復(fù)合頂板推垮型冒頂機(jī)理與防治措施

陳德雨

【摘 要】本文論述了復(fù)合頂板推垮型冒頂?shù)臋C(jī)理及對(duì)復(fù)合頂板推垮型冒頂?shù)姆乐未胧?，具有一定借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合頂板；推垮型冒頂；機(jī)理；防治

1.復(fù)合頂板推垮型冒頂?shù)臋C(jī)理

1.1復(fù)合頂板推垮型冒頂?shù)奶攸c(diǎn)

①冒頂前采場(chǎng)頂板壓力不大，支架沒有變形、損壞、金屬支柱沒有明顯的下縮。

②多數(shù)情況下，冒頂前采場(chǎng)直接頂已沿煤幫斷裂。

③冒頂后支柱沒有折損現(xiàn)象只是傾倒，多數(shù)是沿煤層傾斜方向向下傾倒，也有向老塘傾倒的。

④冒頂后上部硬巖層大面積懸露不冒，個(gè)別情況是冒落幾個(gè)大塊。

⑥冒頂多發(fā)生在開切眼附近。

1.2復(fù)合頂板推垮型冒頂?shù)臋C(jī)理

煤層具有復(fù)合頂板同時(shí)還必須具備下列四個(gè)條件，才會(huì)發(fā)生推垮型冒頂。

①離層。

多數(shù)情況是由于支柱的初撐力較小，在頂板下位軟巖層的自重作用下支柱下縮或下沉，而頂板上位硬巖層未下沉或下沉較慢，也就是軟、硬巖層的下沉不同步，軟快而硬慢，從而導(dǎo)致軟巖層與其上部硬巖層離層。

②斷裂。

由于各種原因，在頂板下位軟巖層中斷裂出一個(gè)軟巖六面體。下位軟巖層斷裂出六面體有三方面原因：第一是地質(zhì)構(gòu)造原因、即下位軟巖層中存在原生的斷層裂隙或尖滅構(gòu)造；第二是巷道布置原因，即在工作面開采范圍內(nèi)存在沿走向或沿傾斜的老巷，由于巷道支架沒有多大初撐力，抑制不住巷道上方下位軟巖層的下沉斷裂；第三是支柱初撐力低的原因，由于支柱初撐力低，導(dǎo)致下位軟巖層沿煤幫斷裂。

③去路和傾角。

當(dāng)六面體周圍出現(xiàn)一個(gè)自由空間，使六面體有了去路，而且六面體向去路方向又有一定的傾角時(shí)，在自重作用下，六面體就具有向去路方向的推力。

如果沿工作面自上而下至某點(diǎn)處，復(fù)合頂板下位軟巖層尖滅，這就等于六面體在其傾斜下方有一個(gè)天然的去路，再加上煤層有一定的傾角，那就非常危險(xiǎn)。

④推力大于阻力。

假設(shè)六面體下側(cè)有自由空間，則六面體就具有沿傾斜向下的推力。當(dāng)六面體有向下推的趨勢(shì)時(shí)，巖層斷裂面將產(chǎn)生阻止六面體下推的摩擦阻力，老塘碎矸將對(duì)六面體產(chǎn)生阻止下推的摩擦阻力；上側(cè)斷裂面也會(huì)由于巖層似斷未斷，而有阻止六面體下推的向上拉力；此外，支柱的迎山角也會(huì)對(duì)六面體的下推有個(gè)阻力。只有當(dāng)總阻力小于六面體向下的推力時(shí)，才會(huì)發(fā)生推垮型冒頂。從支護(hù)觀點(diǎn)考察復(fù)合頂板推垮型冒頂問題可以看出，問題不在于支護(hù)的支撐力不夠，而在于支護(hù)的失穩(wěn)，六面體是因?yàn)橹ёo(hù)失穩(wěn)而才發(fā)生推垮的。換句話說，如果六面體下是穩(wěn)定性好的能抵抗來自層面方向推力的支架，則也能阻止六面體下推。

1.3在具有復(fù)合頂板的采場(chǎng)中容易發(fā)生推垮型冒頂?shù)牡攸c(diǎn)

①開切眼附近，在這個(gè)區(qū)域頂板上部硬巖層兩側(cè)都有煤柱支撐，不容易下沉，這就給下部軟巖層的下沉離層創(chuàng)造了有利的條件。

②地質(zhì)破壞帶（斷層、裂隙等）附近，在這些地點(diǎn)，頂板下部軟巖層容易形成六面體。

③尖滅構(gòu)造附近，采場(chǎng)頂板存在尖滅構(gòu)造，既容易形成六面體，又可能給六面體以去路。

④老巷附近，由于老巷頂板已破壞，增加了在頂板巖層中形成六面體的可能性。

⑤掘進(jìn)上下順槽時(shí)，破壞了順槽的復(fù)合頂板，可能給六面體開創(chuàng)一個(gè)去路；而破壞了下順槽的復(fù)合頂板，則既增加產(chǎn)生六面體的可能性，又減小已產(chǎn)生六面體下推時(shí)的阻力。

⑥局部冒頂區(qū)附近 ，這些地點(diǎn)也存在“去路”、增加產(chǎn)生六面體的可能性和減小已產(chǎn)生六面體下推時(shí)的阻力等問題。

⑦傾角大的地段，在這些地段，由重力作用而令六面體傾斜下推的力增大。

⑧頂板巖層含水的地段，這些地段由于摩擦系數(shù)降低，總阻力將大為減小。

總之，在上述地點(diǎn)發(fā)生推垮型冒頂?shù)目赡苄员绕渌攸c(diǎn)要大，生產(chǎn)中要引起重視。

2.防治復(fù)合頂板推垮型冒頂?shù)木C合治理措施

在目前有相當(dāng)多的采煤工作面具有復(fù)合頂板，由于各種因素不能采用綜采或俯斜長(zhǎng)壁開采，因此針對(duì)使用單體支架的走向長(zhǎng)壁工作面，提出防治復(fù)合頂板推垮型冒頂?shù)拇胧?/p>

2.1從破壞形成推垮型冒頂?shù)臈l件出發(fā)，采取以下措施能有效地防止推垮型冒頂事故

①布置偽俯斜工作面并使垂直工作面方向的向下傾角達(dá)到4～6°。這個(gè)措施的目的是限定六面體要推移時(shí)，只能沿工作面向下側(cè)推移，而阻止推移的摩擦阻力則較大。當(dāng)煤層沿走向起伏不平時(shí)，會(huì)影響這個(gè)措施的效果。

②掘進(jìn)上下順槽時(shí)不破壞復(fù)合頂板。

③工作面初采時(shí)不要反推。如果工作面的頂板是復(fù)合頂板，開切眼處的頂板已離層斷裂，當(dāng)在反推范圍初次放頂時(shí)，極容易在原開切眼處誘發(fā)推垮型冒頂。

④控制采高，使軟巖層冒落后能超過采高。這個(gè)措施的目的在于：第一、堵住六面體向老塘的去路；第二、在六面體要向工作面下方推移時(shí)，增加阻止六面體下推的摩擦阻力。

⑤盡量避免上下順槽與工作面斜交。上順槽與工作面斜交，上順槽附近的上位硬巖層由于支承條件較好不易下沉，增加了下位軟巖層離層的可能性，這不利于防止推垮型冒頂。下順槽與工作面斜交時(shí)情況也類似。

⑥靈活應(yīng)用戧柱、戧棚，使它們迎著六面體可能推移的方向。

⑦在開切眼附近，控頂區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)地布置樹脂錨桿。這個(gè)措施是把下位軟巖層與上位硬巖層錨在一起而防止推垮型冒頂。

2.2從解決采場(chǎng)支架穩(wěn)定性出發(fā)是更有效的更應(yīng)該采用的措施

①采用“整體支架”：

在使用摩擦式金屬支柱和金屬鉸接頂梁的回采工作面中，采取在開切眼附近使用拉鉤式連接器把每排支柱從工作面上端至工作面下端都連接起來、或用十字鉸接頂頂梁與單體支柱組成整體支架、也可以在金屬支柱、鉸接頂梁支架下，加兩排木梁金屬柱的傾斜對(duì)接抬棚或戧棚和沿傾斜方向隔一段距離增設(shè)木垛等方法，使支架在采場(chǎng)中組成了一個(gè)穩(wěn)定的可以阻止六面體下推的“整體支架”。

②提高單體支柱的初撐力及剛度：

由于支柱的初撐力小剛度差導(dǎo)致復(fù)合頂板離層，反過來又使工作面支架不穩(wěn)定。為解決這個(gè)問題，必須提高單體支柱的初撐力及剛度，使初撐力不僅能支承住頂板下位軟巖層，而且能把軟巖層貼緊硬巖層，讓其間的摩擦力足夠阻止軟巖層下滑，從而支架本身也能穩(wěn)定。為此我們根據(jù)公式P0=15rh0（cosα+sinα/f）/n計(jì)算支柱應(yīng)具有的初撐力。

式中 P0——每根支柱的初撐力，KN/根；n——支柱密度，根/m2。

r——軟巖層平均容重，t/m3；h0——軟巖層厚度，m。

α——煤層和巖層的傾角，度；f——軟硬巖層間滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

15——安全系數(shù)和重量與力轉(zhuǎn)化系數(shù)的綜合系數(shù)。

根據(jù)以上公式，當(dāng)n=2根/m2、r=2.5 t/m3、f=0.3，可計(jì)算出15o、20o、25o不同時(shí)，h0所需的支柱初撐力。

3.結(jié)語

復(fù)合頂板的治理存在很多不確定的因素，在具有復(fù)合頂板的工作面下回采，必須引起足夠的重視，確保安全生產(chǎn)。