回采工作面顶板冒落机理与支护对策

回采工作面顶板冒落机理与支护对策

柳金山

鸡西矿业公司东海煤矿

【摘要】本文通过对采煤工作面顶板岩层冒落机理进行分析，提出单体支柱工作面顶板岩层失稳的相关因素，以及相应的支护对策。

【关键词】采煤工作面；顶板失稳；岩层

0前言

顶板事故作为矿井五大灾害之一，尤其是回采工作面顶板管理直接关系到矿井的安全与生产。回采工作面顶板冒落情况，顶板失稳与否不仅与顶板上覆岩层的岩性组合有关，还与地质构造、采场支护方式等因素有关，下面就单体液压支柱支护工作面上覆岩层冒落情况分析采煤工作面的顶板失稳机理，并提出针对性的顶板管理措施。

1、直接顶直接冒落型（充严采空区）

此类顶板多由泥岩、碳质页岩、粘土岩、砂质页岩或煤岩互层等岩性构成，顶板岩石力学强度较低，岩石受力后主要以塑性变形的方式释放能量，岩石的破坏方式以剪切断裂为主。该类顶板没有老顶，随采随落，并能及时充填采空区。另外，由于顶板岩石强度较低，层理、节理、裂隙较发育，顶板的完整性受到破坏，随着工作面回采，顶板裸露后，开始破碎掉渣，面积较大，常沿煤壁产生沟状或草帽状冒落。

由于该类顶板暴露后不稳定，煤壁受超前支承压力作用，容易片帮、漏顶、甚至抽顶及局部冒顶。老塘冒落块度较小，容易串入工作面。因此回采过程中应采取“支、护”兼顾原则管理顶板，工作面尽可能减小端面距和控顶距，实行“三封闭”管理，即顶板过严接实，保证支柱初撑力，防止掉顶漏顶；煤壁背帮防止片帮；老塘侧进行挂笆挡矸。

2、直接顶及时冒落，但不能立即充严采空区型

此类顶板直接顶多为天然焦、砂质页岩和页岩等，老顶多为砂岩、石灰岩。由于直接顶和老顶的岩石力学性质不同，顶板受力后容易发生离层现象，直接顶自由垮落，老顶断裂下沉与冒落的矸石相触接，存在明显的周期来压现象。由于直接顶厚度小，且脆性大，周期来压时容易压碎，出现掉渣、空顶、支柱歪斜等现象，极易造成垮棚事故，待周期来压过后，支架没有劲，放炮易崩倒棚。

该类顶板直接顶厚度一般不到3倍采高，它上面的老顶有三种情况：第一，直接顶上面是分层厚度大于6米的老顶，采动后，这类老顶虽然也会断裂，但断块间挤压的很紧，下沉不多，致使老顶与已冒落直接顶间出现大面积自由空间，一旦老顶大面积冒落，将会对工作面支架产生冲击，危害较大，这种顶板如果仍用垮落法处理采空区，则必须用钻眼爆破等手段，松动破碎包括直接顶在内的4倍采高顶板。第二、直接顶上面是分层厚度小于6米的老顶，采动后，这类老顶也会断裂，转动下沉，直到触矸，但在这个过程中，老顶断块间始终不失水平力的联系，而且能形成平衡结构。对于该类顶板，只要采场支柱的可缩量能适应裂隙带顶板的下沉即可。采场最大空顶距Lmax处顶板下沉量Δh可按下式估计：

Δh=H•Lmax∕L周

H=M-h•（K直-1）-h＇•(K老-1)

式中H————裂隙带老顶断块触矸处下沉量，m；

Lmax————最大空顶距，m；

L周————老顶周期来压步距，m；

h＇————冒落带老顶及其附加岩层厚度，m；

K直————直接顶岩层的碎胀系数；

K老————老顶岩层的碎胀系数；

H————直接顶岩层厚度，m；

M————煤层采高，m。

第三、直接顶上面也是分层厚度小于6m的老顶，采动后也会断裂、转动下沉触矸，但断块间没有水平力的联系，即不能形成平衡结构，该类老顶处在冒落带中，对于该类顶板，可以对老顶断块采取“支”的方法，即在切顶排增加切顶支柱的工作阻力平衡冒落带岩块重量的一半，支撑老顶岩块的支柱。之所以要支设在切顶排，是因为老顶往往断裂在工作面前采煤壁里面，随着工作面的推进，老顶断裂进入工作空间上方，而支撑老顶断块的采场支护数目越来越少，直到只有切顶排支柱。

由于该类顶板稳定性较差，支架不但要承受直接顶的岩重，还要承受老顶的部分重量，回采时应采取“支、护、稳”兼顾，以支求稳，以稳为主的原则进行支护，适当加大空顶距，必要时采取一些特殊支护措施，如木垛、挑棚、防倒设施等，以增强支柱的稳定性。

3、直接顶即为老顶型

此类顶板为厚度较大的砂岩、石灰岩及火成岩。回采后，新裸露的顶板完整无裂隙，支架基本不需过顶，回柱后顶板不易冒落。采空区内有悬顶现象，大面积冒落时支柱明显下缩，并伴有响声。顶板发生断裂后，工作面支柱工作阻力较低。直接顶冒落块较大，岩石碎胀率低，不能立即充满采空区。悬露的上覆岩层常呈铰接岩拱，顶板大面积冒落时能导致在煤壁处切顶，甚至摧垮工作面。如果底板松软，顶板还会出现台阶状下沉。

该类顶板可考虑沿切顶线处切断冒落老顶，为此，应尽可能使老顶岩梁在切顶线处处于固支条件，同时必须让切顶支柱的初撑力平衡极限悬顶距时采空区上方老顶岩梁的重量。同时，从最不利情况（老顶沿工作面煤壁处又断裂）考虑，为使老顶岩梁在切顶线处于固支条件，必须做到：一是采场基本支护的初撑力能平衡工作面空间上方冒落带岩层的重量，切顶支柱初撑力能平衡最大悬顶距时采空区上方冒落带老顶的重量。二是采场基本支护初撑力与切顶支柱初撑力所形成的反力距应能平衡老顶岩梁自身重量所形成的力矩。总之，要在切顶线切断老顶。对于此类顶板需要采取“支、切、挑”兼顾，以支为主的原则进行支护，尽量加大空顶距，在采空区侧要加打木垛、丛柱或密集支柱等特殊支护，以增强切顶效果，必要时进行人工强制放顶。

4、弱面对顶板稳定的影响

4.1层理对顶板稳定的影响

层理对岩体的破坏表现为岩石容易岩层里面出现离层裂隙，使岩块与母体分离。岩理对掩体离层影响的几个特征是：

（1）水平层理、层理面平整而光滑的层理比斜交波状层理和岩层理面粗糙不平整的层理易产生离层。

（2）在其他条件的同时，岩层强度越小越易离层。

（3）在岩石抗压强度相同时，分层厚度越小越易离层和冒落。

（4）软硬岩交层互存在时，易引起软岩层与其上部硬岩层产生离层。

在离层和弯曲过程中，由于岩层常出现沿层理面的移动，会对工作面支架产生一定得横推力，引起支架歪斜和倾倒，这种横推力不仅导致局部冒顶，也能导致大的冒顶事故。

4.2裂隙对顶板稳定的影响

自然裂隙中对顶板稳定性有重大影响的是节理裂隙。在节理裂隙较发育的地带，当支护不及时，密度不足，或质量不好，支架不进行过顶时，常引起局部冒顶。此外，工作面推进方向与节理倾向一致时，顶板稳定性差，易开裂和下沉，反之则顶板状况良好。

4.3地质破坏对顶板稳定的影响

实践证明，断层、褶曲等地质破坏是顶板失稳的重要因素。一般来说，倾向断层要比走向断层更危险。当工作面由下盘推至上盘时，顶板岩层重量全部作用在支架上，故工作面过断层前冒顶危险最大；反之，当工作面由上盘推至下盘时，下盘岩层重量仅作用在支架上，故在过断层后要防止冒顶事故的发生。

此外，工作面遇到急剧的小型褶曲，煤层突然变厚或变薄，顶板经过挤压破碎严重处，也易发生顶板事故。

总之，工作面采场顶板的失稳不仅与顶板的岩石强度有关，也与顶板的岩层组合形式有关，地质破坏对其也产生很大影响。通过对顶板失稳机理的分析，根据顶板冒落类型采取针对性的支护措施，在支护上可以变被动为主动，减少冒顶事故，消除安全隐患，为实现稳产、高产创造有利条件。