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煤矿回采工作面矿压与顶板管理方式分析
煤矿回采工作面矿压与顶板管理方式分析
于壮龙 (阳煤集团二矿)
②直接顶。直接顶是位于煤层或者伪顶之上的岩石， 往往由泥质页岩、砂质页岩等组成，一层或者多层。一般情
摘要：随着经济的快速发展，社会生产生活对煤矿的依赖程度越
来越高。在煤矿生产与开采过程中，应始终坚持“安全第一”的生产与
管理原则，将安全放在首位，以确保煤矿生产活动顺利进行。回采工况下，如果撤回支架，直接顶就会垮塌，如遇坚硬的砂质泥作面矿压与顶板管理作为煤矿生产安全管理工作中的重要内容，矿岩也会随放顶步距的加大会垮落。 压显现可能会给煤巷开采工作带来危害，严重可造成工作面的坍塌，
直接危害着生产工人的生命安全。笔者结合自身多年的工作经验，对
⑧老顶。老顶指直接顶上方一定距离内、坚硬且厚重
的岩层。老顶一般由砂岩、砂砾、石灰岩等组成，位于直接煤矿回采工作面矿压与顶板管理方式进行了分析，以期对煤矿安全顶之上或可能位于直接煤之上。往往老顶不会直接垮落， 生产提供理论依据。
并且在采空区上方维持很大的悬露面积，随支架拉移达到定距离后，老顶垮落，工作面出现初次来压，顶板和煤帮 0引言之后随工作面推进出现周期来压。 在煤矿生产与开采活动中，回采工作面矿压与项板管压力增大，如果按照顶板管理分类，可以分为以下几种： 理作为管理工作的重点，一旦矿压不正常都会对煤矿工作
关键词：煤矿生产回采工作面顶板管理
造成不同程度的影响。就相关数据分析表明，在众多煤矿①中等垮落性顶板。直接顶一般厚，为松软的岩层，往事故中，约有 5 0%的开采事故都是由于顶板问题引发的， 往会随着回柱、移架而垮落，但是垮落的岩石块难以填满因此煤矿企业必须重视顶板安全管理，确保煤矿生产工人采空区。 的生命财产安全。同时，地下开采或者山体开采作业仍然存 (坚硬顶板。坚硬顶板包括难垮落的顶板和极难垮落在较大的挑战与困难，在实际开采过程中，年产量 6 0万吨的顶板。在这两种情况下，老顶岩石往往直接覆盖于煤岩不会
随着回柱、移架而垮落，由于该层岩石比较厚以上及大型现代化矿井大多采用走向长壁采煤法，必须着层上方，重回采工作面两巷和落山，加强工作面顶板和煤帮管理等， 且坚硬，有时会悬露相当大的面积而不会垮落。 以便采取行之有效的措施，确保煤矿生产工作顺利进行。 ⑧塑性弯曲顶板。由于直接顶具有一定的厚度和硬 1矿山压力及其危害度，回柱后会呈现塑性弯曲下沉而非垮落，并逐渐与底板在对地下煤岩石开采之前，由于自重作用在其内部引 接触，发生在工作面落山的顶板会逐渐下沉，直至形成自 起的应力称为原岩应力。由于开采前煤岩体处于静止状态， 然平衡拱。 在对巷道进行掘进或者开采工作面时，破坏了原来应力的 3回采工作面矿压和顶板管理与控制措施分析平衡状态，那么岩体内部的应力势必会重新分布。在超过 3 . 1类拱式结构顶板控制与管理。对类拱式结构顶板煤、岩石的极限强度后，重新分布后的应力往往破坏巷道和控制需要遵循的原则是“支与护”。这种控制方式主要是通工作面周围的煤和岩，直到煤、岩内再次形成新的应力平衡过一定的支护强度对煤矿回采工作面及采空区上方类拱为止。此时，煤巷和回采工作面在二次应力场下，形成一个式结构的失稳条件或者状态进行平衡，这时采用的支柱初与原来应力截然不同的新的应力场，开采活动在煤、岩和支撑力需要平衡于直接项的岩石重量。工作面需要支架或支护物上引起的力就称为矿山压力。通常情况下，煤矿在矿山 柱达到规定的初撑力，两巷落山采用铺设塑料网或金属网. 压力作用下会发生一系列的变化，出现诸多力学现象，比如护顶、支设切顶密柱，巷道超前维护可以打加长的锚索进围岩变形、挤入巷道、冒落、支架变形、坍塌、巷道底鼓等。因行补强支护，确保直接顶的完整性，对类拱式结构顶板进此，矿山压力必然会给回采工作面带来不同程度的危害，从行有效的控制，提高回采工作面顶板管理的水平，避免产而对整个煤矿生产工作造成影Ⅱ向，严重会导致工作面或回、 生较大的矿压给工作带来影响。 进风巷垮塌，再掌握不好周期压力，如果
采区准备巷道预留 3 . 2拱梁式结构顶板的控制与管理。拱梁式结构顶板煤柱偏小，很可能会对采区准备巷道压垮、影响通风和运的控制原则是“支”,支主要是指所选用的支护强度应能够输，造成不可估量的经济损失或人员伤亡。 支撑住直接顶的岩石重量，并尽可能减少直接顶和老顶之 2回采工作面顶板分类间的离层。同时，还需要对采空区上方拱梁式结构以及工虽然各种煤层埋藏深度和地质构造不同，但处理采空作面空间的失稳状态得以平衡，支架顶梁要支撑住项板， 区、支护工作面的主要目的仍是控制围岩，避免其被破坏、 不能压成“死架”,同时掘进时两巷要采用主动支护，即使
变形等，为生产工人提供一个安全的工作空间。在对回采用打锚索、锚杆的方式等，超前维护要达到 2 0 0米以上。 工作面支护过程中，主要是对顶板岩层进行支护，且采空 3 . 3梁式结构顶板控制与管理。梁式结构顶板控制的区处理和工作面支护、两巷管理都称为顶板管理。顶板管原则是“支与让”。由于直接顶比较完整且坚硬，为减少矿理根据岩层和煤层的相对特性与位置，分为以下几种： 压强度，应强制采用放顶法对顶板进行处理，并通过支柱伪项。伪项是位于煤层之上、厚度不大、易垮落、由 可缩量的调节，使其能更好的适应于梁一拱梁式结构与梁碳质页岩组成的岩层，时常会随着落煤垮落，且厚度通常式结构项板并存的状态，避免直接顶断裂下沉。这就要求在0 . 3 - 0 . 5 m以下，不管是一次采全高的巷道和厚煤层放工作面推进的速度必须大于周期压力的来压步距，当老顶
项煤工艺，伪顶都会随工作面的推进随采随垮。
来压时，压力始终在落山侧，对工作面煤帮的压力减小，避
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煤矿顶板自灾因素防治
　　麒麟顶板自灾因素防治
　　麒麟 赵振胜
　　摘要：该文了麒麟矿井田的顶板情况，包括顶板岩性、发育情况以及可能发生顶板的区域，提出可行性的顶板防治，确保了生产。
　　关键词：矿井 顶板因素 防治
　　1、影响矿山压力显现基本因素
　　主采煤层的顶板多为灰岩、粉砂岩，一般情况下在无水影响下，亦基本稳定。冒顶片帮易发生在采掘工作面。回采工作面主要是上、下端头和靠近煤壁处;上、下端头由于空顶面积大，应力较集中，支护较困难，因而易产生冒顶;靠近煤壁处因煤壁片帮，支架支护不及时，受周期来压的影响，顶板破碎而产生冒顶。掘进工作面是因为放炮后巷道围岩松动，支护不及时，往往易产生冒顶和片帮。
　　2. 影响矿山压力显现的地质及生产技术因素
　　(1)影响矿山压力显现的地质因素
　　1) 断层
　　断层破坏了煤层和顶板的完整性，而且在断层两侧形成破碎带，容易发生局部冒顶或垮面，致使初步来压与周期来压步距改变，增加顶板的复杂性。
　　工作面遇断层时顶板冒顶的危险程度与断层走向和工作面交角有关。交角越小越不利，倾斜断层要比走向断层危险。
　　工作面由断层下盘向上盘推进遇到倾斜断层时，过断层之前容易发生冒顶。当工作面由断层上盘向下盘推进时，在工作面过断层后一段距离内，也易发生冒顶。
　　工作面遇走向断层时，通常也是断层面下方为冒顶危险区。
　　井田内次级褶曲不发育，但断裂构造较发育，发现断层20条，即：F1、F2、F7 、F9 、F10 、F11、F12、F13、F14、F15、F17、F18、F19、F21、F22、F23、F25、F26、F403-1、F403-2断层，其中，F12、F21、F23、F25、F26、F403-1、F403-2断层对煤层有一定的破坏。
　　2) 褶曲
　　从煤矿生产实践来看，大褶曲构造只是使煤层倾角发生变化，对工作面顶板压力的影响不是很明显。对工作面生产有影响的是小褶曲。小褶曲可能使顶板局部破碎，易于发生局部冒顶。当褶曲倾向和工作面推进方向一致时，工作面忽而采上坡，忽而采下坡，也会造成顶板困难。在采下坡时，采空区垮落岩石可能冲向工作面，撞倒支架，引起冒顶;此时必须打斜撑加强支护。
　　3) 挤压
　　煤层受挤压作用局部变厚或变薄的地带，挤压在平面图上成圆形或椭圆形，面积有十几平方米到百余平方米不等。
　　工作面通过煤层变薄带，由于顶板岩层下压极易离层和破断，并可能发生顶板短时急剧下沉现象，这些都是造成冒顶的地质因素。
　　4) 破碎带
　　岩石和煤层突然变得破碎的地带。破碎往往与挤压因素有关，也可自然生成。工作面经过破碎带将给顶板带来许多困难。
　　5) 冲刷
　　冲刷是成煤后水流侵蚀了岩层或煤体，而后又充填了被侵蚀的地方。冲刷对矿压的影响很大。有些顶板本来是页岩，由于冲刷作用，页岩被坚硬的砂岩所代替，岩性发生了变化，本来容易放顶的岩层成为不易垮落的顶板，采空区大片悬顶对工作面构成了威胁。此外，冲刷后先成岩层和原来顶板接触的边缘地带，由于两种岩石接触面可能离层而容易冒顶，在支护上必须注意，并采取相应。
　　6) 节理、裂隙
　　与局部冒顶有关的节理、裂隙有多种：如两组相对倾斜方向相交而成的人字形裂隙;圆的象一顶草帽盖在煤层上的草帽裂隙;节理、裂隙切割的岩块象大锅一样且底面光滑的锅底状裂隙。人字形裂隙切割的三角岩块，煤采出后易脱落造成局部冒顶。草帽裂隙的底面积较人字形裂隙大，其危害性与人字裂隙同。这两种节理、裂隙的长轴处于沿工作面推进方向时，离层后易整体垮落，有时把支架推倒，发生大冒顶。锅底状节理边缘顶板破碎，容易漏矸和局部冒顶。
　　顶板被四周裂隙切割成长方形或菱形等的游离岩块，这种六面体游离岩块，特别是厚度1m左右的，最易脱落伤人。
　　发育的直立裂隙有时切割全部直接顶，并可能向上延深到老顶内。煤层采出后，被裂隙切割的一端的顶板下沉，裂缝变宽，易发生掉碴掉粉现象。有时直立裂隙又是岩层水的通道，使工作面产生淋水。直立裂隙不仅能改变直接顶的垮落步距，也可能改变老顶垮落步距。平行工作面的直立裂隙常常在回柱时切断工作面顶板，推倒工作面支架，发生大冒顶。
　　直立裂隙近似直角。具有倾斜角的裂隙称为斜裂隙。斜裂隙倾向采空区时易造成片邦;倾向煤壁时易造成伞檐或探头煤。
　　倾向煤层的斜裂隙易使顶板在控顶距内产生台阶错动，在顶板具有含水层或老塘积水条件下，回采空间淋水增大，恶化工作条件，降低直接顶岩石强度，并使支架受到侧向推力，容易造成冒顶。
　　当节理面走向与工作面线接近平行且工作面推进方向与节理面倾斜方向相反时，煤壁容易片邦，顶板缓慢沉降，工作空间冒顶少。当工作面推进方向与节理面倾斜方向一致时，片邦不明显，顶板岩石大块错动，工作空间容易发生冒顶，顶板管理困难。节理面走向与工作面线的夹角大于45°时，顶板就如悬臂梁，将沿切顶线垮落，工作空间冒顶可能性很小。在使用仰斜长壁采煤法工作面线与节理走向接近平行时，煤壁在支承压力作用下，易于大块压出，片邦严重，并且在生产过程中顶板水将沿节理和裂隙流入工作面，使生产条件恶化。
　　7) 陷落柱
　　陷落柱的直径从几米到几十米不等，柱内是由煤块、岩块和其它杂质胶结在一起的松散体。工作面遇陷落柱时，必须采取，防止冒顶。
　　8) 层理
　　层理是煤系岩层沉积过程中，由于沉积物成分、粒度和胶结物的变化而形成的岩层分界面。分层面之间的粘结力小，受采动影响容易产生离层裂隙。
　　层理面不仅造成离层，而且在岩层弯曲下沉过程中还会出现层理面错动。错动对工作面支架产生横向推力，易引起支架的歪斜和倾倒，甚至导致冒顶。
　　9) 采动裂隙
　　采动裂隙是由煤壁前方的支承压力所引起的，也叫做“压力裂隙”。这种裂隙往往超前于煤壁5～15m，与工作面平行而倾向于煤壁。裂隙面的倾角与岩石性质软硬有关，软岩石中裂隙面倾角为55°，硬砂岩中可达65°～80°。
　　当工作面对着裂隙的倾向推进时，压力裂隙常与节理裂隙互相交切，使顶板中形成楔形岩块，造成局部冒顶。如果工作面推进方向与节理倾向一致，在采动影响下可能使节理裂隙进一步扩展，出现张开的裂缝或顶板台阶式下沉。如果不采取措施，会发生大冒顶。
　　10) 顶、底板岩石的物理性质
　　顶底围岩的物理力学性质是影响矿山压力显现的主要因素之一。岩石的厚度、硬度、层理、裂隙等因素决定了岩层性质，而采场覆岩的性质和各岩层的组合情况，对矿压显现起着主导作用。若老顶岩层坚硬，抗压和抗拉强度较高，开采大面积悬露而不垮落，当达到强度极限时，顶板岩层断裂即产生周期来压。若老顶岩层是强度较低的页岩或砂质页岩，随着直接顶板垮落而冒落则周期来压就不明显。据现场实际观测，顶板下沉量与岩石强度关系极大，岩石强度越低，顶板下沉量越大。
　　11) 煤层倾角
　　煤层倾角对矿山压力显现的影响也很大，实践证明，缓倾斜煤层的矿山压力显现比倾斜和急倾斜煤层剧烈。该矿煤层倾角为6～25°。
　　(2)影响矿山压力显现的生产技术因素
　　1) 开采深度
　　开采深度直接影响原岩压力大小，同时也影响巷道或工作面周围岩层内支承压力值。开采深度虽然对矿山压力具有绝对的影响，但对矿山压力显现的影响则不全同。
　　开采深度对巷道矿山压力显现的影响比较明显，如在松软的岩层中开掘巷道，随着深度的增加，巷道围岩的“挤、压、膨”现象更为严重。
　　开采深度对回采工作面顶板压力大小的影响并不突出，因而对矿山压力显现的影响也不明显。实践证明，在一般条件下，一定的开采深度是出现冲击地压的一个必要条件。
　　2) 采高与控顶距
　　工作面顶底板移近量是矿山压力显现的一个重要参数，它同采高与控顶距有密切关系。
　　在一定地质条件下，采高是影响上覆岩层破坏状况的最重要因素之一。采高越大，采出的空间越大，必然导致上覆岩层破坏严重，根据现场测定，在单一煤层或厚煤层第一分层开采时，冒落带与导水裂隙带的总厚度与采高基本上成正比关系。工作面顶板下沉量也基本如此。
　　SL=η·m·L
　　式中：SL——L范围内的岩层与顶板下沉量
　　L——控顶距
　　m——采高
　　η——下沉系数，即每米采高每米推进度的顶板下沉量，一般取0.025～0.05。
　　显然采高越高，控顶距越大，在同样位置的老顶可能取得平衡的机率越小，意味着顶板压力越大，直接顶的稳定性也越降低，而且，在支承压力作用下，工作面煤壁容易片邦。因此采高大的工作面中矿压显现严重，采高越低顶板活动越缓和，煤壁也较稳定。
　　但是，控顶距并不是越小越好。有时放顶后，采空区顶板冒不下来，工作面支架载荷就会加大，如果支架阻力不足，支柱稳定性差，也可能造成工作面冒顶。
　　最大控顶距与放顶宽度有关，放顶距小，顶板放不下来，会增加压力;放顶宽度太大，采空区垮落面积太大将易撞倒支架，引起冒顶。因此，对于某一煤层顶板究竟采用多大的控顶距和放顶距较为合理，必须通过试验，在实践经验基础上，合理地加以确定。
　　3) 工作面推进速度与生产工序
　　对工作面顶底板移近速度影响最大的生产工序是落煤和放顶。可以认为，加快工作面推进度可以抑制矿山压力的显现，但不能从根本上改变落煤和放顶两工序对顶底板移近量的影响。
　　推进速度快意味着回采工作面停滞时间短，顶板岩层下沉量小，一般来说，顶板压力也较小。反之，推进速度慢，工作面顶板下沉量大，顶板压力也会较大。所以，为了改善工作面顶板管理，缩短每一循环的间隔时间而加块工作面的推进速度是必要的。
　　观测结果表明，单体液压支柱支护的工作面，由于支护阻力较小，顶底板移近量大，工作面日进2m和2天进1m的顶板破碎情况有明显差别，所以加快单体支柱工作面的推进速度，可在相当程度上改善顶板状况，保持顶板完整性，有利于顶板管理。
　　此外，由于落煤与放顶两工序是影响顶底板移近量的主要因素，所以在组织工作面生产时，不宜将落煤与放顶两工序同时进行，以避免顶板的剧烈活动，导致顶板下沉速度增大。如果放顶与落煤两工序同时进行时，其错距应保持10～15m以上，以防发生冒顶。
　　4) 上部煤层残留煤柱
　　如果煤层间距较小，上部煤层开采时残留的煤柱支承着上覆岩层，形成压力集中。高压力将向底板传递，从力学上说，这是一个布兴湿克问题，可以计算。对巷道掘进及维护影响很大。
　　5) 支护方法
　　支架的作用是阻止直接顶离层冒落。使用初撑力小的支架易造成顶板破碎、动压强烈。使用初撑力大而又垣阻力的单体液压支柱，顶板完整，回柱后顶板延迟垮落，呈岩块绞接，煤壁不易片邦，动压显现不明显，顶板下沉量小。
　　应当注意，不同特性，不同特征的支架应避免混合使用。
　　6) 工作面推进方向
　　由于裂隙严重地影响顶板稳定性，当裂隙方向与工作面推进方向平行时，极易造成严重冒顶。因此工作面在过断层，过各种层理或节理裂隙时都要正确选择工作面推进方向，即与裂隙要有一定交角。
　　3、一般顶板冒落灾害的防治措施及装备
　　(1)回采工作面顶板管理方式的选择
　　该矿采用走向长壁采煤法，工作面为炮采。采用全部垮落法管理顶板。
　　放顶人员必须站在顶板完整，支架完好的地点工作。回柱放顶前，必须对放顶工作进行全面检查，清理好退路。回柱放顶时，必须指定有经验的人员观察顶板。
　　(2)回采工作面支架选型论证
　　1)支架选型
　　首采煤层为1号煤层。根据《地质报告》，1号煤层厚度厚0.91～4.03m，平均厚1.9m;根据首采工作面揭露煤层的赋存情况，1号煤层厚度为1.85～2.0m，平均1.93m。采用走向长壁采煤法，全部垮落法管理顶板。
　　2)选择计算
　　①计算依据
　　煤层厚度：Mmin=1.85m，Mmax=2.0m, 平均厚度1.93m
　　最大控顶距：炮采：L=4.2m
　　②选型计算
　　顶板下沉量：
　　炮采：SL=η×M×L=0.03×1.93×4.2=243mm
　　式中：下沉系数η由于无邻近工作面借鉴，取0.03。
　　③支柱高度：
　　Hmax=Mmax-b =0mm(最大采
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