堅硬頂板強制放頂方法及步距研究

李永賓

（山西煤炭運銷集團盛泰煤業(yè)有限公司，山西 高平 048403）

堅硬頂板具有強度高、節(jié)理和裂縫發(fā)育不發(fā)達(dá)的特點，在開采過程中，容易形成大面積懸頂，如若處理不好，會給煤礦安全生產(chǎn)帶來巨大的隱患。

1 概況

15101首采工作面位于中央采區(qū)東南部，采用綜采一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板。15101工作面開采的15#煤層，較穩(wěn)定，平均厚度4.16m。直接頂為厚6～10.2m的灰?guī)r，抗拉、抗壓、抗剪強度大，巖性堅硬。按照緩傾斜煤層采煤工作面頂?shù)装宸诸悩?biāo)準(zhǔn)（MT/T554-1996），屬Ⅲ級頂板，基本頂?shù)V壓顯現(xiàn)強烈。

2 堅硬頂板采場頂板結(jié)構(gòu)分析

2.1 堅硬頂板礦山壓力顯現(xiàn)特征

堅硬頂板的主要特性是采空區(qū)頂板不能隨著工作面的推進及時垮落。根據(jù)現(xiàn)有垮落統(tǒng)計規(guī)律總結(jié)發(fā)現(xiàn)，堅硬頂板采空區(qū)第一次發(fā)生垮落的面積一般超過3000m2，隨后周期垮落面積一般超過1500m2。對于長壁式開采的煤礦，當(dāng)初次來壓步距超過30m時，采空區(qū)堅硬懸頂會趨向于正方形形狀，隨著工作面的不斷推進，頂板受采動影響下發(fā)生垮落的幾率將逐漸增高。當(dāng)初次來壓步距與工作面的走向長度相等時，即工作面初次見方時，往往也是回采過程中采空區(qū)堅硬頂板活動最劇烈的時候。

2.2 堅硬頂板來壓具有明顯的時間差和步距差

隨著工作面推進，未斷裂的堅硬頂板在煤層、煤壁內(nèi)會產(chǎn)生破裂，由于頂板斷裂后產(chǎn)生的夾持作用使巖石的夾巖和煤層之間的斷裂暫時保持平衡狀態(tài)。當(dāng)工作面并靠近斷裂線附近時，頂板將發(fā)生整體冒落，同時產(chǎn)生兩個尖峰載荷。如果上覆巖層相對松軟，且支架具有較強的切頂能力，在暫時平衡狀態(tài)瞬間，上覆巖層會迫使頂板坍塌，這段時間差和步距差較小。當(dāng)采場整體支護應(yīng)力不足時，在暫時平衡期間，可能會發(fā)生切落煤壁形成臺階下沉。

3 堅硬頂板控頂方法對比分析

根據(jù)相鄰礦井的情況，15101工作面堅硬頂板初次來壓步距約為50.9m，而現(xiàn)有支架很難承受初次來壓時頂板垮落所帶來的壓力，因而必須縮短工作面初次來壓步距。

假設(shè)15101工作面兩端為固定的支架梁力學(xué)模型，目前主要采用環(huán)形循環(huán)淺孔、中部和端部拉槽等三種爆破縮短工作面基本頂初次垮落步距的控頂方法。

3.1 循環(huán)淺孔拉槽控制放頂

循環(huán)淺孔拉槽控頂方法是沿工作面推進方向，在頂端每隔幾圈切割，起一排鉆孔爆破放頂，以減小頂板厚度，從而達(dá)到縮短垮落步距的目的。循環(huán)淺孔拉槽巖梁的力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 循環(huán)淺孔拉槽巖梁力學(xué)模型(頂板未達(dá)到極限垮落步距時)

堅硬頂板厚度采用循環(huán)拉槽措施以后，巖梁的厚度減小，與此同時，巖梁的表面抗彎截面模量也發(fā)生了變化，頂板的完整性發(fā)生了大范圍的變化，破壞比較嚴(yán)重，巖梁受拉后從兩個端部發(fā)生破斷拉壞。

巖梁的彎矩和截面模量分別為：

式中：

L0-拉槽后頂板垮落步距，m；

α-堅硬巖梁本身及上覆巖層傳遞荷載改變系數(shù)；

Hc-淺孔拉槽放頂后剩余巖梁厚度，m。

將n=2代入上式中，得到循環(huán)淺孔拉槽深度為：

式中：

取α=0.3～0.8。

設(shè)循環(huán)淺孔拉槽后頂板初次垮落時的循環(huán)數(shù)為m，則其爆破工程量G1為：

3.2 中部拉槽控制放頂

中部拉槽放頂是當(dāng)工作面推進到拉槽后極限垮落步距的1/2時，開始打眼爆破拉槽，減小巖梁中部抗彎截面模量，從而起到了縮短垮落步距的目的。中部拉槽巖梁力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 中部拉槽巖梁力學(xué)模型(頂板未達(dá)到極限垮落步距時)

開槽處的巖梁彎矩為：

式中：

將n=2代入上式中，得到中部拉槽深度和爆破工程量為：

3.3 端部拉槽控制放頂

端部拉槽強制放頂是指在工作面開切眼的位置處打上炮眼進行拉槽，減小巖梁的抗彎截面模量，對垮落步距進行縮小。端部拉槽巖梁力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 端部拉槽巖梁力學(xué)模型(頂板未達(dá)到極限垮落步距時)

開槽處的巖梁彎矩為：

式中：

將n=2代入上式中，得到端部拉槽深度和爆破工程量為：

通過以上分析得出，循環(huán)淺孔、中部和端部拉槽對強制放頂拉槽深度的影響順序為：端部拉槽深度最小，其次是中部拉槽、循環(huán)淺孔拉槽。假如端部拉槽的深度設(shè)置為1，中部拉槽相應(yīng)的深度為1.3倍，循環(huán)淺拉槽深度為端拉槽深度的1.1～1.45倍，因此，在進行選擇的時候，應(yīng)該是首先選擇端部拉槽控頂法。

4 基本頂安全懸頂長度

當(dāng)15101工作面采用端部拉槽控頂法后，假設(shè)采空區(qū)堅硬頂板懸臂巖梁上載荷為均布荷載。懸臂巖梁力學(xué)模型如圖4所示，隨著回采工作面的不斷推進，懸臂巖梁則會發(fā)生周期性斷裂。

圖4 懸臂巖梁力學(xué)模型

根據(jù)圖4所示力學(xué)模型，設(shè)工作面支架對頂板的設(shè)計支護強度為[P]，支架所承受的懸臂巖梁的長度為L，且L=LK+LS。考慮懸臂巖梁在最危險的情況下斷裂，即從煤壁上方切斷，則有：

式中：

[P]-工作面支架對頂板的設(shè)計支護強度，[P]=1190kN/m2；

LK-支架控頂距，m；

LS-支架后巖梁懸頂長度，m；

L-支架所承受的懸臂巖梁長度，m。

控制放頂?shù)哪康模潜ＷC頂板周期斷裂時對支架的支護強度P不大于支架的設(shè)計支護強度[P]，即

代入數(shù)據(jù)后計算得：L=13.9m。

通過上述計算，現(xiàn)有1190kN/m2支架所能承受的頂板極限懸頂長度為13.9m，考慮1.5的安全系數(shù)，現(xiàn)有支架所能承受的懸頂長度為9.3m。理論計算得出基本頂懸頂長度不應(yīng)超過9.3m，超過9.3m時必須采取強制放頂措施，方可保證回采工作面的支護安全。

5 結(jié)論

根據(jù)15101首采工作面堅硬頂板的實際情況，結(jié)合理論數(shù)值計算，得出15101工作面宜優(yōu)先采用端部拉槽控頂法，基本頂懸頂長度不應(yīng)超過9.3m，超過9.3m時必須采取強制放頂措施，否則工作面頂板破斷釋放的能量會對現(xiàn)有支架造成破壞。