)“臺(tái)階下沉”現(xiàn)象，工作面支架載荷明顯增大，安全閥不斷啟動(dòng)，易出現(xiàn)立柱爆裂現(xiàn)象，礦壓顯現(xiàn)劇烈，伴隨有颶風(fēng)。榆陽(yáng)煤礦井田范圍位于陜北侏羅紀(jì)煤田南緣，3號(hào)煤層埋深介于160～220m之間，而2302工作面開(kāi)采的3號(hào)煤層平均埋深為200m左右，屬于典型的近淺埋煤層，其覆巖破壞規(guī)律和工作面的礦壓顯現(xiàn)特征與淺埋煤層的開(kāi)采差異很大。初次來(lái)壓步距大，并產(chǎn)生較大的颶風(fēng)，給安全生產(chǎn)造成較大危害。必須采取切眼內(nèi)強(qiáng)制放頂，以降低颶風(fēng)的發(fā)生，為安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

2.工作面頂板活動(dòng)規(guī)律分析

2.1直接頂?shù)目迓?/p>

榆陽(yáng)煤礦開(kāi)采的3號(hào)煤層直接頂為淺灰色砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖（其中包含兩層薄煤，均厚0.5m），致密塊狀構(gòu)造，平均厚4.40m，以層狀為主，層向裂隙不太發(fā)育，抗壓強(qiáng)度為30.3～75.9MPa，平均65.3MPa，抗拉強(qiáng)度為1.5MPa。開(kāi)采時(shí)，在推進(jìn)19～25m時(shí)直接頂開(kāi)始初次垮落，此后隨采隨垮。

2.2老頂?shù)目迓?/p>

（1）老頂?shù)某醮螖嗔巡骄喾治?/p>

2302工作面老頂為淺灰色中細(xì)粒砂巖，致密較堅(jiān)硬，層向裂隙不發(fā)育，平均厚14.4m，以層狀為主，層向裂隙不發(fā)育，平均抗壓強(qiáng)度為75.9MPa。

對(duì)于老頂?shù)臄嗔研问街饕袃煞N觀點(diǎn)：梁式破斷和板式破斷，下面我們將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和理論分析結(jié)合起來(lái)分析老頂?shù)臄嗔研问健?/p>

由于2302工作面是次采面，南側(cè)有2301采空區(qū)，其余為未采動(dòng)區(qū)。因此，可按三邊固支梁進(jìn)行分析。三邊固支來(lái)壓特點(diǎn)和四邊固支基本相同

榆陽(yáng)煤礦2302工作面開(kāi)采的3號(hào)煤層老頂為厚層狀粉砂巖，質(zhì)純，結(jié)構(gòu)單一，泥質(zhì)膠結(jié)，層理裂隙不甚發(fā)育，厚度在12.2m左右，其單向抗壓強(qiáng)度平均為75.9Mpa，抗拉強(qiáng)度為1.86MPa。3號(hào)煤頂板巖層巖石力學(xué)性質(zhì)。

老頂初次來(lái)壓步距按固支梁公式計(jì)算：

（1）

式中：L—初次來(lái)壓步距，（m）；h—老頂巖層厚度，（m）；RT—老頂抗拉強(qiáng)度，（MPa）；q—老頂巖層梁承受的載荷，（KPa）。

在式（1）中，關(guān)鍵是確定老頂巖層梁所承受的載荷q，一般老頂上方的巖層由好幾層組成。因此老頂巖梁的極限跨距所應(yīng)考慮載荷的大小，須根據(jù)各層之間的互相影響來(lái)定。因?yàn)槭嵌鄬訋r層，必然考慮到第1個(gè)巖層（老頂巖層）之上究竟承受多少層的載荷問(wèn)題，根據(jù)組合巖梁的原理，計(jì)算老頂巖層承受多少巖層重量的公式如下：

（2）

式中：(qn)1—第n層時(shí)作用于老頂巖層上的載荷，（kPa）；E1、En—老頂及上覆各巖層的彈性模量，（MPa）；h1、hn—老頂及上覆各巖層的厚度，（m）；、—老頂及以上各巖層的體積力，（KN/m3）。

當(dāng)計(jì)算到（qn+1)1＜（qn）1時(shí)，n層作用于老頂巖層上的載荷q即采用（qn)1計(jì)算。

第2層對(duì)第1層的載荷作用（q2)1為

kPa

第3層對(duì)第1層的載荷作用（q3)1為

<

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，應(yīng)考慮第一、二對(duì)第一層（老頂巖層）載荷的影響，

代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算可得老頂初次來(lái)壓步距：

（3）

式中：L—初次來(lái)壓步距，（m）；h—老頂巖層厚度，（m）；—老頂抗拉強(qiáng)度，（m）；q—巖層自重及上覆載荷，（m）。

按照“梁”式結(jié)構(gòu)分析得出老頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?8.8m。

（2）老頂板式破斷分析

隨著2301工作面的推進(jìn)，頂板懸空面積增大，老頂巖梁達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，將形成斷裂。由于是首采區(qū)，頂板將會(huì)形成四邊固支的板狀結(jié)構(gòu)，板的彎矩絕對(duì)值最大是發(fā)生在長(zhǎng)邊的中心部位，因而首先將在此形成斷裂，而后在短邊的中央形成裂縫，待四周裂縫貫通而呈“O”形后，板中央的彎矩又達(dá)到最大值，超過(guò)強(qiáng)度極限而形成裂縫，最后形成“X”型破壞。此時(shí)在板的支承邊四周形成上部張開(kāi)下部閉合的裂縫，而在“X”型破斷部分則形成上部閉合而下部張開(kāi)的裂縫。老頂發(fā)生垮落時(shí)，巖梁呈豎“O－X”型垮落，兩段巖梁分別以?xún)啥讼聰帱c(diǎn)為軸，以中部上斷點(diǎn)為支點(diǎn)，分別內(nèi)旋，直到中部巖梁觸矸。

對(duì)于老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距利用類(lèi)比法推算2302工作面老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距。2301工作面頂板巖性與2302工作面相似，其工作面長(zhǎng)度為200m。當(dāng)工作面自開(kāi)切眼沿走向開(kāi)采達(dá)到81m時(shí)，老頂巖梁達(dá)到極限垮距，開(kāi)始發(fā)生了初次垮落。由此分析得知老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距為81.0m。2302綜采工作面長(zhǎng)度為174m，采空區(qū)幾何形狀系數(shù)、初次來(lái)壓步距類(lèi)比2301工作面計(jì)算初次來(lái)壓步距。

老頂初次來(lái)壓按照板梁處于極限懸露狀態(tài)時(shí)，其最大彎矩在采空區(qū)中心處，根據(jù)Marcus修正解可得：

M=

2301工作面老頂?shù)目箯潖?qiáng)度

綜采工作面老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距準(zhǔn)數(shù)

Lm=＝＝83.194m

μ----巖層的泊松比

q----巖層自重及其上載荷

h----老頂巖層厚度

σ----老頂巖層抗彎強(qiáng)度

2、用2301工作面老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距推算2302工作面老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距

2301工作面老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距為81m，工作面長(zhǎng)度為205m；2302綜采工作面長(zhǎng)度為179m，計(jì)算工作面長(zhǎng)度對(duì)初次來(lái)壓步距的影響。

（1）四邊固支狀態(tài)下邊長(zhǎng)影響系數(shù)：

四邊固支無(wú)限長(zhǎng)條的極限垮距：

L=m

2302工作面老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距：

＝

＝85.326m

（2）若進(jìn)行強(qiáng)制放頂，工作面四邊固支狀態(tài)即變?yōu)槿吂讨б贿吅?jiǎn)支，其邊長(zhǎng)影響系數(shù)：

2301工作面老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距：

L=m

2302工作面老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距：

＝

＝84.206m

（3）2302綜采工作面為次采工作面，同時(shí)又進(jìn)行了強(qiáng)制放頂，屬兩邊簡(jiǎn)支兩邊固支，其邊長(zhǎng)影響系數(shù)：

2301工作面老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距：

L=m

2302工作面老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距：

＝

＝68.659m

因此、從以上分析可知：工作面長(zhǎng)度的變化對(duì)工作面老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距影響不大，工作面強(qiáng)放造成三邊固支一邊簡(jiǎn)支，工作面老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距影響也不大。但強(qiáng)制放頂可以避免初次來(lái)壓對(duì)支架造成巨大的沖擊載荷，破壞頂板的完整性，減緩初次來(lái)壓對(duì)支架的破壞作用。由于2301和2302區(qū)段煤柱為34m，煤柱相對(duì)較大，本條簡(jiǎn)支邊影響因素較小，只能一邊簡(jiǎn)支三邊固支來(lái)考慮，預(yù)計(jì)2302初次來(lái)壓步距為84m。

根據(jù)2302綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)表明，老頂垮落時(shí)工作面機(jī)尾距開(kāi)切眼為83m，工作面機(jī)頭距開(kāi)切眼為73m，平均76m，加上切眼7.5m，合計(jì)為83.5m和預(yù)計(jì)初次來(lái)壓步距84m基本相同，符合實(shí)際。

2302綜采工作面初次來(lái)壓垮落分為三個(gè)階段。4月13日零點(diǎn)班接班時(shí)，工作面平均推進(jìn)距離為76米。1時(shí)30分左右，采空區(qū)深處老頂開(kāi)始垮落共3次，第2次垮落強(qiáng)度較大，有風(fēng)并有煤塵產(chǎn)生；工作面中部有輕微的煤炮聲，但沒(méi)有片幫煤產(chǎn)生；工作面支架壓力顯現(xiàn)正常，未見(jiàn)明顯增大現(xiàn)象；采空區(qū)及頂板無(wú)涌水、淋水現(xiàn)象。說(shuō)明老頂在強(qiáng)制放頂后，老頂巖層整體性破壞，分為三個(gè)板塊垮落，形成小----大----小的梯次垮落，造成的颶風(fēng)相對(duì)較小，未造成較大颶風(fēng)危害。

老頂垮落后破斷形態(tài)如圖1所示。

（2）老頂?shù)闹芷跀嗔巡骄喾治?/p>

老頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距具有差異性，不存在固定值，其有一定的變化區(qū)間，因此我們統(tǒng)計(jì)了大量的陜北近淺埋煤層老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距與周期來(lái)壓步距的比值，分析得出該比值的變化區(qū)間為2.2～3.71，據(jù)此分析榆陽(yáng)煤礦綜采工作面老頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距介于22.5～38.0m。而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的礦壓觀測(cè)資料分析，榆陽(yáng)煤礦2302工作面在初次來(lái)壓后第一次來(lái)壓推進(jìn)距離為20m（平均推進(jìn)度96m，不包括切眼7.5m），第二次來(lái)壓推進(jìn)距離為24m（平均推進(jìn)度120m，不包括切眼7.5m），第三次周期來(lái)壓步距27m（平均推進(jìn)度147m，不包括切眼7.5m），平均24m，據(jù)此2302綜采工作面周期來(lái)壓步距應(yīng)為20～27m。

4.強(qiáng)制放頂技術(shù)措施應(yīng)用

榆陽(yáng)煤礦2301工作面屬于堅(jiān)硬難垮型頂板，老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距長(zhǎng)達(dá)81m，在采空區(qū)呈大面積垮落，來(lái)壓時(shí)動(dòng)壓沖擊較嚴(yán)重，易對(duì)工作面支架造成沖擊，大量巖體突然垮落會(huì)造成颶風(fēng)，威脅人身和設(shè)備安全。因此，需在來(lái)壓前對(duì)頂板預(yù)裂爆破，破壞采空區(qū)頂板的完整性，使其盡早垮落，減小初次來(lái)壓步距，減緩初次來(lái)壓對(duì)支架的破壞作用。

目前，對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行強(qiáng)制性放頂主要是深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制性放頂。以破壞頂板的完整性為前提，對(duì)初次來(lái)壓期間的頂板實(shí)施有效控制，使其盡早垮落；根據(jù)直接頂、老頂?shù)暮穸?，設(shè)計(jì)放頂方案，盡可能使其符合頂板巖層斷裂失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)；充分利用礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為頂板控制服務(wù)；頂板處理高度的確定，應(yīng)滿(mǎn)足冒落矸石充滿(mǎn)或基本充滿(mǎn)采空區(qū)，對(duì)上覆巖層起支撐或墊層作用。同時(shí)，破壞老頂?shù)耐暾裕股细矌r層較易垮落，從而減弱了頂板垮落的沖擊強(qiáng)度。

5.結(jié)論

（1）近淺埋煤層工作面的頂板堅(jiān)硬難垮，在未強(qiáng)制放頂條件下初次來(lái)壓步距為81m，周期來(lái)壓步距為20～27m，其堅(jiān)硬頂板在采空區(qū)易形成大面積頂板來(lái)壓，一次冒落的面積少則數(shù)千平方米，多則數(shù)萬(wàn)平方米甚至十幾萬(wàn)平方米，在極短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊破壞力，瞬間排除已采空間的空氣造成颶風(fēng)，威脅人身和設(shè)備安全。

（2）榆陽(yáng)煤礦2301工作面開(kāi)采實(shí)踐表明，老頂初次來(lái)壓步距按梁式斷裂計(jì)算與實(shí)際情況顯然不符，近淺埋煤層地質(zhì)條件下老頂破斷必須按照板式結(jié)構(gòu)分析才能與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況吻合，。

（3）近淺埋煤層地質(zhì)條件下，在來(lái)壓前可采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)措施對(duì)頂板實(shí)行強(qiáng)制性放頂，用以破壞采空區(qū)頂板的完整性，使其盡早垮落，減小初次來(lái)壓步距，減緩初次來(lái)壓對(duì)支架的破壞作用是十分必要的。

（4）榆陽(yáng)煤礦在2302綜采工作面實(shí)施切眼內(nèi)強(qiáng)制放頂，領(lǐng)導(dǎo)的決策是英明的，措施是得力的，施工質(zhì)量是可靠的，爆破達(dá)到了預(yù)期的效果，基本解決了榆陽(yáng)煤礦近淺埋深堅(jiān)硬頂板條件下初采初放的頂板管理問(wèn)題。