坚硬难垮落顶板的处理方式研究

陈自新

（神华宁煤集团 灵州建井工程公司，宁夏 灵武 751410）

所谓坚硬难垮落顶板是指：岩石强度大、整体性好、厚度大、具有较强的自承能力，煤层开采后可形成大面积悬顶的难垮落的顶板。对于此类顶板，以往常用煤柱支承法开采（包括房柱法、刀柱法等），其优点是：开采直接成本较低，顶板控制工程量小；但问题是：煤炭损失大(主要是面积损失)，并有大面积来压威胁。为解决此问题，国内外进行了采煤方法的改进试验和顶板弱化处理试验，将难垮落顶板改变为较易垮落顶板，从而实现长壁机械化开采。

1 坚硬难垮落顶板的岩层力学性质

坚硬难垮落顶板的力学特性是由多种因素形成的，其岩层有整体性好、强度大、厚度大、弹性模量大等特点。这类顶板多为砂岩、砂页岩、石灰岩，少数为砾岩。一般来说，坚硬难垮落顶板岩石的单轴抗压强度大于60 MPa，也有高达200 MPa以上的。

坚硬岩石的破坏通常表现为脆性破坏。破坏前变形很小，有较高的弹性模量，但当应力达到强度极限后，出现突发性破坏。坚硬岩石的弹性模量多在12.0 GPa以上。岩层整体性强，也是决定坚硬顶板难垮落的主要原因。有些顶板岩石的抗压强度并不很高，但却由于整体性很强、节理裂隙不发育分层厚度大，也表现出坚硬难垮落顶板的矿压特征。例如，大同矿区的2号煤层顶板的厚层砾岩顶板，岩石的单轴抗压强度一般为30～50 MPa，它比其它层位的砂岩顶板强度还低一些，但因其整体性很强，很少有明显的节理、裂隙、层理等弱面，成为大同矿区最难垮落的顶板，可悬露上万平方米的面积，常形成强烈的采场来压。再者，一些强度较高的顶板岩石（如部分石灰岩），如果节理裂隙发育、分层厚度小，同样可随采随冒，不会形成强烈的来压显现。所以，划分坚硬难垮落顶板类型，一般应包括：岩石的力学指标、岩体的结构特征和工程指标。

2 坚硬难垮顶板工作面的矿压显现特征

1）大面积垮落特征。坚硬难垮落顶板在煤层采出后，当悬露面积较大时，才突然垮落。20世纪80年代前，我国的大同、北京、乌鲁木齐、枣庄等矿区大都采用刀柱采煤法管理顶板。每回采一定距离后，在采空区内留设一定面积的煤柱支承顶板。这种方法可基本保证工作面回采期间顶板不垮落。但是，随着开采面积的不断扩大，所留煤柱应力逐渐增大，终被压酥破坏。当采空面积达到一定范围时，常常发生大面积垮落，造成剧烈的动力现象。

2）坚硬难垮落顶板工作面的初次来压特征。工作面从切眼开始推进回采，当悬露较大面积后才突然破断垮落，工作面出现强烈的来压显现。坚硬难垮落顶板工作面初次来压的另个特点是一次断裂、垮落的岩层厚度大；冒断厚度可达10～25 m，甚至更大。垮落岩石的块度大，有的块度可达十几立方米，甚至几十立方米。坚硬难垮落顶板工作面初次来压的第三个特点是来压强度大，动载系数高；大面积的悬顶一次性断裂垮落时，产生瞬时冲击载荷，常损坏工作面的支护设备，甚至造成人员伤亡等恶性事故。

3）坚硬难垮落顶板的周期来压特征。坚硬难垮落顶板工作面初次来压后，随着工作面的推进，支架后方常形成较长的顶板悬臂，有时可达20～30 m，最大达到55 m。由于坚硬难垮落顶板的岩石破断角较小，直接顶垮落后形成的矸石垫层很薄，有时甚至根本没有垫层，致使未垮落悬顶与垮落的矸石堆没有任何力学联系，形成悬臂梁结构。当悬臂达到一定极限长度时，才会断裂和垮落，使工作面造成强烈的周期来压显现。坚硬难垮落顶板工作面的周期来压特点是：来压步距大、动载系数高；来压时常对支护设备造成动载破坏，甚至危及人身安全。

3 坚硬难垮顶板的处理方法

3.1 注水弱化坚硬顶板

1）顶板高压注水。首先使用钻机向顶板打深孔，其次插入注水管后封孔，最后经注水管向孔内注高压水，利用高压水使顶板压裂。向深孔注高压水的作用就是对顶板的完整性进行破坏，增加顶板的原始裂隙，使水流通过顶板中的裂隙更好地渗流，从而降低了顶板强度。再者，水压的变化可使顶板岩体内应力的分布改变，可使岩体产生塑化作用。

2）顶板静压注水。对顶板注水使顶板岩体吸水后，岩体中的部分矿物质溶解，岩层间粘结性减小，顶板岩体强度就会降低，可使顶板提前垮落，减小了老顶来压时的强度。但是这种方法有局限性，并不是所有岩性的顶板都适合。

3.2 爆破弱化坚硬顶板

顶板上打孔后，在孔内装上适当的炸药，然后封孔爆破，从而破坏了顶板的完整性，在上覆岩层作用下，可使顶板断裂。爆破弱化顶板的方法有：循环式浅孔放顶、步距式深孔爆破、超前深孔预裂爆破、地面深孔放顶。

4 工程实例

山西长治某矿，开采15号煤层，煤层均厚4.3m，直接顶为0.4～0.9m的炭质泥岩，老顶为7～8m的石灰岩。根据矿井地质条件，对坚硬顶板的处理方法讨论如下：

1）由于不同岩石注水后的强度变化不一样，有的强度降低得多，有的强度降低却很少。根据试验室试验15号煤层石灰岩顶板吸水率较低，且高压注水压裂与注水软化周期长。因此15号煤层顶板处理方法不宜选用注水弱化的方法处理顶板。

2）循环式浅孔爆破，要在切顶线处从支架后部向顶板打眼，打孔与装药存在很大困难，严重影响生产。步距式深孔爆破，需沿工作面向顶板偏向采空区方向打孔、装药，也存在较大困难。由于工作面打孔与装药影响生产，因此循环式浅孔架后强制放顶和步距式深孔爆破的方案均不可取。

3）地面深孔爆破，从地面垂直向下打孔至采区顶板位置，其钻孔深度较大，打孔工程量大；并由于地面打孔，钻孔经过地面表土层，钻孔成孔率相对较低（甚至无法成孔），孔易变形，影响装药质量，可能出现装药不连续，甚至无法爆破到煤层顶板。

4）超前深孔预裂爆破在专用巷道（工艺巷）进行施工，不影响工作面正常生产，有利于工作面生产能力的实现。故在专用巷道进行施工具有方便、简单等优点。综上所述，长治15号煤层顶板选用开切眼切槽处理和顺槽深孔超前预爆破方法进行弱化处理。

5 结束语

目前，坚硬顶板处理的方法可有：注水弱化和爆破弱化。由于煤矿与煤矿的不同地质条件、顶板弱化方案也会不同，应按工作面顶板的岩性、经济成本、方案安全性等确定顶板弱化的方法。超前深孔松动爆破不影响工作面生产，且效果较明显，应用的较广些。

[1]高木福.坚硬顶板处理步距的数值模拟[J].辽宁工程技术大学学报，2006，25(5)：649-651.

[2]黄晋兵.王台矿井综采工作面处理坚硬顶板技术研究[J].煤炭科学技术，2008，36(9)：4-7.