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第一节 顶板灾害基础知识 2007年3月至10月，长阳县煤矿共发生各类死亡事故13起，死亡14人，其中顶板事故10起，死亡11人，分别占事故总起数和死亡总人数的71％。 长阳县煤矿的顶板事故频发率高于全国同类事故水平，一方面与长阳县煤矿经常被停产有关，但最主要的是煤矿在安全管理上缺乏一定的力度，同时在安全培训上有一定的欠缺，因而导致管理人员及工人的素质上存在不足。 下面就煤矿顶板事故及维修事故方面的防治讲一讲。 一、煤层的顶底板 煤层的顶底板是指煤系中位于煤层上下一定距离的岩层，按照沉积顺序，在下常情况下，位于煤层之下，先于煤层生成的岩层是底板；位于煤层之上，在煤层形成之后的岩层叫顶板。由于沉积物质和沉积环境的差异，顶底板岩层性和厚度各不相同，在开采过程中破碎，冒落的情况也就不同，了解这些岩层的岩性特征、厚度、层理及节理发育程度，强度及含水性等，对确定顶板管理和巷道支护方式均有重要意义。 根据顶底板岩层相对煤层的位置和垮落性能，强度等特征的不同，从上至下顶板划分为基本顶（老顶）、直接顶、伪顶三个部分；底板分为伪底、直接底及老底三个部分。不过，对于某个特定的煤层来说，其顶底板的这六个组成部分不一定发育俱全。可能缺失某一个或几个组成部分的岩层。 （一）煤层的顶板 1、伪顶是紧贴煤层之上的，极易随煤炭的采出而同时垮落的较薄岩层，厚度一般为0.3m～0.5m,多由页岩，炭质页岩等组成。 2、直接顶是直接位于伪顶或煤层（如无伪顶）之上岩层，常随着回撤支架而垮落，厚度一般在1m～2m,多由泥岩、而岩、粉砂岩等较易垮落的岩石组成。 3、基本顶又叫老顶，是位于直按顶之上或直接位于煤层这上（此时无直接顶和伪顶）的厚而坚硬的岩层。常在采空区上方悬露一段时间，直到达到相当面积之后才能垮落一次，通常由砂岩、砾岩、石灰岩等坚硬岩石的组成。 （二）煤层底板 1、伪底直接位于煤层之下的薄层软弱岩层，多为炭质页岩或泥岩，厚度一般为0.2m～0.3m. 2、直接底直接位于煤层之下硬度较低的岩层，厚度一般由几十厘米到1米左右，通常由泥岩、页岩或粘土岩。若直接底为粘土岩，则遇水后易膨胀，可能造成巷道底鼓与支架插底现象，轻者影响巷道运输与工作面支护，重者可使巷道遭爱严重破坏。 3、老底指位于直接底之下，比较坚硬的岩层，多为砂层，石灰岩等。 二、采煤工作面顶板分类 根据工作面顶板冒落的难易程度，将顶板分为五类。 1、易冒落的松软顶板 该类顶板的特点是煤层顶板是易垮落的松软岩层，回柱后顶板能立即冒落，且能填满采空区。这类顶板由于冒落比较充分，使位于裂隙带的老顶岩层，在回采过程中，很容易取得平衡，因而老顶的开裂，弯曲下沉，对工作面几乎没有什么影响，工作面来压比较缓和，无明显的周期压力，靠采空区一侧的顶板下沉量较稳定，顶板容易管理。 2、中等冒落性的顶板 该类顶板的特点是直接顶，厚度一般小于煤层平等的6～8倍，其上部为比较坚硬的老顶，虽然回柱后直接顶随之垮落，但因厚度不大，不能填满采空区，老顶则置于悬露状态，当工作面推进一段距离后老顶才开始垮落，此时因采空区落差较大，致使工作面呈现周期来压状态，严重时可使采场切顶垮面。对于这类顶板应注意老顶的活动规律。 3、难冒落的坚硬顶板 这类顶板的特点是老顶直接赋于煤层之上，或有一伪顶，无直接顶，由于老顶垮时采空区的落差太大，使工作面呈现明显的周期来压，工作面平时的下沉量及下沉速度较小，而当周期来压时下沉速度急剧增加，工作面顶板情况迅速恶化，应当注意及时采取措施。 4、极难冒落的坚硬顶板 这类顶板的特点是煤层板为极其坚硬的整体性厚岩层，在采空区能悬露上万平方米而不垮落，当垮落时则能形成暴风，致使工作面造成垮面和严重破坏。 5、可塑性弯曲的顶板 该类顶板的特点是直接顶，虽是具有一定厚度的坚硬岩层（如砂岩、石灰岩），但由于其中存在有平行于工作面的节理裂隙，采煤后顶板下沉，在移动过程中断裂成块，但仍互相挤在一起具有传递水平的能力，就像“砌体梁”一样，各岩块互相牵制而成平衡，随工作面推进顶板弯曲下沉接触底板。 坚硬坚硬冒顶板指的是直接顶岩层比较完整、坚硬（固），回柱后顶板不能立即垮落的顶板。一般为砂岩、砂岩和石灰岩。坚硬难冒顶板具有整、厚、硬的性质。 第二节 坚硬难冒顶板灾害防治 一、坚硬难冒顶板的主要特点 开采坚硬难冒顶板的煤层，采空区易形成大面积悬顶。使用刀柱法开采时，悬顶面积高达几万平方米到几十万平方米；长壁垮落法开采时，老顶初次来压与垮落面积出可达1万m2以上。在超过极限面积后，顶板就会突然冒落，造成剧烈的动力现象。大面积的顶板在极短时间内冒落，不仅对回采工作面支护产生严重的破坏，而且把已采空间的空气瞬时压迫排出，形成巨大的暴风，对附近巷道甚至矿井破坏极大。 所谓压垮型冒顶是由垂直于岩层层面的顶板压力破坏工作面支架而导致的冒顶。压垮型冒顶是主要顶板灾害之一。顶板大面积来压与冒落，产生压垮型顶板灾害事故，是开采坚硬难冒顶板的煤层的主要特点。 二、坚硬难冒顶板工作面来压规律 顶板大面积来压与冒落，对于采用全部垮落法和刀柱法采煤的采煤工作面，其来压规律又有所不同，在这里我主要讲一下采用全部垮落法管理顶板的情况。 长壁工作面开采坚硬难冒顶板的煤层，在初次来压前坚硬难冒顶板可视为板结构，这时采煤工作面处于“板”结构的保护之下，顶板压力并不显著。周期来压前，工作面上方尚未破坏的老顶岩层开始呈悬露状态，上复岩层的重量由老顶的悬板直接传递给煤壁，此时采煤工作面空间处于“悬板”的保护之下，随着工作面推进，老顶悬露中跨度增加。其挠度增加，致使煤壁内的支承压力亦相应增大，同时表现为煤壁的变形与片帮。其来压规律如下 1、初次来压与周期来压步距大 坚硬难冒顶板采煤工作面初次来压步距一般大于30m，整体厚砂岩或砂岩、砾岩组合项板则大于50m，甚至可达100m以上，周期来压步距小于初次来压步距，但一般也大于20m。 2、工作面切顶线后方顶板悬露面积大 坚硬难冒顶板工作面切顶线后方顶板悬露面积大，一般形成3m～6m宽度的悬顶。 3、顶板来压猛度大 顶板来压时，造成单体支柱折断，严重的会出现摧倒支柱及工作面冒顶。 三、顶板大面积来压和冒落的预兆 凡顶板大面积来压和冒落以前，都会出现一定的预兆。一般有以下现象 1、工作面煤壁片帮或刀柱煤柱炸裂，并伴有明显的响声。煤炮增多，工作面和顺槽都出现煤炮，甚至每隔5min～6min就响一次 2、由于煤体内支承压力的作用，煤层中的炮眼变形，打完眼不能装药，甚至连打眼后煤钻杆都拔不出来。 3、可听到顶板折断发出的闷雷声。发出声响的位置由远及近，由低到高。 4、顶板下沉急剧增加。顶板和采空区有明显的台阶状断裂、下沉和回转，垮落岩块呈长条状。 5、顶板有时出现裂隙与淋水，底板局部也可能底鼓，出现裂隙和出水，断层处滴水增大，有时出现钻孔中流水变为混有岩粉现象，严重时顶板可能掉矸。 6、来压时，支架压力突增。 四、坚硬难冒顶板灾害的防治方法 防治顶板大面积来压和冒落的基本原则是，采取有力措施不使采空区旋顶过大。其主要方法是提前强制爆破顶板。 1、提前强制爆落顶板 2、合理选择支柱类型 为了减少顶板的离层，降低顶板对支柱的冲击力，应尽量采用初撑力高的支柱，如单体液压支柱。 3、控制悬顶面积 作业规程中要明确规定正常推进过程中允许的悬顶面积，超过规定时必须强制放顶，超过规程规定的悬顶距离时，必须停止采煤，采取措施进行处理。 第三节 破碎顶板灾害的防治 一、破碎顶板的主要特点 破碎顶板指的是岩层的强度低、节理裂隙十分发育、整体性差、自稳能力低，并在工作面控顶区范围内维护困难的顶板。 破碎顶板容易发生避部漏垮型冒顶现象。漏垮型冒顶也是主要顶板灾害之一。所以防治破碎顶板漏垮型冒顶是采煤工作面顶板管理的重要内容之一。 二、破碎顶板的主要类型 破碎顶板根据其岩性的不同可分为五种类型 1、构造破碎型 构造破碎型即受复杂地质构造影响，如节理裂隙发育、断层及褶皱、冲刷带、陷落柱附近等。 2、复合松软型 复合松软型即顶板由松软的页岩、泥质页岩及砂页岩等组成。 3、离层型 离层型即顶板由下软上硬的薄层页岩、砂页岩、砂岩组成，层间粘结力很低或有煤线。 4、包裹体锒嵌型 包裹体锒嵌型即坚硬岩块的锅底状包裹体锒嵌在沉积岩层内。 5、采动影响型 采动影响型即受到采掘活动影响，顶板已经发生离层、下沉和破碎。 三、破碎顶板灾害防治的一般技术 1、减少顶板暴露面积和缩短顶板暴露时间 对单体支柱采煤工作面有下列方法 （1）及时挂梁或探板，及时打柱；顶板用小板等插严；如果煤壁松软，煤壁一律背好。 （2）挂梁、探板和支柱必须保证质量。 （3）若顶板极度破碎采用在上述方法仍控制不住顶板时，则需要采用撞楔法采煤。 （4）减少放炮对顶板的震动破坏。实现措施是不放顶眼炮，底眼要稀且少装药，每次同时放炮眼数要少。在工序安排上。回柱放顶、放煤和割煤三大重要工序要错开一定距离一般为15m左右，以减少它们对顶板共同作用。 2、选择合理的开采方法 （1）为减少开采形成的高压力，应避免形成残留煤柱，实现无煤柱开采；避免上、下部残留煤柱或工作面停采线；选择合理的开采顺序，避免形成孤岛形工作面，以减缓破碎顶板的进一步恶化。 （2）初采时不得推采开切眼的另一帮煤柱。 （3）工作面有条件的尽量布置成俯斜方向，避免仰斜开采，上下平巷与工作面尽可能布置成直角或大于60的交角，避免出现锐角。并且要沿破碎顶板掘进，避免挑顶掘进。 （4）对于节理裂隙发育的破碎顶板，要使工作面对着主节理的倾向推进，否则顶板容易出现纯开裂隙或台阶下沉。 （5）合理选择支护形式。破碎顶板采煤工作面支护使用木柱木梁时，应选用横板下联锁形式；柱距以0.5～0.6m为宜；控顶距以三四排为好。 （6）推广使用单体液压支柱。破碎顶板采煤工作面支护应尽量使用单体液压支柱和金属铰接顶梁、错梁直线柱的形式。 第四节 复合型顶板灾害的防治 一、复合型顶板的概念 煤层的顶板由厚度为0.5m～0.2m的下部软岩及上部硬岩组成，且它们之间有煤线或薄层软弱岩层，此时称为复合型顶板。 煤层顶板的下部软岩一般是泥岩、页岩和砂而岩等，它可能是一层或多层不同岩性的岩层组成，也可能层理比较发育。上部硬岩一般是中粒砂岩、细粒砂岩和火成岩等。 推垮型冒顶是由平行于岩层层面的顶板压力推倒工作面支架而导致的冒顶。推垮型冒顶也是主要顶板灾害之一。由于复合型顶板的结构和岩性，容易发生离层，所以复合型顶板条件经常是发生推垮型冒顶事故，损失是惨重的。 二、复合型顶板大面积冒落的机理及特点 1、冒顶机理 复合型顶板必须具备以下五个条件，才会发生大面积冒顶事故。 （1）离层 由于支柱的初撑力小，刚度差（底软、支柱打在浮煤上，或“鞋”、“帽”等初压缩），在顶板下位软岩自重作用下支柱下缩或下沉，而顶板上位硬岩未下沉或下沉缓慢，也就是软硬岩层下沉不同步，从而导致软硬岩层离层。 （2）断裂 在原生裂隙、构造裂和采动裂隙作用下，在顶板下位软岩中形成一个六面体。此六面体与上面硬岩层脱离，四周或是已与原岩层断开，或是以采空区为邻，下面由单体支柱支撑，如果周围没有约束，此六面体连同支撑它的单体支架梁将是个不稳定的结构。 （3）去路 当六面体周围（一般是采空区侧或沿倾斜下侧）出现一个自由空间（例如冒空），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进，在自重作用下，此去路变得更畅通。 （4）推力 当六面体有向下推的趋势时，岩层断裂面将产生阻止其下推的摩擦阻力，当六面体的推力大于阻力时，才会发生推垮型冒顶。 （5）诱发 工作面诱发条件很多，例如放炮、调整支架、回柱放顶等工序以及岩层自身运动，都会或大或小地引起周围岩层产生震动，使六面体与断裂面的摩擦阻力变小，可能有导致六面体下推力大于总阻力。 2、冒顶特点 （1）冒顶分没有预兆和有预兆两种。在大多数情况下，当六面体形成时下推力与总阻力处于临界平衡状态。在某种因素的诱发下会发生无预兆的突然的推垮型冒顶，推垮发生时速度快，来势猛，人力无法抗拒。如果离层六面体的下推力还小于总阻力，则在某些因素的反复诱导下，阻力越来越小，六面体开始运动，阻力变得更小，运动速度愈来愈快，产生支柱下斜，靠煤壁及采空区处掉矸等预兆，接着发生推垮型冒顶，在这种情况下往往来得及撤出工作人员。 （2）冒顶在时间上是随机的。在复合顶板条件下，什么时候具备上述五个条件，这些条件哪个先形成、哪个后形成都是随机的。采煤过程中各工序都可能成为诱发条件，所以冒顶在任何工序都可能发生。 （3）冒顶前工作面压力小。由于在冒顶前工作面顶板压力小，支架仅支撑顶板下位软岩层，所以支架没有变形、损坏，磨擦支柱无明显下缩，单体液压支柱无明显溢流。 （4）冒顶时工作面支柱被推倒。冒顶时由于顶板向下或向采空区滑移，带动其下的支柱改变支撑方向向下倾倒。所以冒顶后支柱没有被压断而只是倾倒伏地，多数是沿煤层倾斜方向向下倾倒，也有的向采空区倾倒。 （5）冒顶后上部硬岩层大面积悬露不冒，个别情况是冒落几块矸石。 （6）多数情况下，冒顶前工作面直接顶已沿煤壁断裂开。 （7）冒顶多发生在开切眼附近。因为开切眼支护时间长，下位软岩层出现早期离层、下沉，而上位硬岩层受周围煤柱支撑不易下沉，所以，开切眼附近发生复合型顶板推垮型冒顶的情况比较多。 三、复合型顶板推垮型冒顶的防治技术 从破坏复合型顶板形成推垮型冒顶条件出发，基本上可以普遍采用以下措施。 1、严禁仰斜开采 倾斜开采使顶板产生向采空区方向移动的力，当复合型顶板的冒落高度以不能填充采空区，尤其是冒落高度小于采高时，顶板向采空区移动就没有采空区冒落碎矸的阻力，顶板带动其下的支架向采空区倾倒，易形成推垮型冒顶。 2、掘进运输平巷工作面时不破坏复合型顶板 3、尽量避免回风平巷、运输平巷与工作面推进方向呈锐角相交 4、初采时不要反向推进 工作面初采时不要反向推进，因为开切眼处的顶板已离层断裂，当在反向推进范围内初次放顶时极易在原开切眼处诱发推垮型冒顶。 五、提高支架的稳定性 六、提高单体支柱的初撑力和刚度。如单体液压支柱。 第三章 巷道顶板灾害的防治 第一节 巷道掘进和支护的安全操作 巷道冒顶主要发生在掘进工作在迎头处、巷道维修更换支架处及巷道交叉处。 1、掘进工作严禁空顶作业。靠近掘进工作面迎头10m内的爆破前必须加固，爆破崩倒、崩坏的支架必须先行修复之后，方可进入工作面作业。在松软的煤岩或流砂性地层及地质破碎带掘进巷道时，必须采用前探支护或其他措施。在坚硬和稳定的煤、岩层中，确定巷道不设支护时，必须制订安全措施。 2、支架间应设牢固的撑木或拉杆。 3、掘进巷道在揭露采空区前，必须制订探查采空区的安全措施，包括接近采空区时必须预留的煤（岩）柱厚度和探明水、火、瓦斯等内容。 巷道维修及冒顶处理方法 当围岩压力增大时，可能出现巷道发生变形、断面变小、支架折损或顶帮漏煤（岩）块等现象，甚至发生冒顶。当出现这些情况时都必须及时进行处理。如果在处理方法中措施不当，就可能延缓处理时间，使小变形变成大变形，小冒顶变成大冒顶，维修和处理的难度加大，而且更严重的是发生人身伤亡事故。 一、巷道维修及冒顶处理的一般原则 （一）先外后里 先检查该处前后5m范围支架的完整情况，有问题先处理。必要时可采取临时加固措施，例如加密支架，加打木垛，前后支架拉紧支牢，加打抬板，插严背牢等，以增加后路、外围支架的支护能力和稳定性，确保后路畅通。 对一段范围巷道维修和冒顶处理时，也必须坚持先处理外面的（离安全出口近的那一头），逐渐向前处理，再处理里面的，直至该段范围全部处理通。禁止在巷道只存一个安全出口的情况下两头处理，这样可以避免因维修和冒顶地带再一次发生冒顶，将人员堵在里面。 （二）先支后拆 更换巷道支护时，在拆除原有支护前，应先加固临近支搞，拆除原有支护后，必须及时除掉顶帮后矸和架设永久支护，必要时还应采取临时支护措施。 如需更换柱腿，应该先用内注式单体液压支柱或金属磨擦支柱在顶梁下打好立柱，再拆去旧柱腿。 （三）先上后下 倾斜巷道维修支架和处理冒顶时应该由上至下进行。特别是倾角在15以上时，必须有防止矸石、物料滚落和支架歪倒的安全措施。 （四）先近后远 当一条巷道存有几处需要维修支架和处理冒顶的地段，应该先处理距安全出口较近的那段，再向前处理较远的那一段，直至把巷道内的各段都维修好或处理通。这样可以避免因距安全出口较近的那一段再次冒顶，将里面那一段的作业人员堵在里面。 （五）先顶后帮 为了保证操作人员的人身安全，在处理等程序上必须注意先维护，支撑住顶板，再维护好两帮，如巷道一侧片帮需要处理，这时必须在顶梁下靠片帮侧打上一根立柱，使顶板稳住，然后对片帮空间进行架设支架。 二、巷道冒顶处理 巷道冒顶的处理有许多方法。 1、直接支架法 在巷道围岩已经稳定，冒落矸石又不多，冒顶范围约为2架～3 架时，可采用直接支架法，即先扒掉碍事的矸石，在两帮掏出拉窝，然后立好柱腿，紧接着架设顶梁，并且插背好，最后清理底部煤矸。再往前依次照上述程序操作，直至处理完毕为止。 2、撞楔法 当巷道冒落矸很碎，可采用撞楔法处理。在冒顶的地方先用撞楔向冒落碎矸深处打入，在撞楔的保护下，清理冒落的煤矸，重新架设支架。撞楔的材料可选用钢轨或小圆木。 3、锚喷法 锚喷法适用于冒顶范围较大，具备锚喷支护设备的岩巷。先处理冒顶区域内顶板及两帮活矸，人员站在安全侧向冒顶区域顶部喷射一层厚30mm～50mm的混凝土封固顶板，然后再封两帮。 4、木垛法 如果巷道冒顶冒顶范围较大冒落高度较高，且冒落空洞以上顶板基本稳定，可以采用木垛法。先在冒落空洞里以下部的冒落煤矸为底加打木垛接顶，然后在木垛保护下清理煤矸，重新支架。在冒落空洞里加打木垛是带有一定危险的工作，操作时必须十分注意安全。操作前要站在有支架掩护的地点，用长柄工具敲帮问顶，并设专人观察顶板变化情况。 （二）按照处理冒顶时支护断面大小和位置划分 按处理冒顶时支护断面大小和位置可以分为以下三种 1、全断面处理 全断面处理，即在处理冒顶时新架设的支架与原支架断面基本一致，也称一次成巷的处理方法。它的优点是避免多次松动原已破碎的顶板，缺点是进度较慢。它适用于冒顶范围不大的巷道。 2、小断面处理 小断面处理，即先架设远比原巷道支架规格要小得多的临时支架，然后再扩大为永久支架，也称二次成巷的处理方法。它的优点是处理冒顶进度快；缺点是需要进行二次支护。它适用于抢救被堵人员和急于恢复巷道用作运输、行人和通风的冒顶处理。 3、绕道掘进巷道 当巷道冒落范围和冒落高度都很大，冒顶处理条件极其困难时，可以采用另开绕道，躲开冒顶区域重新掘进巷道的方法。