工作面礦壓的規律與判別頂板壓力的方法

趙春光

(七臺河市不動產登記中心，黑龍江 七臺河 154600)

1 工作面礦山壓力的一般規律

在煤礦開采過程中，頂板壓力從小到大呈周期性變化。壓力規律的原因是隨著工作面的向前推進，采空區逐漸擴大，引起基本頂巖層周期性的活動。如圖1所示，工作面由開切眼K推進到位置1開始回柱，如果直接頂破碎，則隨著回柱垮落。有的頂板不隨回柱垮落，工作面繼續向前推進，頂板懸露面積逐漸增大到位置2，直接頂開始大面積垮落，即初次垮頂或稱初次落頂。初次落頂時工作面向前推進的距離b1，即初次垮落步距。初次垮落步距取決于直接頂的巖層強度、分層厚度、裂隙的發育程度等。巖體強度大，初次垮落步距就大；巖體強度小，初次垮落步距就小。堅硬不易垮落的直接頂，在采到一定距離后，還要向采空區頂板打眼爆破強制放頂，這樣頂板才能垮落下來。一般能垮落的直接頂，在初次垮落前，雖然回采面積已加大，但頂板壓力并不顯，直至落頂前即直接頂大面積垮落前，采空區頂板才會出現脫皮、掉碴、煤壁片幫等現象，工作面支架上的壓力會顯著。如果直接頂較堅硬、懸頂面積較大，初次落頂時，頂板一般會發出較大的斷裂聲，甚至會刮起狂風沖向工作面及巷道。這時工作面支架相對于大面積的懸露頂板其支承壓力是不夠的，所以要加強和鞏固支架，不然大塊矸石可能會沖倒工作面支架，使頂板從煤壁切斷，嚴重時可能造成大冒頂。

隨著工作面的推進，直接頂持續垮落，垮落范圍和高度逐漸擴大，如果垮落的矸石不能填實采空區，基本頂就要懸空。懸空在采空區上完整的基本頂像座橋梁立在兩邊的煤層上面，支撐著上面巖石的重量。在工作面推進到圖1c的位置3，基本頂不能承擔上面巖石的重量時，基本頂就要折斷。在折斷前給工作面一個很大的壓力，即基本頂的初次來壓。初次來壓時，工作面推進的距離叫做初次來壓步距。初次來壓步距主要按照基本頂巖體強度大小而不同。如A礦在中等穩定頂板條件下，各煤層的初次來壓步距一般為20 mm，在初次來壓前，頂板掉下小碎石塊，煤壁明顯松軟，有時金屬支柱出現響聲，待頂板掉碎石稍微比開始塊度大時，表明初次來壓要到了，這時必須立即撤人，同時采取相應的措施，以避免傷亡事故的出現。對于不同性質的頂板，來壓前的礦壓也不一樣。如B礦一采區的煤層頂板一般都較堅硬，來壓時直接頂上方發出強烈的悶雷聲，活柱受壓“咯咯”作響，煤壁嚴重片幫。工作面及煤壁的無支護頂板出現破壞或破壞急劇增加。支撐力不夠時，工作面臺階下沉，基本頂以上有含水層時，采空區上方會淋水，接著頂板瓦斯量也增加了。

圖1 頂板垮落情況Fig.1 Situation of roof collapse

基本頂來壓強度受基本頂強度的影響，采空區矸石的堅硬程度也是個重要的因素。如果直接頂垮落高度大，采空區充填較好，基本頂折斷時下沉量和初次來壓強度就小。如果情況相反，初次來壓強度就大，甚至出現壓垮工作面支架的情況，會導致冒頂，嚴重時還會出現大冒頂事故。無論是直接頂初次垮落還是基本頂初次來壓，如果來壓強度大，來壓后頂板就破碎，柱子東倒西歪。因為來壓時柱子受力大，工作面危險，支柱或放頂應臨時采取安全措施。

基本頂初次來壓垮落后，工作面頂板壓力相對減少了，隨著工作面的推進，基本頂懸頂面積逐漸增大，這時基本頂的一端靠煤壁支撐，另一端靠破壞了的基本頂巖塊連接支撐在采空區壓實的矸石上。工作面推進至圖1d的位置4時，基本頂垮度超過一定距離，又要出現折斷和垮落。由于該基本頂折斷和垮落是每隔一定距離有規律地、周期性地出現，因此叫周期來壓。圖1d中b3是初次來壓和周期來壓之間工作面推進的距離，即周期來壓步距。在一個采區地質條件基本相同以及生產工藝過程基本相同的條件下，周期來壓步距盡管不完全相同，但在一定范圍內波動，大致是穩定的。如某煤礦在頂板條件大致相同的情況下，各煤層的周期來壓步距大致在8～12 m之間。來壓時礦壓顯現沒有初次來壓時那么明顯，在回采分層開采的下層煤時，頂板有掉煤皮的現象出現，來壓強度遠沒有初次來壓強度大。但陽泉礦的情況有所不同，該礦各煤層的周期來壓步距大致是9～15 m，周期來壓時，頂板壓力和頂板下沉量增加，片幫嚴重，頂板破碎，有時管理不當還易出現冒頂事故。所以在周期來壓前，應加強對頂板的監視，提醒工人要提高警惕，注意聽監頂工的口令，選好安全退路，以避免事故的發生。

2 判別頂板壓力的方法

采煤技術人員必須熟悉頂板來壓的規律、大小及區段范圍。在周期來壓期間，由于壓力大、頂板破碎，可以從各種礦壓顯現來辨別頂板壓力的大小，搞清支柱或放頂是不是安全。在不用測力計的條件下，判別頂板壓力的方法有以下幾種。

2.1 觀察支柱受力狀況

這主要分兩種情況。對于木支柱，判別頂板壓力大小的方法是木柱的折損率，即被壓斷的支柱占總支柱的百分比。折損率大，表明壓力大；折損率小，壓力也小。在壓力大時，回柱前必須在折損柱旁打好替換柱，避免回柱時頂板活動引發冒頂事故。如果回柱時頂板正在來壓，木支柱會出現折斷的聲響，響聲越多，表明折斷的柱子越多。在這種情況下必須暫?；刂?，采取安全措施。情況再嚴重時，必須及時把人員撤出危險區域。對于金屬支柱，受壓大小就不能簡單地以折損率判斷，可采用敲打柱子的方法判斷。如果柱子發出的聲音沉悶，表明受力大，回柱時必須注意。如果受力不均勻，其中只有某一根柱子受力大，回這根柱子時必須采取相應的安全措施。有時頂板下沉壓力大會造成金屬支柱活柱突然下沉一截，并隨之發出“嘣嘣”響，如果該聲音普遍發生，表明頂板正在來壓而且激烈，應暫?；刂?，等壓力趨于緩和時再進行工作。

2.2 觀察采空區情況

基本頂折斷時，采空區有時發出巨大的響聲。直接頂大塊折斷時，采空區有“碰碰”的聲音。這兩種情況都說明來壓激烈，支柱放頂時必須注意安全。必要時暫?；刂ぷ?，采取措施加強工作面支護。采空區被破碎矸石充填后，工作面的壓力一般較小，上面大塊矸石垮落時對工作面的影響也小。如果采空區有大量懸壁，頂板沒有冒落，必須采取措施進行放頂，以確保生產的順利進行。

2.3 觀察煤壁

煤壁片幫面積和片幫深度大量增加，煤壁處大量落粉、落碴，是頂板來壓的征兆，放頂時頂板壓力可能突然增大，甚至可能使頂板沿煤壁切斷，發生臺階下沉以致冒頂。在這種情況下應停止出煤，加強煤壁的支護，維護好頂板，等來壓穩定后再進行回柱放頂。

2.4 觀察頂板情況

先看頂板破碎情況，其裂隙和頂板下沉量有無明顯的變化，如果變化明顯表明頂板活動繼續加劇，支柱和放頂時必須采取安全措施；再看裂隙和節理的存在狀況，采取相應措施保障安全。

總之，頂板壓力的大小對頂板控制工作有直接的關系。掌握了頂板活動的規律，能辨別頂板壓力的大小，就可以保障安全，提高采煤的生產效率。