对复合顶板推垮型冒顶的机理分析及预防

　　摘要：通过推垮型冒顶的机理分析，找出推垮型冒顶的必要条件和充要条件，提出合理预防措施，避免顶板事故发生。

　　关键词：复合顶板、推垮型冒顶、机理分析、特点或表现、预防措施。

　　1、引言

　　随着单体液压支柱在炮（普）采工作面的广泛应用，炮（普）采装备水平大大提高，支护条件有了质的飞跃，但复合顶板推垮型冒顶仍时有生。本文将根据地质概况受力情况分析其形成的机理及条件。

　　2、复合型顶板概念及特点

　　一般煤层上面0.5~3.0m左右易于上部岩层离层的顶板，其下部岩层的组合结构是一个整层或几个分层组成的分层组，层间滑面发育或粘结力，形成复合关系，故称复合顶板。

　　特点：“软”、“弱”、“薄”。软即指顶板岩性上硬下软，差异较大。弱即指在软硬岩层之间存在弱面，易离合。薄即指下位软岩较薄，冒落后不能充满采空区。

　　复合型顶板极易产生推垮型冒顶。

　　3、推垮型冒顶的概念及特点

　　概念：由于支柱初撑力不足，造成抗推力不够，沿顶板推力方向倾倒垮顶。特点：

　　①冒顶前采场顶板压力不大，支架基本无变形，一般没有明显的预兆。

　　②冒顶发生时速度快，来势猛，具有突发性和连续性，各个有活动顶板的工序均可发生。

　　③垮落范围较大，冒顶后老顶大面积悬露，但工作面仍无明显压力，冒顶后未冒区支架完好无损，基本不受冒顶影响。

　　④冒顶一般在初放阶段，老顶未冒落前支架倒俯方向大都沿正倾斜方向。

　　4、推垮型冒顶沿倾斜方面上的受力机理分析要使直接顶稳定，其受力必须满足以下两个条件

 

　　P-工作面支架的支撑力；R-合阻力；N-上覆岩层对直接顶的压力，在该处由于二者已离层，因此，N＝0；F1＝G•cosα；F2一直接顶自重沿平行于顶底板方向的分量，F2＝G•sinα；G一直接顶自重；R1一下部岩石对其下部直接顶下滑趋势产生的阻力；R2一上部岩石对其下部直接顶下滑趋势产生的拉力；R3一上覆岩石对其下方直接顶下滑趋势产生的磨擦力和剪切力；R4一煤壁一侧岩石的磨擦力和剪切力；R5一支架对上覆直接顶下滑产生的阻力，R5＝P•sinθ；α－工作面长度方向上的倾角；θ－支柱的迎山角，一般每80上迎20~30。

　　对于条件①在工作面支护强度的设计中已经解决，支柱的初撑力完全能满足F1＋N的支护要求。

　　对于条件②根据工作面条件分析如下：

　　R1－下部软岩冒落形成自由空间，R1→0

　　R2－煤与顶板较为破碎，R2→0

　　R3－顶板已离层，R3→0

　　R4－已断裂离合形成不规则的六面体，R4→0

　　R5＝Psinθ＝Gcosα•sinθ≌0.08G（α:100~300，取为200，θ取为50）

　　通过分析得知R＝R1＋R2＋R3＋R4＋R5≌R5≌0.08G＜＜F2≌0.3G

　　一旦F2＞R就会瞬时推垮，由此得出离层顶板的自动下滑是推垮工作面的唯一动力，而老顶不参与推垮。

　　结论：

　　(1)从F2=G•sinα可知，对于缓倾斜工作面来说，工作面倾角的存在是发生此类推垮事故的必备条件之一，α越大发生此类事故的危险性越大，而α＝0时，F2＝0，就不可能发生这类事故。生产实际中，在单体液压支护条件下，当α＞80时就应该采取必要的预防措施。

　　(2)有ΣF2＝nF2 吨/根（n为上方离层区内同排支柱根数）。ΣF2与n成正比，当n＝0时，ΣF2＝0。理论上说不离层不会推垮，离层面积越大，推垮的可能性就越大，这是形成推垮的又一必要条件。

　　由此形成推垮冒顶的充要条件是(1)支柱初撑力低，稳定性差。(2)煤层有一定的倾角。(3)老顶同下覆岩层存在离层。三个条件必须同时具备，一旦下滑力大于合阻力，就会瞬时推垮。

　　条件（1）是导致推垮的关键。条件（2）是形成推垮的必要条件之一。条件（3）是造成推垮的根本原因。

　　离层区下段与下方5m左右范围为推垮危险区，此段支架与顶板存在相互依存关系，一旦破坏平衡，下部岩层对离层顶板的阻力→0，给离层的不规则六面体提供了去路。因此，必须接实护严顶板，支柱有效支护，棵棵监控。

　　5、预防措施

　　（1）以防为主，坚持“初撑力第一”的观点，初撑力不足就是事故，必须增大并保持单体支柱的初撑力（工作阻力）使初撑力P不仅能支撑住复合顶板下位软岩层，而且使软岩层压紧硬岩层，其间的磨擦阻力足够阻止软岩层下滑，从而支架自身也能稳定，P可按下式计算。

　　P≥F1＋F2'其中F2'＝1/fGsinα

　　P≥γh/n(cosα+1/fsinα)

　　式中：

　　P－每根支柱的初撑力KN

　　n－支护密度，根/m2

　　γ－软岩层平均容重，KN/m3

　　h－软岩层厚度，m

　　α－煤层倾角，度。

　　f－软硬岩层间的滑动磨擦系数

　　为防止支柱钻底，一般采取支柱穿鞋或下底梁，支柱及时二次注液。

　　（2）防止离层

　　①从掘进工程开始加强管理，确保复合顶板的完整性，隐蔽工程必须有详细地质资料，以便采取针对措施。

　　②先护为主，严禁空顶作业，空顶处必须及时接实，加强临时支护。

　　（3）增强支架稳定性

　　①初放期间或正常生产特殊地段按规定架设特殊支架，老塘侧架设整体一梁三柱顺山挑棚，顶板破碎段套棚，以增强稳定性，产生整体抗推力，增大合阻力。

　　②增加支柱迎山角，一般每80增加2~30为宜。

　　（4）工作面采取下伪方向施工，或沿伪俯斜推进，以减小回采角度，降低一旦离层而产生的自重下滑力，一般初采期间多甩采上部，使顶板呈下伪斜30~50。按真倾斜方向施工的开切眼，工作面上口超前下口的距离可由下式计算。

 

　　式中

　　β－工作面顶板下伪倾角，30~50。

　　α－煤层真倾角，度；

　　l－工作面真倾斜长，m;

　　L－工作面上口超前下口的距离，m.

　　（5）控制采高。由于下位软岩较薄，如采高大，冒落后不能充满采空区，降低采高一般可充满采空区，增加顶板下推的磨擦阻力，实际采高一般控制在2m以下。

　　（6）严格现场管理，加强矿压监控，及时发现并排除隐患，将事故消灭在萌芽状态。

　　（7）加强安全培训，提高作业人员业务素质，提高安全质量标准化水平。