顶板大面积来压

1 顶板大面积来压的现象及特征

1.1顶板大面积来压现象

顶板大面积来压是矿山坚硬顶板下刀柱房柱式开采后，由于大面积的顶板悬空而突然冒落的一种剧烈的动力现象。一次冒落的面积少则几千平方米，多则几万十几万平方米，这样大面积的悬空顶板在极短时间内冒落下来，不仅由于重力作用产生严重的冲击破坏，而且更严重的是把已采空间的空气瞬时排出，形成巨大的暴风，其破坏力极强。

1. 2项板大面积冒落方式

顶板大面积来压的冒落方式有整体一次冒落和分层分次冒落两种。例如，1975年6月大同矿区马脊梁煤矿的402盘区，在采空面积达151280 m2，的情况下，顶板突然冒落，工作面被压垮，强大的气流吹开三层2m厚的密闭，将180 kg的输送机溜槽吹出16 m远，并贴在煤壁上，井口喷出300 m长的黑烟尘，地面房层摇晃，地震台记录达3. 2级，裂度4~5度，这是一次典型的整体一次冒落式来压。地面出现一个椭圆形塌陷区，面积达7万m2。

分层分次冒落式也常有发生，例如山西阳方口煤矿北坑东大巷上山盘区，在采空面积8万m2的情况下，顶板夜间冒落，将地面熟睡的工人惊醒，井下部分巷道压垮，事隔一天后，又冒顶一次，一星期后又连续冒顶两三次。大同忻州窑煤矿东二上山盘区，采空面积约10. 6万m2，1962年4月也连续发生几次冒顶，延续时间两个月，停产3d，吹毁密闭一座。

1. 3切型冒落与拱型冒落

顶板大面积来压的冒顶形式有切冒型和拱冒型，如图1所示。图1-a为切冒型，当采空面积达到一定范围时，顶板沿煤壁切落直达地表，其特征是冒落面积大，冒顶时间短，且多数发生在100 m以内采深的浅部开采区，冒落形状呈反漏斗，冒落角650^-850，冒落后的地面出现纵横交错的张开裂缝。图1-b为拱冒型，即顶板冒落后形成拱形空间，其特征是分层分次冒落，延续时间长，拱的四周顶板悬臂，冒落高度小，中部冒落高度大，但空顶面积小。

1. 4项板大面积来压与煤柱分布

顶板大面积来压与煤柱分布有关，煤柱面积比率大时，一般不易发生大面积来压。例如对大同矿压的调查，煤柱比率大于30%时很少发生大面积来压，但小于20%的采空区，大都发生。煤柱的宽高比也直接影响大面积来压发生，调查表明，宽高比大于3 ~ 4时一般不发生。煤柱的平面分布影响大面积来压的范围，一般情况下煤柱稀少的地方容易发生，煤柱密集的区域往往是塌陷区的边缘。

2顶板大面积来压的成因和机理

2.1 顶板大面积来压的成因与力学机理

顶板大面积来压基本上都发生在顶板岩层比较坚硬的回采工作面，顶板大多是砂岩或砾岩，开采后顶板大面积悬露不冒.在回采工作面初采时，顶板初次垮落步距可达50-70 m，甚至达100 m以上.这样大面积的顶板一旦冒落会造成巨大的危害.矿井生产中常采用刀柱法开采，但也因采空区面积太大，压垮煤柱而发生大面积冒顶.即使采用综采设备的长壁工作面，也仍然出现上万平方米顶板大面积来压的现象.关于顶板大面积来压产生的力学原因，一般认为，当开采过程中的坚硬难冒顶板大面积悬露时，在自重力的作用下，顶板会产生弯曲和离层.不管是作为板处理，还是作为梁来分析，当弯曲应力超过其强度极限时，便会产生裂隙和裂隙的扩展.一旦这些裂隙贯穿坚硬岩层时，则发生突然的垮落，造成灾害.另一种情况是，顶板大面积悬露，使采空区形成扁平狭条孔，煤柱上的顶板岩层内产生巨大的切应力，导致顶板切断，突然垮落。顶板大面积来压造成的灾害有以下3个方面的机理。

2.1.1 能量释放造成的破坏

由于煤岩体处于复杂的自重应力和构造应力场中，在强大的地应力作用下，其体积与形状会发生变化，这是外力做功的结果。当岩块处于弹性状态，且变形不能解除时，外力做功就以能量的形式贮存在煤岩体内，称为弹性能.而这种弹性能又分为由体积变化产生的体变弹性能已，及由形状变化而产生的形变弹性能叭。又因采空区上方顶板岩层大面积悬露不冒落，顶板岩层会产生弯曲下沉，因而又会聚积顶板弯曲弹性能。俄国学者阿维尔申教授认为，煤体内的弹性能就是由这3部分弹性能所组成，即：

式中，E,μ为岩层的弹性模量和泊松比；ρ, H为岩层的密度和采深；q为作用在岩梁上的均布荷载；J为岩梁的惯性矩；L为顶板岩梁的悬伸长度。

从上式可以看出，能量的聚积随采深的增大而增大，也随采空区面积即悬顶长度的增大而增大。当围岩中的弹性能积聚到足够大时，所产生的应力超过了煤体本身的强度，则弹性能突然释放，使煤体猛烈破坏，或产生煤的弹射和突出等冲击矿压现象，在工作面或巷道中造成灾害。

2.1.2 冒顶冲击力造成的破坏

采空区大面积悬露的顶板因断裂失稳而冒落，其产生的冲击力是巨大的。顶板在冒落前具有的势能为EP = mgh.当冒落的顶板岩层面积大，即质量m大时，其势能EP则大；当采高h大时，其势能EP也大，顶板冒落后势能转变的动能Ek=mv2 /2必然也大。如果顶板冒落的面积为5万m2，冒落岩层的厚度为3m，采高为2.5m，则在不到1s的时间内，就有37. 5万t的岩石冒落，其冲击力之大是可想而知的。好在这巨大的冲击力绝大部分作用在采空区的底板上，但对工作面的破坏力也是很大的。比如大同王村矿402盘区8106工作面，一次冒顶达88 271 m2，压坏4×550型道梯支架46架，顶板下沉0.5 m。

2.1.3 大面积冒顶产生暴风形成的破坏

由于顶板坚硬完整性好，冒落的面积大、时间短，采空区的空气瞬间压出，形成剧烈的暴风，破坏力极大。为便于定量分析，将采空区简化成一个体积很大的扁平容器，将上下顺槽看成容器底部的两个小孔，如图1所示。顶板大面积冒落时，容器内的气体承受着比巷道内气体高得多的压力po，采空区的面积为Ao空气的流速为vo，巷道内空气的压力为p1，巷道的横断面积为A1，空气的流速为v1。假定空气为理想流体，其密度为ρa，由伯努利能量方程v02/2g + po/ρag = v12/2g + p1/ρag，根据连续性方程voAo=2A1 v1，vo=2A1v1/A0，得v1={2g(p1-po)/ ρag[(2A1/A0)2-1]}1/2，考虑到A1≪A0，p0=p1+p0''，则：

式中po为冒落顶板对空气的压力；ρD为冒落顶板岩层的密度；H0为冒落顶板岩层的厚度。

考虑到阻力损失，以及模型与实际情况的差异，将上式的值乘以一个折减系数k，则顶板大面积冒落时，巷道中空气的瞬时流速为

由上式可知，顶板大面积冒落在上下顺槽中形成暴风，其流动速度与大面积冒落顶板的厚度成正变关系取k=0. 4，则得到如下图的变化关系：

由图可见，采空区顶板冒落的厚度越大，其在巷道中形成的暴风速度也越大，对巷道及各种设施的破坏力也越大。顶板大面积冒落形成的暴风，在上下顺槽以叭的速度移动，产生空气冲击波，根据流体运动的阻力公式，其对物体的作用力为

式中，kD为阻力系数；S为物体的横断面积。

将上式代入，则有F=kDk2ρDHo S，对于平板kD=2，取k=0. 4；ρD=2550 kg/m3，则可以得到由采空区大面积冒落顶板形成的暴风对巷道内物体的作用力，其大小与冒顶的厚度及物体断面积的关系见下表，从表中可见，随着顶板冒落厚度的增大，以及风流中物体断面积的增大，作用在物体上的力也增大。例如某工作面采空区有2m厚的顶板大面积冒落，则在顺槽中可形成v1=114. 52 m/s的暴风，这时，如在顺槽中有一台It的矿车，其横断面积S≈1 m2，则由表中数据可知作用在这台矿车上的力为F=16 kN。由于有这样大的力，大冒顶时形成的暴风摧毁巷道，掀翻矿车，破坏风桥或密闭墙的现象就不难理解了。

2. 2切冒型大面积来压机理

图2为切冒型顶板冒落过程，图2-a表示顶板变形首先将采空区的大部分煤柱压酥，使之失去支撑顶板的能力；图2-b为悬空顶板在四周煤体支撑下被拉裂破断，变为简支厚岩梁；图2-c是简支岩梁由于受剪的截面积减小，而突然发生剪切冒落，即所谓切冒型冒落。

关于煤柱是否破坏的判据可用逐步破坏理论或极限强度理论，即

B≤2xo (1)

式中B—煤柱宽度；

xo—煤柱塑性区宽度，

M—煤层开采厚度；

f—煤柱与顶底板的摩擦系数；

ξ—三向应力系数，

φ—煤的内摩擦角；

C—煤的粘结力；

H—开采深度；

Y—岩石平均容重；

k—应力集中系数；

Pi—支架对煤壁的阻力。

nσ≥σp (2)

式中。σ—煤柱平均应力；

σ=η-1H Y

η一一煤柱面积比率，即煤柱面积与采空区总面积之比；

n一安全系数，n=2；

σp一一煤柱的极限强度，

σp =σC (0. 778+0. 222BM-1)

σC—立方体煤试件的单轴抗压强度

关于简支岩梁的切冒判据，依弹性力学(如图3示)的应力公式

当岩梁中部底面(岩梁的抗拉强度) σx≥R’t时，则该处拉断，将R’t=0，x=0，y=2-1H，代入(3)式得：

(4)

式中Ld—采空区短边的极限垮距。

当岩梁端部的τ≤R''时，即不大于岩梁的抗剪强度时，则该处发生切冒，将

R’t=τxy，x=2-1L，y=2-1L H，代入(3)式得

(5)

由于岩梁的剪应力与跨度成正比，故公式(5)的Lc为采空区长边的极限跨距。由此预测发生的切冒型顶板大面积来压的面积为

A=LdLc (6)

2. 3拱冒型大面积来压机理

形成拱冒型大面积来压的主要原因有二：其一是开采深度较大，使煤柱破坏的岩层厚度仅是覆岩的一部分，其二是组成覆岩的刚度多为交替刚度和递增刚度。交替刚度的顶板一般是分组分次冒落，最下一组冒落后，其上一组变形冒落，两者形成一定的时间差。递增刚度顶板是分层分次冒落，由于各层冒落的跨度由下而上逐渐增大，故造成层间冒落的时间差。拱冒型的冒落过程与切冒型相似，只是层间组间不同步而已，即首先因部分覆岩的变形使煤柱破坏，然后在固支岩梁的条件下，四周逐层逐组拉断，最后在简支岩梁条件下切冒。因此拱冒型的来压机理首先要预测使煤柱破坏的覆岩厚度。

令xo=2-1B，Pt=0，由xo式得：

(7)

式中Hp—使煤柱破坏的覆岩厚度。

由于煤柱是在H，厚的覆岩变形作用下破坏的，在其破坏前覆岩基本无离层，所以由下往上可利用下式计算覆岩刚度分组厚度：

(8)

式中q—第一组覆岩上的均布载荷；

H1， H2…. Hn—由煤层开始的各层覆岩厚度；

E1， E2...En—由煤层开始的各层覆岩弹性模量。

利用公式(8)逐层计算，直到qn≥qn+1则第一组覆岩为第1至n层，其厚度为

H=∑_(i=1)^n▒H (9)

将H，q代入(4)，(5)，(6)，则可预测拱冒型初次冒顶面积。

由以上机理可知，顶板大面积来压是否发生，关键在于煤柱是否破坏，煤柱未破坏就可有效支撑住顶板，不会发生大面积来压，煤柱若被破坏，失去了支撑顶板的能力，则会发生大面积来压。煤柱破坏与不破坏的主要影响因素是煤柱宽度B和煤柱面积比率夕。发生大面积来压的采空区范围则主要取决于坚硬顶板的厚度或刚度分组厚度，以及岩体强度。

采空区覆岩刚度可用EJ来表述，根据刚度组成不同，覆岩可分为四类即：

递增刚度E1J1<E2J2<...<EnJn，

递减刚度E1J1>E2J2>...>EnJn，

均匀刚度E1J1=E2J2=...=EnJn，

交替刚度E1J1>E2J2<E3J3>...<EnJn，或E1J1<E2J2>E3J3<...>EnJn

不同类型刚度的覆岩其顶板载荷q差距很大，故形成大面积来压的范围相差很大，从几千m2到几十万m2。一般来说递减刚度和均匀刚度的覆岩容易发生切冒型大面积来压，递增刚度或交替刚度的覆岩容易发生拱冒型大面积来压。

3顶板大面积来压的预测、防治技术和原理

3.1 顶板大面积来压的预测

根据以上机理，在本文中各举一例，分别预测切冒型或拱冒型大面积来压的发生和范围，并与实际的来压情况加以比较。

3.1.1 切冒型大面积来压预测

实例1，大同矿务局挖金湾煤矿青羊湾井832盘区，采深84~104 m，1961年10月22日当采空面积达16.3万m2时发生了一次塌陷面积达12. 8万m2的大面积切冒型来压，冒落时产生强烈暴风，吹毁风桥两座，密闭9座，摧倒巷道支架90多架，地面沉陷深度0. 5~1. 0 m，是大同矿区多年来一次最大的来压动力现象。该盘区煤层厚度5 m，顶板为厚层状整体砂岩，用刀柱法开采，煤柱面积比率约0. 19，首先计算煤柱平均应力σ=0. 19-1 ×100 × 2. 5 × 10-2 =13. 16 MPa，计算煤柱极限强度σp=25 × ( 0. 778 + 0. 222×5/5)=25 MPa，用(2)式判别nσ=26.32 MPa>σp，故该盘区中部煤柱已破坏。

若计算塑性区宽度xo，可取k=2，Pi=0，C=30 MPa，ctgφ =1. 2，f = 0.3，ε=4，则xo = 2. 72 m，根据公式(1)，煤柱宽度5m <2xo，故煤柱已破坏。

运用公式(4)，(5)计算Ld，Lc，q=2.5 MPa，R''t=5 MPa，R''s=8 MPa，所以Ld =276 m，Lc=435 m。用(6)计算采空区的切冒面积A = 120060 m2，与实际塌陷面积128000 m2基本一致。根据这种预测，该盘区在采空达12万m2时，必须留宽的隔离煤柱，预防大面积来压的发生。在开采设计中可用此值选择盘区、区段和工作面的长度参数。

3.1.2拱冒型大面积来压预测

实例2，阳方口煤矿东大巷上山盘区用房柱法开采，煤层厚10 m，开采深度210 m，煤房宽8 m，煤柱宽5 m，由下往上顶板组成及其参数见附表，煤的内聚力C=10 MPa，tgφ=1.2，f=0.3， ε=2.0。

首先用公式(7)计算使煤柱破坏的覆岩厚度Hp，k=4， Hp=163 m，再用公式(8)计算q，q1=0. 22 MPa， q2= 0. 284 MPa ， q3= 0. 254MPa，因为q2 >q3，所以第一组覆岩厚H=H1+H2=16.9 m，q=q2=0. 284 MPa，将H，q分别代入公式(4)， (5)得Ld=133 m，Lc=468 m，所以拱冒型来压的塌陷面积A=62244 m2，为了预防大面积来压的动力成胁，该矿采区设计的范围可以6万m2为限，采区间留宽煤柱隔离，此值可作为开采参数选择的重要依据。

3.2 顶板大面积来压的防治技术与原理

分析顶板大面积来压的原因，主要是开采工作面采空区悬顶面积太大，瞬时垮落时产生强大的冲击力和暴风，破坏力极大。如何防治顶板大面积来压，许多专家、学者都做过这方面的研究。利用微震仪、地音仪和超声波地层应力仪等测试仪器来进行预测预报，以及用堵和泄的办法来预防暴风造成的危害，这无疑是防治顶板大面积来压灾害的措施之一但从主动的意义上讲，防治顶板大面积来压的基本原理是: 减小悬顶面积和能量聚积。其具体措施有两个方面，一是改变顶板岩层的物理力学性质，降低岩体的力学强度。一般可通过高压注水等措施来实现;二是改变顶板的力学条件。减小工作面顶板初次来压和周期来压的步距。可通过强制放顶的各种方法来实现。大同等矿一区的实践证明，这些措施是很有效的。

3.2.1 顶板高压注水

高压注水处理坚硬顶板是个非常方便和安全的方法，但是软化效果决定于岩石的吸水性、岩石构成和岩体的间断性。水流随着时间增大。初期的高压相应地降到稳定压力。稳定压力取决作用于对高压水流的岩层强力。浸水岩石的强度降低主要取决于节理的平均尺寸、岩石的含水能力和岩石中的粘土含量。以述参数增大，岩石强度损失也会加大。用高压将水注入岩石内，水通过空隙、裂缝和层理，扩大并加宽它们，同时还要产生新的空隙，以破坏岩体的整体性，降低岩石的强度。采煤后弱化的上覆岩经常垮落在采空区，形成采空区最小的悬顶。?

只有在易于吸水的岩层才适合使用这种方法，包括岩脉、岩块大小和吸水性的岩性在决定岩石是否能注水弱化当中起着重要的作用。这些研究有助于预测高压注水强制冒落的效果。

3.2.2 强制放顶

所谓强制放顶就是用爆破的方式人为地将顶板切断，使顶板冒落一定厚度形成矸石垫层。切断顶板可以控制顶板冒落面积，减弱顶板冒落时产生的冲击波，形成矸石垫层则可以缓和顶板冒落时形成的冲击波及暴风。为了形成垫层，挑顶的高度可按需要形成垫层的厚度进行计算。根据大同矿区实践经验，采空区中矸石充满程度达到采高个挑顶厚度之和的三分之二，就可以避免过大的冲击载荷和防止形成暴风。

强制放顶主要有以下几种：

⑴循环式浅孔放顶。

其主要作用是爆破后破坏顶板的完整性，形成矸石垫层，具体做法是每1~2个循环，在工作面放顶线上打一排钻孔，进行爆破。

⑵步距式深孔放顶。

其主要作用是切断顶板，避免大面积冒落，具体做法是在顶板周期来压前，沿工作面向顶板打两排深钻孔，爆破后在顶板内形成一道沟槽，坚硬顶板就沿这个沟槽折断。这种方法能有效的防止大面积冒顶的危险。

⑶超前深孔松动爆破。

对于综采工作面，由于在工作面内无法设置钻顶板炮眼的设备，可以在上下顺槽内分别向顶板打深孔，在工作面未到以前进行爆破，预先破坏顶板的完整性。

⑷地面深孔放顶。

对于历史上有大面积冒顶隐患的地区，目前又无法从井下采取措施时，可在采空区上方的地面打垂直钻孔，达到已采区顶板的位置，然后进行爆破，将悬露的大面积顶板崩落。这样，大面积采空的顶板切割成小块，可以减小其冒落时 的强度。

3.2.3 预防暴风的措施

主要有堵、泄两个方面的措施。

堵是留置隔离煤柱和设置防暴风密闭，把已采区和生产区隔离。

泄是通过专门泄风道，使被隔离区域与地面相通，以便将形成的暴风引出地面，避免进入生产区域。

4结论

顶板大面积来压，是在具有坚硬顶板煤层开采工作面存在的一种矿压现象，其主要危险是由于顶板大面积冒落而形成的冲击载荷和暴风。随大面积冒顶岩层厚度的增大，形成暴风的速度增大，处于暴风中的物体受力增大，其对巷道及设施的破坏力也增大。防止和减弱顶板大面积来压的危害，是继续研究和探讨的课题。从采取主动的措施上看，改变顶板岩层的物理力学性质，减小顶板的悬露和冒落面积，以及减少顶板的下落高度，降低采空区内空气的排放速度，从理论上和实践上都是可行的。

刀柱、房柱法开采坚硬顶板的煤层，发生大面积来压的动力现象，其主要原因是煤柱被破坏，煤柱是否破坏的关键是煤柱面积比率和煤柱的宽度。

顶板大面积来压冒落的范围主要取决于坚硬顶板的厚度或覆岩刚度分组厚度，以及岩体的抗拉、抗剪强度，运用本文的计算公式预测是可靠的。

切冒型和拱冒型大面积来压的机理是相同的，区别在于采空区覆岩的刚度组成不同，一般来说均匀刚度和递减刚度的覆岩易发生切冒型来压，递增刚度和交替刚度的覆岩易发生拱冒型来压，两种来压型式均可运用公式预测来压范围，但H，q值的计算方法不同。

本文预测顶板大面积来压的切冒面积A是开采设计和采掘过程中预防大面积来压的重要参数，以此可作为选择采区走向长度、工作面长度，煤柱尺寸等开采参数的重要依据。

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