申 超

（中煤平朔集团公司，山西 朔州 036006）

0 引言

我国是一个煤炭资源储量非常丰富的国家，其中厚煤层（煤层厚度大于等于3.5 m）的储量约占全部煤炭储量的一半，生产的煤炭总量也占全国产量的一半，远高于世界平均水平的15%。综放开采技术在科研工作者的长期研究下，取得了很多丰硕的成果，使得综放开采技术得到了大面积的推广和应用。但是综放开采仍存在各种各样的问题，如“坚硬顶板条件下放顶煤”“硬煤条件下放顶煤”“煤层含夹矸”等条件下综放开采的安全保障技术，都有待进一步研究，其中坚硬顶板条件下的综放开釆也是重要研究课题[1]。为了解决此类技术难题，必须研究坚硬顶板条件下的矿山压力显现规律，许多专家学者都对此进行了研究和探讨，许家林等人将对采场上覆岩层小范围或者直到地表大范围岩层运动起主要控制作用的岩层称为关键层，并在关键层理论提出后，给出了判定是否为关键层的方法，阐述了关键层在上覆岩层中的作用机制；钱鸣高、廖协兴等[2]利用薄板模型与塑性力学理论分析顶板状态，认为老顶初次来压前后的破断形式分别为O-X型和半X型破坏；王家臣[3]等研究了顶板边界在不同条件支撑下的位移应力解析解；王平等在分析计算两对边简支、两对边固支弹性矩形薄板的解时引入了水平应力。基于弹性基础梁理论，蒋金泉等揭示了高位硬厚岩层弹性基础边界下破断规律的演化特征；潘岳、顾士坦[4]基于Winkler弹性地基基础，又引入软化地基，得出在埋深200 m～300 m范围内，软化地基给予煤壁处顶板的地基反力为全弹性地基的4倍，并求得在煤壁前面的最大弯矩。尽管针对近距离厚煤层坚硬顶板条件下的矿山压力显现规律进行了有效的研究，但是由于煤矿地质条件的不同，一套支护理论和设备无法满足所有煤矿支护的需求，必须针对不同的地质条件进行分析研究，基于近距离厚煤层开采的矿压显现规律的特点，制定出合理的支护方案，保障煤矿井下巷道的安全开采。

该文以中煤平朔集团井工三矿39201工作面的开采为工程背景，该文结合上述几种坚硬顶板条件下的矿压研究理论，采用了力学分析和现场检测相结合的方法，分析了综放工作面上覆坚硬顶板的破断情况，研究了坚硬顶板条件下工作面的初次来压、周期来压情况和来压强度等矿压显现规律。该研究能为支架选型设计及其支护、开采工艺的选择优化等问题提供了理论依据。

1 综放面坚硬顶板的力学属性分析

1.1 上层工作面底板破坏深度力学分析

1.1.1 力学模型的建立

井工三矿39201工作面处于已开采结束的34201工作面下方，由于34201工作面的采动影响，对39201工作面的上覆岩层造成了破坏，因此若研究39201工作面上覆岩层的移动和破坏规律，首先要分析34201工作面开采对其底板的破坏深度。已知4煤层与9煤层之间平均距离约为45 m。根据34201工作面、39201工作面之间的层位关系，建立34201工作面煤层底板破坏力学模型。通过该矿34201工作面现场测量数据，工作面超前支承压力峰值在其前方15 m左右，力学破坏深度影响角度取63°，可以计算出底板破坏深度为29.4 m，求得坚硬顶板未破坏深度为15.6 m[5]。

图1基本顶弹性地基梁力学模型

2 坚硬顶板极限垮距的力学分析和计算

保护层未采基本顶初次来压步距的分析和计算。坚硬顶板在初次来压破断前，可将基本顶岩梁假设为两端由弹性基础支撑的连续介质岩梁，如果基本顶上面没有大承载能力的岩层，则上覆岩层的重量会由基本顶承载并最终将荷载传到基本顶两侧的支撑点，即煤壁和煤柱上[6]。由于模型具有对称性，根据如图1所示的结构进行力学分析。

基本顶对岩梁影响荷载即q的计算公式：

计算39201工作面坚硬顶板的初次垮落步距：

式中：σ取中砂岩抗拉强度10 MPa。

h—弹性地基的厚度为层间距45 m。

q—基本顶对岩梁影响荷载。

由此可知，保护层未开采前坚硬顶板初次垮落时，初次垮落步距为52 m。

基本顶周期来压步距的分析和计算。坚硬顶板初次断裂后，随着工作面的向前推进，岩梁一端由弹性基础支撑，另一端悬在采空区之上。随着工作面的不断向前推进，坚硬顶板会周期性地断裂破坏。据此建立相应的力学模型，如图1所示。

当坚硬顶板初次来压后，悬在采空区的岩梁M1=0，根据初次来压的力学分析，可得坚硬顶板周期来压模型挠曲线微分方程，计算出坚硬顶板周期来压时的极限垮距[7]：

保护层开采后基本顶的极限垮落步距计算。坚硬顶板未受到破坏的厚度为15.6 m，根据式（1），可求得保护层开采后坚硬顶板的初次来压步距为18 m。根据式（2），坚硬顶板的周期来压步距为9 m。开采保护层后，39201工作面坚硬顶板的初次垮落步距由开采保护层前的52 m变为18 m；周期来压步距由之前的26 m变为9 m，坚硬顶板受到了弱化，有利于工作面的支护管理，保障了工作面安全。

3 现场矿压实测分析

该次支架压力的分析数据来源于中煤平朔集团井工三矿39201坚硬顶板综放工作面，监测时间从工作面初采2019年4月8日～6月28日，共82 d，工作面推进距离73 m。根据观测期间工作面支架工作阻力的变化情况，确定39201工作面综放阶段坚硬顶板初次来压步距、周期来压步距以及来压强度。分析坚硬顶板初次来压步距和周期来压步距时，沿辅运巷到运输巷方向将工作面分为上、中、下3个测区，每个测区以各支架的阻力变化为基本依据，同时结合煤壁片帮、安全阀开启等情况。

从工作面上、中、下部不同推进距离下支架工作阻力的数据可知，直接顶初次垮落步距为：工作面上部坚硬顶板初次来压步距为6 m，下部坚硬顶板初次来压步距为21.6 m，中部坚硬顶板初次来压步距为19.1 m，整个39201工作面平均初次来压步距为15.56 m，前文理论计算所得的坚硬顶板初次来压步距为18 m，有一定误差，但在误差允许范围内；在整个观测期内，共观测到6次周期来压，其中工作面下部坚硬顶板平均周期来压步距为7 m，工作面中部坚硬顶板平均周期来压步距为10.8 m，工作面上部坚硬顶板平均周期来压步距为10.5 m，整个39110工作面上覆坚硬顶板平均周期来压步距为9.43 m，前文理论计算所得的坚硬顶板周期来压步距为9 m，与理论分析所得的周期来压步距非常吻合。综上所述，根据液压支架观测数据确定，39201工作面基本顶初次来压步距平均值为15.56 m，周期来压步距平均值为9.43 m。

4 结论

该文采用力学分析和现场监测相结合的方法对坚硬顶板条件下综放开采的矿山压力显现规律进行了研究，利用土力学中地基的计算方法，通过力学分析计算得出开采4煤对底板的破坏深度，其破坏深度为29.4 m，坚硬顶板未破坏深度为15.6 m。

根据弹性基础支撑的岩梁模型理论，计算开采保护层后坚硬顶板的初次垮落步距为18 m，破断位置在岩梁中部，周期垮落步距为9 m。

根据液压支架的大量实测数据，分析得到保护层开采后坚硬顶板的初次来压步距大约为15.56 m，周期来压步距大约为9.43 m，为支架选型设计及其支护、开采工艺的选择优化等问题提供了理论依据。研究成果对于后续工作面的开采也具有重要的指导意义，同时对于坚硬顶板厚煤层开采技术难题具有一定的参考价值。