煤矿顶板大面积来压的成因与预防措施

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【摘要】顶板大面积来压不但因重量的作用出现严重的冲击破坏力，更严重的是将已采空间的空气瞬时排出，破坏力极强。本文主要对顶板大面积来压的成因和机理进行了分析，提出了顶板大面积来压的防治措施。

【关键词】顶板；大面积来压；成因；预防措施

顶板大面积来压时，一次冒落的面积少则几千平方米，多则几万乃至十几万平方米。这样大面积的顶板在极短时间内冒落下来，不但因重量的作用出现严重的冲击破坏力，更严重的是将已采空间的空气瞬时排出，破坏力极强。

1、顶板大面积来压的成因和机理

顶板大面积来压是由坚硬岩层大面积冒落形成的。如砂岩和砾岩层等，其单向抗压强度可达8.0-16.0kPa，甚至达20.0kPa。这些岩层是厚层整体结构，岩体中的层理、节理和裂隙不发育。这些坚硬岩层有的直接覆于煤层上面，有的在煤层间有一薄层强度较大，因直接覆于煤层之上的顶板岩层坚硬，在采面初采时，顶板初次垮落步距达50m-70m，甚至达100m以上。为防止初次来压形成的危害，要用刀柱法进行开采，在采面推进一定距离后，在采空区留一段煤柱支撑顶板。看起来对一个采场似乎安全，而随采空面积的增加，上覆岩层的压力把主要由留下的煤柱承担。因煤柱本身的力学性质发生变化，丧失了对顶板的支承能力，在煤柱支撑面积与采空面积之比低于1/3时，这种现象非常严重，形成大面积来压现象。

从能量积聚的条件看，坚硬顶板在破断前弯曲下沉，使前方的煤岩体积聚大量的弯曲弹性能。在破断中，如果条件充分，要突然释放，发生煤的弹射或突出和破坏巷道等冲击矿压现象。

要了解难冒坚硬顶板的破坏机理和活动规律，某煤矿采用钻孔电视观测方法，观测顶板的破坏和冒落状况。

在开采中难冒坚硬顶板虽然悬露面积很大，在曲应力值超过其强度极限时，必将发生断裂缝或使原生的细微裂隙扩展。这些裂缝贯穿坚硬岩层时，就会出现断裂。因其顶板大面积悬空，使采空空间形成扁平狭条孔，在煤柱上的顶板岩层内产生巨大的切应力，会促使顶板被切断。厚层坚硬岩层断裂后，相互间很难靠咬合点的摩擦力维持平衡的。一旦断裂，就会冒落，产生冲击动压和暴风现象。从时间和空间过程讲，能将上述的破坏分为两个阶段，一是岩层的裂缝扩展和离层的断裂阶段；二是断裂后冒落阶段。整个从断裂到冒落的来压过程，要经历一定的时间和有足够的空间。

2、顶板大面积来压的防治措施

2.1顶板大面积来压的预兆及测定

大面积来压的预兆表现为，顶板断裂声响的频率和音响增大；煤帮明显受压和片帮现象；底板发生底鼓或沿煤柱附近的底板出现裂缝；巷道超前压力明显；工作面中支柱载荷和顶板下沉速度明显增大。

大面积来压的测定可用微震仪、地音仪和超声波地层应力仪等进行量测岩层断裂时的脉冲信号。按上述顶板大面积来压的机理，厚坚硬岩层的破坏过程，长的在来压前几十天即发生声响和其他异常现象，短的在来压前几天，甚至几个小时前发生预兆。所以，按仪器量测的结果和结合历次来压预兆的特征，可对大面积来压进行较准确的预报，防止出现灾害。

2.2顶板大面积来压的防治措施

顶板大面积来压的主要危险是由顶板冒落而形成的冲击荷载。避免和减弱大面积来压的危害，就要改变岩体的物理力学性能，减小顶板悬露和冒落面积，减小顶板下落高度和降低空气排放速度。具体办法有以下几种：

（1）顶板高压注水

从工作面两巷向顶板打深孔，进行高压注水。顶板注水能够软化顶板，增多裂隙其钻孔的布置方式及参数，及注水系统、弱面等作用。它的主要机理是，在注水后可溶解顶板岩石中的胶结物和部分矿物；减小层间粘结力；高压水能形成水楔，增加岩石中的裂隙弱面。因此，注水后岩石的强度会显著降低。

（2）强制放顶

用爆破的方法把顶板切断，并使顶板冒落形成矸石垫层。切断顶板能够控制冒落面积，减弱顶板压力和冒落时出现的冲击载荷；形成垫层能缓和冒落时出现的暴风。为形成垫层，放顶的高度要根据形成垫层的厚度来计算。按实践经验，采空区中矸石充满程度达到采空和放顶高度之和的60%，就能预防过大的冲击载荷和暴风。顶强制放顶方法有以下几种：

一是“循环式”浅孔放顶。对周期来压不太严重的顶板，每一至两个循环在工作面放顶线上打1.8-3.0m，主要作用是，爆破后破坏顶板的完整性，形成矸石垫层。

二是“步距式”深孔放顶。其主要作用是切断顶板，防止顶板大面积一次冒落。平时再配合浅孔放顶，可以有效控制顶板来压强度。

三是台阶式放顶。是为方便安排采面的回采工艺，应把切顶线上的两排钻孔，按上、下两部分分开。第一个循环先放一半工作面的顶板，第二个循环再放另一半。这样上、下交替放顶，形成台阶状。

四是超前深孔松动爆破。综采工作面，因在工作面内不能设置打顶眼的设备，可在上、下顺槽内分别向顶板打深孔。在工作面未采到以前进行爆破，预先破坏顶板的完整性。钻孔间距为顶板自然冒落步距的60%以上，钻孔长和装药量按工作面长度和岩石硬度等因素确定。对采用刀柱法的工作面，可在平巷或相邻把悬露的顶板放落消除隐患。

五是地面深孔放顶。对历史上已造成有大面积来压隐患的地区，可在采空区上方的地面打垂直钻孔，达到已采区顶板的适当位置。进行爆破，把悬露的大面积顶板崩落。这样，把大面积采空的顶板切割成小块，减小来压强度。

开采煤层群时，除了以上各种防治措施外，在下煤层的顶板较软，上煤层的顶板有大面积来压危险时，先开采下煤层，使上煤层位于下煤层采后顶板的裂缝带内，产生松动和破断，又保持一定的完整性。

（3）预防暴风措施

有大面积来压危险的矿井，要采取预防措施，一般是采用堵和泄的办法进行预防。堵，即用留置隔离煤柱和设置防暴风密闭，将已采区与生产区隔离起来。泄，即通过专门泄风道，使被隔离区域与地面相通，把形成的暴风引出地表。

这两种措施一定要同时采用。隔离区域要按顶板冒落性能划分，一般采空范围可控制在5-10万m2。要在被隔离的区域设有泄风道，起到有效的隔离作用。