矿山岩层控制

采场顶板支护方法和顶板控制

摘要：在实际生产过程中，工作面常有下述一系列矿山压力现象，并且习惯上用这些现象作为衡量矿山压力显现程度的指标。随着我国各种支护设备的使用，我国煤矿回采开采已进入现代化水平，工作面的推进速度，以及当工作面甩掉这些已发生错动的老顶时，时常发生顶板的周期来压，裂隙带岩层形成的结构将始终经历“稳定—失稳—再稳定”的变化。这种变化将呈现周而复始的过程。回采工作面应用的液压支架主要是由梁与柱组合而成的，不仅能实现支设与回撤的自动化，而且对顶板的管理和维护起到很关键的作用，使工作面推进一系列工序也同时实现了机械化，充分减轻了繁重的体力劳动。

关键词矿山压力回采开采周期来压液压支架顶板管理

一．巷道围岩控制理论与实践的发展

（1）巷道布置改革及无煤柱护巷技术

我国在采准巷道矿压理论指导下，形成了完善的巷道合理布置系统。在分析开采引起的围岩应力重新分部规律的基础上，研究沿空巷道一侧煤柱边缘带的应力重新分部和支架与围岩关系，掌握无煤柱护巷机理，推进无煤柱护巷技术。同时，发展整体浇注式巷旁充填技术，为沿空留巷的扩大应用开辟了广阔前景。

（2）研究巷道支架与围岩关系采用先进支护技术

研究巷道支架的合理性能和结构形式，既能有效地抑制围岩变形，又能与围岩变形相互协调，减少支架损坏和改善巷道维护。为此，

研制了适用于不同条件的U型钢、工字钢结构可缩性支架，完善了辅助配套设施，发展了支架壁后充填。

（3）软岩巷道围岩控制理论与实践的发展

自70年代以来，有计划地开展软岩巷道支护技术科技攻关。对软岩巷道围岩控制的基础理论、软岩的岩性分析及工程地质条件、围岩变形力学机制、巷道支护设计、施工工艺及监测进行全面系统研究。针对软岩的类别和变形力学机制，发展了锚喷网支护技术、U型钢支护壁后充填技术、防治底臌封闭支护技术、围岩爆破卸压和注浆加固技术。

（4）巷道围岩控制设计决策及支护质量与顶板动态监测

依据巷道围岩稳定性分类及巷道支护形式与合理支护参数选择

专家系数，预测巷道围岩稳定性类别、预计围岩移近量、选择支护型式、确定支护参数。实行巷道支护质量与顶板动态全过程监测，通过施工过程中的现场监测、信息反馈、不断修正支护设计和调整支护参数。使巷道围岩控制逐步由经验判断和定性评估向定量分析和科学管理转化。

二．采场上覆岩层活动规律的假说

自从采用长壁工作面开采以来，上覆岩层中是否存在着大结构，以及此结构是什么形式，一直是采矿科学研究的重要课题。

1.压力拱假说

它是由德国人哈克和吉里策尔于1928年提出的。

该假说认为：

长壁采煤工作面自开切眼起就形成压力拱，此后，拱随着工作面的推进而扩大，直至拱顶达到地表为止。

在工作面前后煤体中形成的前拱脚a，后方跨落岩石则形成后拱脚b，a、b均为应力增高区，工作面则处于应力降低区，支架承受的载荷仅为上覆压力拱内的岩石重量。

优点：能解释围岩卸载的原因；缺点：未能说明岩层变形、移动和破坏的发展过程以及支架与围岩的相互关系。

2.悬臂梁假说

它是德国的施托克于1916年提出的。该假说认为：

工作面和采空区上方的顶板可视为梁，它一端固定于岩体内，另一端则处于悬伸状态，当悬伸长度很大时，发生有规律的周期性折断，从而引起周期来压，靠近煤壁处顶板下沉量最小，表现的顶板压力也小。

3.预成裂隙假说

由比利时学者A·拉巴斯于1850年提出的。认为：

（1）由于开采的影响，破坏了回采工作面上覆岩层的连续性，从而成为非连续体。

（2）在回采工作面周围存在着应力降低区，应力增高区和采动影响区。

（3）假塑性体，支架应具有足够的支撑力和工作阻力。

4.铰接岩块假说

由苏联学者库兹涅佐夫于1950~1954年提出。认为：

（1）工作面上覆岩层的破坏可分为垮落带和其上的规则移动带。（2）垮落带分上下两部分，下部垮落时，岩块杂乱无章，上部垮落时，则呈规则的排列，但与规则移动带的差别无水平方向有规律的水平挤压力的联系。规则

移动带岩块间可以相互铰合而形成一多环节的铰链，并规则地在采空区上山下沉。

（3）工作面支架在两种不同的状态，“给定载荷”、“给定变形”。三．工作面支架特性

1．工作面支架的工作特性

从总的规律看，巷道上覆岩体的重量由巷道支架承担的仅占1％～2％，其余的完全由巷道周围岩体承受。研究表明，巷道支架的工作特征与一般地面工程结构有着根本性区别，支架受载的大小不仅取决于本身的力学特性（承载能力、刚度和结构特征），而且与其支护对象—围岩本身的力学性质和结构有密切关系，也就是“支架-围岩”相互作用关系。

2．“支架-围岩”相互作用的基本状态

①当巷道顶板岩石与上覆岩层离层或脱落时，支架仅受到离层或脱落岩石自重压力作用，支架处于给定载荷状态。

②当巷道顶板岩石与上覆岩层没有离层或脱落时，支架的受载和压缩变形将取决于上覆岩层的运动状态。这种情况下仅靠支架本身的支撑力无法阻止上覆岩层的运动，只有当上覆岩层下沉过程中受到采空区已冒落矸石或充填物阻挡时，支架的收缩变形才能停止，这时支架处于给定变形状态。

3．“支架-围岩”相互作用原理

现有的各种巷道支架，在“支架-围岩”力学平衡系统中，只能承担极其有限的一小部分载荷，支架在围岩内部应力平衡关系中所起的作用是微小的，更不能企图依靠支架去改变上覆岩层的运动状态。然而支架的这个微小的支撑力又是极其重要和必不可少的，支架的工

作阻力，尤其是初撑力在一定程度上能相当有效地抑制直接顶板离层，控制围岩塑性区的再发展和围岩的持续变形，保持围岩的稳定。因此，巷道支架系统必须具有适当的强度和一定的可缩性，才能有效地控制和适应围岩的变形。

4．“支架-围岩”相互作用原理的应用

（1）实行二次支护

当巷道围岩达到稳定前变形量较大，延续时间较长时，需要开巷后进行一次支护。及时封闭和隔离围岩，防止围岩暴露面上个别危石掉落，同时对围岩初期移动给以一定程度的限制。一次支护允许围岩产生一定的变形，围岩变形和能量释放到一定程度后，进行二次支护。二次支护应在初次支护尚未失效，围岩移近速度已经很小的适当时间进行。

（2）采用柔性支护

金属可缩性支架不仅对围岩的变形产生一定阻力，本身还具有可缩性，避免支架严重变形和损坏。支架在允许围岩有限变形继续释放能量同时，仍具有足够的工作阻力，既能适应围岩的变形，又能控制围岩的变形，充分发挥支架的支护效果。

（3）强调主动支护

采用具有一定初始工作阻力的金属支架，加大巷道围岩的围压，提高巷道围岩的强度，减轻支架承受的载荷。进行巷道支架壁后充填和喷射混凝土，改善支架受力状态和围岩赋存环境，提高支架和围岩的承载能力。