工作面老顶初次垮落机理的探讨

1、工作面老顶初次垮落机理的探讨摘要：文章对闸河煤田具有特殊性的 5 煤层顶初次垮落机理进行了分 析、探讨并制定了顶板管理的对策措施。关键词：老顶垮落；机理；探讨与对策1 问题的提出5 煤层是淮北矿区闸河煤田中南部矿井的主采煤层之一， 据技术资料统 计，5 对矿井已回采了 130余个 5煤层工作面，其老顶初次垮落步距都 在1222m之间，80%以上集中在1418m，属于较破碎、易垮落的 顶板。但是，近几年来随着矿井开采深和火成岩侵蚀的影响，南部两 对矿井相继出现了几 5 煤层工作面老顶初次垮落步距大幅增大到 3848m的情况，特别是3510工作面老顶初次垮落险些酿成重大顶板 事故的使我们警醒！向我

2、们提出了对这种具有特殊性的老顶初次垮落 机理进行探讨、认识、搞好顶板安全技术管理的问题。（1）工作面概况： 3510 工作面位于 351 采区中部二区段，上限标高 -283.6m,下限标高-344.8m,位于其上的4煤层因火成岩侵蚀严重而不 可采，大面积侵入的 4 煤火成岩床构成了工作面上分层老顶。工作面 倾斜长壁布置，放炮落煤，煤厚为2.03.4m平均厚2.8m,采高2.3m, 倾角8°12°煤层赋存状况较稳定。工作面走向长390m,倾斜长157m, 支护采用 dz25-25/100 单体液压支柱， hdja-1000 金属铰接顶梁，支柱 穿直径300mm塑钢柱鞋，棚距6

3、00mm,设计支护密度1.67根/m2 , 支护强度为490kn/m2,三四排管理，放顶步距为1.0m,采空区处理采 用完全垮落法。（2）垮落经过。2003年11月 8日夜班，3510工作面已回采放顶 46m。 外观看，采空区距放顶线 10m 以外垮落、充填比较充分（上端头附近 20m垮落不充分），放顶线10m内悬顶达1500m2。当班放炮后正在攉 煤、挂梁，在没有感觉到矿压异常的情况下，工作面突然来压，采空 区顶板瞬间大面积切断垮落，顶板垮落挤压出的采空区暴风把腰巷距 回采线 10m 处的一道简易反向风门冲垮， 将距上出口 20m 处面向老塘 取料的工人朱某仰面冲倒（事后分析朱某恰好在出风口

4、位置） ，暴风刮 起的煤矸微粒嵌入朱某面部浅表面，造成发毛细血管破裂。突然显现 的冲击地压还造成工作面 1/3 的单体液压支柱三用阀被压坏漏液、 10 多根单体液压支柱被压折断、铰接顶梁被压成扁铁状，后两排支柱普 遍钻底 500 900mm。由于事发前对老顶垮落的困难和危害有所预见，管理上始终保持了高 度的警惕，初次放顶安全技术措施执行严格，支柱初撑力基本都保持 在 80 90kn 以上，放顶线全承载切顶支柱、单排挑棚齐全正规，才没 有引发压（推）垮工作面，造成更大的事故及损失。2 对老顶初次垮落机理的探讨分析2.1 老顶的界定根据工作面地质资料，有一种观点：把煤层上覆的1.01.5m厚泥岩及

5、 4.75.2m 厚的中细粒砂岩共同划分为直接顶， 依据是砂岩之上有一层 0.10.5m天然焦形成的弱面。笔者不同意这种划分，而认为:4.75.2m 厚的中细粒砂岩顶板应属于老顶的一部分， 一是其厚度1.52.0m;二 是岩性坚硬，在采空区悬顶长度大大超过 2.0m而不跨落。所以，3510 工作面的老顶应该由2部分构成：一部分为4.75.2m厚的中细粒砂岩 及上覆的天然焦，另一部分为 7.411.2m的浅绿色闪长岩。2.2垮落带与裂隙带的确定由于直接顶厚度仅1.01.5m，远不足采高的23倍，而2部分老顶 的分层厚度都在5m以上，属于厚层难冒顶板，需要悬露相当大的面积 后才会垮落。因此层位、岩

6、性不同决定了其在断裂、旋转、下沉、垮 落触矸的顺序，程度不同，显而易见：下分层老顶先于上分层老顶断 裂、垮落;相对而言，下分层老顶处于垮落带，上分层老顶处于裂隙 带。2.3老顶垮落机理的探讨分析通过对 3510工作面初次放顶全过程的监测数据处理，分析，发现其老顶垮落分为 4个阶段如表 1，并具有以下机理：表 1 工作面压力显现统计表见表(1) 回采 2m 后，泥页岩直接顶开始冒落，当放顶 6 7m 时，直接顶自 上而下全部垮落，老塘充填高度1.52.0m。直接顶上部岩体没有断裂、 下沉的迹象(810m后开始缓慢弯曲下沉)。(2) 回采1416m时，下分层砂岩顶板开始有较明显下沉并伴有断裂 声响

7、，但没有发生垮落;工作面后 2 排支柱有矿压显现，支柱工作阻力8 12mpa,顶底板移近量50 100mm/m，回采17峒之后恢复正常。分析认为：这次来压是下分层老顶的初次来压，是下分层老顶双支点 岩梁跨度达到一定跨距时，产生的断裂、下沉，这时下分层砂岩顶板 与上分层老顶开始离合，上分层老顶仍然完好，在采空区上方呈双支 点岩梁状态，没有产生位移和形变，对工作面不构成任何压力。（3）当回采到 30 33m 时，下分层老顶在距放顶线 10m 外开始切断， 垮落， 10m 范围内顶板下沉加剧，全工作面矿压显现非常明显，支柱 工作阻力从煤壁到放顶线达 1420mpa,顶底板移近量120200mm/m

8、不等。分析认为：这次垮落是下分层老顶的初次垮落，同时也是上分 层老顶弯曲、断裂下沉，把自身及上覆岩体的重量叠加传递给下分层 老顶岩体的结果。这时上分层老顶仍然没有垮落（下部天然焦可能垮 落），而是弯曲、下沉触矸而形成砌体梁，在距放顶线10m范围内下沉 岩体的部分压力造成了支架工作阻力和顶底板移近量的增大。（4）当回采到46m时，出现了在没有显示征兆的情况下顶板瞬间大面 积切断垮落，支柱工作阻力骤增到 2540mpa,顶底板移近量增大到 200400mm/m 的情况，大面积切断垮落的顶板和骤增的冲击地压还 造成了支柱三用阀、单体液压支柱、铰接顶梁折损，人员、通风设施 被采空区挤出的暴风冲倒、损伤

9、。分析认为：这次垮落才能视为老顶 双支点岩梁跨距达到了受力极限状态，因放炮震动或某一次断裂时， 垮落的岩体一部分触矸得到支撑形成新的力平衡，而距放顶线约 10m 范围内的岩体的全部压力通过下分层老顶悬露岩梁全部传递给了工作面支架和煤壁。3 顶板管理的对策措施（1）回采前，有关部门要掌握完整、准确的工作面顶板数据资料，以 利于在技术、完全管理上制定、采取针对性措施。有条件的矿井可以 考虑回采前通过高位巷道打钻注水，软化顶板，以利于回采时老顶垮 落。（2）回采中，有条件的矿井对厚层难冒项板应该采取钻眼爆破或强制 放顶措施，促进老顶垮落。（3）支护上必须坚持 “初撑力第一，支、护、稳并重 ”的原则，适当增 大支护密度，保证支柱有足够的初撑力，支架有足够的支护强度。同 时必须保持齐全正规的全承载切顶支柱和单排挑棚， 防止老顶落压 （推） 垮工作面。（4）现场管理中要正确判断、 区分各分层老顶初次来压、 垮落的情况， 切不可因混淆不清而发生管理失误，要特别重视回采 30m