综采工作面火成岩坚硬顶板合理悬顶长度的研究

白朋军

【摘要】工作面懸顶长度的合理控制需要综合考虑顶板来压、支架承载力等多种因素，通过对顶板受力情况的分析和建立坚硬顶板力学模型，得出长壁工作面条件下坚硬顶板控制的合理支护强度和悬顶距临界值的计算公式，从而为坚硬顶板下强制放顶步距以及工作面布置长度的合理确定提供了理论依据。

【关键词】综采工作面  火成岩  坚硬顶板  悬顶长度

坚硬的火成岩顶板具有稳定性好，不易垮落的特点，此类顶板之下的长壁工作面通常初次垮落步距较大，周期断裂悬顶较长，对于采面安全是重大的威胁。一旦顶板压力超过支架支撑力并出现大面积悬顶垮落的话，必然会造成井下人员、设备的重大损失。因此，对于此类顶板必须要及时采取强制放顶措施，合理确定工作面布置长度，才能避免大面积悬顶的出现，既保证开采效率又能保证采面安全。工作面悬顶长度的合理控制需要综合考虑顶板来压、支架承载力等多种因素，通过对顶板受力情况的分析和建立坚硬顶板力学模型，得出长壁工作面条件下坚硬顶板控制的合理支护强度和悬顶距临界值的计算公式，从而为坚硬顶板下强制放顶步距以及工作面布置长度的合理确定提供了理论依据。

一、火成岩坚硬顶板运动特点和控制要求

火成岩又成为岩浆岩，是岩浆运动侵入地壳或喷出地表后冷凝而成的岩石，具有较高的硬度，在地壳中广泛存在。由火成岩构成的坚硬顶板通常直接赋存在煤层之上，具有硬度高、厚度大、整体性和稳定性强的特点，煤层开采后可在采空区形成难以短期内自然垮落的大面积悬顶。受岩体特性影响，火成岩坚硬顶板工作面具有动载系数大、来压步距大的特点，初次来压步距最多可达150m以上;并且来压显现强烈，冒落岩石块度大，冒落高度大，大面积悬顶冒落时具有极强的破坏力，可产生强烈的风暴。坚硬顶板初次垮落时一般为整体运动形式，在顶板自身重力的作用下，顶板与上位岩层离层边界附近的上表面会首先出现拉裂纹，其端部所受弯矩随之减小。随后端部裂纹会逐渐发展，顶板的重力作用会越来越多地转移至顶板岩体中部，并使中部拉应力超过强度极限而出现拉裂断隙。在顶板沉降过程中，水平的挤压力可能使挤碎的部分岩块出现冒落，而大面积的悬露岩层会因端部残余断面抗剪能力和下部支架支撑力不足以承担其重量而出现整体性的下切滑落，最终造成压垮支架的切顶事故。

坚硬顶板初次垮落后，随着工作面的推进，采空区侧坚硬顶板会成为悬顶，同时对下部支架产生更大的压力。如果其压力超过工作面支架承载力，便会因顶板垮落造成支架失稳或被压垮，引起压垮型事故。因此，为了防止直接顶大面积悬顶垮落和压垮型事故的发生，必须在顶板压力超过支护强度极限之前采取人工放顶措施，以控制悬顶长度和减小顶板压力;同时合理布置控顶区内支护阻力分布，使坚硬顶板在支架切顶线处冒落。

二、工作面长度与顶板压力的相关性分析

综采工作面顶板压力主要来自于顶板自身重力，包括直接顶作用的静荷载和基本顶失稳后的动荷载，顶板越厚重，其产生的动静荷载也越大;为了克服直接顶带来的荷载，要求工作面液压支架工作阻力必须大于顶板岩层重量和基本顶失稳时对支架的动载，可用公式P=K×q进行计算。式中K为基本顶失稳时动载系数，q为直接顶岩石重量，P为支架支护强度。其中q由直接顶容重、顶板岩性、工作面采高和斜长因素决定。根据公式可知基本顶失稳时动载系数、直接顶岩石重量与支护强度呈正相关，在支护强度一定的情况下，只能采取控制悬顶长度和极限跨距的办法来保证支架支撑力与顶板动静荷载之间的平衡。

三、坚硬顶板初次断裂前极限跨距的力学模型

（一）双支点岩梁力学模型

根据支点与煤壁支承变形的关系，岩梁力学模型可分为简支梁和固支梁两种。如果支承点为实体煤柱，且煤体变形较小，可视为固支点;如果由小煤柱支承，在应力比较集中的情况下容易出现煤体变形，此支承点为简支点。实际上，由于岩体结构的复杂性，岩梁荷载并不均匀，岩梁各点变形也不均匀。对于火成岩坚硬顶板来说，由于整体性较强且结构稳定，因而其重力作用可以较为广泛地分布于各支点，各支点不易出现应力集中，断破前岩梁总体变形微小。故工程计算可采用均布荷载。

（二）四边支承岩板力学模型

坚硬顶板一次垮落厚度一般为5～10m，回采面长度通常为110～200m，初次来压步距一般为35～100m。由此可知悬空顶板宽厚比在1/5～1/20范围内，符合弹性薄板理论。

（三）模型选择

基于弯矩理论和马克斯简算式得出的岩板及岩梁力学模型，通常工作面长度大于初次来压步距2倍，即a（岩梁极限跨距与回采面长度之比）≤0.5时，需采用岩梁模型进行估算;a>0.5时，采用岩板模型。

（四）极限跨距

当岩梁实际受到的拉应力大于其允许拉应力时，即满足了顶板初次断裂前端部拉开的力学条件。许可拉应力主要与岩梁厚度、岩梁横截面厚度有关，极限跨距可用公式L=√2H2[σ]/q进行计算。式中H为岩梁高度，[σ]为允许最大拉应力，q为顶板岩梁影响荷载。

四、坚硬顶板合理悬顶长度的确定

在坚硬顶板首次断裂后，在工作面不断推进的同时其前方煤壁上会构成一种固支，由此也形成了悬臂梁岩。悬臂岩梁在工作面推进的各种受力影响下，会出现周期性的断裂，其荷载分布形式可分为集中荷载、均布荷载和非均布荷载。在软岩层坚硬顶板存有赋存情况，则可在坚硬顶板上将其视为均布荷载，火成岩坚硬顶板可视为此种荷载形式。在均布荷载分布形式下，构建悬臂梁力学模型。设定L为悬臂梁岩总长度，[p]为支护强度，且L=LK+LS，式中LK为支架后岩梁悬顶长度，LS为支架控顶距离（悬顶长度）。悬顶长度可用公式：LS≤LK（√[p]/q-1）予以确定。

参考文献：

[1]邓维元.综采工作面坚硬顶板合理悬顶长度研究[J].山西焦煤科技，2009，（4）.

[2]王宏峰.坚硬顶板大采高工作面合理长度确定及顶板控制技术研究[J].煤炭工程，2013，45.