頂板大面積來壓是礦山堅硬頂板下刀柱房柱式開採後，由於大面積的頂板懸空而突然冒落的一種劇烈的動力現象。
基本介紹
- 中文名：頂板大面積來壓
- 類別：劇烈的動力現象
- 特徵：破壞力極強
- 強制放頂：循環式淺孔放頂
現象特徵,成因機理,預測防治,結論,
現象特徵
1.1頂板大面積來壓現象
頂板大面積來壓是礦山堅硬頂板下刀柱房柱式開採後，由於大面積的頂板懸空而突然冒落的一種劇烈的動力現象。一次冒落的面積少則幾千平方米，多則幾萬十幾萬平方米，這樣大面積的懸空頂板在極短時間內冒落下來，不僅由於重力作用產生嚴重的衝擊破壞，而且更嚴重的是把已采空間的空氣瞬時排出，形成巨大的暴風，其破壞力極強。
1. 2項板大面積冒落方式
頂板大面積來壓的冒落方式有整體一次冒落和分層分次冒落兩種。例如，1975年6月大同礦區馬脊樑煤礦的402盤區，在采空面積達151280 m2，的情況下，頂板突然冒落，工作面被壓垮，強大的氣流吹開三層2m厚的密閉，將180 kg的輸送機溜槽吹出16 m遠，並貼在煤壁上，井口噴出300 m長的黑煙塵，地面房層搖晃，地震台記錄達3. 2級，裂度4~5度，這是一次典型的整體一次冒落式來壓。地面出現一個橢圓形塌陷區，面積達7萬m2。
分層分次冒落式也常有發生，例如山西陽方口煤礦北坑東大巷上山盤區，在采空面積8萬m2的情況下，頂板夜間冒落，將地面熟睡的工人驚醒，井下部分巷道壓垮，事隔一天后，又冒頂一次，一星期後又連續冒頂兩三次。大同忻州窯煤礦東二上山盤區，采空面積約10. 6萬m2，1962年4月也連續發生幾次冒頂，延續時間兩個月，停產3d，吹毀密閉一座。
1. 3切型冒落與拱型冒落
頂板大面積來壓的冒頂形式有切冒型和拱冒型，如圖1所示。圖1-a為切冒型，當采空面積達到一定範圍時，頂板沿煤壁切落直達地表，其特徵是冒落面積大，冒頂時間短，且多數發生在100 m以內采深的淺部開採區，冒落形狀呈反漏斗，冒落角650^-850，冒落後的地面出現縱橫交錯的張開裂縫。圖1-b為拱冒型，即頂板冒落後形成拱形空間，其特徵是分層分次冒落，延續時間長，拱的四周頂板懸臂，冒落高度小，中部冒落高度大，但空頂面積小。
1. 4項板大面積來壓與煤柱分布
頂板大面積來壓與煤柱分布有關，煤柱面積比率大時，一般不易發生大面積來壓。例如對大同礦壓的調查，煤柱比率大於30%時很少發生大面積來壓，但小於20%的採空區，大都發生。煤柱的寬高比也直接影響大面積來壓發生，調查表明，寬高比大於3 ~ 4時一般不發生。煤柱的平面分布影響大面積來壓的範圍，一般情況下煤柱稀少的地方容易發生，煤柱密集的區域往往是塌陷區的邊緣。
成因機理
2.1 頂板大面積來壓的成因與力學機理
頂板大面積來壓基本上都發生在頂板岩層比較堅硬的回採工作面，頂板大多是砂岩或礫岩，開採後頂板大面積懸露不冒.在回採工作面初采時，頂板初次垮落步距可達50-70 m，甚至達100 m以上.這樣大面積的頂板一旦冒落會造成巨大的危害.礦井生產中常採用刀柱法開採，但也因採空區面積太大，壓垮煤柱而發生大面積冒頂.即使採用綜采設備的長壁工作面，也仍然出現上萬平方米頂板大面積來壓的現象.關於頂板大面積來壓產生的力學原因，一般認為，當開採過程中的堅硬難冒頂板大面積懸露時，在自重力的作用下，頂板會產生彎曲和離層.不管是作為板處理，還是作為梁來分析，當彎曲應力超過其強度極限時，便會產生裂隙和裂隙的擴展.一旦這些裂隙貫穿堅硬岩層時，則發生突然的垮落，造成災害.另一種情況是，頂板大面積懸露，使採空區形成扁平狹條孔，煤柱上的頂板岩層內產生巨大的切應力，導致頂板切斷，突然垮落。頂板大面積來壓造成的災害有以下3個方面的機理。
2.1.1 能量釋放造成的破壞
由於煤岩體處於複雜的自重應力和構造應力場中，在強大的地應力作用下，其體積與形狀會發生變化，這是外力做功的結果。當岩塊處於彈性狀態，且變形不能解除時，外力做功就以能量的形式貯存在煤岩體內，稱為彈性能.而這種彈性能又分為由體積變化產生的體變彈性能已，及由形狀變化而產生的形變彈性能叭。又因採空區上方頂板岩層大面積懸露不冒落，頂板岩層會產生彎曲下沉，因而又會聚積頂板彎曲彈性能。俄國學者阿維爾申教授認為，煤體內的彈性能就是由這3部分彈性能所組成，即：
式中，E,μ為岩層的彈性模量和泊松比；ρ, H為岩層的密度和采深；q為作用在岩樑上的均布荷載；J為岩梁的慣性矩；L為頂板岩梁的懸伸長度。
從上式可以看出，能量的聚積隨采深的增大而增大，也隨採空區面積即懸頂長度的增大而增大。當圍岩中的彈性能積聚到足夠大時，所產生的應力超過了煤體本身的強度，則彈性能突然釋放，使煤體猛烈破壞，或產生煤的彈射和突出等衝擊礦壓現象，在工作面或巷道中造成災害。
2.1.2 冒頂衝擊力造成的破壞
採空區大面積懸露的頂板因斷裂失穩而冒落，其產生的衝擊力是巨大的。頂板在冒落前具有的勢能為EP = mgh.當冒落的頂板岩層面積大，即質量m大時，其勢能EP則大；當采高h大時，其勢能EP也大，頂板冒落後勢能轉變的動能Ek=mv2 /2必然也大。如果頂板冒落的面積為5萬m2，冒落岩層的厚度為3m，采高為2.5m，則在不到1s的時間內，就有37. 5萬t的岩石冒落，其衝擊力之大是可想而知的。好在這巨大的衝擊力絕大部分作用在採空區的底板上，但對工作面的破壞力也是很大的。比如大同王村礦402盤區8106工作面，一次冒頂達88 271 m2，壓壞4×550型道梯支架46架，頂板下沉0.5 m。
2.1.3 大面積冒頂產生暴風形成的破壞
由於頂板堅硬完整性好，冒落的面積大、時間短，採空區的空氣瞬間壓出，形成劇烈的暴風，破壞力極大。為便於定量分析，將採空區簡化成一個體積很大的扁平容器，將上下順槽看成容器底部的兩個小孔，如圖1所示。頂板大面積冒落時，容器內的氣體承受著比巷道內氣體高得多的壓力po，採空區的面積為Ao空氣的流速為vo，巷道內空氣的壓力為p1，巷道的橫斷面積為A1，空氣的流速為v1。假定空氣為理想流體，其密度為ρa，由伯努利能量方程v02/2g + po/ρag = v12/2g + p1/ρag，根據連續性方程voAo=2A1 v1，vo=2A1v1/A0，得v1={2g(p1-po)/ ρag[(2A1/A0)2-1]}1/2，考慮到A1≪A0，p0=p1+p0'，則：
式中po為冒落頂板對空氣的壓力；ρD為冒落頂板岩層的密度；H0為冒落頂板岩層的厚度。
考慮到阻力損失，以及模型與實際情況的差異，將上式的值乘以一個折減係數k，則頂板大面積冒落時，巷道中空氣的瞬時流速為
由上式可知，頂板大面積冒落在上下順槽中形成暴風，其流動速度與大面積冒落頂板的厚度成正變關係取k=0. 4，則得到如下圖的變化關係：
由圖可見，採空區頂板冒落的厚度越大，其在巷道中形成的暴風速度也越大，對巷道及各種設施的破壞力也越大。頂板大面積冒落形成的暴風，在上下順槽以叭的速度移動，產生空氣衝擊波，根據流體運動的阻力公式，其對物體的作用力為
式中，kD為阻力係數；S為物體的橫斷面積。
將上式代入，則有F=kDk2ρDHo S，對於平板kD=2，取k=0. 4；ρD=2550 kg/m3，則可以得到由採空區大面積冒落頂板形成的暴風對巷道內物體的作用力，其大小與冒頂的厚度及物體斷面積的關係見下表，從表中可見，隨著頂板冒落厚度的增大，以及風流中物體斷面積的增大，作用在物體上的力也增大。例如某工作面採空區有2m厚的頂板大面積冒落，則在順槽中可形成v1=114. 52 m/s的暴風，這時，如在順槽中有一台It的礦車，其橫斷面積S≈1 m2，則由表中數據可知作用在這台礦車上的力為F=16 kN。由於有這樣大的力，大冒頂時形成的暴風摧毀巷道，掀翻礦車，破壞風橋或密閉牆的現象就不難理解了。
2. 2切冒型大面積來壓機理
圖2為切冒型頂板冒落過程，圖2-a表示頂板變形首先將採空區的大部分煤柱壓酥，使之失去支撐頂板的能力；圖2-b為懸空頂板在四周煤體支撐下被拉裂破斷，變為簡支厚岩梁；圖2-c是簡支岩梁由於受剪的截面積減小，而突然發生剪下冒落，即所謂切冒型冒落。
關於煤柱是否破壞的判據可用逐步破壞理論或極限強度理論，即
B≤2xo (1)
式中B—煤柱寬度；
xo—煤柱塑性區寬度，
M—煤層開採厚度；
f—煤柱與頂底板的摩擦係數；
ξ—三向應力係數，
φ—煤的內摩擦角；
C—煤的粘結力；
H—開採深度；
Y—岩石平均容重；
k—應力集中係數；
Pi—支架對煤壁的阻力。
nσ≥σp (2)
式中。σ—煤柱平均應力；
σ=η-1H Y
η一一煤柱面積比率，即煤柱面積與採空區總面積之比；
n一安全係數，n=2；
σp一一煤柱的極限強度，
σp =σC (0. 778+0. 222BM-1)
σC—立方體煤試件的單軸抗壓強度
關於簡支岩梁的切冒判據，依彈性力學(如圖3示)的應力公式
當岩梁中部底面(岩梁的抗拉強度) σx≥R’t時，則該處拉斷，將R’t=0，x=0，y=2-1H，代入(3)式得：
(4)
式中Ld—採空區短邊的極限垮距。
當岩梁端部的τ≤R'時，即不大於岩梁的抗剪強度時，則該處發生切冒，將
R’t=τxy，x=2-1L，y=2-1L H，代入(3)式得
(5)
由於岩梁的剪應力與跨度成正比，故公式(5)的Lc為採空區長邊的極限跨距。由此預測發生的切冒型頂板大面積來壓的面積為
A=Ld·Lc (6)
2. 3拱冒型大面積來壓機理
形成拱冒型大面積來壓的主要原因有二：其一是開採深度較大，使煤柱破壞的岩層厚度僅是覆岩的一部分，其二是組成覆岩的剛度多為交替剛度和遞增剛度。交替剛度的頂板一般是分組分次冒落，最下一組冒落後，其上一組變形冒落，兩者形成一定的時間差。遞增剛度頂板是分層分次冒落，由於各層冒落的跨度由下而上逐漸增大，故造成層間冒落的時間差。拱冒型的冒落過程與切冒型相似，只是層間組間不同步而已，即首先因部分覆岩的變形使煤柱破壞，然後在固支岩梁的條件下，四周逐層逐組拉斷，最後在簡支岩梁條件下切冒。因此拱冒型的來壓機理首先要預測使煤柱破壞的覆岩厚度。
令xo=2-1B，Pt=0，由xo式得：
(7)
式中Hp—使煤柱破壞的覆岩厚度。
由於煤柱是在H，厚的覆岩變形作用下破壞的，在其破壞前覆岩基本無離層，所以由下往上可利用下式計算覆岩剛度分組厚度：
(8)
式中q—第一組覆岩上的均布載荷；
H1， H2…. Hn—由煤層開始的各層覆岩厚度；
E1， E2...En—由煤層開始的各層覆岩彈性模量。
利用公式(8)逐層計算，直到qn≥qn+1則第一組覆岩為第1至n層，其厚度為
H=∑_(i=1)^n▒H (9)
將H，q代入(4)，(5)，(6)，則可預測拱冒型初次冒頂面積。
由以上機理可知，頂板大面積來壓是否發生，關鍵在於煤柱是否破壞，煤柱未破壞就可有效支撐住頂板，不會發生大面積來壓，煤柱若被破壞，失去了支撐頂板的能力，則會發生大面積來壓。煤柱破壞與不破壞的主要影響因素是煤柱寬度B和煤柱面積比率夕。發生大面積來壓的採空區範圍則主要取決於堅硬頂板的厚度或剛度分組厚度，以及岩體強度。
採空區覆岩剛度可用EJ來表述，根據剛度組成不同，覆岩可分為四類即：
遞增剛度E1J1<E2J2<...<EnJn，
遞減剛度E1J1>E2J2>...>EnJn，
均勻剛度E1J1=E2J2=...=EnJn，
交替剛度E1J1>E2J2<E3J3>...<EnJn，或E1J1<E2J2>E3J3<...>EnJn
不同類型剛度的覆岩其頂板載荷q差距很大，故形成大面積來壓的範圍相差很大，從幾千m2到幾十萬m2。一般來說遞減剛度和均勻剛度的覆岩容易發生切冒型大面積來壓，遞增剛度或交替剛度的覆岩容易發生拱冒型大面積來壓。
預測防治
3.1 頂板大面積來壓的預測
根據以上機理，在本文中各舉一例，分別預測切冒型或拱冒型大面積來壓的發生和範圍，並與實際的來壓情況加以比較。
3.1.1 切冒型大面積來壓預測
實例1，大同礦務局挖金灣煤礦青羊灣井832盤區，采深84~104 m，1961年10月22日當采空面積達16.3萬m2時發生了一次塌陷面積達12. 8萬m2的大面積切冒型來壓，冒落時產生強烈暴風，吹毀風橋兩座，密閉9座，摧倒巷道支架90多架，地面沉陷深度0. 5~1. 0 m，是大同礦區多年來一次最大的來壓動力現象。該盤區煤層厚度5 m，頂板為厚層狀整體砂岩，用刀柱法開採，煤柱面積比率約0. 19，首先計算煤柱平均應力σ=0. 19-1 ×100 × 2. 5 × 10-2 =13. 16 MPa，計算煤柱極限強度σp=25 × ( 0. 778 + 0. 222×5/5)=25 MPa，用(2)式判別nσ=26.32 MPa>σp，故該盤區中部煤柱已破壞。
若計算塑性區寬度xo，可取k=2，Pi=0，C=30 MPa，ctgφ =1. 2，f = 0.3，ε=4，則xo = 2. 72 m，根據公式(1)，煤柱寬度5m <2xo，故煤柱已破壞。
運用公式(4)，(5)計算Ld，Lc，q=2.5 MPa，R't=5 MPa，R's=8 MPa，所以Ld =276 m，Lc=435 m。用(6)計算採空區的切冒面積A = 120060 m2，與實際塌陷面積128000 m2基本一致。根據這種預測，該盤區在采空達12萬m2時，必須留寬的隔離煤柱，預防大面積來壓的發生。在開採設計中可用此值選擇盤區、區段和工作面的長度參數。
3.1.2拱冒型大面積來壓預測
實例2，陽方口煤礦東大巷上山盤區用房柱法開採，煤層厚10 m，開採深度210 m，煤房寬8 m，煤柱寬5 m，由下往上頂板組成及其參數見附表，煤的內聚力C=10 MPa，tgφ=1.2，f=0.3， ε=2.0。
首先用公式(7)計算使煤柱破壞的覆岩厚度Hp，k=4， Hp=163 m，再用公式(8)計算q，q1=0. 22 MPa， q2= 0. 284 MPa ， q3= 0. 254MPa，因為q2 >q3，所以第一組覆岩厚H=H1+H2=16.9 m，q=q2=0. 284 MPa，將H，q分別代入公式(4)， (5)得Ld=133 m，Lc=468 m，所以拱冒型來壓的塌陷面積A=62244 m2，為了預防大面積來壓的動力成脅，該礦採區設計的範圍可以6萬m2為限，採區間留寬煤柱隔離，此值可作為開採參數選擇的重要依據。
3.2 頂板大面積來壓的防治技術與原理
分析頂板大面積來壓的原因，主要是開採工作面採空區懸頂面積太大，瞬時垮落時產生強大的衝擊力和暴風，破壞力極大。如何防治頂板大面積來壓，許多專家、學者都做過這方面的研究。利用微震儀、地音儀和超音波地層應力儀等測試儀器來進行預測預報，以及用堵和泄的辦法來預防暴風造成的危害，這無疑是防治頂板大面積來壓災害的措施之一但從主動的意義上講，防治頂板大面積來壓的基本原理是: 減小懸頂面積和能量聚積。其具體措施有兩個方面，一是改變頂板岩層的物理力學性質，降低岩體的力學強度。一般可通過高壓注水等措施來實現;二是改變頂板的力學條件。減小工作面頂板初次來壓和周期來壓的步距。可通過強制放頂的各種方法來實現。大同等礦一區的實踐證明，這些措施是很有效的。
3.2.1 頂板高壓注水
高壓注水處理堅硬頂板是個非常方便和安全的方法，但是軟化效果決定於岩石的吸水性、岩石構成和岩體的間斷性。水流隨著時間增大。初期的高壓相應地降到穩定壓力。穩定壓力取決作用於對高壓水流的岩層強力。浸水岩石的強度降低主要取決於節理的平均尺寸、岩石的含水能力和岩石中的粘土含量。以述參數增大，岩石強度損失也會加大。用高壓將水注入岩石內，水通過空隙、裂縫和層理，擴大並加寬它們，同時還要產生新的空隙，以破壞岩體的整體性，降低岩石的強度。採煤後弱化的上覆岩經常垮落在採空區，形成採空區最小的懸頂。?
只有在易於吸水的岩層才適合使用這種方法，包括岩脈、岩塊大小和吸水性的岩性在決定岩石是否能注水弱化當中起著重要的作用。這些研究有助於預測高壓注水強制冒落的效果。
3.2.2 強制放頂
所謂強制放頂就是用爆破的方式人為地將頂板切斷，使頂板冒落一定厚度形成矸石墊層。切斷頂板可以控制頂板冒落面積，減弱頂板冒落時產生的衝擊波，形成矸石墊層則可以緩和頂板冒落時形成的衝擊波及暴風。為了形成墊層，挑頂的高度可按需要形成墊層的厚度進行計算。根據大同礦區實踐經驗，採空區中矸石充滿程度達到采高個挑頂厚度之和的三分之二，就可以避免過大的衝擊載荷和防止形成暴風。
強制放頂主要有以下幾種：
⑴循環式淺孔放頂。
其主要作用是爆破後破壞頂板的完整性，形成矸石墊層，具體做法是每1~2個循環，在工作面放頂線上打一排鑽孔，進行爆破。
⑵步距式深孔放頂。
其主要作用是切斷頂板，避免大面積冒落，具體做法是在頂板周期來壓前，沿工作面向頂板打兩排深鑽孔，爆破後在頂板內形成一道溝槽，堅硬頂板就沿這個溝槽折斷。這種方法能有效的防止大面積冒頂的危險。
⑶超前深孔鬆動爆破。
對於綜采工作面，由於在工作面內無法設定鑽頂板炮眼的設備，可以在上下順槽內分別向頂板打深孔，在工作面未到以前進行爆破，預先破壞頂板的完整性。
⑷地面深孔放頂。
對於歷史上有大面積冒頂隱患的地區，目前又無法從井下採取措施時，可在採空區上方的地面打垂直鑽孔，達到已採區頂板的位置，然後進行爆破，將懸露的大面積頂板崩落。這樣，大面積采空的頂板切割成小塊，可以減小其冒落時 的強度。
3.2.3 預防暴風的措施
主要有堵、泄兩個方面的措施。
堵是留置隔離煤柱和設定防暴風密閉，把已採區和生產區隔離。
泄是通過專門泄風道，使被隔離區域與地面相通，以便將形成的暴風引出地面，避免進入生產區域。
結論
頂板大面積來壓，是在具有堅硬頂板煤層開採工作面存在的一種礦壓現象，其主要危險是由於頂板大面積冒落而形成的衝擊載荷和暴風。隨大面積冒頂岩層厚度的增大，形成暴風的速度增大，處於暴風中的物體受力增大，其對巷道及設施的破壞力也增大。防止和減弱頂板大面積來壓的危害，是繼續研究和探討的課題。從採取主動的措施上看，改變頂板岩層的物理力學性質，減小頂板的懸露和冒落面積，以及減少頂板的下落高度，降低採空區內空氣的排放速度，從理論上和實踐上都是可行的。
刀柱、房柱法開採堅硬頂板的煤層，發生大面積來壓的動力現象，其主要原因是煤柱被破壞，煤柱是否破壞的關鍵是煤柱面積比率和煤柱的寬度。
頂板大面積來壓冒落的範圍主要取決於堅硬頂板的厚度或覆岩剛度分組厚度，以及岩體的抗拉、抗剪強度，運用本文的計算公式預測是可靠的。
切冒型和拱冒型大面積來壓的機理是相同的，區別在於採空區覆岩的剛度組成不同，一般來說均勻剛度和遞減剛度的覆岩易發生切冒型來壓，遞增剛度和交替剛度的覆岩易發生拱冒型來壓，兩種來壓型式均可運用公式預測來壓範圍，但H，q值的計算方法不同。
本文預測頂板大面積來壓的切冒面積A是開採設計和採掘過程中預防大面積來壓的重要參數，以此可作為選擇採區走向長度、工作面長度，煤柱尺寸等開採參數的重要依據。
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