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“两硬”条件综采工作面的矿压规律与围岩控制技术探讨赵强摘要：本文从现场实际出发，建立了两硬条件下顶板活动的数学模型，通过理论分析和现场观测，对坚硬顶板的活动规律及综采工作面的顶板控制技术进行了探讨。关键词：坚硬顶板；综采工作面；矿压规律；围岩控制。大同矿区所采的侏罗纪煤层普遍存在着顶板与煤层坚硬的特点，综采工作面顶板矿压显现规律的研究和围岩控制技术是“两硬”条件安全开采的关键技术，是支架的选型设计、工作面设计及回采工艺研究确定的基础。通过多年来的研究和实践总结，得出了较合实际的综采工作面坚硬顶板围岩控制技术，取得了较好效果。1.坚硬顶板活动规律的研究首先我们建立如下力学模型，工作面顶板被许多节理或断层切割成有限个薄板块，设定相互之间铰接连接，板的尺寸可能大小不一，如图1所示。在工作面长度方向上，围岩被简化为一系列相互铰接的薄板，工作面两端和煤壁被固定图1铰接薄板结构模型支承。随着工作面的不断推进，薄板的悬空面积越来越大，薄板弯曲挠度也越来越大，而薄板内部的应力也随之不断增大，当薄板内部的应力满足岩石破坏准则时，薄板发生破断。显然强度较低的薄板，首先要发生破断。在工作面长度方向上，临近的薄板就变一侧悬空。现在分析薄板A、B、C在薄板A破断前后边界支承情况变化。薄板在破断前，薄板A、B、C都是两边简支，一边固定，一边悬空自由。在薄板A破断后，薄板B右侧失去了支承，变成了自由边，而薄板C的左侧变成了自由边。根据弹性力学薄板弯曲理论，在材料相同、尺寸和所受的外载相等条件下，边界条件决定着薄板的挠度和薄板内部应力。薄板在破断前，薄板A、B、C都是两边简支，一边固定，一边悬空自由，如图2所示。薄板A破断后临近薄板B、BAC端部煤柱端部煤柱工作面煤壁图2一边固定两边简支的薄板模型C变为了一边固定、一边简支、两边自由，建立如图3所示。根据弹性力学理论图3一边固定、一边简支的薄板模型图3所示的一边简支、一边固定薄板模型发生的最大挠度和内部最大应力要成倍大于图2所示的薄板A破断前临近薄板B、C发生的最大挠度和内部最大应力。此时很容易造成薄板B、C的破断。依次类推，薄板B、C的破断也很容易造成临近薄板的破断。这样薄板的破断就向两侧推进直至工作面的两个端头，这也就是综采开采中经常会出现端头悬板的原因。为了更深入的研究顶板活动规律，我们进行了相似材料模拟试验和三维数值模拟计算研究，并在现场进行了工作面矿压观测、深基点观测及巷道松动圈的测定。在义安矿9#煤层8402综采工作面，采用ZYDC—II型综采支架连续记录仪进行监测，绘出的支架阻力沿工作面推进方向的变化曲线。图4为5#支架工作阻力与推进距离之间的变化关系。0370074001110048.550.352.053.755.557.258.960.662.464.165.867.669.371.072.874.576.277.979.781.483.184.986.688.390.091.893.595.297.0至切眼距离/m工作阻力/KN整架初撑力（KN）整架末工作阻力（KN）整架时间加权平均阻力（KN）图4中部5#测线工作阻力与推进距离关系研究发现，坚硬顶板条件下的综采与其它条件综采相比顶板活动规律有明显1000080006000差别，顶板来压强度增大，矿压显现剧烈，由于顶板坚硬，老顶初次来压步距大于50m，头、中、尾老顶初次来压的步距分别为58.9m、55.2m和58.9m，平均为57.8m。老顶的周期来压步距为13m~21m，平均为19.2m。顶板冒落厚度大，煤壁片帮较明显。矿压显现存在分期、分段、迁移的特点。图5为8402工作面方向上不同测线上初次来压步距的变化。图中显示工作面中部最先来压，然后向工作面两个端部逐渐扩展，开采实践验证了铰接薄板模型的正确性。5355575961012345678910测线号图5工作面方向上初次来压步距变化2.工作面围岩控制技术根据以上的理论分析可知，在工作面方向上如果有部分顶板预先垮落，整个顶板的强度将大大降低，从而达到降低顶板大面积来压的目的。因此，我们对坚硬顶板主要采用在工作面两端进行强制爆破处理的方法，进行围岩控制。如图6所示。工作面实行深孔爆破人工强制放顶后，控制了顶板的垮落，直接顶基本上能随采随冒，老顶的悬板不大，悬板尺度都在20m×15m以内。工作面初次来压和周期来压强度都有所降低。图6工作面放顶孔孔水平布置示意图3.主要结论初次来压步距（m）（1）坚硬顶板条件下，工作面来压时，存在分期、分段、迁移的特点，两个端头易出现悬板。（2）在进行围岩控制时，可在工作面端头采用深孔爆破的方法进行顶板的弱化处理，使采空区顶板在头、尾拉开槽，在采动中自行垮落。从而有效地降低顶板的来压强度。