頂板災害防治
一、有關礦山壓力的 基礎知識
(一) 岩石的物理力學性質
1、岩石的物理性質
（1）岩石的重力密度γ（容重）：岩石所受的重力與包括空隙在內的岩石總體積之比。
如砂岩的重力密度（容重）為：γ=19.6KN/m³-27.5KN/m³
（2）岩石的孔隙率 (n):岩石的孔隙體積與其總體積之比。
沉積岩的孔隙率一般小於10%，但部分礫岩和膠結性較差的砂岩孔隙率可達標10%~20%。
（3）岩石的碎脹性:岩石破碎後體積增大的性質。
殘餘碎脹性係數( kp。)：破碎岩石在礦山壓力作用下，壓實後的體積與破碎前的體積之比。
2、岩石的變形性質
岩石單軸壓縮，應力（σ）─應變（ε）曲線。（見圖1）
應力σ：單位麵積上的力 ；應變=（L–L′）⁄ L
（1）壓縮階段；
（2）彈性變形階段；
（3）塑性變形階段，直至破壞。
岩石性質不同，應力─應變曲線各不相同。
3、岩石強度性質
（1）強度概念：抵抗外力(應力)而不破壞的能力。
根據應力狀態，強度有：抗壓強度，抗拉強度，抗剪強度,抗彎強度；
抗壓強度：單向抗壓強度，雙向抗壓強度，三向抗壓強度。
（2）強度的特征
抗壓>抗剪>抗彎>抗拉
三向抗壓>雙向抗壓>單向抗壓；
三向抗壓強度，側壓力愈大強度愈大：
（3）岩石強度的指標: f稱為普氏係數
硬石灰岩、硬砂岩，f=8；普通砂岩，f=6；
砂質頁岩，f=5；礫岩，f=4；
普通頁岩，f=3；軟頁岩、無煙煤，f=2；
煤，f=1-1.5。
4、岩體的變形與強度特性
岩體與岩塊特性的差別：
（1）構造上的差別：岩體充滿裂隙、層理等弱麵；
（2）受力狀態差別：岩體受三向應力；
（3）岩塊尺寸不同，強度也不同；岩塊尺寸愈大，強度愈小。
岩體被許多裂縫切割，但塊度也很大。
（二）礦山岩體內原始應力分布規律
1、自重力
地下岩體處於三向應力狀態。
2、構造應力（見圖2）
原因：構造應力。地殼運動使岩體變形，岩體內儲存彈性變形能。當應力超過岩體強度時，岩體破壞，能量全部或部分釋放。未釋放的能量，變為構造應力（殘餘應力）。
構造應力特征：
（三）孔的周圍應力分布（見圖3）
4、大小孔周圍的應力
5、壓力在底板內傳播（見圖5）
二、長壁工作麵圍岩運動基本規律
第一種情況：有老頂，直接頂不太厚；直接頂厚度小於或等於采高的35倍。（見圖6）
（1）在開切眼內開始回采；
（2）采到一定距離後，直接頂垮落，但垮落後的碎石不能充滿采空區，有∆間隙；
（3）隨工作麵推進，直接頂一次一次地垮落，老頂岩層的跨度不斷地增大，增大到一定距離，折斷，給支架一個動壓----初次減壓；
（4）工作麵繼續推進，直接頂再一次一次的垮落，老頂跨度增大到一定長度後，又一次折斷。這種折斷隨工作麵推進是周期性的----周期來壓。
第二種情況：直接頂厚度大於采高的5倍，垮落後能充滿采空區，老頂距工作麵較遠或無老頂。（見圖7）
直接頂上部老頂岩層，隨直接頂的垮落而下沉（折斷或不折斷），壓在采空區的已垮落的矸石上，無周期來壓（或周期來壓不明顯）。
第三種情況：無直接頂，堅硬而厚的老頂岩層直接在煤層之上。老頂岩層懸空後，彎曲不大；在端部出現裂縫，並從兩端整體切下，剪應力破壞。（見圖8）
支架載荷
，頂板折斷時，產生很大的動壓，並形成風暴，催跨工作麵。
第四種情況：直接頂為裂隙發達的石灰岩，煤層厚度不大，直接頂下沉到底板之前，不會垮落。支架上載荷
， ，頂板壓力不大，穩定。（見圖9）
根據以上情況，頂板可分為五類：（∑h: 直接頂厚度；M: 采高；L8:老頂初次垮落步距）。
I、∑h>
II、0.3M<∑h£3~
情況）。
III、0.3M<∑h£3~
IV、∑h=0，老頂堅硬而厚，來壓極強烈（第三種情況）。
V、塑性彎曲頂板，無周期來壓（第四種情況）。
三、長壁工作麵圍岩應力分布基本規律
I、應力降低區：比原始應力小。工作麵支架，采空區矸石。
II、應力升高區：比原始應力大。工作麵四周煤體，采空區後部的矸石。
III、原始應力區：遠離工作麵前方的煤體和采空區更後部的矸石。
應力集中係數k=升高（降低）應力區的應力原始應力。
升高應力區k=2~3—5~7。
四、工作麵礦山壓力顯現
（一）工作麵頂板下沉及頂板下沉速度
1、工作麵推進過程中頂板下沉量及頂板下沉速度（見圖11）
曲線1，直接頂下沉量，mm；
曲線2，直接頂下沉速度，mm/day。
C0 --- 初次來壓老頂垮落步距；
C1 --- 周期來壓老頂垮落步距。
2、采高、控頂距離及支架阻力對頂板下沉量的影響
（1）煤層厚度（采高）大，頂板下沉量大；
（2）控頂距離大，頂板下沉量大；
（3）支架阻力愈大， L愈大，頂板下沉量愈小；支架阻力不變， L不變（常數）。
工作麵推進速度愈快，頂板下沉時間愈短。根據實際觀測，工作麵推進速度增大，頂板下沉速度也增大，但不是成正比例增加。因此，頂板下沉量 隨工作麵推進速度增大而減小。
4、開采深度及煤層傾角
根據實例，開采深度在600-800m以內時，頂板下沉量與開采深度無關。
煤層傾角愈大，頂板下沉的垂直分量愈小，但頂板下滑力增大。
5、回采工藝對頂板下沉速度影響
落煤，放頂時，頂板下沉速度增大。
（二）支承壓力顯現
1、應力升高區的壓力稱支承壓力。位於工作麵前方，工作麵兩側煤柱上，采空區壓實的矸石上。
2、支承壓力形成過程
（1）割煤後，最大壓力在煤壁；
（2）隨煤壁的破碎，支承壓力向煤體內轉移；
（3）繼續轉移。
3、影響支承壓力分布的因素
（1） 開采深度：隨開采深度增大，應力集中係數增大，支承壓力最
大值距煤壁距離增大；
（2）煤的強度：煤的強度愈大，支承壓力的集中係數愈大，但支承壓力最大值距煤壁距離愈小；
（3）煤層厚度：煤層厚度愈大，其強度愈小，支承壓力最大值內移；（4）頂板岩石性質：頂板岩石愈堅硬，支承壓力分布範圍愈廣，應力集中係數愈小；
（5）支架阻力：支架阻力大，支承壓力小，分布範圍小；支架阻力小，支承壓力大，分布範圍大。
（6）頂板控製方法：與垮落法相比采用充填法時支承壓力小、分布範圍小。
（三）老頂礦山壓力顯現：初次來壓及周期來壓(見第二部分)
第二部分 頂板控製與頂板災害防治
一、頂板控製方式
工作麵支架、采空區處理、工作麵來壓的預報與監控、工作麵冒頂02manbetx.com
的預防與處理。
二、工作麵支架
（一）單體支架
1、對支架的要求：
（1）阻力：
初撐力：支架架設後頂板開始下沉時，支架對頂板產生的阻力，初撐力大可避免和減少頂板的“離層”；
工作阻力：支架的額定阻力，此阻力使支架能支撐直接頂和老頂作
用在支架上的全部載荷。
（2）可縮性：隨頂板下沉而收縮的性能，根據頂板性質決定可縮量的大小。
2、工作麵單體支架類型
3、工作麵單體支架選擇
（1）木支架：消耗木材多，可縮量小，有時加木墊（少用）；
（2）急增阻磨擦式金屬支柱：阻力變化大，可縮量小（少用）；
（3）微增阻磨擦式金屬支柱：阻力變化小，初撐力大，可縮量大；
（4）恒阻式液壓支柱：阻力不變化，初撐力大，可縮量大。
工作原理：
4、工作麵單體支架的設計：確定工作麵支架的布置
（1）工作麵支架的載荷估算
a. 水平煤層：
最小控頂距＝1＋1＋1＋0.3＝3.3
最小控頂距範圍內每排支柱支護麵積=3.3×b
b為支架間距
3.3×b×N=3
b=3/（3.3×1.07）=0.85m,
實際采用支架間距：b實=0.8m
（2）工作麵單體支架受載特征
a.支架所受的載荷與支架本身特性有關；
b.工作麵不同地點，支架載荷不同，上中下、前後支架受力都不均勻；
c.由於支架架設質量，造成支架受力不均勻：
例1、支柱打在浮煤上；
單鉸掩護式支架隨采高的變化，頂梁尖端（鉸點）圍繞支架的後鉸點作圓弧運動，因此支架的空頂距隨采高的變化而變化，使支架前端無支護增大，不利於頂板控製。
采用帶四連杆的掩護式支架（雙鉸式），隨采高的變化頂梁尖端的運動曲線為雙紐線，在設計中可以使頂梁尖端在采高範圍內呈近似垂直層麵的直線運動。
3、液壓支架的阻力
（1）工作阻力：液壓支架的主要參數，決定支架結構尺寸，支架的支撐能力。兩種觀點：
a.加大工作阻力：支架適應性強，可靠性強，使用壽命長，減少使用過程中維修，安全，但製造費用高；
b.支架工作阻力必須與頂板條件相適應，隻要支架能控製住整個工作麵的頂板下沉與壓力，保持控頂區內頂板的完整與可靠即可。加大工作阻力，使支架重量大、造價高、裝運使用都不方便。
兩種觀點各有道理，有逐漸增大的趨勢，要設計“支架係列”。目前，工作阻力高達400t-800t，甚至超過1000t。
（2）初撐力：初撐力大，立柱能很快達到工作阻力，減少頂板下沉量，避免頂板的離層，改善支護性能。但初撐力過大易破壞直接頂。
3、支架的附屬裝置
（1）掩護式與支撐掩護式：側護板，護壁裝置，支柱複位裝置；
（2）支撐式：擋矸簾，支柱複位裝置。
4、液壓支架選型
（1）頂板壓力合力的大小與作用點
根據直接頂岩石性質，將直接頂破壞分為三種情況：
第一種情況：直接頂岩石中硬，在采空區無懸頂，合力作
用點在前後柱之間：（見圖26a）
Q=P1+P2
Qq=P1L1+p2L2
P2=Q-P1
∴P1=(q-L2)Q/(L1-L2)
P2=(L1-q)Q/(L1-L2)
第二種情況：直接頂岩石堅硬或有老頂，在采空區有懸頂，合力作用點在後柱之後：（見圖26b）
Q= P1+P2
P1應為負值，但不可能，P1隻能為0
Q+R= P2 ，R= P2-Q
Qq+Rr= P2L2
∴P2=(q-r)Q/(L2-r)
P1=0
式中R為附加力
第三種情況：直接頂岩石鬆軟，在工作麵控頂區內有破壞，合力作用點在前柱之前：（見圖26c）
Q= P1+P2
P2 應為負值，但不可能，P2隻能為0
Q+R= P1 , R= P1-Q
Qq+Rr= P1L1
∴P1＝(r-q)Q/(r-L1)
P2=0
式中R為附加力
（2）支架特征與選型
a.支撐式支架：頂梁長，控頂距離大（4m左右），立柱在後部, 立柱合力作用點靠後，支撐力大；頂板覆蓋麵積小，支架之間的空隙，易漏矸。
適用於第一種情況，直接頂岩石堅硬。
b. 掩護式支架：頂梁短（23m），並有掩護梁將工作麵與采空區隔開；支柱合力作用點靠支架前部，且有平衡千斤頂調整合力作用點位置，支撐力較小；架與架之間有側護板，防止漏矸。
適用於第三種情況，直接頂岩石鬆軟。
c.支撐掩護式支架: 頂梁長度大於掩護式，小於支撐式；掩護梁克服支撐式的缺點，四柱都在頂梁與底座之間，克服掩護式支撐力較小的缺點；架與架之間有側護板；適應於中硬頂板，對於硬和軟的頂板也有一定的適應性。
三、老頂來壓（初次來壓與同期來壓）的控製
（一） 老頂來壓的意義
（二） 老頂來壓的規律
初次來壓步距（L₀）與周期來壓步距（L₂）
1、影響因素
（1）老頂岩石的力學性質：老頂岩石堅硬，L₀、L₂大；
（2）老頂岩層的厚度：老頂岩層厚度大，L₀、L₂大；
（3）地質構造：老頂岩層構造麵平行於工作麵，易折斷。
2、初次來壓步距（ L₀）與時間
初期來壓步距（ L₀）：
厚度較小的砂岩： L₀=15-25m
厚度大於4 m的砂岩：L₀=20-30m
厚度4~5 m的砂岩： L₀=35-45m
厚度大於8~10 m的砂岩：L₀=60-70m
石灰岩（裂隙質育）：L₀=20-25m
初次來壓延續時間： 2-3天
3、周期來壓步距（L₂）
（三）老頂來壓征兆
1、頂板下沉速度突然增大，金屬支柱大量沉縮；
2、支柱發出聲響；
3、支柱鑽底、鑽頂；
4、支柱傾倒；
5、 片幫；
6、直接頂破碎。
（四）頂板來壓的監測與預報
1、建立監測係統
工作麵內觀測 ：頂板下沉量，頂板下沉速度（利用動態儀），支柱載荷（利用壓力盒）。
工作麵兩側巷道觀測站：巷道頂底板移近速度（利用動態儀）。
2、老頂運動過程監測
（1）老頂岩梁相對穩定階段（曲線OA段），即老頂跨度未達到極限跨度之前，超前平巷內頂底板移近速度平緩，工作麵頂板下沉速度穩定。
（2）老頂岩梁端部斷裂(曲線AB段)：老頂岩梁開始斷裂、折折，超前平巷內頂底板移近速度增大、達到峰值、減小（按動態儀1、2、3順序），並確定煤壁前方老頂岩梁斷裂線位置（根據動態儀4的無變化）。工作麵頂板下沉速度無顯著變化。
（3）老頂岩梁顯著下沉（曲線BC、CD段）：超前平巷內頂底板移近速度再次變化，減小、增大、達到峰值、減小（按動態儀3、2、1順序）工作麵前方支承壓力值和範圍均增大，煤壁的破壞範圍擴大，可能出現片幫；但工作麵頂板下沉速度仍比較平緩或有所增加。
（4）老頂岩梁繼續顯著下沉、開始觸矸（曲線EG段）：老頂岩梁折斷後下沉並開始觸矸，超前平巷內頂底板移近速度減小、趨於平緩，但工作麵頂板下沉速度增大、達到峰值、減小（按動態儀1、2順序）；支柱載荷增大；直接頂岩石進一步被破壞，平行於工作麵出現裂隙、台階下沉，並產生巨響，有掉矸現象。
（5）老頂岩梁觸矸（曲線GH段）：老頂岩梁觸矸，工作麵和超前平巷頂底板移近速度減小（動態儀1、2、3、1、2的GH段曲線），老頂岩梁一但觸矸後，超前平巷頂底移近速度、工作麵頂板下沉速度、支架載荷趨於正常。
3、老頂來壓預報內容
（1）來壓時間預報
老頂岩梁顯著運動，失去平衡，壓力顯現移近煤壁附近，經現場實踐證明，一般在20小時後，工作麵來壓。
c.臨場預報(曲線EG段)
工作麵頂板下沉速度、支柱載荷突然增大，一般經過0.58小時內的全麵來壓。
（2）來壓強度預報
來壓十分明顯：加強支護，撤出人員；
來壓明顯：針對性加強支護，可不撤出人員；
來壓不明顯：隻需在來壓時加強支護，不撤人員。
四、工作麵冒頂02manbetx.com
的預防與處理
（一） 工作麵大麵積冒頂
1、老頂來壓時的大麵積冒頂
（1）產生條件
Ⅱ類或Ⅲ類頂板，周期來壓明顯或周期來壓強烈，支架的初撐力或工作阻力較低，或支架架設質量差。
（2）產生致因
老頂岩梁下沉時由於重力作用壓垮支架，導致工作麵大麵積冒頂；
老頂岩梁下沉時由於衝擊作用，支架被壓死、壓壞或壓入底板，導致工作麵大麵積冒頂。
（3）預防措施
a.支架要有足夠的初撐力和工作阻力；
b.支架要有足夠可縮量；
c.工作麵遇斷層或裂縫時，在斷層、裂縫範圍內加強支護（如用木朵）。
2、厚層難垮頂板的大麵積切頂
（1）產生條件
Ⅳ類頂板，厚而堅硬的老頂岩層剪切破壞，導致頂板岩梁大麵積冒落。
（2）預兆
a.頂板斷裂聲響的頻率和音量均增大；
b.嚴重片幫；
c.底鼓或煤柱附近產生裂縫；
d.上、下平巷超前支承壓力明顯增大；
e.工作麵支柱載荷和頂板下沉速度明顯增大；
f.工作麵或采空區淋水加大。
（3）預防處理措施：
a.頂板的高壓注水，軟化頂板、擴大岩層的裂隙；
b.打眼放炮強製放頂。
（二） 工作麵局部冒頂
1、工作麵端頭局部冒頂
機頭、機尾處以及與工作麵相連的一段巷道。頂板暴露麵積大、支承壓力集中，易冒頂。
措施：加強端頭支護（如四對八梁支護、抬棚子、十字鉸接頂糧等）。
2、工作麵煤壁附近的局部冒頂
工作麵煤壁附近無支柱，頂板被密集的裂隙切割，形成遊離的岩塊而冒落；煤壁片幫增大了無支護頂板的麵積。
措施：放炮時，炮眼布置及裝藥量合理，避免崩倒支柱；采用正懸臂交錯頂梁支護、正倒懸臂交錯頂梁支護；盡量使工作麵與煤層的主節理方向垂直或斜交，避免片幫。
3、工作麵放頂線附近的局部冒頂
工作麵放頂線處支柱受力不均勻，在回撤“吃勁”的支柱時頂板會立即冒落；頂板被斷層、裂隙、層理等切割成大塊遊離岩塊時，回柱後遊離岩塊推倒其他支架，導致局部冒頂。
措施：在大塊遊離岩塊範圍內用木朵加強支護；在大塊遊離岩塊範圍內用木支架替換金屬支架。
4、地質破壞帶附近的局部冒頂
斷層、裂隙、破碎帶附近頂板易發生局部冒頂；有垂直或斜交於工作麵的斷層，斷層附近的岩塊可能順斷層麵下滑而推倒支柱，造成工作麵的局部冒頂。
措施：采用木朵或迎岩塊下滑方向架設戧棚或戧柱；用錨杆或注漿（水泥或樹脂類漿液）加固裂隙或斷層破碎帶。
