浅谈矿山压力和坚硬顶板压力显现特征

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[摘 要]由于巷道开挖和井下采掘活动，产生的矿山压力会对煤矿的开采造成难以估量的损失，矿山压力存在于采动空间的周围岩体中，直接影响着采煤工作面的压力显现。其中坚硬顶板回采工作面的压力显现与普通的顶板有着明显的不同，显现较为剧烈，对工作面危害较大。因此认识矿山压力的形成和坚硬顶板压力特征对顶板的控制有着重要的意义。

[关键词]矿山压力；压力显现；坚硬顶板；影响因素；

中图分类号：TD323 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0330-01

一 矿山压力

开采前的岩体处于静止状态，应力处于平衡状态，当开掘巷道或进行回采工作时，破坏了原来的应力平衡状态，引起岩体内部应力的重新分布，此时，巷道和回采工作面周围的煤、岩体内形成一个与原岩应力场显然不同的新的应力场、这种由于在地下进行采掘活动而在井巷、硐室及回采工作面周围煤、岩体中和支护物上所引起的力，就叫矿山压力。

二 影响采场矿山压力因素

2.1自然条件对工作面矿山压力的影响

通常而言，自然条件对矿山压力具有直接影响，自然条件主要包括两个方面，一是煤层的厚度情况，厚度越大，开采时压力升高区的煤层支撑力会发生大幅地降低，这就导致工作面后顶板的稳定情况更差，因而煤的厚度越大将越易出现变形，此时应当确保开采工作面具有足够强度及稳定性的支护体系；二是开采区的围岩性质，例如围岩强度等条件。若顶板相对稳定，则对于支柱所带来的压力也更小，若顶板岩石稳定性不足，则其下沉量以及对支柱所带来的压力也会更大一些。若顶板足够坚硬，则其通常不会出现跨落的情况，一旦达到某极限时，将会导致顶板出现大面积的一次性跨落情况的发生，进而导致工作面支柱被大面积地推倒，后果十分严重。

2.2 生产条件对采场矿山压力的影响

1）控顶距离的大小对采场压力的影响较大，减小工作空间的宽度，充分利用煤壁的支撑作用会使顶板的最大下沉量及靠采空区方面的支柱上的压力减少，顶板下沉量小了对支柱的压力也小了，顶板破坏程度低，能使顶板岩石处在较完整状态。控顶距大，顶板暴露面积也大，由于顶板下沉值与控顶距有关， 顶板的变形程度也大，容易引起顶板的离层，使工作面支柱的压力增加。

2）生产工艺过程按其特点，压力显现也不同，特别表现在对顶板下沉速度上的影响。一般来说，当顶板不受工序影响时，下沉速度是缓慢的，甚至是相对停止的。割煤、放顶、放炮等工序对顶板的下沉及支柱的压力增长较快。

2.3 工作面推进速度影响

工作面推进速度的快慢与采场矿山压力有一定的影响。工作面推进速度越快，顶板下沉速度也越快，但顶板的绝对下沉量和顶板传递给支柱的压力小，并提高顶板的稳定性。顶板的下沉与时间长短有关系。控制顶板时间越短，矿山压力迅速移动，还能提高煤壁的完整程度以及采场在悬壁下的免压带范围。

2.4 支护材料及顶板管理方法对矿山压力的影响

在一般情况下支架的支撑能力根本不可能，也没有必要改变整个上复岩层的挠曲形状，为此支柱必须具备既有支撑而又可缩的性能，其中支撑是基本的，必须保证直接顶的完整和不离层，同时可缩也是必须的，但须与上复岩体挠曲度相适应。

2.5 采空区处理方式对采场压力产生一定影响

全部跨落法在直接顶板跨落后能充满采空区空间时，很少发现冲击地压。当直接顶板跨落后不能充满采空空间的煤层进行人为放顶。可用放大炮的办法效果很好。顶板特别坚硬的煤层可采取局部充填、木柱支撑等办法。

三 坚硬顶板采场矿山压力显现特征

煤矿坚硬顶板回采工作面矿山压力显现比普通回采工作面较为剧烈，一般而言，坚硬顶板在回采后可以大面积悬露而不垮落，对工作面的安全形成极大的威胁。同时，顶板大面积垮落，经常给回采工作面乃至矿井造成严重的破坏，甚至发生矿震。如大同矿务局马脊梁矿402采区，开采厚度为6m的2号煤层，顶板为4.5m厚的砂砾岩，其上为50～100m的砂岩，当开采面积为151万m2时，发生大面积的顶板整体垮落，井下垮落范围约12.5万m2，地震台测到的里氏震级为3.2级，地面裂度4～5度，地面出现一个面积为7万m2的塌陷区，地面严重开裂数，裂缝宽度达4m。

坚硬顶板是指煤层顶板岩石强度和弹性模数高、节理裂隙不发育、厚度大、整体性强、自承能力强的顶板。煤层开采后顶板大面积悬露而不垮落，工作面初次及周期来压步距大，顶板来压时压力大，周期性来压强烈。坚硬顶板的硬、整、厚的工程力学性质决定了其有如下显著的采场矿山压力显现特征[3]。

3.1周期性的破断来压步距大、动载系数高

坚硬顶板的一大特点就是煤层采出后，采空区上方的顶板不能及时垮落，当悬露较大面积后，才突然破断冒落。对于长壁采场来说，初次来压步距在30m以上，整体性强的顶板往往呈正方形的悬露面积时，顶板活动产生的压力最大，也就是说工作面长度和来压步距近似相等时，往往易发生工作面开采过程中的顶板最剧烈活动。直接顶厚度小，垮落岩石在采空区形成的垫层很薄，老顶垮落的空间高度大，在变形能量释放的同时，大块顶板的岩石直接冲击在支架上。

3.2支架载荷高，且分布不均匀，合力点靠近后排支柱

支架载荷高是由于坚硬顶板岩层一次冒落高度大、冒顶面积大。顶板冒落时，支架要承受厚层且悬臂较长的顶板岩体重力。该岩体在破断之前的变形和蠕变，会使支架载荷迅速增高。由于坚硬顶板由于整体性硬、冒落的块度大。一般在冒落切顶后方均有3-5m左右的悬顶，它是造成载荷分布不均的主要原因。欲改善受力分布，应及时处理顶板，尽可能减少顶板悬露面积。

3.3坚硬顶板来压具有明显的时间差和步距差

坚硬顶板的破断规律一般是先离层后拉应力破坏。基本顶岩层的断裂裂隙往往超前在煤壁内，断裂后由于上覆岩层亦为坚硬岩层，则产生夹持作用，使断裂的岩块夹持在岩层和煤层之间，保持暂时平衡状态。只有当工作面即将推进至断裂线附近时，顶板才垮落，断裂与垮落都将产生两个尖峰载荷。暂时平衡时期，支架载荷高，相对稳定。如果上覆岩层较松软，支架又有强大的切顶能力，在暂时平衡瞬间，上覆载荷将迫使顶板垮落，这时的时间差和步距差较小。如果采场支架整体支撑力不足，那么在暂时平衡期间有可能切落煤壁，形成台阶下沉。

参考文献

[1] 缪协兴，陈荣华，浦海，钱鸣高.采场覆岩厚关键层破断与冒落规律分析[J]. 岩石力学与工程学报. 2005（08）

[2] 缪协兴，陈荣华，浦海，钱鸣高.采场覆岩厚关键层破断与冒落规律分析[J]. 岩石力学与工程学报. 2005（08）

[3] 曹永模.顾北矿坚硬顶板条件下采场矿压特征及围岩控制研究[D]. 安徽理工大学 2013

[4] 翁小华，宋扬.坚硬顶板工作面矿压预测预报及控制实践[J]. 山东矿业学院学报. 1987（02）

作者简介：李绍云（1988.8―），男，毕业于贵州大学采矿工程专业，现任毕节中城能源有限责任公司工程管理部副部长。