采煤工作面顶板分类及控顶原则研究

摘要：采煤工作面顶板事故的发生与工作面本身的顶板条件具有特别重要的关系，为预防发生各种顶板事故，有必要根据工作面的顶板条件和采高情况对工作面顶板进行分类，按照相应的控顶原则，采取针对性的控顶设计。

关键词：采煤工作面；顶板分类，控顶原则

中图分类号：X752文献标识码：A 文章编号：

一、前言

顶底板移近量、台阶下沉量、端面冒高等、这些顶板状态参数都与采场支护强度有关。实践表明，支护强度愈大，这些参数的数值就愈小。也就是说，如果要控制顶板处于良好状态，就要提高支护强度到一定的水平。提高支柱初撑力，增大支护密度，提高支护系统刚度（软底穿鞋）这三个支护参数，都能够提高支护强度；因此，为达到控顶目标，在生产过程中，如果出现顶板状态参数超过规定的标准，就需要调整某一个或某几个支护状态参数，从而使工作面顶板处于良好状态。下面就六类顶板及相应的控顶原则进行具体的阐述，以供同行探讨。

二、六类顶板及相应的控顶原则

按顶板条件及所需采用的控顶原则，可以把缓斜、倾斜煤层的顶板分成六类。

第一类：直接顶厚度等于或大于2-3倍采高。

第二类：直接顶厚度大于1倍采高但小于2-3倍采高，直接顶上面是裂隙带的老顶。

第三类：直接顶厚度大于1倍采高但小于2-3倍采高，直接顶上面是垮落带的老顶。

第四类：直接顶厚度小于1倍采高，直接顶上面是裂隙带的老顶。

第五类：直接顶厚度小于1倍采高，直接顶上面是垮落带的老顶。

第六类：直接顶厚度小于2-3倍采高，直接顶上面是厚层难冒顶板。

针对这六类顶板控顶原则如下：

1、第一类顶板及其控顶原则

第一类顶板冒落带中没有老顶，控顶原则用“支”与“切”。

“支”与“切”是按控顶原则把工作空间基本支护与切顶排所增加的切顶支柱分别设计的情况。当冒落带中无老顶时，可以考虑无密集放顶方式；也就是让工作空间基本支护的初撑力既平衡工作空间上方冒落带直接顶岩重，又平衡采空区上方直接顶最大冒落分层岩重。这时，要把采空区上方最大冒落分层的岩重平均分摊到最小控顶距时工作空间上方冒落带直接顶岩重中去，然后用综合的冒落带直接顶岩重计算工作空间基本支护的初撑力、支护密度及排柱距。采用无密集放顶方式时要注意两点：第一、基本支护沿切顶排每米的工作阻力（可按初撑力考虑）不得小于为切断采空区上方直接顶所需的初撑力；第二、基本支护的柱距不得小于0.5m；否则就不能采用这种放顶方式。

2、第二类顶板及其控顶原则

第二类顶板直接顶上面是裂隙带老顶。据生产实践及理论分析，在这种条件下，老顶已进入裂隙带，即冒落带中没有老顶，控顶原则用“支”、“切”、“让”。

所谓“支”，是指用采场基本支护的初撑力平衡工作空间上方直接顶岩层的重量。依此可确定基本支护的初撑力，支护密度及排柱距。

所谓“切”，是指用切顶排另增切顶支柱的初撑力平衡采空区上方直接顶最大冒落分层的岩重，从而确定沿切顶排每米所应增加切顶支柱的初撑力及线密度。

和第一类顶板一样，第二类顶板也可以采用无密集放顶方式。但是，当直接顶相对较薄，需要控制裂隙带老顶下沉量时，由于需加强切顶排支柱的初撑力以限定老顶下沉，因而还是采用有密集放顶方式为妥。

所谓“让”，是指支柱的可缩量要适应裂隙带老顶的下沉。

3、第三类顶板及其控顶原则

第三类顶板直接顶上面是垮落带老顶。这类是冒落带中有老顶的顶板，控顶原则用“支”、“切”、“支”、“让”。

第一个“支”有两重含义：一是用采场基本支护的初撑力平衡工作空间上方直接顶岩层的重量，从而确定出支柱初撑力，支护密度及排柱距；另一个是用采场基本支护的工作阻力平衡工作空间上方冒落带岩重，从而确定出支护密度及排柱距。设计时，采场基本支护其支柱的平均工作阻力可按额定工作阻力的60％考虑。当排距一定时，若这两者确定出的柱距有所不同，设计中应取其小值。

所谓“切”，是指用切顶排另增切顶支柱的初撑力平衡采空区上方直接顶最大冒落分层的岩重，从而确定沿切顶排每米所应增加切顶支柱的初撑力及线密度。

第二个“支”，是指用切顶排另增切顶支柱的工作阻力平衡冒落带中老顶岩梁及其附加软岩层重量的一半。设计时，切顶支柱的平均工作阻力可按额定工作阻力的80%考虑，依此可计算出沿切顶排支撑老顶所需另增的切顶支柱的线密度。实践与理论计算表明：厚1.5m的老顶，岩梁长约6m；厚2.0m的老顶，岩梁长约10m；厚2.5m的老顶，岩梁长约14m。设计时如果缺乏老顶岩梁长度的资料，可参考上述数据。

这里需要说明两个问题：第一、支撑冒落带老顶的支柱应支设在切顶排。这是因为老顶往往断裂在工作面前方煤壁里面，随工作面推进，老顶断裂线进入工作空间上方，而支撑老顶断块的采场支护排数愈来愈少，直至只有切顶排，最后老顶断块进入采空区。可见，只有支设在切顶排处的支柱才能对老顶断块始终起支撑作用。第二、切顶排处另增的切直接顶的支柱线密度和支老顶的支柱线密度不必叠加，取其大值即可，支柱的初撑力当然应按切直接顶的要求确定。

应当指出，设计第三类顶板支护时，由于要支护老顶，宜采用有密集放顶方式。

所谓“让”，是指支柱可缩量要适应冒落带老顶的下沉。这时顶板下沉量可按下面估算：

（3）

式中：SL——距煤壁L处的顶板下沉量，m；

M——煤层采高，m；

L——距煤壁距离，m；

η——下沉系数，0.025~0.05。

（3）式来源于主要应用摩擦式金属支柱时实测的数据。采场应用单体液压支柱后，尤其是初撑力较大时，顶板下沉量大为降低。因此，应用单体液压支柱的工作面，用这个公式估算顶板下沉量时，系数宜取小值。

当冒落带岩层厚度小于2-3倍采高时，采场支柱还要适应裂隙带老顶的下沉。这时，顶板下沉量可按公式(2)估算。

估算的由冒落带老顶导致的顶板下沉量与由裂隙带老顶导致的顶板下沉量，其数值不会相同，支柱选型时应取其大值。

4、第四、五类顶板及其控顶原则

第四类顶板，直接顶厚度小于1倍采高，上面是裂隙带老顶。

第五类顶板，直接顶厚度小于1倍采高，上面是垮落带老顶。

当老顶厚度小于2.5m时，用加强切顶支柱初撑强度的办法切断之，把条件转化为第一、二或三类再处理。为切断老顶，切顶排另增切顶支柱的初撑力应能平衡极限跨距时老顶岩梁及其附加软岩层的重量。实践与理论计算表明：厚1.5m的老顶，极限跨距约3m；厚2.0m的老顶，极限跨距约5m；厚2.5m的老顶，极限跨距约7m。设计时，如果缺乏老顶极限跨距的资料，可参考上述数据。

当老顶厚度大于3m时，因强切有困难，宜用挑顶1倍采高（包括直接顶在内）的办法，把条件转化为第一、二或三类再处理。

5、第六类顶板及其控顶原则

第六类顶板，直接顶厚度小于2-3倍采高，上面是厚层难冒顶板。

对付厚层难冒顶板，如果仍用垮落法处理采空区，则必须用钻眼爆破或高压注水等方法松动碎裂2-3倍采高顶板（包括直接顶在内）。

如果是超前工作面松动碎裂顶板，则需采用采场基本支护的初撑力平衡工作空间上方2-3倍采高岩重，从而确定支柱初撑力、支护密度及排柱距。此外，在切顶排，视直接顶的有无及顶板松动碎裂程度的大小，每米另增初撑力为100-300kN的切顶支柱。

如果在采空区挑顶，则需用采场基本支护的初撑力平衡工作空间上方直接顶岩重，从而确定支柱初撑力，支护密度及排柱距。此外，在切顶排每米另增初撑力不小于300kN的切顶支柱以挡矸。

三、结语

六类顶板及相应的控顶原则只是一个从煤矿实践中提炼的一个工作总结，为搞好采煤工作面的顶板控制，还需要科技工作者与煤矿工作者继续加强这方面的研究，将顶板事故降到最低。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。