煤层开采顶板活动应用

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以榆阳煤矿2302工作面的开采实践为工程背景，总结了近浅埋煤层条件下开采顶板的活动规律，并利用“梁”“板”两种力学模型对老顶的初次来压步距进行了分析，由此确定出适合近浅埋地质条件下的力学模型。同时根据老顶大面积来压对工作面安全生产所构成的威胁，提出了采用深孔预裂爆破对坚硬顶板实施强制性放顶，从而保证初采初放期间工作面顶板安全。

1.问题的提出

生产实践表明，近浅埋煤层长壁工作面开采时，地面局部区域出现“台阶下沉”现象，工作面支架载荷明显增大，安全阀不断启动，易出现立柱爆裂现象，矿压显现剧烈，伴随有飓风。榆阳煤矿井田范围位于陕北侏罗纪煤田南缘，3号煤层埋深介于160～220m之间，而2302工作面开采的3号煤层平均埋深为200m左右，属于典型的近浅埋煤层，其覆岩破坏规律和工作面的矿压显现特征与浅埋煤层的开采差异很大。初次来压步距大，并产生较大的飓风，给安全生产造成较大危害。必须采取切眼内强制放顶，以降低飓风的发生，为安全生产保驾护航。

2.工作面顶板活动规律分析

2.1直接顶的垮落

榆阳煤矿开采的3号煤层直接顶为浅灰色砂质泥岩和细粒砂岩（其中包含两层薄煤，均厚0.5m），致密块状构造，平均厚4.40m，以层状为主，层向裂隙不太发育，抗压强度为30.3～75.9MPa，平均65.3MPa，抗拉强度为1.5MPa。开采时，在推进19～25m时直接顶开始初次垮落，此后随采随垮。

2.2老顶的垮落

（1）老顶的初次断裂步距分析

2302工作面老顶为浅灰色中细粒砂岩，致密较坚硬，层向裂隙不发育，平均厚14.4m，以层状为主，层向裂隙不发育，平均抗压强度为75.9MPa。

对于老顶的断裂形式主要有两种观点：梁式破断和板式破断，下面我们将现场实际情况和理论分析结合起来分析老顶的断裂形式。

由于2302工作面是次采面，南侧有2301采空区，其余为未采动区。因此，可按三边固支梁进行分析。三边固支来压特点和四边固支基本相同

榆阳煤矿2302工作面开采的3号煤层老顶为厚层状粉砂岩，质纯，结构单一，泥质胶结，层理裂隙不甚发育，厚度在12.2m左右，其单向抗压强度平均为75.9Mpa，抗拉强度为1.86MPa。3号煤顶板岩层岩石力学性质。

老顶初次来压步距按固支梁公式计算：

（1）

式中：L—初次来压步距，（m）；h—老顶岩层厚度，（m）；RT—老顶抗拉强度，（MPa）；q—老顶岩层梁承受的载荷，（KPa）。

在式（1）中，关键是确定老顶岩层梁所承受的载荷q，一般老顶上方的岩层由好几层组成。因此老顶岩梁的极限跨距所应考虑载荷的大小，须根据各层之间的互相影响来定。因为是多层岩层，必然考虑到第1个岩层（老顶岩层）之上究竟承受多少层的载荷问题，根据组合岩梁的原理，计算老顶岩层承受多少岩层重量的公式如下：

（2）

式中：(qn)1—第n层时作用于老顶岩层上的载荷，（kPa）；E1、En—老顶及上覆各岩层的弹性模量，（MPa）；h1、hn—老顶及上覆各岩层的厚度，（m）；、—老顶及以上各岩层的体积力，（KN/m3）。

当计算到（qn+1)1＜（qn）1时，n层作用于老顶岩层上的载荷q即采用（qn)1计算。

第2层对第1层的载荷作用（q2)1为

kPa

第3层对第1层的载荷作用（q3)1为

<

根据计算结果，应考虑第一、二对第一层（老顶岩层）载荷的影响，

代入相关参数计算可得老顶初次来压步距：

（3）

式中：L—初次来压步距，（m）；h—老顶岩层厚度，（m）；—老顶抗拉强度，（m）；q—岩层自重及上覆载荷，（m）。

按照“梁”式结构分析得出老顶的初次垮落步距为68.8m。

（2）老顶板式破断分析

随着2301工作面的推进，顶板悬空面积增大，老顶岩梁达到强度极限时，将形成断裂。由于是首采区，顶板将会形成四边固支的板状结构，板的弯矩绝对值最大是发生在长边的中心部位，因而首先将在此形成断裂，而后在短边的中央形成裂缝，待四周裂缝贯通而呈“O”形后，板中央的弯矩又达到最大值，超过强度极限而形成裂缝，最后形成“X”型破坏。此时在板的支承边四周形成上部张开下部闭合的裂缝，而在“X”型破断部分则形成上部闭合而下部张开的裂缝。老顶发生垮落时，岩梁呈竖“O－X”型垮落，两段岩梁分别以两端下断点为轴，以中部上断点为支点，分别内旋，直到中部岩梁触矸。

对于老顶的初次来压步距利用类比法推算2302工作面老顶的初次来压步距。2301工作面顶板岩性与2302工作面相似，其工作面长度为200m。当工作面自开切眼沿走向开采达到81m时，老顶岩梁达到极限垮距，开始发生了初次垮落。由此分析得知老顶的初次来压步距为81.0m。2302综采工作面长度为174m，采空区几何形状系数、初次来压步距类比2301工作面计算初次来压步距。

老顶初次来压按照板梁处于极限悬露状态时，其最大弯矩在采空区中心处，根据Marcus修正解可得：

M=

2301工作面老顶的抗弯强度

综采工作面老顶的初次来压步距准数

Lm=＝＝83.194m

μ----岩层的泊松比

q----岩层自重及其上载荷

h----老顶岩层厚度

σ----老顶岩层抗弯强度

2、用2301工作面老顶的初次来压步距推算2302工作面老顶的初次来压步距

2301工作面老顶的初次来压步距为81m，工作面长度为205m；2302综采工作面长度为179m，计算工作面长度对初次来压步距的影响。

（1）四边固支状态下边长影响系数：

四边固支无限长条的极限垮距：

L=m

2302工作面老顶的初次来压步距：

＝

＝85.326m

（2）若进行强制放顶，工作面四边固支状态即变为三边固支一边简支，其边长影响系数：

2301工作面老顶的初次来压步距：

L=m

2302工作面老顶的初次来压步距：

＝

＝84.206m

（3）2302综采工作面为次采工作面，同时又进行了强制放顶，属两边简支两边固支，其边长影响系数：

2301工作面老顶的初次来压步距：

L=m

2302工作面老顶的初次来压步距：

＝

＝68.659m

因此、从以上分析可知：工作面长度的变化对工作面老顶的初次来压步距影响不大，工作面强放造成三边固支一边简支，工作面老顶的初次来压步距影响也不大。但强制放顶可以避免初次来压对支架造成巨大的冲击载荷，破坏顶板的完整性，减缓初次来压对支架的破坏作用。由于2301和2302区段煤柱为34m，煤柱相对较大，本条简支边影响因素较小，只能一边简支三边固支来考虑，预计2302初次来压步距为84m。

根据2302综采工作面现场矿压观测表明，老顶垮落时工作面机尾距开切眼为83m，工作面机头距开切眼为73m，平均76m，加上切眼7.5m，合计为83.5m和预计初次来压步距84m基本相同，符合实际。

2302综采工作面初次来压垮落分为三个阶段。4月13日零点班接班时，工作面平均推进距离为76米。1时30分左右，采空区深处老顶开始垮落共3次，第2次垮落强度较大，有风并有煤尘产生；工作面中部有轻微的煤炮声，但没有片帮煤产生；工作面支架压力显现正常，未见明显增大现象；采空区及顶板无涌水、淋水现象。说明老顶在强制放顶后，老顶岩层整体性破坏，分为三个板块垮落，形成小----大----小的梯次垮落，造成的飓风相对较小，未造成较大飓风危害。

老顶垮落后破断形态如图1所示。

（2）老顶的周期断裂步距分析

老顶的周期来压步距具有差异性，不存在固定值，其有一定的变化区间，因此我们统计了大量的陕北近浅埋煤层老顶的初次来压步距与周期来压步距的比值，分析得出该比值的变化区间为2.2～3.71，据此分析榆阳煤矿综采工作面老顶的周期来压步距介于22.5～38.0m。而根据现场的矿压观测资料分析，榆阳煤矿2302工作面在初次来压后第一次来压推进距离为20m（平均推进度96m，不包括切眼7.5m），第二次来压推进距离为24m（平均推进度120m，不包括切眼7.5m），第三次周期来压步距27m（平均推进度147m，不包括切眼7.5m），平均24m，据此2302综采工作面周期来压步距应为20～27m。

4.强制放顶技术措施应用

榆阳煤矿2301工作面属于坚硬难垮型顶板，老顶的初次来压步距长达81m，在采空区呈大面积垮落，来压时动压冲击较严重，易对工作面支架造成冲击，大量岩体突然垮落会造成飓风，威胁人身和设备安全。因此，需在来压前对顶板预裂爆破，破坏采空区顶板的完整性，使其尽早垮落，减小初次来压步距，减缓初次来压对支架的破坏作用。

目前，对坚硬顶板进行强制性放顶主要是深孔预裂爆破强制性放顶。以破坏顶板的完整性为前提，对初次来压期间的顶板实施有效控制，使其尽早垮落；根据直接顶、老顶的厚度，设计放顶方案，尽可能使其符合顶板岩层断裂失稳运动；充分利用矿压显现规律，为顶板控制服务；顶板处理高度的确定，应满足冒落矸石充满或基本充满采空区，对上覆岩层起支撑或垫层作用。同时，破坏老顶的完整性，使上覆岩层较易垮落，从而减弱了顶板垮落的冲击强度。

5.结论

（1）近浅埋煤层工作面的顶板坚硬难垮，在未强制放顶条件下初次来压步距为81m，周期来压步距为20～27m，其坚硬顶板在采空区易形成大面积顶板来压，一次冒落的面积少则数千平方米，多则数万平方米甚至十几万平方米，在极短时间内会产生严重的冲击破坏力，瞬间排除已采空间的空气造成飓风，威胁人身和设备安全。

（2）榆阳煤矿2301工作面开采实践表明，老顶初次来压步距按梁式断裂计算与实际情况显然不符，近浅埋煤层地质条件下老顶破断必须按照板式结构分析才能与现场实际情况吻合，。

（3）近浅埋煤层地质条件下，在来压前可采用深孔预裂爆破技术措施对顶板实行强制性放顶，用以破坏采空区顶板的完整性，使其尽早垮落，减小初次来压步距，减缓初次来压对支架的破坏作用是十分必要的。

（4）榆阳煤矿在2302综采工作面实施切眼内强制放顶，领导的决策是英明的，措施是得力的，施工质量是可靠的，爆破达到了预期的效果，基本解决了榆阳煤矿近浅埋深坚硬顶板条件下初采初放的顶板管理问题。