復合頂板推垮型冒頂機理與防治措施

陳德雨

【摘 要】本文論述了復合頂板推垮型冒頂的機理及對復合頂板推垮型冒頂的防治措施，具有一定借鑒意義。

【關鍵詞】復合頂板；推垮型冒頂；機理；防治

1.復合頂板推垮型冒頂的機理

1.1復合頂板推垮型冒頂的特點

①冒頂前采場頂板壓力不大，支架沒有變形、損壞、金屬支柱沒有明顯的下縮。

②多數情況下，冒頂前采場直接頂已沿煤幫斷裂。

③冒頂后支柱沒有折損現象只是傾倒，多數是沿煤層傾斜方向向下傾倒，也有向老塘傾倒的。

④冒頂后上部硬巖層大面積懸露不冒，個別情況是冒落幾個大塊。

⑥冒頂多發生在開切眼附近。

1.2復合頂板推垮型冒頂的機理

煤層具有復合頂板同時還必須具備下列四個條件，才會發生推垮型冒頂。

①離層。

多數情況是由于支柱的初撐力較小，在頂板下位軟巖層的自重作用下支柱下縮或下沉，而頂板上位硬巖層未下沉或下沉較慢，也就是軟、硬巖層的下沉不同步，軟快而硬慢，從而導致軟巖層與其上部硬巖層離層。

②斷裂。

由于各種原因，在頂板下位軟巖層中斷裂出一個軟巖六面體。下位軟巖層斷裂出六面體有三方面原因：第一是地質構造原因、即下位軟巖層中存在原生的斷層裂隙或尖滅構造；第二是巷道布置原因，即在工作面開采范圍內存在沿走向或沿傾斜的老巷，由于巷道支架沒有多大初撐力，抑制不住巷道上方下位軟巖層的下沉斷裂；第三是支柱初撐力低的原因，由于支柱初撐力低，導致下位軟巖層沿煤幫斷裂。

③去路和傾角。

當六面體周圍出現一個自由空間，使六面體有了去路，而且六面體向去路方向又有一定的傾角時，在自重作用下，六面體就具有向去路方向的推力。

如果沿工作面自上而下至某點處，復合頂板下位軟巖層尖滅，這就等于六面體在其傾斜下方有一個天然的去路，再加上煤層有一定的傾角，那就非常危險。

④推力大于阻力。

假設六面體下側有自由空間，則六面體就具有沿傾斜向下的推力。當六面體有向下推的趨勢時，巖層斷裂面將產生阻止六面體下推的摩擦阻力，老塘碎矸將對六面體產生阻止下推的摩擦阻力；上側斷裂面也會由于巖層似斷未斷，而有阻止六面體下推的向上拉力；此外，支柱的迎山角也會對六面體的下推有個阻力。只有當總阻力小于六面體向下的推力時，才會發生推垮型冒頂。從支護觀點考察復合頂板推垮型冒頂問題可以看出，問題不在于支護的支撐力不夠，而在于支護的失穩，六面體是因為支護失穩而才發生推垮的。換句話說，如果六面體下是穩定性好的能抵抗來自層面方向推力的支架，則也能阻止六面體下推。

1.3在具有復合頂板的采場中容易發生推垮型冒頂的地點

①開切眼附近，在這個區域頂板上部硬巖層兩側都有煤柱支撐，不容易下沉，這就給下部軟巖層的下沉離層創造了有利的條件。

②地質破壞帶（斷層、裂隙等）附近，在這些地點，頂板下部軟巖層容易形成六面體。

③尖滅構造附近，采場頂板存在尖滅構造，既容易形成六面體，又可能給六面體以去路。

④老巷附近，由于老巷頂板已破壞，增加了在頂板巖層中形成六面體的可能性。

⑤掘進上下順槽時，破壞了順槽的復合頂板，可能給六面體開創一個去路；而破壞了下順槽的復合頂板，則既增加產生六面體的可能性，又減小已產生六面體下推時的阻力。

⑥局部冒頂區附近 ，這些地點也存在“去路”、增加產生六面體的可能性和減小已產生六面體下推時的阻力等問題。

⑦傾角大的地段，在這些地段，由重力作用而令六面體傾斜下推的力增大。

⑧頂板巖層含水的地段，這些地段由于摩擦系數降低，總阻力將大為減小。

總之，在上述地點發生推垮型冒頂的可能性比其它地點要大，生產中要引起重視。

2.防治復合頂板推垮型冒頂的綜合治理措施

在目前有相當多的采煤工作面具有復合頂板，由于各種因素不能采用綜采或俯斜長壁開采，因此針對使用單體支架的走向長壁工作面，提出防治復合頂板推垮型冒頂的措施。

2.1從破壞形成推垮型冒頂的條件出發，采取以下措施能有效地防止推垮型冒頂事故

①布置偽俯斜工作面并使垂直工作面方向的向下傾角達到4～6°。這個措施的目的是限定六面體要推移時，只能沿工作面向下側推移，而阻止推移的摩擦阻力則較大。當煤層沿走向起伏不平時，會影響這個措施的效果。

②掘進上下順槽時不破壞復合頂板。

③工作面初采時不要反推。如果工作面的頂板是復合頂板，開切眼處的頂板已離層斷裂，當在反推范圍初次放頂時，極容易在原開切眼處誘發推垮型冒頂。

④控制采高，使軟巖層冒落后能超過采高。這個措施的目的在于：第一、堵住六面體向老塘的去路；第二、在六面體要向工作面下方推移時，增加阻止六面體下推的摩擦阻力。

⑤盡量避免上下順槽與工作面斜交。上順槽與工作面斜交，上順槽附近的上位硬巖層由于支承條件較好不易下沉，增加了下位軟巖層離層的可能性，這不利于防止推垮型冒頂。下順槽與工作面斜交時情況也類似。

⑥靈活應用戧柱、戧棚，使它們迎著六面體可能推移的方向。

⑦在開切眼附近，控頂區內，系統地布置樹脂錨桿。這個措施是把下位軟巖層與上位硬巖層錨在一起而防止推垮型冒頂。

2.2從解決采場支架穩定性出發是更有效的更應該采用的措施

①采用“整體支架”：

在使用摩擦式金屬支柱和金屬鉸接頂梁的回采工作面中，采取在開切眼附近使用拉鉤式連接器把每排支柱從工作面上端至工作面下端都連接起來、或用十字鉸接頂頂梁與單體支柱組成整體支架、也可以在金屬支柱、鉸接頂梁支架下，加兩排木梁金屬柱的傾斜對接抬棚或戧棚和沿傾斜方向隔一段距離增設木垛等方法，使支架在采場中組成了一個穩定的可以阻止六面體下推的“整體支架”。

②提高單體支柱的初撐力及剛度：

由于支柱的初撐力小剛度差導致復合頂板離層，反過來又使工作面支架不穩定。為解決這個問題，必須提高單體支柱的初撐力及剛度，使初撐力不僅能支承住頂板下位軟巖層，而且能把軟巖層貼緊硬巖層，讓其間的摩擦力足夠阻止軟巖層下滑，從而支架本身也能穩定。為此我們根據公式P0=15rh0（cosα+sinα/f）/n計算支柱應具有的初撐力。

式中 P0——每根支柱的初撐力，KN/根；n——支柱密度，根/m2。

r——軟巖層平均容重，t/m3；h0——軟巖層厚度，m。

α——煤層和巖層的傾角，度；f——軟硬巖層間滑動摩擦系數。

15——安全系數和重量與力轉化系數的綜合系數。

根據以上公式，當n=2根/m2、r=2.5 t/m3、f=0.3，可計算出15o、20o、25o不同時，h0所需的支柱初撐力。

3.結語

復合頂板的治理存在很多不確定的因素，在具有復合頂板的工作面下回采，必須引起足夠的重視，確保安全生產。