第二篇煤矿支护案例分析

第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
图1-2-２直接顶垮落后把采空区充填满
第二节 压垮型冒顶的机理及预防措施 如果直接顶厚度不到采高的2～3倍，则直接顶垮落后 填不满采空空间。开始时，老顶在采空区上方呈双支点梁 状态，如图1-2-3所示。老顶岩梁把自身及其上部岩层的 重量都加到回采工作面周围的煤体之上，工作面还感受不 到老顶的压力。
Байду номын сангаас
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
3、老顶周期来压 老顶的周期来压 老顶初次来压后，随着回采 工作面的继续推进，老顶岩梁周期性断裂、下沉， 工作面内周期性地出现顶板下沉加快、煤壁严重片 帮、支架受载增大、以及顶板台阶下沉等老顶来压 现象，叫做老顶的周期来压。 老顶岩梁周期断裂的距离叫做老顶周期来压步距， 一般为老顶初次来压步距的1／2～1／4。
• •
（1）超前10m内，用双中心柱。 （2）超前10~20m内，用单中心柱。
第三节 漏冒型冒顶的机理及预防措施
• •
1）发生的条件：直接顶板软弱破碎。
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
(2) 这里所指的老顶，可能是垮落带中的岩层， 也可能是裂隙带中的岩层。如果是垮落带的岩层， 在初次来压后会在采空区以悬臂梁状态出现；如果 是裂隙带的岩层，则会在回采过程中以砌体梁结构 出现。
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
初次来压前顶板即将跨落的情形
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
一个长壁工作面从开切眼开始采煤后，直接顶的 跨度不断增加，其弯曲下沉也不断地增加。一般在直 接顶跨距达6～20m后，直接顶开始垮落。
直接顶初次垮落 当直接顶垮落厚度达1m以上、 垮落长度达回采工作面长度一半以上时，就叫直接顶 初次垮落，见图1-2-1。直接顶初次垮落时的跨距叫 做初次垮落步距。 实践表明，直接顶是按分层由下而上逐个发生 “初次”垮落的，而对每一个直接顶分层的初次垮落 均应进行控制。

第二，在一种条件下可能发生这类或另一类冒顶。可见， 综合类型冒顶考虑的应是第二种情况。

按力学原因划分的采场顶板事故分类方案如下：

1、压垮型冒顶（主要发生在老顶来压时）
① 垮落带老顶岩块压坏采场支架导致的冒顶；
② 垮落带老顶岩块冲击压坏采场支架导致的冒顶； ③ 裂隙带老顶压坏采场支架导致的冒顶。
第二节 1、顶板条件

压垮型冒顶的机理及预防措施
可能发生老顶来压时压垮型冒顶的煤层顶板是： (1) 直接顶比较薄，其厚度小于煤层采高的2～3倍； (2) 直接顶上面老顶分层厚度小于5～6m。
2）冒顶的前兆
这种冒顶只有来压时发生，故老顶来压预兆就是冒顶征兆。

（1）煤壁片帮。 （2）顶板下沉速度急剧增加。 （3）支柱载荷急剧增加。
随着回采工作面的推进，老顶岩梁悬露愈长，弯距值就愈大。 当由弯矩最大值所决定的拉应力超过老顶岩石的抗拉强度时，老顶 就折断。可见老顶岩层是在剪应力为零点即弯矩最大点处断裂的。 上面已经分析过，当支架或支柱初撑力很小时，这个点在煤壁之内。 目前，回采工作面所用单体支柱的初撑力一般都不大，因此多数单 体支柱工作面的老顶是断裂在煤壁里面。
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
4、有关老顶来压的两个问题 (1) 当支架或支柱的初撑力较低时，老顶往往断裂在 煤壁之内。这个事实可以用图1-2-4所示的力学模型来说 明。
图1-2-4 老顶断裂位置的力学 模型 q-老顶的均布载荷； P1、P2、P3-表示扣除直接顶岩 层影响后的支柱对老顶的支撑 力； q1-表示扣除直接顶岩层影响 后的煤体对老顶的支撑力分布。
(a)
离层
(b)
冲击压坏支架
图1-2-8 垮落带老顶岩块冲击压坏采场支架 综采工作面如遇老顶冲击来压，可能将支架压死、压坏(立柱油 缸炸裂、平衡干斤顶拉坏等)或压入底板，从而导致顶板事故。
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
(3) 裂隙带老顶压坏采场支架导致冒顶
当裂隙带老顶断裂、下沉、旋转、触矸时，如果采场支架的可 缩量不足，就可能被压坏从而导致冒顶。图1-2-9所示为裂隙带老 顶岩块后端已触矸，这时采场顶板下沉量最大，所需支架可缩量也 最大。
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
如果支柱的初撑力很低，当老顶未断裂时，支柱工作阻力就很 小，不足以平衡煤壁后方老顶岩层的重量，必须与煤体一起来支撑 老顶岩层，这就导致老顶岩梁剪应力为零的点在煤壁以内，见图12-4的Q图。与剪应力为零点相对应的老顶岩梁弯矩最大点，因而也 在煤壁之内，见图1-2-4的M图。
图1-2-9
裂隙带老顶压坏采场支架
如果支架可缩量较小，当裂隙带老顶岩块后端未触矸时，支架 就可能已被压坏。此外，由于裂隙带老顶本身不会冒落，采场支架 被压坏后，冒下的只是垮落带岩层。
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
4、预防冒顶的措施
为预防发生老顶来压时的压垮型冒顶事故，应采 取下列措施：
(1) 采场支架的支撑力应能平衡最不利情况下垮 落带直接顶及老顶岩层的重量。
一、采动后顶板活动的一般规律
通常煤层之上既有直接顶，又有老顶。回采工作面 从开切眼开始采煤后采到一定距离，首先要经历直接顶 的初次垮落过程。如果直接顶厚度不大，随着采煤工作 的进行，除了直接顶初次垮落外，工作面还要经历老顶 初次来压和老顶周期来压等顶板来压过程。
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
1、直接顶初次垮落
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
图１-2-7
垮落带老顶岩块压坏采场支架
第二节 压垮型冒顶的机理及预防措施 (2) 垮落带老顶岩块冲击压坏采场支架导致冒顶
如图１-2-8所示，由于采场支架的初撑力不足，在老顶岩块未 明显运动之前，直接顶与老顶已发生离层[见图1-2-8(a)]，当老顶 岩块向下运动时，采场支架要承受冲击载荷，支架容易被损坏，从 而导致冒顶[见图1-2-8(b)]。

③ 大块游离顶板导致的冒顶（包括复合顶板推垮型冒 顶、冲击推垮型冒顶、大块游离顶板旋转推垮型冒顶、直 接顶导致的压垮型冒顶）。

下面各节中，分别阐述这几类冒顶的机理及预防措施。
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
压垮型冒顶主要是在老顶来压时发生的，因此在介 绍压垮型冒顶的机理及预防措施之前，先介绍老顶来压 问题。
第二篇 煤矿支护案例分析

1) 顶板事故分类 2) 压垮型冒顶的机理及预防措施 3) 漏冒型冒顶的机理及预防措施 4) 推垮型冒顶的机理及预防措施 5) 综合类型冒顶的机理及预防措施
6) 对采场支架的基本要求
第一节
顶板事故分类
顶板事故 人们在地下煤层中采煤，如果处理 不当，顶板就会冒落下来，轻则影响生产，重则造 成人员伤亡。 为了彻底消灭采场顶板事故，必须研究采场顶板 事故的机理及其预防措施，而科学的采场顶板事故 分类，则是首先必须解决的问题。
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
图1-2-1 直接顶初次垮落
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
2、老顶初次来压 直接顶初次垮落后、回采工作面继续向前推进，随着 每次回柱放顶，采空区上方的直接顶也就随着垮落下来。
直接顶岩石破碎后体积增大，刚破碎时其碎胀系数达 1.33～1.5。如果直接顶的厚度等于或大于采高的2～3倍， 直接顶垮落后就能把采空空间填满，见图１-2-2。在这种 情况下，随着破碎的直接顶岩石被压实，老顶岩层还是会 弯曲、下沉与断裂的，但是这对回采工作面影响很小，回 采工作面不存在老顶活动的威胁。
最不利情况如图12277所示垮落带老顶岩块前端所示垮落带老顶岩块前端已露出工作面煤壁后端又未触矸这时老顶岩块的全已露出工作面煤壁后端又未触矸这时老顶岩块的全部重量均由采场支架承受发生压垮型冒顶的可能性最部重量均由采场支架承受发生压垮型冒顶的可能性最第二节第二节压垮型冒顶的机理及预防措施压垮型冒顶的机理及预防措施第二节第二节压垮型冒顶的机理及预防措施压垮型冒顶的机理及预防措施垮落带老顶岩块冲击压坏采场支架导致冒顶垮落带老顶岩块冲击压坏采场支架导致冒顶如图1如图12288所示由于采场支架的初撑力不足在老顶岩块未所示由于采场支架的初撑力不足在老顶岩块未明显运动之前直接顶与老顶已发生离层明显运动之前直接顶与老顶已发生离层见图见图11228a岩块向下运动时采场支架要承受冲击载荷支架容易被损坏从岩块向下运动时采场支架要承受冲击载荷支架容易被损坏从而导致冒顶而导致冒顶见图见图11228b离层离层冲击压坏支架冲击压坏支架图图11228垮落带老顶岩块冲击压坏采场支架垮落带老顶岩块冲击压坏采场支架综采工作面如遇老顶冲击来压可能将支架压死压坏综采工作面如遇老顶冲击来压可能将支架压死压坏立柱油立柱油缸炸裂平衡干斤顶拉坏等缸炸裂平衡干斤顶拉坏等或压入底板从而导致顶板事故
初次来压
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
老顶初次来压 （a）-老顶断裂下沉；（b）-顶板台阶下沉
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
老顶周期来压 （a）-老顶断裂下沉；（b）-顶板台阶下沉
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
二、压垮型冒顶的机理及预防措施
20世纪50年代，我国回采工作面中主要使用木支 架，由于它的可缩量小，当时支护密度也小，老顶 来压时往往被折断，导致出现压垮型冒顶事故。20 世纪50年代末期，回采工作面中开始使用摩擦支柱， 随后得到普遍推广，使压垮型事故得到一定的抑制。 20世纪70年代以来，相当多的工作面已经使用单体 液压支柱，不少工作面还用上了液压支架。由于这 些支架的工作阻力较大，可缩量也较大，能够适应 老顶的下沉，并有足够的工作阻力与顶板压力相抗 衡，大大降低了老顶来压时压垮型冒顶的威胁。
第二节 压垮型冒顶的机理及预防措施 如果老顶岩层在采空区侧还受有剪力(如图1-2-5)，或 老顶上位岩层对老顶还施加有力(如图1-2-6)，则老顶在 煤壁内断裂的性质不会变，只是断裂位置可能更深入煤体 而已。
图1-2-5 老顶受后面岩块
图1-2-6 老顶受上位岩层
施加的剪力
施加的分布力
实践表明，随着老顶及其支撑条件的不同，老顶在煤 壁内的断裂点距煤壁的距离由一两米至十几米不等。
第一节

顶板事故分类
2、漏冒型冒顶
① 大面积漏垮型冒顶；
② 靠煤壁附近局部冒顶； ③ 采场两端（即机头机尾处）局部冒顶； ④ 放顶线附近局部冒顶。 3、推垮型冒顶 ① 金属网下推垮型冒顶； ② 采空区冒矸冲入采场的推垮型冒顶
第一节
4、综合类型冒顶
顶板事故分类

① 厚层难冒顶板导致的冒顶（在这种顶板下主要是大 面积的压力，但不排除一定条件下采空区冒矸冲入采场的 推）； ② 地质破坏带附近的局部冒顶（主要在断层附近，这 时压、漏、推都可能发生）；

漏冒型冒顶是因已破碎顶板没有得到有效防护受 重力作用冒落而导致的冒顶；

推垮型冒顶则是由平行于层面方向的顶板力推倒 采场支架而导致的冒顶。

第一节
顶板事故分类
此外，还可能出现综合类型的冒顶，有两种情况：
第一，在一次冒顶事故中出现压、漏、推的综合，但必 有一个为主，按为主的预防即可，亦即按为主的归类即可。


（4）靠煤壁顶板断裂。
（5）靠煤壁顶板掉渣。 （6）摩擦支柱放炮。
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
３、冒顶的机理
在下列三种情况下，老顶来压时可能导致发生压垮 型冒顶事故：
(1) 垮落带老顶岩块压坏采场支架导致冒顶 老顶来压时，断裂、下沉的老顶岩块要挤压采场支 架，如果采场支架的支撑力不足，就会被压坏而导致冒 顶。最不利情况如图１-2-7所示，垮落带老顶岩块前端 已露出工作面煤壁，后端又未触矸，这时老顶岩块的全 部重量均由采场支架承受，发生压垮型冒顶的可能性最 大。
图1-2-3 老顶呈双支点梁
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
随着回采工作面的推进，梁的跨度愈来愈大，老 顶就逐渐弯曲、下沉；当老顶双支点梁达到极限跨 距时，它就断裂、下沉。这时，回采工作面内顶板 下沉加快、煤壁片帮严重、支架受力增大、甚至发 生顶板台阶下沉等老顶来压现象。
老顶初次来压 工作面回采以来老顶第—次大 规模来压，叫做老顶的初次来压。由开切眼到初次 来压时工作面推进的距离叫做老顶的初次来压步距。 一般为20～35m。

(2) 采场支架的初撑力应能保证直接顶与老顶之 间不离层（专门试验表明，当支架初撑力足够大时， 可令直接顶沿放顶线切断而不在煤壁处断裂，从而 可保持直接顶与老顶之间不离层。）

(3) 采场支架的可缩量应能满足裂隙带老顶最大 下沉的要求。

第二节
•
•
压垮型冒顶的机理及预防措施
注意：
超前工作面20m范围内的两端巷 道，因受工作面前方支承压力的作用， 受压大。为防止压坏支架，应加强支护。
关于采场顶板事故分类，有关专家学者根据个人 的实践与研究，提出了不同的看法。我们认为：应 该按冒顶的力学原因来进行分类，才能使采取的预 防措施更加可靠有效。
第一节
顶板事故分类
采场顶板事故按力学原因可分为压垮型、漏冒型 与推垮型三大类。 压垮型冒顶是由垂直于层面方向的顶板力压坏采 场支架而导致的冒顶；
第二节
压垮型冒顶的机理及预防措施
以上情况说明，过去流行的回采工作面重大冒顶 事故主要是由老顶来压导致的结论，已经随着回采 工作面支护手段的改变而不适用了。当前，为了大 大降低回采工作面重大顶板事故及其伤亡人数，必 须大力研究推垮型冒顶事故的机理及其预防措施。
虽然如此，目前对老顶来压导致的压垮型冒顶， 还是有研究的必要。因为在一些小矿，回采工作面 中还有使用木支架；有些使用金属支柱的回采工作 面，由于支护参数不合适，还有发生压垮型冒顶的； 应用液压支架的工作面也有发生压垮型冒顶事故的。