回采工作面的矿压和顶板管理

０．前言

一般情况下，当煤层被开采后，原有的状态受到破坏，引起了岩体内应力的重新分布，在重新分布过程中，围岩要产生运动，而导致围岩及其支护物发生变形，破坏甚至跨落，所以上覆岩层在运动过程中对支架围岩所产生的作用力，称为矿山压力。

要想安全和合理地进行采矿工作，就必须控制矿山压力，掌握矿山压力的特性和运动规律，下面我们就矿山压力的基本知识作以阐述。

1.工作面顶板岩层的性质

根据围岩与煤层的相对位置及其特性，通常将煤层的顶板分以下几种。

(1)伪顶：是指直接位于煤层之上和直接顶之间，极易跨落的较薄岩层，通常是由炭质页岩等软弱岩石组成，厚度常在300―500mm以下，很难保留在工作面空间上方。

(2)直接顶：是指位于伪顶或煤层(无伪顶时)之上一层或几层性质相近的岩层，通常由泥质页岩、砂质页岩等比较易垮落的岩石组成。

(3)老顶：是指位于直接顶或煤层(无直接顶)之上的厚而坚硬的岩层，一般由砂岩、石灰岩、砂砾岩等坚硬岩层组成，常在采空区上方维持很大的悬露面积，而不随直接顶一起垮落。

(4)直接底：是直接位于煤层之下的岩层。直接底为坚硬岩石时，则常造成支柱陷入底板现象；在急倾斜煤层中，直接底还可能出现倾斜滑动的现象。

2.回采工作面矿山压力主要显现

(1)顶板下沉：一般指煤壁到采空区边缘的顶底板的相对移近量。工作面空间上面顶板在其自重和上覆岩层重力的作用下，使顶板产生弯曲下沉及底板鼓起，由于在缓斜及倾斜工作面底板鼓起量比较小，因而常常忽略不计。

(2)顶板下沉速度：指单位时间内形成下沉的距离。

(3)支柱载荷：如柱冒变形，活柱下缩，激烈时可以看到支柱变形及折损，此外还有顶板破碎、局部冒顶、工作面切顶、煤壁片帮、支柱折损、支柱钻顶、支柱插入底板等一系列矿山压力显现现象。

3.回采工作面围岩的受力特征

没有开果的煤层上所受压力为上部岩层的重量，称为原岩压力，工作面自开切眼向前推进，顶板悬露面积逐渐增大，当悬露面积达到一定程度时，直接顶岩层产生初次垮落，但老顶岩层仍然保持一定的完整性，可视老顶为一岩梁，并能将自身的重量及其上覆岩层的压力转嫁到采空区两侧的煤体上，使采空区两侧煤体的压力升高，大于原始应力；而采空区及回采工作面空间压力降低，小于原始应力；远离采空区的煤体压力等于原始应力，工作面不断地向前推进，直接顶岩层不断地垮落，采空区的范围不断地扩大，这时工作面上方没有垮落的老顶岩层产生弯曲、下沉，甚至折断，压在已经垮落的岩石之上，这时工作面上方没有垮落的老顶岩层的重量由工作面前方的煤体及工作面后方已经垮落的岩石来支撑。

4.影响支承压力和因素

(1)围岩性质：如顶板为砂岩时，其支承压力的范围比较大，支承压力分布比较平缓，支承压力的最大值距煤壁较远，压力集中程度较低，反之松软条件下的支承压力分布范围小，支承压力较集中，最大支承压力点靠近煤壁，压力集中程度较高。

(2)煤的性质：当开采煤层的煤质较硬时，支承压力分布范围较小，比较集中，距离煤壁较近。煤质松软时支承压力分布范围较大，集中程度较低。最大支承压力点距离煤壁也较远。

(3)开采深度：开采的深度愈大，上部岩层的压力愈大，支承压力的集中程度和影响范围增加。

(4)采空处理方法：用全部充填法进行采空区处理时的支承压力明显比采用其他处理方式小得多。

(5)采高：一次开采的厚度愈大，支承压力的范围集中程度也随之增加。

此外，还有一些因素如开采后留设的煤柱宽度等。

5.回采工作面围岩的运动特征

工作面从开切眼开始推进，直接顶岩层垮落后，上面的老顶岩层呈“双支架粱”状态，支撑在两侧的煤体上并在自重和上部岩层重力的作用下，产生弯曲下沉，最后折断，压力冲击工作面支架，初次来压。老顶折断后，“双支架梁”变成悬臂岩梁，随着工作面推进，在自重和上部岩层重力作用下，产生弯曲、下沉，出现周而复始地折断，冲击工作面支架，称为周期来压。

事实证明，当工作面顶板由于管理不好而引起的局部冒顶或在使用液压支架引起的顶板或采空区向支架内大量漏矸，其结果不仅增加了煤的灰分，而且必然导致采空区充填不实，从而对控制老顶或裂隙带不利，反过来又影响到回采工作面对顶板的维护，一般情况下，冒落下的矸石将随时间的延续由松散状态逐渐被压实，其支撑力也将随之增高。

6.影响回采工作面矿山压力的主要因素

影响回采工作面矿山压力的因素是采高、控顶距、工作面推进速度、开采深度及煤层倾角，现分述如下：

(1)采空和控顶距：由实际观测知，采高愈小，顶板下沉量愈小，支承压力及支架载荷也小，因此就比较稳定，采高愈大，顶板下沉量愈大，支承压力及支架载荷也大。控顶距也如此：当控顶距愈小时，顶板下沉量也愈小，支承压力支架载荷也小，所以在满足工作面所选作的设备、运料、行人与通风需要前提下，尽量减少控顶距。

(2)工作面推进速度对矿山压力的影响：放炮或采煤机割煤破坏了煤壁的支撑点，同时使控顶距增加，支撑压力内移，顶板下沉量急剧增加，刚的顶板又重新打上柱，顶板下沉量又趋于缓和，再者，放顶过程实质上是撤除采空区一侧的支撑力，对直接顶支撑力减小，顶板下沉量增大，待到直接顶垮掉后，顶板又趋于缓和。由此可见，所谓落煤与放顶的影响实质上是工作空间内支架与顶板；之间支撑力状态的变化。因此，加快工作面的进度，缩小每一循环的时间间隔，在一定情况下肯定会减少顶板下沉量，改变工作面的状态，但与此同时，工作面平时的顶板下沉速度就要增大。

(3)开采深度对矿压的影响：开采深度直接影响岩层的原始应力大小，但对工作面顶板下沉量影响不突出，可随着采深增加，煤壁内的支撑压力加大，导致煤壁片帮，煤的突然压出、工作面底鼓等迫使支架载荷增加。

(4)煤层倾角对矿山压力的影响：煤层倾角对矿山压力影响很明显，特别是回采工作面，甚至可能根本改变其规律性，当煤层倾角大到一定程度时，不仅顶板冒落，而且冒落的矸石不一定能在原地留住，很可能沿着底板滑移，底板也产生滑移；

7.采空区处理

随着工作面的不断向前推进，顶板悬露面积不断增大，为了实现安全生产，必须及时处理已暴露的顶板，也减少采空区对工作面的影响，一般方法有以下几种：

(1)全部垮落法：全部垮落法主要适用于易垮落的松软顶板，近两年来又发展到坚硬顶板，这种方法是随工作面向前推进，有计划地回撤放顶线以外的支柱，使直接顶自行垮落，以减少直接顶悬露面积。它一般采用密集支柱放顶，将放顶线上的矸石挡住，使其不致滚人工作面内，适用于比较坚硬顶板的工作面。

(2)局部充填法，它适于顶板坚硬不易垮落的薄煤层，是用砌矸石的方式来支撑坚硬顶板。充填带的宽度一般4~6m，间距8~22m，这种采空区处理方法机械化程度、劳动强度大，煤层厚度较大时处理困难，很少用。

(3)煤柱支撑法：它适用于煤层上部覆盖坚硬的砂岩或石灰岩。这些岩层往往能在采空区悬露面积大达数千万平方米而不垮落，通常在工作面推进一定距离后留下适当的煤柱来支撑顶板，并隔离采空区。而后再重新掘开切眼进行回采，这种方式煤炭损失大，掘进量大，工作面搬家次数多，开采近距离煤层时，顶板压力通过采（下转第401页）（上接第328页）空区煤柱传递到下面煤层时，会给下层回采工作面造成困难。

(4)缓慢下沉法：适用于煤层上部韧性较大的岩层，具有一定裂隙岩层在采空区呈弯曲下沉而不会垮落，直到与底板接触，它一般用于厚度小于1m的薄煤层。

(5)全部充填法：用一般充填材料从管道输送到采空区，充填材料留在采空区。

8.结束语

以上是从理论和实际的角度出发对煤矿回采工作面的矿山压力显现规律、影响矿山压力的因素做了比较深入的论述，同时也介绍了几种目前比较适用的采空区处理方法，希望煤炭行业的各位同仁根据自己的实际情况，制定出适合本单位的顶板管理方法，以保证安全生产，避免重大事故发生。