第5期 杨敬轩等：坚硬顶板群下工作面强矿压显现机理与支护强度确定 ·577· 在坚硬顶板条件下的煤层开采中，随着工作面 顶板厚度相当或稍小时，Ⅱ"顶板岩层有可能直接垮 的推进，采场采空区空间逐渐增大，工作面顶板往往 断，造成工作面采场的二次弱冲击；当Ⅱ"顶板厚度 悬而不垮.当工作面推进一定距离后，煤层顶板突 较大时，顶板有可能再次悬而不垮，待工作面推进一 然大规模破断垮落，甚至瞬间形成“飔风”，冲击工 定距离，Ⅱ"顶板悬跨一定长度后，发生垮断造成二 作面生产设备，严重影响了井下人员的生命安全，阻 次强冲击作用.Ⅱ顶板垮断后，Ⅲ坚硬顶板暴露， 碍了矿井的正常生产-.因此，坚硬顶板条件下的 并随着工作面的推进或直接垮断或悬跨一定长度后 强矿压显现机理与工作面合理支护强度确定的问 垮断，形成工作面采场的第三次冲击.以此类推，工 题，一直是采场岩层控制的难题之一.国内科技工 作面开采对顶板群结构分层项板的影响不断向上 作者对此采用理论分析与数值计算相结合的方法， 扩展. 提出了多种工作面强矿压机理分析模型，并给出相 坚硬顶板群结构依序破断后处于复杂的运动调 应的顶板控制措施B) 整状态，破断块体间或相互挤压形成具有一定承载 对于大同矿区坚硬厚层顶板条件下的煤炭生 能力的砌体梁结构，或独立成为离散结构.在顶板 产，自20世纪70年代以来，对煤层坚硬厚层顶板的 破断块体群结构趋于稳定平衡前，这种复杂的运动 控制已得到不断改普.然而，由于煤矿实际生产条 状态始终存在，从而导致相同块体间的运动与承载 件较为复杂，顶板控制工艺的实施仍存在一定困难. 状态不断发生变化，形成工作面采场的复杂来压与 随着煤炭开采规模的不断扩大以及矿井开采深度的 冲击现象.冲击应力波通过下位多层顶板块体 逐渐加深，产生了一系列深井开采问题，其中对于深 的透射直至工作面采场空间，且越靠近采场范围，顶 井坚硬厚层顶板条件下的强矿压机理分析与控制问 板块体运动状态越不稳定，这种冲击效应的影响也 题更是亟待分析与解决6- 越剧烈.为弄清某一顶板破断块体的突然失稳对下 以大同矿区煤炭开采为例，煤层开采深度已延 位工作面采场的影响，这里首先分析冲击载荷在层 深至石炭系，而煤层上覆顶板岩层岩性则主要以砂 状块体结构中的传载规律以及应力波穿过破断顶板 岩成分为主，项板赋存较为完整，岩石颗粒致密，硬 岩层的传载特征.0-，如图1所示 度较高，由此带来了坚硬厚层顶板群结构下的深井 开采问题.目前己有关于工作面采动影响的数值模 拟分析切，关于坚硬顶板破断失稳条件下的冲击影 响探讨圆，关于动压作用下的巷道稳定性研究可 等，尽管对层状顶板失稳条件下的应力波传播进行 了分析0)，并得到了覆岩顶板失稳对采场来压强 度的影响规律网，但理论分析过程中没有考虑应力 波能量通过层间结构面时的损失.鉴于目前坚硬厚 层顶板单层垮断或多层同步垮断情况下的采场冲击 图1层状顶板岩层中的应力波传播 对工作面支架阻力影响的分析尚不多见，这里以大 Fig.I Stress wave propagation in layered roof strata 同矿区煤层生产实际为背景，对煤矿井下煤岩层间 图1中，n为坚硬顶板破断块体层数：块体分层 应力波传播规律进行修正，分析坚硬厚层顶板群结 界面编号自下而上依次为1,2，…，，j+1,…, 构下的工作面强矿压机理，合理确定工作面支架支 n+1:h1~hn为分层顶板破断块体厚度；，~.+1为 护强度，为矿井多分层坚硬厚层顶板的控制提供理 应力波穿过块体界面时的波速；o:与：分别为应力 论依据. 波穿过1号界面前后的入射与反射波速，其中入射 坚硬顶板群结构的冲击机理 波与反射波以上标正、负号区分；m与"2分别为应 力波穿过2号界面前后的入射与反射波速，上标符 为叙述方便起见，对煤层顶板群结构中的分层 号意义相同：a1~zn为分层介质的波阻抗. 坚硬顶板进行编号，自煤层上覆的近距离坚硬顶板 当应力波通过1号界面时，根据界面两侧波速 依次往上分别定义为I"、Ⅱ"、Ⅲ项板等.工作面自 与应力的连续条件得到 切眼位置回采，随着工作面的推进，I"坚硬顶板岩 层的突然垮断，会给工作面采场带来一定冲击影响. 「U1=o+01=ui+1i, (1) 紧接着Ⅱ"顶板岩层暴露，当Ⅱ"顶板岩层厚度与I· 01=0+i=21-21i第 5 期 杨敬轩等: 坚硬顶板群下工作面强矿压显现机理与支护强度确定 在坚硬顶板条件下的煤层开采中，随着工作面 的推进，采场采空区空间逐渐增大，工作面顶板往往 悬而不垮． 当工作面推进一定距离后，煤层顶板突 然大规模破断垮落，甚至瞬间形成“飓风”，冲击工 作面生产设备，严重影响了井下人员的生命安全，阻 碍了矿井的正常生产［1--2］． 因此，坚硬顶板条件下的 强矿压显现机理与工作面合理支护强度确定的问 题，一直是采场岩层控制的难题之一． 国内科技工 作者对此采用理论分析与数值计算相结合的方法， 提出了多种工作面强矿压机理分析模型，并给出相 应的顶板控制措施［3--4］． 对于大同矿区坚硬厚层顶板条件下的煤炭生 产，自 20 世纪 70 年代以来，对煤层坚硬厚层顶板的 控制已得到不断改善． 然而，由于煤矿实际生产条 件较为复杂，顶板控制工艺的实施仍存在一定困难． 随着煤炭开采规模的不断扩大以及矿井开采深度的 逐渐加深，产生了一系列深井开采问题，其中对于深 井坚硬厚层顶板条件下的强矿压机理分析与控制问 题更是亟待分析与解决［5--6］． 以大同矿区煤炭开采为例，煤层开采深度已延 深至石炭系，而煤层上覆顶板岩层岩性则主要以砂 岩成分为主，顶板赋存较为完整，岩石颗粒致密，硬 度较高，由此带来了坚硬厚层顶板群结构下的深井 开采问题． 目前已有关于工作面采动影响的数值模 拟分析［7］，关于坚硬顶板破断失稳条件下的冲击影 响探讨［8］，关于动压作用下的巷道稳定性研究［9］ 等，尽管对层状顶板失稳条件下的应力波传播进行 了分析［10--13］，并得到了覆岩顶板失稳对采场来压强 度的影响规律［8］，但理论分析过程中没有考虑应力 波能量通过层间结构面时的损失． 鉴于目前坚硬厚 层顶板单层垮断或多层同步垮断情况下的采场冲击 对工作面支架阻力影响的分析尚不多见，这里以大 同矿区煤层生产实际为背景，对煤矿井下煤岩层间 应力波传播规律进行修正，分析坚硬厚层顶板群结 构下的工作面强矿压机理，合理确定工作面支架支 护强度，为矿井多分层坚硬厚层顶板的控制提供理 论依据． 1 坚硬顶板群结构的冲击机理 为叙述方便起见，对煤层顶板群结构中的分层 坚硬顶板进行编号，自煤层上覆的近距离坚硬顶板 依次往上分别定义为Ⅰ# 、Ⅱ# 、Ⅲ# 顶板等． 工作面自 切眼位置回采，随着工作面的推进，Ⅰ# 坚硬顶板岩 层的突然垮断，会给工作面采场带来一定冲击影响． 紧接着Ⅱ# 顶板岩层暴露，当Ⅱ# 顶板岩层厚度与Ⅰ# 顶板厚度相当或稍小时，Ⅱ# 顶板岩层有可能直接垮 断，造成工作面采场的二次弱冲击; 当Ⅱ# 顶板厚度 较大时，顶板有可能再次悬而不垮，待工作面推进一 定距离，Ⅱ# 顶板悬跨一定长度后，发生垮断造成二 次强冲击作用． Ⅱ# 顶板垮断后，Ⅲ# 坚硬顶板暴露， 并随着工作面的推进或直接垮断或悬跨一定长度后 垮断，形成工作面采场的第三次冲击． 以此类推，工 作面开采对顶板群结构分层顶板的影响不断向上 扩展． 坚硬顶板群结构依序破断后处于复杂的运动调 整状态，破断块体间或相互挤压形成具有一定承载 能力的砌体梁结构，或独立成为离散结构． 在顶板 破断块体群结构趋于稳定平衡前，这种复杂的运动 状态始终存在，从而导致相同块体间的运动与承载 状态不断发生变化，形成工作面采场的复杂来压与 冲击现象［8--9］． 冲击应力波通过下位多层顶板块体 的透射直至工作面采场空间，且越靠近采场范围，顶 板块体运动状态越不稳定，这种冲击效应的影响也 越剧烈． 为弄清某一顶板破断块体的突然失稳对下 位工作面采场的影响，这里首先分析冲击载荷在层 状块体结构中的传载规律以及应力波穿过破断顶板 岩层的传载特征［8，10--13］，如图 1 所示． 图 1 层状顶板岩层中的应力波传播 Fig． 1 Stress wave propagation in layered roof strata 图 1 中，n 为坚硬顶板破断块体层数; 块体分层 界面编号自下而上依次为 1，2，…，j，j + 1，…， n + 1; h1 ～ hn为分层顶板破断块体厚度; v1 ～ vn + 1 为 应力波穿过块体界面时的波速; v01与 v11分别为应力 波穿过 1 号界面前后的入射与反射波速，其中入射 波与反射波以上标正、负号区分; v02与 v12分别为应 力波穿过 2 号界面前后的入射与反射波速，上标符 号意义相同; z1 ～ zn为分层介质的波阻抗． 当应力波通过 1 号界面时，根据界面两侧波速 与应力的连续条件得到 v1 = v + 01 + v － 01 = v + 11 + v － 11， σ1 = σ + 11 + σ － 11 = z1 v + 11 － z1 v － 11 { ． ( 1) · 775 ·