1、 专题部分坚硬顶板控制技术的研究摘要：基于坚硬顶板长壁工作面初次跨落步距大、周期断裂悬顶长，对采场安全危害严重的特点，系统研究工作面顶板初次断裂的3种控制放顶方式和周期断裂的合理悬顶长度。通过建立两端固支岩梁力学模型，分析并比较采用循环浅孔拉槽、中部拉槽和端部拉槽等3 种爆破控制放顶方式缩短坚硬顶板工作面初次断裂步距的拉槽深度与爆破工程量。结果表明，就爆破工程量而言，端部拉槽最小，中部拉槽次之，循环浅孔拉槽最大。通过顶板周期断裂悬臂岩梁力学模型的建立及其分析，基于工作面支架的设计工作阻力，推导顶板周期断裂的合理悬顶长度与工作面支架设计支护阻力，以及上覆岩层荷载和工作面控顶距之间的关系式。研究结
2、果在晋城七岭煤矿15102工作面成功应用，可以为相应条件下坚硬顶板控制放顶提供理论依据与应用指导。 关键词：采矿工程；坚硬顶板；控制放顶；岩梁；悬臂；支架阻力1引言坚硬顶板是指在煤层之上直接赋存或在厚度较薄的直接顶上赋存有强度高、厚度大、整体性强、节理裂隙不发育、煤层开采后在采空区可大面积悬露、短期内不易自然垮落的顶板14。由于岩层结构的特点，坚硬顶板工作面具有来压显现强烈，动载系数大(1.53.5)；来压步距大，初次来压步距为50140 m，最大可达160 m；极限悬顶面积为10 00030 000 m2，甚至更大；冒落岩石块度大，边长为510 m，最大可达3040 m；顶板冒落高度大，可达
3、4070 m，甚至通达地表等矿压特点。例如山西大同挖金湾矿青羊湾井曾发生冒落面积达1.63105 m2，冒落时产生强烈风暴，使矿井巷道和工作面被摧垮，全井被迫停产。自解放以来，仅大同局就发生顶板大面积来压事故40 余起57。由于所造成灾害的严重性，坚硬顶板控制一直是国内外采矿与岩石力学工作者十分重视的一个课题。经过50 余年的努力，取得的主要成果有：顶板来压的预测预报810；有效的工艺改变或控制顶板来压步距与来压强度1115；高工作阻力和大流量安全阀液压支架1618。目前，改变或控制顶板来压步距与来压强度的具体方法有3种：一是超前工作面煤壁深孔爆破预裂顶板；二是超前工作面煤壁预注高压水致裂和软
4、化顶板；三是滞后工作面煤壁步距式爆破放顶。前2种方法的研究较为成熟，第3种方法仅限于炮眼间距、装药量、钻孔机具、钻孔方法及工艺等方面的研究19，20，而在合理放顶方式及放顶步距等关键问题上的研究甚少，能查到的相关文献仅有高木福4通过数值模拟对坚硬顶板处理步距的研究。本文通过建立两端固支岩梁力学模型，在分析循环浅孔拉槽、中部拉槽和端部拉槽等3 种爆破控制放顶方式缩短工作面初次垮落步距的拉槽深度与爆破工程量的基础上，确定了顶板初次断裂前的控制放顶方式。通过对悬臂岩梁力学模型的分析，基于支架的承载能力，确定了顶板周期断裂的合理悬顶长度，为步距式控制放顶提供了一种理论依据，并在工程实践中得到了成功应用
5、。2 坚硬顶板初次断裂前的力学模型与极限跨距2.1 力学模型坚硬顶板具有硬、整、厚的特点，可以近似地将其看作连续介质来建立计算模型。顶板初次垮落前，可以将其看作是支承在煤层或薄层直接顶板上的岩梁或岩板。所谓梁是指在工作面中部，垂直煤壁作2 个相距单位长度的平行垂直剖面，这2 个平行剖面所截取的顶板岩条称作梁。这种梁一端支承在工作面前方的煤壁上，另一端支承在工作面后方的煤壁上，形成双支点岩梁。所谓板是指煤层采出后，坚硬顶板悬空不冒，支承在四周煤壁或薄层直接顶板上。板两对边煤壁分别为工作面前后方煤壁和工作面两侧护巷煤柱或实体煤壁。因此，初次来压前的力学模型可分为双支点岩梁和四边支承的岩板2 种类型
6、。(1) 双支点岩梁力学模型按支点属性不同，岩梁力学模型分为固支梁和简支梁2 种。如果由实体煤壁支承，煤体变形很小，可看作固支点。如果由小煤柱支承，由于变形显著，可看作简支点。按荷载分布不同，可分为均布荷载和非均布荷载2 种。事实上，岩梁荷载是非均匀的，一是支承压力分布是非均匀的，二是岩梁各点变形也是非均匀的。对于坚硬顶板，由于支承压力分布范围广，应力集中程度低，加之岩梁在破断前总体上变形微小，故各点差异很小，采用均布荷载可以满足采矿工程计算的要求。(2) 四边支承的岩板力学模型一般来说，坚硬顶板一次垮落厚度为510 m，而初次来压步距多为40100 m，回采工作面长度为120200 m，所以
7、悬空顶板的宽厚比为1/51/20，它符合弹性薄板理论的假设条件，即板的厚度与边长之比满足(1/801/100)(1/51/8)。(3) 2 种模型的对比与选择初次来压前，无论梁模型还是板模型都是从最大弯矩处开始断裂，它们之间的主要差别在于弯矩计算。根据材料力学解，梁的最大弯矩为 (1)式中：为坚硬岩梁本身及上覆岩层传递的荷载，为岩梁极限跨距。板的最大弯矩近似为 (2)式中：。由式(2)可知，板与梁的最大弯矩之比，随的变化如图1所示。当时，若梁的m，则板的m；当0.33时，若梁的m，则板的m，两者基本一致。钱鸣高21以板的弯矩理论为基础，采用分段附加低次函数的方法对马科斯简算式加以修正，给出了岩
8、梁、岩板力学模型的适用范围，如表1 所示。图1 板与梁弯矩比值与边长之比的关系表1 岩梁、岩板力学模型的选择岩板模型岩梁模型支撑条件使用范围边界条件适用范围两边固支双固支三固一筒简支邻固邻筒简支一固三筒简支考虑到实际岩体抗拉强度、厚度、弹性模量和泊松比等参数变化的不均匀性，靳钟铭和徐林生1通过对大多数坚硬顶板工作面估算和预测研究认为，一般情况下工作面长度大于初次来压步距的2倍，即时，就可采用岩梁模型进行估算；只有当时，才需用岩板模型。综合上述分析，可用图 2 所示的简化固支岩梁模型来分析坚硬顶板初次断裂前的极限跨距。2.2 极限跨距顶板初次断裂前端部拉开的力学条件为 (3)式中：为岩梁受到的拉
9、应力；为岩梁的许可拉应力。图2 顶板初次断裂前的岩梁力学模型梁端最大拉应力可表示为 （4）式中：为岩梁截面模量 ；为坚硬顶板岩梁厚度。考虑上覆层岩层对坚硬顶板岩梁影响的荷载为 则可表示22为 （5）式中：， 分别为岩梁上覆各岩层厚度；为坚硬顶板岩梁的弹性模量；，分别为岩梁上覆各岩层弹性模量；为坚硬顶板岩梁容重； ，分别为岩梁上覆各岩层容重。将式(4)代入式(3)，得(6)则极限跨距为 (7)3 坚硬顶板初次断裂前的合理控制放顶方式采用爆破法缩短工作面垮落步距的控制放顶方式有循环浅孔拉槽、中部拉槽和端部拉槽3 种方式。3.1 循环浅孔拉槽控制放顶循环浅孔拉槽放顶是指在工作面推进过程中每隔几个循环
10、沿工作面切顶线全长打一排钻孔进行爆破放顶，以减小顶板岩梁的厚度，从而缩短极限垮落步距的控制放顶方法。循环浅孔拉槽岩梁的力学模型如图3 所示。图3 循环浅孔拉槽岩梁力学模型在循环浅孔拉槽后，坚硬顶板岩梁厚度减小，岩梁抗弯截面模量降低，同时顶板的完整性受到破坏，这时岩梁首先从前后2 个端部受拉断裂。岩梁的弯矩和截面模量分别为 (8a) (8b)其中，(8c) (8d)式中：为拉槽后顶板极限垮落步距，为采用浅孔循环控制放顶所导致的坚硬岩梁本身及上覆岩层传递荷载改变系数，为浅孔拉槽放顶后剩余岩梁厚度。若要求拉槽后的极限垮落步距是非强制放顶前的1/ n 倍，则要求的拉槽深度 推算如下。令 (9a)则有
11、(9b) (9d)3.2 中部拉槽控制放顶中部拉槽放顶是通过减小岩梁中部抗弯截面模量达到中部先拉开，从而缩短极限垮落步距的方法。设中部拉槽后的极限跨距为 ，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。中部拉槽岩梁力学模型如图4 所示。图4 中部拉槽岩梁力学模型开槽处的岩梁弯距为 (10)其中，若要求拉槽后的极限垮落步距是非强制放顶前的1/ n 倍，则要求的拉槽深度推算如下。令 (11a)则有 (11b) (11c)(11d)3.3 端部拉槽控制放顶端部拉槽控制放顶是指沿工作面开切眼煤壁全长向顶板打眼爆破拉槽，通过减小岩梁端部抗弯截面模量达到端部先拉开，从而缩短极限垮落步距的
12、方法。拉槽后的极限跨距为，端部拉槽岩梁力学模型如图5 所示。图5 端部拉槽岩梁力学模型开槽处岩梁弯距为 (12)其中，若要求拉槽后的来压步距是强制放顶前的1/ n，则要求的拉槽深度推算如下。令(13a)则有 (13b) (13c) (13d)3.4 初次断裂前合理控制放顶方式的确定若要求分别采用循环浅孔拉槽、中部拉槽和端部拉槽等3 种方式强制放顶后的极限垮落步距均为强制放顶前的1/2，可得到3 种控制放顶方式所要求的拉槽深度和爆破工程量分别为(1) 循环浅孔拉槽将代入式(9d)，得到循环浅孔拉槽深度为(0.55 0.725) (14)式中：= 0.30.8。设循环浅孔拉槽后顶板初次垮落时的循环数为，则其爆破工程量为 (0.550.725) (15)(2) 中部拉槽将代入式(11d)，得到中部拉槽深度和爆破工程量为 (16)(3) 端部拉槽
