工作面堅硬頂板圍巖力學特性及來壓特征

（東華理工大學 土木與建筑工程學院 江西 330013）

堅硬頂板條件在礦區開采中普遍存在，隨著回采工作面的不斷推進，采空區堅硬頂板懸露面積逐漸增大，當達到極限時發生大面積冒落，其極大的沖擊力不僅會影響回采工作面的支護設施，而且會將采空區內的空氣瞬間排出，威脅井下工作人員及設備安全，嚴重時還會影響附近的回采巷道[1-4]。因此，有必要對工作面堅硬頂板的物理力學特性開展研究，本文采用室內試驗與實際壓力數據觀測相結合的方法，分析了堅硬頂板圍巖力學特性及來壓規律，以指導工作面的正常和安全生產，并為以后其它工作面的生產規程和措施的制定提供堅實的依據。

1.工程背景

山西省某礦堅硬頂板工作面走向長度148m，傾斜長度86m，煤層傾角4°～6°，面積約10400m2，煤厚度1.0～1.4m，平均厚度1.2m，采高為全高。該工作面煤層頂底板巖性如表1所示。工作面瓦斯濃度低，無瓦斯突出危險。地溫16～17℃，地壓無異常，煤的普氏系數2～3，較硬。

表1 煤層頂底板巖性

圖1 試驗試件

采集該工作面直接頂（K2石灰巖）巖樣，取直徑為50mm，分別加工成高為50mm和100mm兩種試件并編號，試驗試件如圖1所示。

2.灰巖力學特性及水理性質

(1)力學特性

采用壓縮試驗分別獲取試件的單軸壓縮和三軸壓縮強度，采用劈裂法試驗來間接測試巖塊的抗拉強度，操作時在試件直徑方向上，施加一對線性荷載，使試件沿傳遞線性荷載的墊條所對應的直徑方向破壞。并根據彈性力學推導的公式近似計算抗拉強度Rt：

式中：P－試樣破壞時的荷載，KN；D－試樣直徑，mm；L－試樣高度，mm。

圖2為灰巖壓縮和拉伸部分試驗曲線，試驗結果表明：K2灰巖在不同層位中的抗壓強度也存在較大差別，其單軸抗壓強度在86.854～169.303MPa，平均值為125.396Mpa；三軸抗壓強度最大達203.1Mpa，彈性模量為47.967Gpa；圍巖硬度系數最大達16.9，頂板為極堅硬頂板；單軸抗拉強度在5.990～8.831MPa，平均值為7.607Mpa。

圖2 灰巖力學特性試驗曲線

(2)水理性質

研究巖石在水作用下軟化性能，對于堅硬頂板的軟化控制具有重要意義[5-6]。巖石在水溶液的侵蝕作用下力學性能會出現降低，該損傷比力學因素造成的損傷更為嚴重，稱為化學腐蝕。

試驗在大氣壓力和室溫條件下進行，測試時先將巖樣烘干，稱量干質量，然后再浸水。從試驗結果圖3中可以看出，巖樣的吸水率隨著浸水時間的增加而增大，但增速逐漸降低。剛浸水時，吸水率快速增加，在最初的24小時內吸水最多，兩天基本達到了飽和，巖樣重量也不再變化。試樣的吸水率2.9%～3.1%，平均吸水率為3.0%。

在上述試驗基礎上，將所取的巖樣分成三組，每組三個，第一組為天然巖樣浸水0天（編號1組），第二組為浸水1天（編號2組），第三組為浸水4天（編號3組），含水率分別為1.7、2.9、3.1，進行單軸抗壓試驗，試驗結果如圖4所示。

圖3 浸水時間與吸水率關系

圖4 不同含水率應力-應變曲線

由圖4可以看出，隨著浸水時間的增加，巖樣含水率增加，且同一應力情況下應變增大；浸水時間0天、1天、4天時的平均抗壓強度分別為125.30MPa、119.52MPa、116.30MPa，試樣單軸抗壓強度隨著試樣含水率增加而減小，圍巖軟化系數為0.70左右。隨著浸水時間增加，巖樣峰值強度降低，巖樣脆性降低、呈現塑性破壞趨勢增強。

3.來壓特征分析

工作面采用DW12-300/100型單體液壓支柱支護，實行三、四排管理，排距1.1m，柱距1.2m，工作面最小控頂距3m，放頂距1m。工作面第二排部分單體支柱工作阻力監測結果如圖5所示，由圖可知：

（1）2019年3月26日之前，所測單體阻力無論是初撐力還是末阻力，都比較小，很多單體在初撐時未達到額定初撐阻力。工作面采用點柱支撐，施工時因初撐力太大使單體頂端爪手刺穿木塊直接抓破頂板，給支護造成困難，此時的末阻力并沒有達到最大額定阻力。

（2）2019年3月26日至28日，由于條件限制初撐力依然比較小，但是末阻力普遍較大。說明在此期間頂板壓力變大，但是此階段最大工作阻力只達到支架額定最大工作阻力的53%，有很大富裕。

（3）2019年3月28日工作面壓力值變化最大，單體增阻很快，支架末阻力普遍達到峰值，其中第二排2-3單體峰值達到35Mpa，礦壓顯現較明顯，采空區懸空直接頂板從采空區中部開始大面積冒落，老頂下沉量變大，工作面壓力普遍增大。28日工作面推進距離為28.3m，可以初步判斷直接頂初次垮落步距為28.3m。

（4）通過工作面回采過程中宏觀觀察，采空區頂板隨著工作面的開采呈緩慢下沉、隨采隨冒。在工作面回柱放頂時發生階梯狀垮落，由于該面采高1.2m，垮落矸石很快填充采空區，老頂周期來壓不明顯。

工作面支柱受力特征總體表明：工作面發生周期較小的直接頂垮落，支架初撐力偏低，最大阻力僅為最大額定工作阻力的87%，未超過支架額定工作阻力，支架可以安全支護頂板，直接頂上層周期垮落不會影響工作面生產，故綜合考量下[7-9]得知該工作面支護選型是合理的。

圖5 支柱初末阻力曲線

4.結論

本文采用室內試驗與現場實測相結合的研究方法，對山西某礦工作面堅硬頂板進行了研究，結論如下：

（1）通過試驗室研究得到了該工作面頂板圍巖力學參數：其彈性模量為47.967Gpa，變形模量為20.739Gpa，容重單軸抗壓強度平均值為125.396Mpa，單軸抗拉強度平均值為7.607Mpa，充分體現了頂板的堅硬性，為工作面的管理提供了依據。

（2）通過試驗室研究得到了巖樣的吸水率為2.9%～3.1%，平均吸水率為3.0%。隨著浸水時間增加，巖樣峰值強度降低，巖樣脆性降低、呈現塑性破壞趨勢增強，軟化系數為0.70。為工作面頂板軟化提供了參考依據。

（3）通過現場實測單體支柱的壓力，對工作面單體支護進行了適應性分析。得出支架初撐力偏低，最大阻力僅為最大額定工作阻力的87%。工作面直接頂初次垮落步距為28.3m，采空區頂板隨采隨冒，老頂周期來壓不明顯。綜合考量下得知該工作面支護選型是合理的。

（4）工作面選取的支護承載力足夠，設計合理，工作面頂板雖為堅硬頂板，但隨采隨冒、呈緩慢下沉，無需采取高壓注水等方法弱化頂板。