复合顶板推垮型冒顶机理与防治措施

陈德雨

【摘 要】本文论述了复合顶板推垮型冒顶的机理及对复合顶板推垮型冒顶的防治措施，具有一定借鉴意义。

【关键词】复合顶板；推垮型冒顶；机理；防治

1.复合顶板推垮型冒顶的机理

1.1复合顶板推垮型冒顶的特点

①冒顶前采场顶板压力不大，支架没有变形、损坏、金属支柱没有明显的下缩。

②多数情况下，冒顶前采场直接顶已沿煤帮断裂。

③冒顶后支柱没有折损现象只是倾倒，多数是沿煤层倾斜方向向下倾倒，也有向老塘倾倒的。

④冒顶后上部硬岩层大面积悬露不冒，个别情况是冒落几个大块。

⑥冒顶多发生在开切眼附近。

1.2复合顶板推垮型冒顶的机理

煤层具有复合顶板同时还必须具备下列四个条件，才会发生推垮型冒顶。

①离层。

多数情况是由于支柱的初撑力较小，在顶板下位软岩层的自重作用下支柱下缩或下沉，而顶板上位硬岩层未下沉或下沉较慢，也就是软、硬岩层的下沉不同步，软快而硬慢，从而导致软岩层与其上部硬岩层离层。

②断裂。

由于各种原因，在顶板下位软岩层中断裂出一个软岩六面体。下位软岩层断裂出六面体有三方面原因：第一是地质构造原因、即下位软岩层中存在原生的断层裂隙或尖灭构造；第二是巷道布置原因，即在工作面开采范围内存在沿走向或沿倾斜的老巷，由于巷道支架没有多大初撑力，抑制不住巷道上方下位软岩层的下沉断裂；第三是支柱初撑力低的原因，由于支柱初撑力低，导致下位软岩层沿煤帮断裂。

③去路和倾角。

当六面体周围出现一个自由空间，使六面体有了去路，而且六面体向去路方向又有一定的倾角时，在自重作用下，六面体就具有向去路方向的推力。

如果沿工作面自上而下至某点处，复合顶板下位软岩层尖灭，这就等于六面体在其倾斜下方有一个天然的去路，再加上煤层有一定的倾角，那就非常危险。

④推力大于阻力。

假设六面体下侧有自由空间，则六面体就具有沿倾斜向下的推力。当六面体有向下推的趋势时，岩层断裂面将产生阻止六面体下推的摩擦阻力，老塘碎矸将对六面体产生阻止下推的摩擦阻力；上侧断裂面也会由于岩层似断未断，而有阻止六面体下推的向上拉力；此外，支柱的迎山角也会对六面体的下推有个阻力。只有当总阻力小于六面体向下的推力时，才会发生推垮型冒顶。从支护观点考察复合顶板推垮型冒顶问题可以看出，问题不在于支护的支撑力不够，而在于支护的失稳，六面体是因为支护失稳而才发生推垮的。换句话说，如果六面体下是稳定性好的能抵抗来自层面方向推力的支架，则也能阻止六面体下推。

1.3在具有复合顶板的采场中容易发生推垮型冒顶的地点

①开切眼附近，在这个区域顶板上部硬岩层两侧都有煤柱支撑，不容易下沉，这就给下部软岩层的下沉离层创造了有利的条件。

②地质破坏带（断层、裂隙等）附近，在这些地点，顶板下部软岩层容易形成六面体。

③尖灭构造附近，采场顶板存在尖灭构造，既容易形成六面体，又可能给六面体以去路。

④老巷附近，由于老巷顶板已破坏，增加了在顶板岩层中形成六面体的可能性。

⑤掘进上下顺槽时，破坏了顺槽的复合顶板，可能给六面体开创一个去路；而破坏了下顺槽的复合顶板，则既增加产生六面体的可能性，又减小已产生六面体下推时的阻力。

⑥局部冒顶区附近 ，这些地点也存在“去路”、增加产生六面体的可能性和减小已产生六面体下推时的阻力等问题。

⑦倾角大的地段，在这些地段，由重力作用而令六面体倾斜下推的力增大。

⑧顶板岩层含水的地段，这些地段由于摩擦系数降低，总阻力将大为减小。

总之，在上述地点发生推垮型冒顶的可能性比其它地点要大，生产中要引起重视。

2.防治复合顶板推垮型冒顶的综合治理措施

在目前有相当多的采煤工作面具有复合顶板，由于各种因素不能采用综采或俯斜长壁开采，因此针对使用单体支架的走向长壁工作面，提出防治复合顶板推垮型冒顶的措施。

2.1从破坏形成推垮型冒顶的条件出发，采取以下措施能有效地防止推垮型冒顶事故

①布置伪俯斜工作面并使垂直工作面方向的向下倾角达到4～6°。这个措施的目的是限定六面体要推移时，只能沿工作面向下侧推移，而阻止推移的摩擦阻力则较大。当煤层沿走向起伏不平时，会影响这个措施的效果。

②掘进上下顺槽时不破坏复合顶板。

③工作面初采时不要反推。如果工作面的顶板是复合顶板，开切眼处的顶板已离层断裂，当在反推范围初次放顶时，极容易在原开切眼处诱发推垮型冒顶。

④控制采高，使软岩层冒落后能超过采高。这个措施的目的在于：第一、堵住六面体向老塘的去路；第二、在六面体要向工作面下方推移时，增加阻止六面体下推的摩擦阻力。

⑤尽量避免上下顺槽与工作面斜交。上顺槽与工作面斜交，上顺槽附近的上位硬岩层由于支承条件较好不易下沉，增加了下位软岩层离层的可能性，这不利于防止推垮型冒顶。下顺槽与工作面斜交时情况也类似。

⑥灵活应用戗柱、戗棚，使它们迎着六面体可能推移的方向。

⑦在开切眼附近，控顶区内，系统地布置树脂锚杆。这个措施是把下位软岩层与上位硬岩层锚在一起而防止推垮型冒顶。

2.2从解决采场支架稳定性出发是更有效的更应该采用的措施

①采用“整体支架”：

在使用摩擦式金属支柱和金属铰接顶梁的回采工作面中，采取在开切眼附近使用拉钩式连接器把每排支柱从工作面上端至工作面下端都连接起来、或用十字铰接顶顶梁与单体支柱组成整体支架、也可以在金属支柱、铰接顶梁支架下，加两排木梁金属柱的倾斜对接抬棚或戗棚和沿倾斜方向隔一段距离增设木垛等方法，使支架在采场中组成了一个稳定的可以阻止六面体下推的“整体支架”。

②提高单体支柱的初撑力及刚度：

由于支柱的初撑力小刚度差导致复合顶板离层，反过来又使工作面支架不稳定。为解决这个问题，必须提高单体支柱的初撑力及刚度，使初撑力不仅能支承住顶板下位软岩层，而且能把软岩层贴紧硬岩层，让其间的摩擦力足够阻止软岩层下滑，从而支架本身也能稳定。为此我们根据公式P0=15rh0（cosα+sinα/f）/n计算支柱应具有的初撑力。

式中 P0——每根支柱的初撑力，KN/根；n——支柱密度，根/m2。

r——软岩层平均容重，t/m3；h0——软岩层厚度，m。

α——煤层和岩层的倾角，度；f——软硬岩层间滑动摩擦系数。

15——安全系数和重量与力转化系数的综合系数。

根据以上公式，当n=2根/m2、r=2.5 t/m3、f=0.3，可计算出15o、20o、25o不同时，h0所需的支柱初撑力。

3.结语

复合顶板的治理存在很多不确定的因素，在具有复合顶板的工作面下回采，必须引起足够的重视，确保安全生产。