煤礦頂板大面積來壓的成因與預(yù)防措施

【摘要】頂板大面積來壓不但因重量的作用出現(xiàn)嚴(yán)重的沖擊破壞力，更嚴(yán)重的是將已采空間的空氣瞬時(shí)排出，破壞力極強(qiáng)。本文主要對(duì)頂板大面積來壓的成因和機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了頂板大面積來壓的防治措施。

【關(guān)鍵詞】頂板；大面積來壓；成因；預(yù)防措施

頂板大面積來壓時(shí)，一次冒落的面積少則幾千平方米，多則幾萬(wàn)乃至十幾萬(wàn)平方米。這樣大面積的頂板在極短時(shí)間內(nèi)冒落下來，不但因重量的作用出現(xiàn)嚴(yán)重的沖擊破壞力，更嚴(yán)重的是將已采空間的空氣瞬時(shí)排出，破壞力極強(qiáng)。

1、頂板大面積來壓的成因和機(jī)理

頂板大面積來壓是由堅(jiān)硬巖層大面積冒落形成的。如砂巖和礫巖層等，其單向抗壓強(qiáng)度可達(dá)8.0-16.0kPa，甚至達(dá)20.0kPa。這些巖層是厚層整體結(jié)構(gòu)，巖體中的層理、節(jié)理和裂隙不發(fā)育。這些堅(jiān)硬巖層有的直接覆于煤層上面，有的在煤層間有一薄層強(qiáng)度較大，因直接覆于煤層之上的頂板巖層堅(jiān)硬，在采面初采時(shí)，頂板初次垮落步距達(dá)50m-70m，甚至達(dá)100m以上。為防止初次來壓形成的危害，要用刀柱法進(jìn)行開采，在采面推進(jìn)一定距離后，在采空區(qū)留一段煤柱支撐頂板?？雌饋韺?duì)一個(gè)采場(chǎng)似乎安全，而隨采空面積的增加，上覆巖層的壓力把主要由留下的煤柱承擔(dān)。因煤柱本身的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，喪失了對(duì)頂板的支承能力，在煤柱支撐面積與采空面積之比低于1/3時(shí)，這種現(xiàn)象非常嚴(yán)重，形成大面積來壓現(xiàn)象。

從能量積聚的條件看，堅(jiān)硬頂板在破斷前彎曲下沉，使前方的煤巖體積聚大量的彎曲彈性能。在破斷中，如果條件充分，要突然釋放，發(fā)生煤的彈射或突出和破壞巷道等沖擊礦壓現(xiàn)象。

要了解難冒堅(jiān)硬頂板的破壞機(jī)理和活動(dòng)規(guī)律，某煤礦采用鉆孔電視觀測(cè)方法，觀測(cè)頂板的破壞和冒落狀況。

在開采中難冒堅(jiān)硬頂板雖然懸露面積很大，在曲應(yīng)力值超過其強(qiáng)度極限時(shí)，必將發(fā)生斷裂縫或使原生的細(xì)微裂隙擴(kuò)展。這些裂縫貫穿堅(jiān)硬巖層時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)斷裂。因其頂板大面積懸空，使采空空間形成扁平狹條孔，在煤柱上的頂板巖層內(nèi)產(chǎn)生巨大的切應(yīng)力，會(huì)促使頂板被切斷。厚層堅(jiān)硬巖層斷裂后，相互間很難靠咬合點(diǎn)的摩擦力維持平衡的。一旦斷裂，就會(huì)冒落，產(chǎn)生沖擊動(dòng)壓和暴風(fēng)現(xiàn)象。從時(shí)間和空間過程講，能將上述的破壞分為兩個(gè)階段，一是巖層的裂縫擴(kuò)展和離層的斷裂階段；二是斷裂后冒落階段。整個(gè)從斷裂到冒落的來壓過程，要經(jīng)歷一定的時(shí)間和有足夠的空間。

2、頂板大面積來壓的防治措施

2.1頂板大面積來壓的預(yù)兆及測(cè)定

大面積來壓的預(yù)兆表現(xiàn)為，頂板斷裂聲響的頻率和音響增大；煤幫明顯受壓和片幫現(xiàn)象；底板發(fā)生底鼓或沿煤柱附近的底板出現(xiàn)裂縫；巷道超前壓力明顯；工作面中支柱載荷和頂板下沉速度明顯增大。

大面積來壓的測(cè)定可用微震儀、地音儀和超聲波地層應(yīng)力儀等進(jìn)行量測(cè)巖層斷裂時(shí)的脈沖信號(hào)。按上述頂板大面積來壓的機(jī)理，厚堅(jiān)硬巖層的破壞過程，長(zhǎng)的在來壓前幾十天即發(fā)生聲響和其他異常現(xiàn)象，短的在來壓前幾天，甚至幾個(gè)小時(shí)前發(fā)生預(yù)兆。所以，按儀器量測(cè)的結(jié)果和結(jié)合歷次來壓預(yù)兆的特征，可對(duì)大面積來壓進(jìn)行較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，防止出現(xiàn)災(zāi)害。

2.2頂板大面積來壓的防治措施

頂板大面積來壓的主要危險(xiǎn)是由頂板冒落而形成的沖擊荷載。避免和減弱大面積來壓的危害，就要改變巖體的物理力學(xué)性能，減小頂板懸露和冒落面積，減小頂板下落高度和降低空氣排放速度。具體辦法有以下幾種：

（1）頂板高壓注水

從工作面兩巷向頂板打深孔，進(jìn)行高壓注水。頂板注水能夠軟化頂板，增多裂隙其鉆孔的布置方式及參數(shù)，及注水系統(tǒng)、潤(rùn)滑弱面等作用。它的主要機(jī)理是，在注水后可溶解頂板巖石中的膠結(jié)物和部分礦物；減小層間粘結(jié)力；高壓水能形成水楔，增加巖石中的裂隙弱面。因此，注水后巖石的強(qiáng)度會(huì)顯著降低。

（2）強(qiáng)制放頂

用爆破的方法把頂板切斷，并使頂板冒落形成矸石墊層。切斷頂板能夠控制冒落面積，減弱頂板壓力和冒落時(shí)出現(xiàn)的沖擊載荷；形成墊層能緩和冒落時(shí)出現(xiàn)的暴風(fēng)。為形成墊層，放頂?shù)母叨纫鶕?jù)形成墊層的厚度來計(jì)算。按實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采空區(qū)中矸石充滿程度達(dá)到采空和放頂高度之和的60%，就能預(yù)防過大的沖擊載荷和暴風(fēng)。頂強(qiáng)制放頂方法有以下幾種：

一是“循環(huán)式”淺孔放頂。對(duì)周期來壓不太嚴(yán)重的頂板，每一至兩個(gè)循環(huán)在工作面放頂線上打1.8-3.0m，主要作用是，爆破后破壞頂板的完整性，形成矸石墊層。

二是“步距式”深孔放頂。其主要作用是切斷頂板，防止頂板大面積一次冒落。平時(shí)再配合淺孔放頂，可以有效控制頂板來壓強(qiáng)度。

三是臺(tái)階式放頂。是為方便安排采面的回采工藝，應(yīng)把切頂線上的兩排鉆孔，按上、下兩部分分開。第一個(gè)循環(huán)先放一半工作面的頂板，第二個(gè)循環(huán)再放另一半。這樣上、下交替放頂，形成臺(tái)階狀。

四是超前深孔松動(dòng)爆破。綜采工作面，因在工作面內(nèi)不能設(shè)置打頂眼的設(shè)備，可在上、下順槽內(nèi)分別向頂板打深孔。在工作面未采到以前進(jìn)行爆破，預(yù)先破壞頂板的完整性。鉆孔間距為頂板自然冒落步距的60%以上，鉆孔長(zhǎng)和裝藥量按工作面長(zhǎng)度和巖石硬度等因素確定。對(duì)采用刀柱法的工作面，可在平巷或相鄰把懸露的頂板放落消除隱患。

五是地面深孔放頂。對(duì)歷史上已造成有大面積來壓隱患的地區(qū)，可在采空區(qū)上方的地面打垂直鉆孔，達(dá)到已采區(qū)頂板的適當(dāng)位置。進(jìn)行爆破，把懸露的大面積頂板崩落。這樣，把大面積采空的頂板切割成小塊，減小來壓強(qiáng)度。

開采煤層群時(shí)，除了以上各種防治措施外，在下煤層的頂板較軟，上煤層的頂板有大面積來壓危險(xiǎn)時(shí)，先開采下煤層，使上煤層位于下煤層采后頂板的裂縫帶內(nèi)，產(chǎn)生松動(dòng)和破斷，又保持一定的完整性。

（3）預(yù)防暴風(fēng)措施

有大面積來壓危險(xiǎn)的礦井，要采取預(yù)防措施，一般是采用堵和泄的辦法進(jìn)行預(yù)防。堵，即用留置隔離煤柱和設(shè)置防暴風(fēng)密閉，將已采區(qū)與生產(chǎn)區(qū)隔離起來。泄，即通過專門泄風(fēng)道，使被隔離區(qū)域與地面相通，把形成的暴風(fēng)引出地表。

這兩種措施一定要同時(shí)采用。隔離區(qū)域要按頂板冒落性能劃分，一般采空范圍可控制在5-10萬(wàn)m2。要在被隔離的區(qū)域設(shè)有泄風(fēng)道，起到有效的隔離作用。