李永宾

（山西煤炭运销集团盛泰煤业有限公司，山西 高平 048403）

坚硬顶板具有强度高、节理和裂缝发育不发达的特点，在开采过程中，容易形成大面积悬顶，如若处理不好，会给煤矿安全生产带来巨大的隐患。

1 概况

15101首采工作面位于中央采区东南部，采用综采一次采全高采煤工艺，全部垮落法管理顶板。15101工作面开采的15#煤层，较稳定，平均厚度4.16m。直接顶为厚6～10.2m的灰岩，抗拉、抗压、抗剪强度大，岩性坚硬。按照缓倾斜煤层采煤工作面顶底板分类标准（MT/T554-1996），属Ⅲ级顶板，基本顶矿压显现强烈。

2 坚硬顶板采场顶板结构分析

2.1 坚硬顶板矿山压力显现特征

坚硬顶板的主要特性是采空区顶板不能随着工作面的推进及时垮落。根据现有垮落统计规律总结发现，坚硬顶板采空区第一次发生垮落的面积一般超过3000m2，随后周期垮落面积一般超过1500m2。对于长壁式开采的煤矿，当初次来压步距超过30m时，采空区坚硬悬顶会趋向于正方形形状，随着工作面的不断推进，顶板受采动影响下发生垮落的几率将逐渐增高。当初次来压步距与工作面的走向长度相等时，即工作面初次见方时，往往也是回采过程中采空区坚硬顶板活动最剧烈的时候。

2.2 坚硬顶板来压具有明显的时间差和步距差

随着工作面推进，未断裂的坚硬顶板在煤层、煤壁内会产生破裂，由于顶板断裂后产生的夹持作用使岩石的夹岩和煤层之间的断裂暂时保持平衡状态。当工作面并靠近断裂线附近时，顶板将发生整体冒落，同时产生两个尖峰载荷。如果上覆岩层相对松软，且支架具有较强的切顶能力，在暂时平衡状态瞬间，上覆岩层会迫使顶板坍塌，这段时间差和步距差较小。当采场整体支护应力不足时，在暂时平衡期间，可能会发生切落煤壁形成台阶下沉。

3 坚硬顶板控顶方法对比分析

根据相邻矿井的情况，15101工作面坚硬顶板初次来压步距约为50.9m，而现有支架很难承受初次来压时顶板垮落所带来的压力，因而必须缩短工作面初次来压步距。

假设15101工作面两端为固定的支架梁力学模型，目前主要采用环形循环浅孔、中部和端部拉槽等三种爆破缩短工作面基本顶初次垮落步距的控顶方法。

3.1 循环浅孔拉槽控制放顶

循环浅孔拉槽控顶方法是沿工作面推进方向，在顶端每隔几圈切割，起一排钻孔爆破放顶，以减小顶板厚度，从而达到缩短垮落步距的目的。循环浅孔拉槽岩梁的力学模型如图1所示。

图1 循环浅孔拉槽岩梁力学模型(顶板未达到极限垮落步距时)

坚硬顶板厚度采用循环拉槽措施以后，岩梁的厚度减小，与此同时，岩梁的表面抗弯截面模量也发生了变化，顶板的完整性发生了大范围的变化，破坏比较严重，岩梁受拉后从两个端部发生破断拉坏。

岩梁的弯矩和截面模量分别为：

式中：

L0-拉槽后顶板垮落步距，m；

α-坚硬岩梁本身及上覆岩层传递荷载改变系数；

Hc-浅孔拉槽放顶后剩余岩梁厚度，m。

将n=2代入上式中，得到循环浅孔拉槽深度为：

式中：

取α=0.3～0.8。

设循环浅孔拉槽后顶板初次垮落时的循环数为m，则其爆破工程量G1为：

3.2 中部拉槽控制放顶

中部拉槽放顶是当工作面推进到拉槽后极限垮落步距的1/2时，开始打眼爆破拉槽，减小岩梁中部抗弯截面模量，从而起到了缩短垮落步距的目的。中部拉槽岩梁力学模型如图2所示。

图2 中部拉槽岩梁力学模型(顶板未达到极限垮落步距时)

开槽处的岩梁弯矩为：

式中：

将n=2代入上式中，得到中部拉槽深度和爆破工程量为：

3.3 端部拉槽控制放顶

端部拉槽强制放顶是指在工作面开切眼的位置处打上炮眼进行拉槽，减小岩梁的抗弯截面模量，对垮落步距进行缩小。端部拉槽岩梁力学模型如图3所示。

图3 端部拉槽岩梁力学模型(顶板未达到极限垮落步距时)

开槽处的岩梁弯矩为：

式中：

将n=2代入上式中，得到端部拉槽深度和爆破工程量为：

通过以上分析得出，循环浅孔、中部和端部拉槽对强制放顶拉槽深度的影响顺序为：端部拉槽深度最小，其次是中部拉槽、循环浅孔拉槽。假如端部拉槽的深度设置为1，中部拉槽相应的深度为1.3倍，循环浅拉槽深度为端拉槽深度的1.1～1.45倍，因此，在进行选择的时候，应该是首先选择端部拉槽控顶法。

4 基本顶安全悬顶长度

当15101工作面采用端部拉槽控顶法后，假设采空区坚硬顶板悬臂岩梁上载荷为均布荷载。悬臂岩梁力学模型如图4所示，随着回采工作面的不断推进，悬臂岩梁则会发生周期性断裂。

图4 悬臂岩梁力学模型

根据图4所示力学模型，设工作面支架对顶板的设计支护强度为[P]，支架所承受的悬臂岩梁的长度为L，且L=LK+LS。考虑悬臂岩梁在最危险的情况下断裂，即从煤壁上方切断，则有：

式中：

[P]-工作面支架对顶板的设计支护强度，[P]=1190kN/m2；

LK-支架控顶距，m；

LS-支架后岩梁悬顶长度，m；

L-支架所承受的悬臂岩梁长度，m。

控制放顶的目的，是保证顶板周期断裂时对支架的支护强度P不大于支架的设计支护强度[P]，即

代入数据后计算得：L=13.9m。

通过上述计算，现有1190kN/m2支架所能承受的顶板极限悬顶长度为13.9m，考虑1.5的安全系数，现有支架所能承受的悬顶长度为9.3m。理论计算得出基本顶悬顶长度不应超过9.3m，超过9.3m时必须采取强制放顶措施，方可保证回采工作面的支护安全。

5 结论

根据15101首采工作面坚硬顶板的实际情况，结合理论数值计算，得出15101工作面宜优先采用端部拉槽控顶法，基本顶悬顶长度不应超过9.3m，超过9.3m时必须采取强制放顶措施，否则工作面顶板破断释放的能量会对现有支架造成破坏。