20世纪60年代，编写出版了《缓倾斜煤层矿山压力现场观测研究方法》，制定了我国第一个回采工作面顶底板分类办法；1983年，完成“缓倾斜煤层回采工作面顶板分类”研究，并于1996年完成了《缓倾斜煤层采煤工作面底板分类》、《缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类》2项行业标准。
史元伟研究员在弹性理论和弹性基础板基础上发展了垮落法开采工作面围岩支承压力计算公式；针对综放开采的特点，樊运策和康立军研究员得出了综放工作面存在大小周期来压之分，并根据相关理论提出了统计回归、顶板下沉量数值模拟、岩层结构分析、工程类比等多种工作面支护强度计算方法；任艳芳博士根据浅埋深矿压显现特点提出了承压拱结构；针对浅埋深来压时矿压显现强烈与神东公司共同研究得出了切落体结构模型；揭示工作面发生大面积切顶压架机理是顶板在煤壁处“断裂”且“失稳”，提出了以控制顶板下沉量为主要途径的大面积切顶压架防治技术。
上世纪50、60年代，研制圆图压力自记仪、机械测力计等矿压观测仪器；研制CDW和KSE矿压系列监测仪器；“十一五”期间开发KJ21顶板动态监测系统，实现矿压数据秒级采样，顶板动载及围岩稳定性的实时监测；“十二五”期间，开发KJ21(B)顶板无线监测系统。近几年，提出了采煤工作面顶板灾害预警指标和支架工况评价指标，建立顶板灾害预警平台，实现顶板灾害的实时自动监测及预警。提出并实现了采用微震系统监测远场顶板活动和采用矿压监测系统监测工作面支架工作阻力近场顶板活动，实现了远近场融合监测和分析，研究得出顶板活动规律和矿压显现相互关系。
20世纪80年代，与大同矿务局等单位合作，采用深孔爆破弱化技术解决了坚硬顶板大面积垮落和坚硬顶煤冒放性差的问题，并在全国进行了推广。90年代初，宁宇研究员采用高压注水技术弱化坚硬顶板。目前，采矿所形成了深孔爆破和水力压裂坚硬顶板弱化成套技术，在山西、内蒙、陕西得到广泛应用和推广。
一、工作面覆岩活动理论
1、特厚煤层综放开采“组合悬臂梁-铰接岩梁”顶板结构模型
厚及特厚煤层综放开采上覆岩层活动范围较大，传统意义上的基本顶不能形成稳定的铰接结构，而是以“组合悬臂梁”或“短悬臂梁”形式运动，并有一定的自承能力和滞后性，进而推导了支架工作阻力计算公式下限值，丰富了厚及特厚煤层大采高综采覆岩活动规律研究。
▲特厚煤层综放开采“组合悬臂梁-铰接岩梁”结构模型
▲专著
2、浅埋深工作面“切落体”结构模型
▲浅埋深“切落体”结构模型
▲专著
3、大面积切顶压架机理和防治手段
工作面大面积切顶压架是工作面顶板主要灾害之一，不仅坚硬顶板发生，松软顶板和浅埋深煤层也时常发生。通过研究发现，大面积切顶压架主要原因是工作面煤壁上方顶板发生“断裂-失稳”，通过控制顶板下沉量以杜绝工作面煤壁上方顶板发生“断裂-失稳”。
▲直接顶和基本顶正常垮落示意图
▲直接顶和基本顶在煤壁处断裂示意图
▲直接顶和基本顶在煤壁处断裂后失稳示意图
二、工作面矿压分析理论
分析矿压数据得出工作面顶板上覆岩层及工作面矿压显现规律，评价工作面顶板管理水平和支架工况，以指导工作面顶板管理和安全生产。
▲工作面来压步距分析结果
▲工作面支架工作阻力分布
▲支架初撑力和末阻力分析结果
▲支架工作阻力预测结果
三、工作面上覆岩层活动和矿压规律监测
根据工作面矿压监测需求，开发了KJ21矿压监测预警系统，实现工作面初撑力、安全阀开启、来压步距、支架工况、来压预警自动分析，根据矿方需求可以分别在“煤矿-集团-云平台”不同范围进行展示和查询数据。采用微震系统监测远场顶板活动和采用矿压系统监测工作面支架工作阻力近场顶板活动，实现了远近场融合监测和分析，研究得出顶板活动规律和矿压显现相互关系、导水裂隙带高度等。
▲KJ21矿压实时监测预警系统
▲工作面顶板灾害监测系统及平台架构
▲微震监测顶板断裂位置（Z方向）图
▲某矿顶板灾害平台展示界面
四、工作面顶板灾害防治技术
1、坚硬顶板及顶煤深孔爆破预裂技术
采用深孔爆破对坚硬顶板和顶煤在开采前进行预裂弱化，以减少坚硬顶垮落步距和提高综放开采顶煤冒放性。其核心是通过合理的炮孔布置、装药方式、起爆顺序等工艺，在预定深度炮孔内利用煤矿许用乳化炸药（或水胶炸药）爆破产生的冲击波和应力波弱化顶煤和顶板，采矿技术研究形成了爆破方案设计、装药工艺及工具、爆破检验方法成套技术。该技术常用在端头悬顶、巷道卸压、快速过断层等。
▲炮孔爆破装药结构示意图
2、坚硬顶板水力压裂预裂技术
利用特殊钻头对钻孔孔壁进行切缝，形成应力集中，再通过注高压水，使顶板沿着切缝形成裂隙，从而实现顶板弱化，在工作面矿压作用下顶板有序垮落，避免产生大面积垮落事故。该项技术可应用于坚硬顶板初次放顶、房柱式采空区下长壁工作面顶板控制、巷道卸压、端头悬顶处理，已在全国推广应用。
▲特殊割缝钻头
▲裂纹扩展示意图
3、大面积切顶压架防治技术
工作面发生大面积切顶压架影响工作面的正常生产，易导致采空区发火、顶板涌水等次生灾害。采矿技术研究所通过多年的研究发现，大面积切顶压架可能发生在任何性质的工作面，并提出了确定合理采煤方法和支架架型、提高支架刚度和初撑力、加强支架工况监测和管理、确定合理的工作面推进速度、提前预警的大面积切顶压架综合防治技术，该项技术在陕西崔木煤矿、扎赉诺尔铁北矿等进行了应用，取得了良好的效果。
▲某矿压架时支架顶梁损坏图
▲某矿压架时切顶图
▲压架时支架工作阻力
▲处理后未发生压架时工作阻力
作者：徐 刚
编辑：王传朋
