采煤工作面顶板管理基本知识

一、一、顶板管理的重要性顶板管理的重要性 顶板事故是煤矿生产中五大自然灾顶板事故是煤矿生产中五大自然灾害（水、火、瓦斯、矿尘、冒顶）之一，害（水、火、瓦斯、矿尘、冒顶）之一，它是煤矿中最常见的又是最易发生的事它是煤矿中最常见的又是最易发生的事故。故。顶板顶板 回采工作面冒顶事故回采工作面冒顶事故 2/33/4事故事故 巷道冒顶事故巷道冒顶事故 1/41/3二、煤层顶底板岩层构成要充分认识和掌握采煤工作面矿山压力对顶板事故的作要充分认识和掌握采煤工作面矿山压力对顶板事故的作用和规律，必须首先弄清煤层顶底板岩层的构成及其移用和规律，必须首先弄清煤层顶底板岩层的构成及其移动规律。根据顶底板岩层离煤层的距离及对开采工作的动规律。根据顶底板岩层离煤层的距离及对开采工作的影响程度不同，煤层的顶底板岩层可分为：影响程度不同，煤层的顶底板岩层可分为：1 1）伪顶。紧贴在煤层之上，极易跨落的薄岩层称为伪顶。）伪顶。紧贴在煤层之上，极易跨落的薄岩层称为伪顶。通常由炭质页岩等柔弱岩层组成，厚度一般小于，随采通常由炭质页岩等柔弱岩层组成，厚度一般小于，随采随冒。随冒。二、煤层顶底板岩层构成2 2）直接顶。位于伪顶或煤层之上，具有一定的稳定性，）直接顶。位于伪顶或煤层之上，具有一定的稳定性，由一层或若干层组成，厚度不定，不很坚硬，回柱后能自由一层或若干层组成，厚度不定，不很坚硬，回柱后能自行跨落的岩层称为直接顶。通常由泥质页岩、页岩、砂质行跨落的岩层称为直接顶。通常由泥质页岩、页岩、砂质页岩等组成，具有随回柱放顶而跨落的特征。页岩等组成，具有随回柱放顶而跨落的特征。3 3）老顶。位于直接顶或煤层之上坚硬而难跨落的岩层称）老顶。位于直接顶或煤层之上坚硬而难跨落的岩层称为老顶，也叫基本顶。通常有砂岩、石灰岩、砂砾岩所组为老顶，也叫基本顶。通常有砂岩、石灰岩、砂砾岩所组成。成。4 4）直接底。直接位于煤层下面的岩层。如为较坚硬的岩）直接底。直接位于煤层下面的岩层。如为较坚硬的岩石时，可作为采煤工作面支柱的良好支座；如为泥质页岩石时，可作为采煤工作面支柱的良好支座；如为泥质页岩等松软岩层时，则常造成底臌和支柱插入底板等现象。等松软岩层时，则常造成底臌和支柱插入底板等现象。有些煤层同时存在伪顶、直接顶和老顶；也有些煤层上面，有些煤层同时存在伪顶、直接顶和老顶；也有些煤层上面，没有伪顶，只有直接顶和老顶；有的缺少伪顶、直接顶，没有伪顶，只有直接顶和老顶；有的缺少伪顶、直接顶，煤层上面就是老顶。这样也就增加了顶板管理的难度，判煤层上面就是老顶。这样也就增加了顶板管理的难度，判断和处理不对，就会造成顶板事故的隐患，严重影响了采断和处理不对，就会造成顶板事故的隐患，严重影响了采场支护质量，易造成顶板事故。场支护质量，易造成顶板事故。二、煤层顶底板岩层构成二、煤层顶底板岩层构成直接顶的完好程度将直接影响工作面的安全及工作面的工直接顶的完好程度将直接影响工作面的安全及工作面的工作效率，而且也影响到支护方式的选择。直接顶的完好程作效率，而且也影响到支护方式的选择。直接顶的完好程度取决于两个因素：一是岩层的力学性质；二是直接顶岩度取决于两个因素：一是岩层的力学性质；二是直接顶岩层内各种原因造成的层理和裂隙的发育情况。直接顶岩层层内各种原因造成的层理和裂隙的发育情况。直接顶岩层内各种层理或裂隙等内各种层理或裂隙等“弱面弱面”的存在将直接影响到直接顶的存在将直接影响到直接顶在悬露时的稳定性。常常把这些在悬露时的稳定性。常常把这些“弱面弱面”简称简称“劈劈”。而。而其中有些其中有些“劈劈”的组合形式，对直接顶的稳定性影响较大。的组合形式，对直接顶的稳定性影响较大。这类游离岩块的劈可能在顶板毫无预兆的情况下发生局部这类游离岩块的劈可能在顶板毫无预兆的情况下发生局部冒顶。冒顶。多数采煤工作面直接顶是呈不规则跨落的。多数采煤工作面直接顶是呈不规则跨落的。当工作面自开切眼推进后，直接顶一般并不立即跨落下当工作面自开切眼推进后，直接顶一般并不立即跨落下来，而是待工作面推进一定距离以后，才会大面积跨落，来，而是待工作面推进一定距离以后，才会大面积跨落，这称为直接顶初次跨落。直接顶初次跨落时，工作面放这称为直接顶初次跨落。直接顶初次跨落时，工作面放顶线与开切眼之间的距离称为直接顶初次跨落步距，它顶线与开切眼之间的距离称为直接顶初次跨落步距，它是反映直接顶稳定程度的一个综合指标，对顶板事故有是反映直接顶稳定程度的一个综合指标，对顶板事故有着直接影响。直接顶初次跨落后，就要进行第一次放顶，着直接影响。直接顶初次跨落后，就要进行第一次放顶，称为工作面的初次放顶。由于初次放顶是直接顶的大面称为工作面的初次放顶。由于初次放顶是直接顶的大面积跨落，容易发生冒顶事故。为此积跨落，容易发生冒顶事故。为此煤矿安全规程煤矿安全规程规规定了采煤工作面的初次放顶必须制定安全措施，报矿总定了采煤工作面的初次放顶必须制定安全措施，报矿总工程师批准。工程师批准。三、采煤工作面顶板管理 老老顶顶的的运运动动及及来来压压程程度度不不仅仅对对直直接接顶顶的的稳稳定定性性有有直直接接影影响，响，而而且且对对是是否否造造成成大大面面积积的的切切顶顶起起着着决决定定作作用。用。采采用用全全部部跨跨落落法法管管理理顶顶板板的的采采煤煤工工作作面，面，一一般般情情况况下，下，老老顶顶对对工工作作面面顶顶板板压压力力影影响响主主要要决决定定与与直直接接顶顶的的厚厚度度及及其其稳稳定定性。性。当工作面从开切眼开始采煤后，直接顶跨度达到620M时，直接顶开始冒落，为减轻上覆岩层的压力，工作面开始初次放顶，若有老顶跨落的影响时，初次放顶期还包括老顶的初次跨落，将对工作面造成较大的威胁，容易发生冒顶，必须加强支护等安全措施，直接顶初次跨落后，随着工作面继续向前推进，直接顶不断冒落，老顶的悬露跨度增大，直到达到极限跨度时，老顶将出现断裂，进而发生跨落。这时，将对工作面产生较大影响，顶板下沉量增加，支架载荷增大，煤壁片帮。从从开开切切眼眼开开始始老老顶顶第第一一次次跨跨落，落，称称为为老老顶顶初初次次跨跨落。落。这这种种老老顶顶初初次次折折断断或或跨跨落落前前后后工工作作面面的的矿矿压压显显现现称称为为老老顶顶初初次次来来压。压。老老顶顶初初次次跨跨落落后，后，随随着着工工作作面面继继续续推推进，进，工工作作面面上上方方老老顶顶在在其其自自重重及及上上覆覆岩岩载载荷荷作作用用下，下，将将沿沿煤煤壁壁内内发发生生折折断断和和跨跨落，落，同同时时引引起起工工作作面面压压力力突突然然增增大，大，这这种种现现象，象，随随工工作作面面的的推推进进将将周周而而复复始始的的出出现。现。因因此此称称为为老老顶顶的的周周期期跨跨落。落。把把因因老老顶顶周周期期跨跨落落而而使使工工作作面面呈呈周周期期性性地地矿矿压压显显现，现，称称为为老老顶顶周周期期来来压。压。按按冒冒顶顶的的力力源源进进行行分分类：类：（1）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。（2）漏冒型：因已破碎的顶板没有得到有效防护受重力作用冒落而导致的冒顶。（3）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。（4）综合型：两种或三种综合出现。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；（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）采场两端（机头、机尾）的局部冒顶；（4）放顶线附近的局部冒顶。2022-12-2014（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2022-12-20154.综合类型的冒顶（1）厚层难冒顶板导致的大面积冒顶。（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。2022-12-2016预备知识：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。2022-12-2017如果直接顶厚度大于或等于23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。但老顶活动不明显。2022-12-2018如果直接顶厚度小于23倍的采高，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。2022-12-2019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。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。2022-12-20203.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。2022-12-2021（1）当初撑力较低时，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。）当老顶在采空区受剪力时；当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。4.老顶来压的两个问题：2022-12-2022（2）老顶，若位于垮落带中，则在采空区中多以悬臂梁状态存在；若在裂隙带中，则以砌体梁结构存在。2022-12-20231.冒顶机理及预防措施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。2022-12-2024冒顶的前兆：（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）靠煤壁顶板断裂。（5）靠煤壁顶板掉渣。（6）摩擦支柱放炮。2022-12-2025冒顶的机理 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。（1）垮落带老顶岩块压坏支架导致冒顶。2022-12-2026（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。2022-12-2027（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。2022-12-20282.2.预防冒顶的措施预防冒顶的措施:（1）支架支撑力应能平衡垮落带直接顶及老顶岩层重量。（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。2022-12-2029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。2022-12-2030发生的条件：直接顶板软弱破碎。发生的条件：直接顶板软弱破碎。防治对策：护防治对策：护.采用各种方法将顶板护好。综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：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。支柱支柱加顶梁，顶梁上加背板，甚至背严。支柱柱距小于。柱距小于。2022-12-2031单体支柱工作面：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。当碎顶沿倾斜断层面移动时，易推倒支架，导致推垮型冒顶。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。2022-12-20323.大块游离顶板导致的冒顶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。原因：2022-12-2033 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。可能导致的顶板事故2022-12-2034离层型顶板下软上硬厚度在之间。复合顶板的概念2022-12-2035（1）当游离岩块处在工作面中，厚，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。机理：离层（支柱初撑力小）、断裂、去路和倾角、推力大于阻力。2022-12-2036（2）当游离岩块又与上位岩层离层，在上位岩层向下活动时，可能导致冲击推垮型冒顶。2022-12-2037（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2022-12-2038（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。2022-12-2039预防措施：（1）尽量避免出现游离岩块）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。不在计划的工作面范围内开巷道。2022-12-2040（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防推。（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（5）采用伪斜工作面布置。2022-12-20411）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。2022-12-2042预防冒顶事故控顶设计的原则u工作阻力工作阻力支撑住垮落带的直接顶与老顶。u初撑力初撑力使直接顶（下位岩层）不离层，不沿煤壁断裂。u可缩量可缩量适应裂隙带老顶下沉。u超前巷道加中心柱。（1）防压2022-12-2043u单体面单体面 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，端面距小于200mm。工作面两端用“四对八梁”或双楔交接顶梁。u单体面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。（2）防漏2022-12-2044u切断下位23m左右顶板，切不断时，应挑顶。u“复合顶板”下用初撑力防推。u摩擦支柱用“整体支架”放推。（3）防推