淺談礦山壓力和堅(jiān)硬頂板壓力顯現(xiàn)特征

李紹云++楊松

[摘 要]由于巷道開(kāi)挖和井下采掘活動(dòng)，產(chǎn)生的礦山壓力會(huì)對(duì)煤礦的開(kāi)采造成難以估量的損失，礦山壓力存在于采動(dòng)空間的周?chē)鷰r體中，直接影響著采煤工作面的壓力顯現(xiàn)。其中堅(jiān)硬頂板回采工作面的壓力顯現(xiàn)與普通的頂板有著明顯的不同，顯現(xiàn)較為劇烈，對(duì)工作面危害較大。因此認(rèn)識(shí)礦山壓力的形成和堅(jiān)硬頂板壓力特征對(duì)頂板的控制有著重要的意義。

[關(guān)鍵詞]礦山壓力；壓力顯現(xiàn)；堅(jiān)硬頂板；影響因素；

中圖分類(lèi)號(hào)：TD323 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）06-0330-01

一 礦山壓力

開(kāi)采前的巖體處于靜止?fàn)顟B(tài)，應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，當(dāng)開(kāi)掘巷道或進(jìn)行回采工作時(shí)，破壞了原來(lái)的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起巖體內(nèi)部應(yīng)力的重新分布，此時(shí)，巷道和回采工作面周?chē)拿?、巖體內(nèi)形成一個(gè)與原巖應(yīng)力場(chǎng)顯然不同的新的應(yīng)力場(chǎng)、這種由于在地下進(jìn)行采掘活動(dòng)而在井巷、硐室及回采工作面周?chē)?、巖體中和支護(hù)物上所引起的力，就叫礦山壓力。

二 影響采場(chǎng)礦山壓力因素

2.1自然條件對(duì)工作面礦山壓力的影響

通常而言，自然條件對(duì)礦山壓力具有直接影響，自然條件主要包括兩個(gè)方面，一是煤層的厚度情況，厚度越大，開(kāi)采時(shí)壓力升高區(qū)的煤層支撐力會(huì)發(fā)生大幅地降低，這就導(dǎo)致工作面后頂板的穩(wěn)定情況更差，因而煤的厚度越大將越易出現(xiàn)變形，此時(shí)應(yīng)當(dāng)確保開(kāi)采工作面具有足夠強(qiáng)度及穩(wěn)定性的支護(hù)體系；二是開(kāi)采區(qū)的圍巖性質(zhì)，例如圍巖強(qiáng)度等條件。若頂板相對(duì)穩(wěn)定，則對(duì)于支柱所帶來(lái)的壓力也更小，若頂板巖石穩(wěn)定性不足，則其下沉量以及對(duì)支柱所帶來(lái)的壓力也會(huì)更大一些。若頂板足夠堅(jiān)硬，則其通常不會(huì)出現(xiàn)跨落的情況，一旦達(dá)到某極限時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致頂板出現(xiàn)大面積的一次性跨落情況的發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致工作面支柱被大面積地推倒，后果十分嚴(yán)重。

2.2 生產(chǎn)條件對(duì)采場(chǎng)礦山壓力的影響

1）控頂距離的大小對(duì)采場(chǎng)壓力的影響較大，減小工作空間的寬度，充分利用煤壁的支撐作用會(huì)使頂板的最大下沉量及靠采空區(qū)方面的支柱上的壓力減少，頂板下沉量小了對(duì)支柱的壓力也小了，頂板破壞程度低，能使頂板巖石處在較完整狀態(tài)?？仨斁啻?，頂板暴露面積也大，由于頂板下沉值與控頂距有關(guān)， 頂板的變形程度也大，容易引起頂板的離層，使工作面支柱的壓力增加。

2）生產(chǎn)工藝過(guò)程按其特點(diǎn)，壓力顯現(xiàn)也不同，特別表現(xiàn)在對(duì)頂板下沉速度上的影響。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)頂板不受工序影響時(shí)，下沉速度是緩慢的，甚至是相對(duì)停止的。割煤、放頂、放炮等工序?qū)敯宓南鲁良爸е膲毫υ鲩L(zhǎng)較快。

2.3 工作面推進(jìn)速度影響

工作面推進(jìn)速度的快慢與采場(chǎng)礦山壓力有一定的影響。工作面推進(jìn)速度越快，頂板下沉速度也越快，但頂板的絕對(duì)下沉量和頂板傳遞給支柱的壓力小，并提高頂板的穩(wěn)定性。頂板的下沉與時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)系?？刂祈敯鍟r(shí)間越短，礦山壓力迅速移動(dòng)，還能提高煤壁的完整程度以及采場(chǎng)在懸壁下的免壓帶范圍。

2.4 支護(hù)材料及頂板管理方法對(duì)礦山壓力的影響

在一般情況下支架的支撐能力根本不可能，也沒(méi)有必要改變整個(gè)上復(fù)巖層的撓曲形狀，為此支柱必須具備既有支撐而又可縮的性能，其中支撐是基本的，必須保證直接頂?shù)耐暾筒浑x層，同時(shí)可縮也是必須的，但須與上復(fù)巖體撓曲度相適應(yīng)。

2.5 采空區(qū)處理方式對(duì)采場(chǎng)壓力產(chǎn)生一定影響

全部跨落法在直接頂板跨落后能充滿采空區(qū)空間時(shí)，很少發(fā)現(xiàn)沖擊地壓。當(dāng)直接頂板跨落后不能充滿采空空間的煤層進(jìn)行人為放頂?？捎梅糯笈诘霓k法效果很好。頂板特別堅(jiān)硬的煤層可采取局部充填、木柱支撐等辦法。

三 堅(jiān)硬頂板采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)特征

煤礦堅(jiān)硬頂板回采工作面礦山壓力顯現(xiàn)比普通回采工作面較為劇烈，一般而言，堅(jiān)硬頂板在回采后可以大面積懸露而不垮落，對(duì)工作面的安全形成極大的威脅。同時(shí)，頂板大面積垮落，經(jīng)常給回采工作面乃至礦井造成嚴(yán)重的破壞，甚至發(fā)生礦震。如大同礦務(wù)局馬脊梁礦402采區(qū)，開(kāi)采厚度為6m的2號(hào)煤層，頂板為4.5m厚的砂礫巖，其上為50～100m的砂巖，當(dāng)開(kāi)采面積為151萬(wàn)m2時(shí)，發(fā)生大面積的頂板整體垮落，井下垮落范圍約12.5萬(wàn)m2，地震臺(tái)測(cè)到的里氏震級(jí)為3.2級(jí)，地面裂度4～5度，地面出現(xiàn)一個(gè)面積為7萬(wàn)m2的塌陷區(qū)，地面嚴(yán)重開(kāi)裂數(shù)，裂縫寬度達(dá)4m。

堅(jiān)硬頂板是指煤層頂板巖石強(qiáng)度和彈性模數(shù)高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大、整體性強(qiáng)、自承能力強(qiáng)的頂板。煤層開(kāi)采后頂板大面積懸露而不垮落，工作面初次及周期來(lái)壓步距大，頂板來(lái)壓時(shí)壓力大，周期性來(lái)壓強(qiáng)烈。堅(jiān)硬頂板的硬、整、厚的工程力學(xué)性質(zhì)決定了其有如下顯著的采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)特征[3]。

3.1周期性的破斷來(lái)壓步距大、動(dòng)載系數(shù)高

堅(jiān)硬頂板的一大特點(diǎn)就是煤層采出后，采空區(qū)上方的頂板不能及時(shí)垮落，當(dāng)懸露較大面積后，才突然破斷冒落。對(duì)于長(zhǎng)壁采場(chǎng)來(lái)說(shuō)，初次來(lái)壓步距在30m以上，整體性強(qiáng)的頂板往往呈正方形的懸露面積時(shí)，頂板活動(dòng)產(chǎn)生的壓力最大，也就是說(shuō)工作面長(zhǎng)度和來(lái)壓步距近似相等時(shí)，往往易發(fā)生工作面開(kāi)采過(guò)程中的頂板最劇烈活動(dòng)。直接頂厚度小，垮落巖石在采空區(qū)形成的墊層很薄，老頂垮落的空間高度大，在變形能量釋放的同時(shí)，大塊頂板的巖石直接沖擊在支架上。

3.2支架載荷高，且分布不均勻，合力點(diǎn)靠近后排支柱

支架載荷高是由于堅(jiān)硬頂板巖層一次冒落高度大、冒頂面積大。頂板冒落時(shí)，支架要承受厚層且懸臂較長(zhǎng)的頂板巖體重力。該巖體在破斷之前的變形和蠕變，會(huì)使支架載荷迅速增高。由于堅(jiān)硬頂板由于整體性硬、冒落的塊度大。一般在冒落切頂后方均有3-5m左右的懸頂，它是造成載荷分布不均的主要原因。欲改善受力分布，應(yīng)及時(shí)處理頂板，盡可能減少頂板懸露面積。

3.3堅(jiān)硬頂板來(lái)壓具有明顯的時(shí)間差和步距差

堅(jiān)硬頂板的破斷規(guī)律一般是先離層后拉應(yīng)力破壞。基本頂巖層的斷裂裂隙往往超前在煤壁內(nèi)，斷裂后由于上覆巖層亦為堅(jiān)硬巖層，則產(chǎn)生夾持作用，使斷裂的巖塊夾持在巖層和煤層之間，保持暫時(shí)平衡狀態(tài)。只有當(dāng)工作面即將推進(jìn)至斷裂線附近時(shí)，頂板才垮落，斷裂與垮落都將產(chǎn)生兩個(gè)尖峰載荷。暫時(shí)平衡時(shí)期，支架載荷高，相對(duì)穩(wěn)定。如果上覆巖層較松軟，支架又有強(qiáng)大的切頂能力，在暫時(shí)平衡瞬間，上覆載荷將迫使頂板垮落，這時(shí)的時(shí)間差和步距差較小。如果采場(chǎng)支架整體支撐力不足，那么在暫時(shí)平衡期間有可能切落煤壁，形成臺(tái)階下沉。

參考文獻(xiàn)

[1] 繆協(xié)興，陳榮華，浦海，錢(qián)鳴高.采場(chǎng)覆巖厚關(guān)鍵層破斷與冒落規(guī)律分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào). 2005（08）

[2] 繆協(xié)興，陳榮華，浦海，錢(qián)鳴高.采場(chǎng)覆巖厚關(guān)鍵層破斷與冒落規(guī)律分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào). 2005（08）

[3] 曹永模.顧北礦堅(jiān)硬頂板條件下采場(chǎng)礦壓特征及圍巖控制研究[D]. 安徽理工大學(xué) 2013

[4] 翁小華，宋揚(yáng).堅(jiān)硬頂板工作面礦壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及控制實(shí)踐[J]. 山東礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào). 1987（02）

作者簡(jiǎn)介：李紹云（1988.8—），男，畢業(yè)于貴州大學(xué)采礦工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)任畢節(jié)中城能源有限責(zé)任公司工程管理部副部長(zhǎng)。