1、采场顶板控制与监测技术,中 国 矿 业 大 学 窦林名 教授 博导,Tel: 3885904, 13952261972E-mail: ,概 述,1、在我国煤矿（国有重点煤矿）中，顶板事故伤亡人数占煤炭行业总伤亡人数的比重较大。2、顶板事故又分为采场（工作面）顶板事故和巷道顶板事故3、54年85年期间，顶板事故占总死亡人数的45%。4、采场（工作面）顶板事故占 3/4， 巷道顶板事故占 1/4,采场事故,按支护类型分：磨擦支柱、木支柱占93%、其它支柱占7% 按顶板类型分：直接顶板事故占93%、老顶事故占7% 按冒顶类型分：局部冒顶占70% 、大型冒顶占30% 按 地 点 分：机道炮道占26%、
2、放顶线占15%、上下出口占15% 、其他地点占44%,采场事故,1986年-1992年顶板事故死亡人数占总死亡人数的40%，有所下降，但比例也发生变化。其中：采场顶板事故占2/3 巷道顶板事故占1/3科技发展；工作面支护改革；巷道断面加大、长度加长,采场事故, 1999年，顶板事故死亡1997人，占30.8% 2000年，顶板事故死亡人数1546人，占26.5% 2001年，顶板事故死亡人数2679人，39.79% （瓦斯2546） 2002年，顶板事故死亡人数2766人，占39.5%（瓦斯2407人）,2002、2003年按事故类别统计分析,科学的顶板管理,科学管理顶板：“合理顶板控制设计”
3、和“支护质量与顶板动态监测”。管好顶板、最大限度地消除冒顶事故，必须：合理顶板控制设计；支护质量与顶板动态监测（矿压观测）。支护质量监测：支护参数是否符合合理顶板控制设计的要求。顶板动态监测：保证顶板处于良好状态，保证采场正常而安全的生产。,顶板事故发生原因分析,（1）自然因素（2）技术因素（3）人为因素,绪论,1984年开始，顶板事故调查。1988年，支护质量与顶板动态监测。1992年，顶板控制设计。19851996年，全国顶板管理工作会议。1989、1991年全国统配煤矿九次支护质量与顶板动态监测新技术培训班。,2、参考书,1）采场顶板控制与检测技术 岑传鸿、窦林名著2）顶板灾害防治 岑传
4、鸿 编著 3）中国采场围岩控制 陈炎光、钱鸣高 主编4）中国巷道围岩控制 陈炎光、陆士良 主编5）冲击矿压防治理论与技术 窦林名、何学秋著,第一章 采场顶板控制基础知识,一、顶板：煤层上方的岩层,第一节 顶板与底板,1. 顶板运动方式,采煤后，顶板岩层按“分层”由下而上依次逐个下沉、断裂、冒落。“分层”可能是：同一岩性的整体岩层同一岩性中较厚岩层中的一部分岩层由下硬上软不同岩性岩层组成的岩层，此时软岩层为硬岩层的附加岩层。,2. 分层的硬(强度大)与软(强度小),分层的硬与软，不仅与岩性和强度有关，而且与分层的厚度有关。分层厚度小的岩层，分层强度较小。分层厚度大的岩层，分层强度较大。,3. 老
5、顶与直接顶,顶板：煤层上方的岩层。老顶(牢顶)：厚度大于1.52.0m，较坚硬的分层，岩性多为砂岩、砂砾岩、石灰岩等。直接顶：直接在煤层上面，厚度小于1.52.0m，较软弱、下面又无老顶的分层，岩性多为页岩、砂页岩等。底板：直接在煤层下面的岩层。,第二节 垮落带与裂隙带,工作面工作空间与采空区；采空区处理方法：全部垮落法与充填法,1. 垮落带与裂隙带的涵义,垮落带岩层(直接顶和老顶)：不支撑就会垮落的那部分岩层；裂隙带岩层(主要是老顶)：在其断裂、旋转、下沉及触矸过程中，岩块间能够互相挤紧，从而形成能够承受载荷的平衡结构，并把自身及附加岩层的重量加到采空空间周围的煤体及冒矸之上。,2. 直接顶
6、、老顶与垮落带、裂隙带的关系,当直接顶厚度大于或等于23倍采高时，垮落带岩层为23倍采高的直接顶，其上的直接顶为不垮落的直接顶。 h充填满采空区所需直接顶厚度 M采高 Kz岩层的碎胀系数,2）当直接顶厚度不足23倍采高时，其上老顶有三种情况：(1)当老顶分层厚度大于56m时为厚层难冒顶板，需悬露几千、几万、甚至几十万平方米才垮落。(2)当老顶分层厚度小于56m，在其断裂、旋转、下沉及触矸过程中，岩块间能够互相挤紧，从而形成能够承受载荷、并把自身及上位岩层的重量加到采空空间周围的煤体及垮落矸石之上的平衡结构者为裂隙带老顶。(3)当老顶分层厚度小于56m，在其断裂、旋转、下沉及触矸过程中，断块间会
7、失去水平力的联系，从而不能形成平衡结构者为垮落带老顶。,3）当直接顶厚度小于23倍采高，而上面老顶分层厚度又小于56m时，判断老顶分层带别的方法：(1)老顶分层厚度大于其下自由空间高度2m时，该老顶分层已进入裂隙带。(2)判断进入裂隙带老顶分层的公式,Hi-由下而上第I层老顶的厚度(右边包括附加岩层，左边不包括)M-煤层采高K1-老顶及附加岩层的碎胀系数，1.151.33h-直接顶厚度Kz-直接顶岩层的碎胀系数，1.331.5,* 急倾斜煤层长壁面,工作面上部垮落带厚度较大。工作面支护上下部一样。控顶设计应以工作面上部为准。上部多了0.5倍采高的自由空间。煤厚按1.5M计算。,当直接顶厚度大于
8、3.55倍采高时，垮落带厚度：,当直接顶厚度小于3.55倍采高时，老顶是否进入裂隙带的判断：(1) 当h0.5M：,(2) 当h0.5M:,*综采放顶煤,判断老顶进入裂隙带分层的公式,2)注意： M包括采与放的高度 K1应为1.331.5 Kz应为1.51.7,3)急倾斜水平分层法 垮落带垂高=2倍分层高(采与放),第二章 采场顶板事故及预防,顶板事故分类压垮型冒顶的机理及预防措施漏冒型冒顶的机理及预防措施推垮型冒顶的机理及预防措施综合类型冒顶的机理及预防措施对采场支架的基本要求,第一节 顶板事故分类,按冒顶的力源进行分类压垮型：由垂直于层面方向的顶板力压坏采场支架而导致冒顶。漏冒型：因已破碎
9、的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：由平行于层面方向的顶板力推倒采场支架而导致的冒顶。综合型：两种或三种综合出现。,1）压垮型冒顶,老顶来压时的压垮型冒顶（1）垮落带老顶岩块压坏采场支 架。（2）垮落带老顶岩块冲击压坏采场支架。（3）裂隙带老顶岩块压坏采场支架。,2）漏冒型冒顶,（1）大面积漏垮型冒顶 （2）靠煤壁附近的局部冒顶。（3）单体支柱工作面两端的局部冒顶，包括机头、机尾处的局部冒顶，工作面与巷道交接处的局部冒顶。（4）放顶线附近的局部冒顶。,（1）金属网下的推垮型冒顶。（2）采空区冒矸冲入采场的推垮型冒顶。,3）推垮型冒顶,4）综合类型的冒顶,（1）厚层难冒顶板
10、导致的大面积冒顶。（2）地质破坏（断层）带附近的冒顶。（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，以及直接顶导致的压垮型冒顶。,第二节 压垮型冒顶的机理及预防措施-老顶来压时的压垮型冒顶,1）采动后顶板活动的一般规律：（1）直接顶的初次垮落垮落厚度在1.0m以上，垮落长度达工作面长度的一半以上。垮落步距一般为620m。,（2）老顶初次来压工作面回采以来的第一次老顶大规模来压。初次来压步距一般2035m。如果直接顶厚度大于或等于24倍的采高，则能填满采空区，采面无老顶活动威胁。但老顶还是要弯曲、下沉和断裂的。,如果直接顶厚度小于24倍的采高，
11、开始时老顶呈双固支梁状态，它把自身及上部岩层的重量都加到了工作面周围的煤体上，工作面无老顶压力感觉。,当老顶岩梁达到极限跨距时，弯曲、下沉、断裂。工作面顶板下沉加快、煤壁片帮、支架受力增加，甚至出现顶板台阶等老顶来压现象。,（3）老顶周期来压老顶初次来压后，周期性的断裂、下沉，工作面内周期性出现顶板下沉加快、煤壁片帮、支架受力增加，以及出现顶板台阶等老顶来压现象。周期来压步距一般为初次来压步距的1/21/4。（4）老顶来压的两个问题当初撑力较低时，老顶往往断裂在煤壁之内。老顶，可能是垮落带岩层悬臂梁， 裂隙带岩层砌体梁结构。,老顶往往断裂在煤壁之内。-剪切力为零点在煤壁内，对应弯矩最大点。,老
12、顶在采空区受剪力时；老顶上位岩层对老顶施加力时；老顶的断裂性质不变，而且位置更深入煤体内。,冒顶机理及预防措施,50年代木支柱可缩量小、支护密度小，来压时易被折断，导致压垮型冒顶。6080年代摩擦支柱工作阻力大，可缩量大，适应顶板下沉，来压事故大大降低。90年代液压支柱-工作阻力大，可缩量大，适应顶板下沉，阻力能与顶板抗衡，压垮型事故很少。,1）压垮型冒顶的顶板条件（1）直接顶薄，厚度小于采高的23倍。（2）直接顶上面老顶分层厚度小于56m。,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。（4）靠煤壁顶板断
13、裂。（5）靠煤壁顶板掉渣。（6）摩擦支柱放炮。,3）冒顶的机理（1）垮落带老顶岩块压坏支架导致冒顶。,垮落带老顶岩块全部重量均由采场支架承受，若支架支撑力不够，就会压坏而冒顶。,（2）垮落带老顶岩块冲击压坏支架导致冒顶。,初撑力不足，垮落带离层老顶岩块冲击采场支架，冲击压坏而冒顶。,（3）裂隙带老顶压坏采场支架导致冒顶。,裂隙带老顶断裂、下沉、旋转、触矸时，若支架的可缩量不足，可能压坏导致冒顶。,当存在平行煤壁的断层、长度大于5m时，因下位裂隙带老顶分层转化为垮落带，故有较大的垮落带老顶来压。,4）预防冒顶的措施预防来压的压垮型冒顶措施：（1）采场支架的支撑力应能平衡垮落带直接顶及老顶岩层的重
14、量。（2）采场支架的初撑力应能保证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下沉的要求。,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。（1）超前10m内，用双中心柱。（2）超前1020m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。2）防治对策：护.采用各种方法将顶板护好。综采面：选用掩护式或支撑掩护式支架。单体面：支柱加顶梁，顶梁上加背板，甚至背严。支柱柱距小于0.7m。漏冒型冒顶包括：大面积漏垮型冒顶，靠煤壁附近局部冒顶，采场两端局部冒顶，以及放顶线附近局部冒顶。
15、,1. 大面积漏垮型冒顶,条件：直接顶异常破碎；煤层倾角较大。冒顶机理：支护系统中若某处失效发生局部冒顶，破碎顶板就可能从该处沿工作面向上全部漏空，使支架失稳，漏垮工作面。,3）预防措施使支护系统有足够的支撑力与可缩量。顶板必须背严背实、梁头顶紧煤壁，采煤后及时支护、甚至要掏梁窝。严防放炮、移溜等工序弄倒支架发生冒顶。,2.靠煤壁附近局部冒顶,1) 原因：I.顶板由于被裂隙切割，存在镶嵌型游离岩块。II. 端面距过大。III. 放炮崩倒支柱。,2)预防措施控制端面距综采面：用及时支护方式，端面距不大于340mm；采高大于2.53.0m时，加护帮装置，必要时，固结碎顶。单体面：端面距不超过200
16、mm。采用正悬臂交错顶梁，错梁直线柱支护。,I.控制端面距单体面：基本顶梁加短顶梁。,3.采场两端局部冒顶（单体面）,机头机尾处原因：因移溜时支护操作不当（先拆后支），导致碎顶冒落。,措施：用“四对八梁”支护 或用双楔铰接顶梁支护,I.控制端面距单体面：铰接顶梁加长钢梁，金属网下用II型长钢梁对棚迈步支架等。,II. 严防放炮崩倒靠煤帮的支柱。,2）采场两端局部冒顶工作面与巷道交接处原因：交接处需去掉原巷道支架一个腿，如果支护操作不当，可导致碎顶冒落。,措施：交接处宜用一对迈步抬棚。,说明：有的采场利用“四对八梁”中的一对。综采面未用端头支架时，也应如此。,4.放顶线附近的局部冒顶（单体面）,
17、原因：人工回柱时，顶板冒落伤人。特别是分段回柱回最后一棵柱时。,措施： 应在有支护的地点远距离操作后采用墩柱支护。,第四节 推垮型冒顶的机理及预防措施一、金属网下推垮型冒顶,1. 实例11）某矿276工作面1981年1月12日冒顶事故 276工作面所在区段煤层厚度为1012m，倾角为2227，采用倾斜分层金属网假顶开采。276工作面回采第二分层，采高为1.82.0m。金属网假顶上为3m左右冒矸，再上为已断裂了的硬岩大块。摩擦支柱铰接顶梁支护 工作面长从开切眼处的106m，到离开切眼30 m后的116m,1. 实例11）某矿276工作面1981年1月12日冒顶事故 冒顶事故发生在回采工作面推进3
18、5m处。这时，工作面下端11m控顶距宽7.6m，尚未初次放顶，并且支柱密度不够。正当准备采煤时，工作面下端11m整个7.6m宽突然全部推垮，造成事故。,1. 实例22）某矿262工作面1982年3月3日冒顶事故 某矿262工作面1982年3月3日冒顶事故整个7.6m宽突然全部推垮，造成事故。金属网假顶上为6m左右冒矸。再上为己断裂了的硬岩大块。 工作面长平均73m，冒顶处为57m。三分层开切眼内错二分层开切眼7m布置。 炮采，40型链板输送机运煤，摩擦支柱及木梁支护。,1. 实例22）某矿262工作面1982年3月3日冒顶事故 工作面开两次帮后第一次放顶，控顶距1.9m，放顶距为1.6m，没有
19、放下来。工作面又开了一次帮又进了0.6m，再进行回柱放顶过程中，发现工作面上部顶板掉碴、支柱向下歪斜。稳定后继续工作，突然从风巷往下10 m处开始，向下共37m长4.1m宽全部推垮。,1. 实例33）某矿231工作面1982年3月7日冒顶事故 231工作面回采区段煤层厚6m，倾角25，采用倾斜分层金属网假顶开采。231工作面回采第二分层，采高1.82.0 m。金属网假顶上为2m左右冒矸，再上为已断裂了的硬岩大块。工作面长60180 m，冒顶处为60 m。二分层开切眼与一分层开切眼垂直布置。 炮采，摩擦支柱及木梁支护。,1. 实例33）某矿231工作面1982年3月7日冒顶事故 冒顶发生在工作面
20、上部推进四次帮(每次推进0.7m)，下部推进五次帮时，当时工作面支柱密度不够。放炮后发现工作面中上部支柱向下歪斜，约半小时后，自风巷往下共45m长5.1m宽全部推垮。处理事故现场时发现冒矸上有一块自上部硬岩中掉下的大块，长5.6m，宽3.4m，厚0.58m。但工作面支柱只是被向下推倒，没有被砸坏的。,一、金属网下推垮型冒顶,2. 发生条件：1）煤层倾角在20以上。2）网上是悬浮顶板。,上下分层切眼垂直布置时，开切眼附近，松散冒矸上有三角形空隙存在。,当下分层切眼内错布置，或垂直布置，但工作面已过三角形空隙区。松散顶板因支柱初撑力小，没有顶紧，转化为悬浮顶板。,3. 冒顶机理：专门的实验研究表明
21、，网下推垮分两个阶段。1）形成网兜。原因是工作面内某位置的支护失效。当支架稳定性好时，不会推垮。,2）推垮工作面。原因是网上碎矸与上位岩层之间有空隙，支架不稳定，网兜向下拉力拉倒支架，造成推垮型冒顶。,4。预防措施： 提高初撑力，增加支架稳定性。1）单体液压支柱工作面。采用内错式布置切眼，提高支柱的初撑力，避免形成网上空隙，严防支护失效。当垂直布置切眼时，初放阶段用“整体支架”（沿走向与倾斜将单体支柱联成整体）。2）摩擦支柱工作面。采用“整体支架”支护。3）内错式布置切眼时，初放前要剪网，保证将金属网放到底板。,二、采空区冒矸冲入采场的推垮型冒顶,1. 发生条件：煤层之上直接就是石灰岩等坚硬岩
22、层。2. 发生机理：当顶板呈大块在采空区垮落时，可能顺着已垮落的矸石堆冲入采场，推倒采场支架（从柱根推倒），导致事故。,3. 预防措施 （1）用切断墩柱的初撑力切断顶板（减小冒落顶板的块度），并将冒矸挡在采空区。（2）当顶板分层过厚切不断时，用挑顶法，使冒矸超过采高。4. 急倾斜工作面，如密集支柱初撑力不足，稳定性不好，采空区矸石也可能冲倒支架，造成事故。,第五节 综合类型冒顶的机理及预防措施 一、厚层难冒顶板,1. 发生条件：1）顶板为整体厚层硬岩层。2）悬露几千、几万、甚至十几万平方米才冒落。2. 冒顶机理：顶板大面积悬顶，形成大面积冒顶。认为1）岩体在自重作用下，拉断形成小裂缝，然后裂缝
23、贯穿，发生大断裂，导致冒顶。2）煤柱上的顶板岩层内产生强大的切应力，顶板被切断，导致冒顶。,3. 预防措施：1）用挑（钻爆法或高压注水）松散碎裂23倍采高顶板（包括直接顶在内）。把“挑”的部分看成是垮落带岩层，即可按常规法防压、漏、推。综采面：一般应超前工作面碎裂。单体面：考虑到冒矸块度大，放顶线上支柱应有足够的支撑力与稳定性，条件允许时用墩柱。2）若有可能（即厚层顶板分层不太厚），挑顶一部分，令剩余部分转变为裂隙带老顶。,二、地质破坏（断层）带附近,1. 单体支柱工作面：1）断层附近顶板压力大，（垮落带范围扩大），破碎、支护不好时，易发生压或漏冒型冒顶。2）当碎顶沿倾斜断层面移动时，易推倒支
24、架，导致推垮型冒顶。3）因而，在断层带附近应增大支护密度，提高支柱初撑力（甚至用木垛），以加强支护，护好碎顶，并用戗棚、戗柱，增加支架稳定性。2. 综采面：1）支架若有较大富裕阻力，可照常推进。2）若无，应让工作面与断层斜交、或挑顶。,三、大块游离顶板导致的冒顶,由于地质构造（如断层、裂隙、层理、尖灭等）、旧巷（沿煤层走向或倾向开掘的巷道，其上直接顶板往往已经破碎）、以及采动（如采场支架初撑力小，导致直接顶板沿工作面煤壁断裂）等原因，造成煤层直接顶板中存在大块游离顶板。它们上面与再上岩层粘结力很小或不粘结甚至离层、四周与原岩层断开、下面为采空空间。大块游离顶板尺寸有大有小，岩性有硬有软，在一定
25、条件下会导致或大或小的冒顶事故。 大块游离顶板导致的冒顶事故包括：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，以及直接顶导致的压垮型冒顶。,三、大块游离顶板导致的冒顶,1. 原因：1）地质构造：断层（超过5m 长的平行工作面的断层，往往会出现游离岩块。2）旧巷：其上直接顶往往已断碎。3）采动：支架初撑力小，导致直接顶板沿煤壁断裂。2. 可能导致的顶板事故,当游离岩块处在工作面中，厚0.53.0m，而沿岩块倾斜下方又有让岩块向下运动的空间时，岩块可能推倒单体支架，导致“复合顶板”推垮型冒顶。在综采面可能导致倒架。,2）当游离岩块又与上位岩层离层，在上位岩层向下活动时，可能导致
26、冲击推垮型冒顶。,3）当游离岩块移向放顶线，在回柱放顶时，可能导致旋转推垮型冒顶,4）当在工作面中部游离岩块厚度很大时（超过23倍采高），可能发生直接顶导致的压垮型冒顶。,3. 预防措施：1）尽量避免出现游离岩块提高支架或支柱的初撑力，使下位顶板不离层，并不沿煤壁断裂（具体见第三章）。不在计划的工作面范围内开巷道。2）已出现游离岩块时在游离岩块范围内不正常回柱，加强支护，用木支柱替换金属支柱，当游离岩块都进入采空区时，再用绞车回柱。3）当游离岩块可能发生“复合顶板”推垮型冒顶时应使用支架或支柱的初撑力放推。4）当工作面使用初撑力极低的摩擦支柱时，只能用“整体支架”防“复合顶板”推垮型冒顶,1。
27、复合顶板的概念1）复合顶板就是离层型顶板2）下部软岩层可能是一个整层，也可能是由几个分层组成的分层组。采动后下部岩层或因岩石强度低，或因分层薄，其挠度比上部岩层大，向下弯曲得多，而上、下部岩层间又没有多大的粘结力，因此下部岩层与上部岩层形成离层。从外表看，似乎下部岩层较软，上部岩层较硬,四、复合顶板推垮型冒顶原因与预防,3）典型复合顶板有三个特征(1) 煤层顶板由下“软”上“硬”不同岩性的岩层组成；(2) “软”、“硬”岩层间夹有煤线或薄层软弱岩层；(3) 下部“软”岩层的厚度通常情况下不小于0.5m，而且不大于3.0m。,4）复合顶板本质概念复合顶板是指采煤后特别容易离层的顶板第一个分层（因
28、为它与第二个分层间或夹有煤线或夹有薄层软弱岩层或没有粘结性），其厚度通常在0.5m至3.0m之间。如果留煤皮厚度在0.53.0 m之间，而煤皮与顶板又易分离或煤层有伪顶，为复合顶如果再生顶板的厚为0.53.0 m，其上为较硬岩层或咬合住的断裂岩块，再生顶板与它又没有多大的粘结力，则为复合顶板,2. 复合顶板推垮案例11）某矿232回采面1982年1月13日冒顶事故 该工作面开采六槽煤、厚1.82.4m，倾角13.5。复合顶板为灰色粉砂岩，厚0.60.8m，与上面岩层间夹有0.04m乳白色含水凝灰质泥岩。复合顶板下面是0.25m厚的劣质煤 ,复合顶板一部分HZWA摩擦支柱与木梁支护工作空间，靠煤
29、帮顶柱两米一棵。靠采空区每6m架设一个木垛，木垛间沿放顶线支戗棚两架。 工作面1982年元旦投产，由于投入的工人少，到1月13日，工作面上部与下部只进四刀，中部进了六刀。工作面呈5伪仰斜。支护质量不好，木垛没有按规定的规格架设。,2. 推垮案例11）某矿232回采面1982年1月13日冒顶事故 1月10日14时50分，翻架木垛时冒顶9m 1月12日6时30分，翻架木垛时又冒顶8m1月l3日自下往上割煤，到95m处，发现机组附近顶板沿煤帮裂开，于是停机架设支柱。在2时50分，自95m处开始，往下共l6m，复合顶板及劣质煤突然自煤帮推向采空区侧，推垮工作面，造成伤亡事故。,2. 复合顶板推垮案例2
30、2）某矿7103回采面84年2月28日及3月26日冒顶事故 该工作面开采山西组七层煤，厚1.22.8m，平均2.1m，倾角2122。回采工作面长120130 m。 上部直接顶第一分层为厚01m左右的泥页岩，其上有0.10.2m炭质页岩或煤线，再上为0.81.6m的砂页岩，砂页岩上面是砂岩。泥页岩是复合顶板。下部50m泥页岩尖灭，煤线也尖灭，直接顶就是砂页岩上部直接顶第一分层为厚01m左右的泥页岩，其上有0.10.2m炭质页岩或煤线，再上为0.81.6m的砂页岩，砂页岩上面是砂岩。泥页岩是复合顶板。下部50m泥页岩尖灭，煤线也尖灭，直接顶就是砂页岩。,2. 推垮案例22）某矿7103回采面84年
31、2月28日及3月26日冒顶事故 84年1月10日开始回采，到2月28日工作面离开切眼73m，正好到旧巷中间上山。头两天已发现靠采空区的棚子往下斜，头一天在旧巷老硐处已发现泥页岩离层。28日上午11时，回柱过程中发现顶板向下移动，靠采空区及煤帮处均掉碴。班长下令撤人。半小时后，材料道往下14m处开始，至溜子道往上77m处发生推垮型冒顶，共推垮工作面32m。,2. 推垮案例22）某矿7103回采面84年2月28日及3月26日冒顶事故 面停产11天，3月10日恢复生产把工作面上端降至旧巷老皮带道，这时回采工作面长度只有77m到3月24日，发现工作面上部靠采空区棚子往下斜、从老皮带道能看到直接顶泥页岩
32、离层300400mm26日早班回柱时，发现煤帮及靠采空区处掉碴，上午9时班长下令撤人。9时15分发生推垮型冒顶，老皮带道往下2m至29m共推垮工作面27m,3 复合顶板推垮型冒顶的特点,(1) 冒顶前采场顶板压力不大，支架没有变形、损坏，金属支柱没有明显的下缩。(2) 多数情况下，冒顶前复合顶板已沿煤帮断裂。(3) 冒顶后支柱没有折损只是倾倒，多数是沿煤层倾斜方向向下倾倒，也有向采空区倾倒的。(4) 冒顶后上部岩层大面积悬露不冒，个别情况是冒落几个大块。(5) 冒顶在任何工序都有可能发生，但多数是发生在回柱放顶过程。(6) 冒顶多发生在开切眼附近。 (7) 多数情况是冒顶前没有明显征兆，推垮发
33、生时速度快来势猛，人力无法抗拒；有时推垮前有征兆，能发现靠采空区支柱向下倾斜，沿煤帮及采空区边顶板掉碴，因而来得及撤人。,1）煤层具有复合顶板。2）同时还必须具备下列4个条件，才会发生推垮型冒顶：因支柱初撑力小导致软硬岩层间离层；因构造、旧巷、支柱初撑力小等原因导致顶板下位软岩层中断裂出一个六面体；六面体的相邻部分已冒空或为采空区，而且又有一定的倾角；六面体因自重向自由空间的推力大于总阻力。,4、复合顶板推垮型冒顶的机理,1）离层初撑力小：支柱初撑力本身就很小 支柱性能失效，达不到设计的初撑力 支设时没有达到应有的初撑力，或是把支柱支设在浮煤、软底之上，从而使初撑力达不到设计的要求,4、复合顶
34、板推垮型冒顶的机理,2）断裂：在复合顶板中断裂出一个六面体（即大块游离顶板） 地质构造原因，即复合顶板中存在原生的断层、裂隙或尖灭构造； 巷道布置原因，即在工作面开采范围内存在沿走向或沿倾斜的旧巷，由于巷道支架没有多大初撑力，抑制不住巷道上方复合顶板的下沉、断裂； 支柱初撑力低的原因，由于支柱初撑力低，导致复合顶板沿煤帮断裂,4、复合顶板推垮型冒顶的机理,3）去路和倾角 当六面体周围(一般是沿倾斜下侧或采空区侧)出现一个自由空间，使六面体有了去路，而且六面体向去路方向又有一定的倾角时，在自重作用下，六面体就具有向去路方向的推力。 如果沿工作面自上而下至某点处，复合顶板尖灭，这就等于六面体在其倾
35、斜下方有一个天然的去路，再加上煤层有一定的倾角，那就非常危险了。,4、复合顶板推垮型冒顶的机理,4）推力大于阻力 六面体aabbccdd具有沿倾斜向下的推力 aabb左侧岩层断裂面将产生阻止六面体下推的摩擦阻力 老塘碎矸(如果其高度超过煤层采高)将对ccdd面产生阻止下推的摩擦阻力 支柱的迎山角也会对六面体的下推有个阻力 只有当总阻力小于六面体向下的推力时，才会发生推垮型冒顶,4、复合顶板推垮型冒顶的机理,1)开切眼附近。在这个区域复合顶板上面岩层两侧都有煤柱支撑不容易下沉、这就给复合顶板的下沉离层创造了有利的条件 2)地质破坏带(断层、裂隙等)附近。在这些地点，复合顶板容易形成六面体 3)尖
36、灭构造附近。复合顶板存在尖灭构造、既容易形成六面体又可能给六面体以去路 4)旧巷(走向的或倾斜的)附近。由于旧巷顶板已破坏。增加了在顶板岩层中形成六面体的可能性,5、容易发生推垮型冒顶的地点,5)掘进上下顺槽时破坏了复合顶板的地点。破坏了下顺槽的复合顶板，可能给六面体开创一个去路；而破坏了上顺槽的复合顶板，则增加产生六面体的可能性 6)局部冒顶区附近。这些地点也存在“去路”、增加产生六面体的可能性等问题 7)倾角大的地段。在这些地段，由重力作用而令六面体沿倾斜下推的力增大 8)顶板岩层含水的地段。这些地段由于摩擦因数降低，总阻力将大为减小,5、容易发生推垮型冒顶的地点,预防措施 提高单体支柱的
37、初撑力； 选用稳定性能好的支架或加强支架的稳定性； 消除形成复合顶板推垮的条件。因自重向自由空间的推力小于总阻力。,5、复合顶板推垮型冒顶的预防措施,1)应用伪俯斜工作面并使垂直工作面方向的向下倾角达46 2)掘进上下顺槽时不破坏复合顶板 3)工作面初采时不要反推,5、复合顶板推垮型冒顶的预防措施,4)控制采高，使直接顶冒落后能超过采高。 第一，堵住六面体向采空区的去路； 第二，在六面体要向工作面下方推移时，增加阻止六面体下推的摩擦阻力 5)灵活地应用戗柱戗棚，使它们迎着六面体可能推移的方向支设,5、复合顶板推垮型冒顶的预防措施,（1）采用“整体支架” 用摩擦支柱和金属铰接顶梁的回采面，用拉钩
38、式连接器把每排支柱从工作面上端至工作面下端都连接起来,复合顶板推垮型冒顶的根本性措施,（2）提高单体支柱的初撑力 初撑力不仅能支承住复合顶板，而且能把复合顶板贴紧上面岩层，让其间的摩擦力足够阻止复合顶板下滑，从而支架本身也能稳定,复合顶板推垮型冒顶的根本性措施,式中 Po每根支柱的初撑力，kN根； n支柱密度，根m2； r复合顶板容重，kNm3； h0复合顶板厚度，m； 煤层和岩层的倾角，度； f复合顶板与上面岩层间滑动摩擦因数。,第六节 对采场支架的基本要求,1）根据上述分析，采场冒顶又压、漏、推事故。2）则要求支架又支、护、稳来治理冒顶。,压垮型,推垮型,漏垮型,支,护,稳,预防冒顶事故控
39、顶设计的原则,防 压1）工作阻力支撑住垮落带的直接顶与老顶。2）初撑力使直接顶（下位岩层）不离层，不沿煤壁断裂。3）可缩量适应裂隙带老顶下沉。4）超前巷道加中心柱。,预防冒顶事故控顶设计的原则,防 漏1）综采面对软弱顶板选用掩护式或支撑掩护式支架。用及时支护方式，端面距小于340mm。采高大时，应又护帮装置。必要时固结顶板2）单体面对软弱顶板支柱上应又顶梁、背板、甚至背严及掏梁窝，柱距小于0.7m，端面距小于200mm。工作面两端用“四对八梁”或双楔交接顶梁。3）单体面或不用端头支架的综采面，面巷交接处用一对迈步抬棚。,预防冒顶事故控顶设计的原则,防 推1）切断下位23m左右顶板，切不断时，应
40、挑顶。2）“复合顶板”下用初撑力放推。3）摩擦支柱用“整体支架”放推。,第三章 预防冒顶事故的采场控顶设计,概述综采面的控顶设计单体工作面控顶距的确定单体支柱工作面控顶设计初放阶段的控顶设计用经验数据估算有关老顶参数,第一节 概述,采场控顶设计的目标：一、能最大限度地消除压、漏、推冒顶隐患，防止发生各种类型的冒顶事故；二、所需费用最少。,控顶原则之一预防压垮型冒顶,采场支架或支柱的工作阻力应能支撑住工作空间及采空区上方垮落带岩层的重量（支）。采场支架或支柱的初撑力应能保持直接顶与老顶或下位23m岩层与上位岩层之间不离层（切）。采场支架或支柱的可缩量应能适应裂隙带岩层的下沉（让）。对厚层难冒顶板
41、，应松动碎裂23倍采高顶板岩层，或在工作面前方有钻眼爆破，高压注水松动碎裂顶板，或在采空区挑顶（挑）。,控顶原则之二预防漏冒型冒顶,综采时，如果直接顶比较软弱，液压支架应在掩护式或支撑掩护式中选用，且端面距不宜超过340mm。单体支柱工作面，如果直接顶比较软弱，支柱必须带顶梁，顶梁上还须背板，甚至背严。柱距小于0.7m，同时端面距小于200mm 。综采支架的初撑力应保证端面冒高不超过300mm；单体支柱的初撑力应保证端面冒高不超过200mm。工作面推进过程中，若遇较大断层带，应考虑采用固结法处理碎顶。,控顶原则之三预防推垮型冒顶,支架能够保证煤层上方23m岩层与上位岩层不离层，并能沿切顶线主动
42、切断下位23m岩层。单体支柱工作面，金属网下采煤时，初撑力应保证网兜高度不超过150mm。复合顶板下，初撑力应能把下位软岩层顶紧到上位硬岩层，并使其间的摩擦力足以防推。摩擦支柱面，采用“整体支架”防推。,预防冒顶事故的控顶设计特点,1.要求支架（支柱）有一定（较高）的初撑力来防压、防漏、防推。-工作阻力是压出来的，而初撑力是主动支撑顶板的2.均按最不利的条件，确定支护参数。-因为对于顶板事故是不允许有半点差错的。,第二节 综采工作面控顶设计,控顶设计确定支架架型、支架工作阻力、初撑力、支架的高度等。要求防漏、防压、防推。,支撑式支架支撑性能好，但防护与稳定性差，不适应软弱顶板或倾角大的煤层。掩
43、护式支架防护与稳定性性能很好，但支撑性能差，不适应垮落带中有老顶的条件。支撑掩护式支架-支撑性、防护与稳定性性能都很好，但造价较高。,1. 综采漏冒型冒顶的控制措施,当直接顶较软时，需要考虑防漏；应选用掩护式与支撑掩护式支架。当直接顶较软时,如果端面距过大,易引起端面冒顶。应选用端面距不超过340mm又能及时支护的架型（带护帮装置）。支架初撑力大，顶板下沉小，端面冒高小。掩护式与支撑掩护式有向煤壁的推力，初撑力大，推力大，有利于控制端面冒高。在断层破碎带，应采用固结法处理碎顶。,2. 综采压垮型冒顶的控制措施,工作阻力应能支撑住工作空间及采空区上方垮落带岩层的重量。支架处于最不利的情况支撑老顶
44、断裂岩块全部重量+直接顶岩层重量,支架的工作阻力支撑垮落带岩重,Lz直接顶岩梁的长度， Lz=Ld+Lh+Lzx Ld 端面距 Lh 顶梁和前梁长度之和 Lzx支架后悬顶长度，页岩，1.0m， 砂页岩，2.0mLlki垮落带老顶第i分层岩块的长度， hi=1.5m, Llki=6m, hi=2m, Llki=10m, hi=2.5m, Llki=14m.,1）上述计算的差异：垮落带中无老顶：要考虑支架后方的直接顶悬顶。垮落带中有老顶：老顶下压,仍考虑支架后直接顶的悬顶。2）选支架时，阻力值小于支架额定工作阻力的50%65%。富裕系数为1.52.0。3）初次来压步距大于周期来压2倍时，富裕系数应
45、取更大。4）当顶板很大时，支架立柱需要大流量的安全阀。,2. 综采压垮型冒顶的控制措施,2）初撑力应能保持直接顶与老顶或下位岩层与上位岩层不离层。为达此目的，初撑力应能把直接顶沿支架后端切断。,要使支架后端的直接顶处于固支状态，支架的初撑力必须满足三个条件：初撑力能平衡支架上方直接顶岩重；支架后端的初撑力能平衡采空区上方将要被切断的直接顶悬顶岩重；初撑力产生的主动力矩能平衡工作空间上方及采空区上方直接顶岩重所产生的力矩。,平衡直接顶岩梁的初撑力,平衡直接顶岩梁力矩的初撑力,说明：I.为切断直接顶,初撑力取上述三者的最大值。II.直接顶很厚时，切断厚度小于2.53.0m 。III.无直接顶时，切
46、断老顶厚度2.02.5m。 计算时，调整岩重；选取老顶悬顶距。1.5m厚老顶，悬3m；2.0m厚，悬5m；2.5m厚，悬7m。或实际数据。,2. 综采压垮型冒顶的控制措施,3）支架的可缩量应适应裂隙带老顶的下沉。最大控顶距时，顶梁末端顶板最大下沉量计算图。,采场最大控顶距处的最大下沉量,-最大控顶距（煤壁至液压支架后端的距离） -老顶周期来压步距，一般按实际或10m。H -裂隙带老顶断块触矸处的下沉量，,M为采高，Kz为直接顶碎胀系数，h1为裂隙带老顶及附加层的厚度，K1为老顶及附加层的碎胀系数,2. 综采压垮型冒顶的控制措施,4）对厚层难冒顶板，采用钻爆或注水法，松动碎裂23倍采高岩层（直接顶+老顶）。一般应提前进行碎裂。当厚层难冒顶板不大时，只处理下部部分厚度，余下部分转变为裂隙带岩层。将处理部分顶板岩层视为垮落带岩层。,3. 综采推垮型冒顶的控制措施,1）具有复合顶板，初撑力不足时，容易倒架。2）上下位岩层间的摩擦阻力防推。3）初撑力可将下位岩层紧顶到上位岩层上。,4. 总结,1）综采顶板控制设计的主要目的是为了防推、防压、防漏顶板事故。2）可以设计的是支架的初撑力，应取上述三者的最大值( )。3）选型时，设计初撑力应小于支架额定值的80%。4）新研制支架的初撑力应有大于1.2 倍的富裕系数。,
