工作面矿压的规律与判别顶板压力的方法

赵春光

(七台河市不动产登记中心，黑龙江 七台河 154600)

1 工作面矿山压力的一般规律

在煤矿开采过程中，顶板压力从小到大呈周期性变化。压力规律的原因是随着工作面的向前推进，采空区逐渐扩大，引起基本顶岩层周期性的活动。如图1所示，工作面由开切眼K推进到位置1开始回柱，如果直接顶破碎，则随着回柱垮落。有的顶板不随回柱垮落，工作面继续向前推进，顶板悬露面积逐渐增大到位置2，直接顶开始大面积垮落，即初次垮顶或称初次落顶。初次落顶时工作面向前推进的距离b1，即初次垮落步距。初次垮落步距取决于直接顶的岩层强度、分层厚度、裂隙的发育程度等。岩体强度大，初次垮落步距就大；岩体强度小，初次垮落步距就小。坚硬不易垮落的直接顶，在采到一定距离后，还要向采空区顶板打眼爆破强制放顶，这样顶板才能垮落下来。一般能垮落的直接顶，在初次垮落前，虽然回采面积已加大，但顶板压力并不显，直至落顶前即直接顶大面积垮落前，采空区顶板才会出现脱皮、掉碴、煤壁片帮等现象，工作面支架上的压力会显著。如果直接顶较坚硬、悬顶面积较大，初次落顶时，顶板一般会发出较大的断裂声，甚至会刮起狂风冲向工作面及巷道。这时工作面支架相对于大面积的悬露顶板其支承压力是不够的，所以要加强和巩固支架，不然大块矸石可能会冲倒工作面支架，使顶板从煤壁切断，严重时可能造成大冒顶。

随着工作面的推进，直接顶持续垮落，垮落范围和高度逐渐扩大，如果垮落的矸石不能填实采空区，基本顶就要悬空。悬空在采空区上完整的基本顶像座桥梁立在两边的煤层上面，支撑着上面岩石的重量。在工作面推进到图1c的位置3，基本顶不能承担上面岩石的重量时，基本顶就要折断。在折断前给工作面一个很大的压力，即基本顶的初次来压。初次来压时，工作面推进的距离叫做初次来压步距。初次来压步距主要按照基本顶岩体强度大小而不同。如A矿在中等稳定顶板条件下，各煤层的初次来压步距一般为20 mm，在初次来压前，顶板掉下小碎石块，煤壁明显松软，有时金属支柱出现响声，待顶板掉碎石稍微比开始块度大时，表明初次来压要到了，这时必须立即撤人，同时采取相应的措施，以避免伤亡事故的出现。对于不同性质的顶板，来压前的矿压也不一样。如B矿一采区的煤层顶板一般都较坚硬，来压时直接顶上方发出强烈的闷雷声，活柱受压“咯咯”作响，煤壁严重片帮。工作面及煤壁的无支护顶板出现破坏或破坏急剧增加。支撑力不够时，工作面台阶下沉，基本顶以上有含水层时，采空区上方会淋水，接着顶板瓦斯量也增加了。

图1 顶板垮落情况Fig.1 Situation of roof collapse

基本顶来压强度受基本顶强度的影响，采空区矸石的坚硬程度也是个重要的因素。如果直接顶垮落高度大，采空区充填较好，基本顶折断时下沉量和初次来压强度就小。如果情况相反，初次来压强度就大，甚至出现压垮工作面支架的情况，会导致冒顶，严重时还会出现大冒顶事故。无论是直接顶初次垮落还是基本顶初次来压，如果来压强度大，来压后顶板就破碎，柱子东倒西歪。因为来压时柱子受力大，工作面危险，支柱或放顶应临时采取安全措施。

基本顶初次来压垮落后，工作面顶板压力相对减少了，随着工作面的推进，基本顶悬顶面积逐渐增大，这时基本顶的一端靠煤壁支撑，另一端靠破坏了的基本顶岩块连接支撑在采空区压实的矸石上。工作面推进至图1d的位置4时，基本顶垮度超过一定距离，又要出现折断和垮落。由于该基本顶折断和垮落是每隔一定距离有规律地、周期性地出现，因此叫周期来压。图1d中b3是初次来压和周期来压之间工作面推进的距离，即周期来压步距。在一个采区地质条件基本相同以及生产工艺过程基本相同的条件下，周期来压步距尽管不完全相同，但在一定范围内波动，大致是稳定的。如某煤矿在顶板条件大致相同的情况下，各煤层的周期来压步距大致在8～12 m之间。来压时矿压显现没有初次来压时那么明显，在回采分层开采的下层煤时，顶板有掉煤皮的现象出现，来压强度远没有初次来压强度大。但阳泉矿的情况有所不同，该矿各煤层的周期来压步距大致是9～15 m，周期来压时，顶板压力和顶板下沉量增加，片帮严重，顶板破碎，有时管理不当还易出现冒顶事故。所以在周期来压前，应加强对顶板的监视，提醒工人要提高警惕，注意听监顶工的口令，选好安全退路，以避免事故的发生。

2 判别顶板压力的方法

采煤技术人员必须熟悉顶板来压的规律、大小及区段范围。在周期来压期间，由于压力大、顶板破碎，可以从各种矿压显现来辨别顶板压力的大小，搞清支柱或放顶是不是安全。在不用测力计的条件下，判别顶板压力的方法有以下几种。

2.1 观察支柱受力状况

这主要分两种情况。对于木支柱，判别顶板压力大小的方法是木柱的折损率，即被压断的支柱占总支柱的百分比。折损率大，表明压力大；折损率小，压力也小。在压力大时，回柱前必须在折损柱旁打好替换柱，避免回柱时顶板活动引发冒顶事故。如果回柱时顶板正在来压，木支柱会出现折断的声响，响声越多，表明折断的柱子越多。在这种情况下必须暂停回柱，采取安全措施。情况再严重时，必须及时把人员撤出危险区域。对于金属支柱，受压大小就不能简单地以折损率判断，可采用敲打柱子的方法判断。如果柱子发出的声音沉闷，表明受力大，回柱时必须注意。如果受力不均匀，其中只有某一根柱子受力大，回这根柱子时必须采取相应的安全措施。有时顶板下沉压力大会造成金属支柱活柱突然下沉一截，并随之发出“嘣嘣”响，如果该声音普遍发生，表明顶板正在来压而且激烈，应暂停回柱，等压力趋于缓和时再进行工作。

2.2 观察采空区情况

基本顶折断时，采空区有时发出巨大的响声。直接顶大块折断时，采空区有“碰碰”的声音。这两种情况都说明来压激烈，支柱放顶时必须注意安全。必要时暂停回柱工作，采取措施加强工作面支护。采空区被破碎矸石充填后，工作面的压力一般较小，上面大块矸石垮落时对工作面的影响也小。如果采空区有大量悬壁，顶板没有冒落，必须采取措施进行放顶，以确保生产的顺利进行。

2.3 观察煤壁

煤壁片帮面积和片帮深度大量增加，煤壁处大量落粉、落碴，是顶板来压的征兆，放顶时顶板压力可能突然增大，甚至可能使顶板沿煤壁切断，发生台阶下沉以致冒顶。在这种情况下应停止出煤，加强煤壁的支护，维护好顶板，等来压稳定后再进行回柱放顶。

2.4 观察顶板情况

先看顶板破碎情况，其裂隙和顶板下沉量有无明显的变化，如果变化明显表明顶板活动继续加剧，支柱和放顶时必须采取安全措施；再看裂隙和节理的存在状况，采取相应措施保障安全。

总之，顶板压力的大小对顶板控制工作有直接的关系。掌握了顶板活动的规律，能辨别顶板压力的大小，就可以保障安全，提高采煤的生产效率。