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对复合顶板推垮型冒顶的机理分析及预防

1、引言

随着单体液压支柱在炮〔普〕采工作面的广泛应用，炮〔普〕采装备水平大大提升，支护条件有了质的飞跃，但复合顶板推垮型冒顶仍时有生。本文将依据地质概况受力状况分析其形成的机理及条件。

2、复合型顶板概念及特点

一般煤层上面0.5~3.0m左右易于上部岩层离层的顶板，其下部岩层的组合结构是一个整层或几个分层组成的分层组，层间滑面发育或粘结力，形成复合关系，故称复合顶板。

特点：“软〞、“弱〞、“薄〞。软即指顶板岩性上硬下软，差异较大。弱即指在软硬岩层之间存在弱面，易离合。薄即指下位软岩较薄，冒落后不能充满采空区。

复合型顶板极易产生推垮型冒顶。

3、推垮型冒顶的概念及特点

概念：由于支柱初撑力不够，造成抗推力不够，沿顶板推力方向倾倒垮顶。特点：

①冒顶前采场顶板压力不大，支架基本无变形，一般没有显然的预兆。

②冒顶发生时速度快，来势猛，具有突发性和连续性，各个有活动顶板的工序均可发生。

③垮落范围较大，冒顶后老顶大面积悬露，但工作面仍无显然压力，冒顶后未冒区支架完好无损，基本不受冒顶影响。

④冒顶一般在初放阶段，老顶未冒落前支架倒俯方向大都沿正倾斜方向。

4、推垮型冒顶沿倾斜方面上的受力机理分析要使直接顶稳定，其受力必须满足以下两个条件

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P-工作面支架的支撑力；R-合阻力；N-上覆岩层对直接顶的压力，在该处由于二者已离层，因此，N＝0；F1＝G?cosα；F2一直接顶自重沿平行于顶底板方向的分量，F2＝G?sinα；G一直接顶自重；R1一下部岩石对其下部直接顶下滑趋势产生的阻力；R2一上部岩石对其下部直接顶下滑趋势产生的拉力；R3一上覆岩石对其下方直接顶下滑趋势产生的磨擦力和剪切力；R4一煤壁一侧岩石的磨擦力和剪切力；R5一支架对上覆直接顶下滑产生的阻力，R5＝P?sinθ；α－工作面长度方向上的倾角；θ－支柱的迎山角，一般每80上迎20~30。

关于条件①在工作面支护强度的制定中已经解决，支柱的初撑力完全能满足F1＋N的支护要求。

关于条件②依据工作面条件分析如下：

R1－下部软岩冒落形成自由空间，R1→0

R2－煤与顶板较为破碎，R2→0

R3－顶板已离层，R3→0

R4－已断裂离合形成不规则的六面体，R4→0

R5＝Psinθ＝Gcosα?sinθ≌0.08G〔α:100~300，取为200，θ取为50〕

通过分析得知R＝R1＋R2＋R3＋R4＋R5≌R5≌0.08G＜＜F2≌

一旦F2＞R就会瞬时推垮，由此得出离层顶板的自动下滑是推垮工作面的唯一动力，而老顶不参加推垮。

结论：

(1)从F2=G?sinα可知，关于缓倾斜工作面来说，工作面倾角的存在是发生此类推垮事故的必备条件之一，α越大发生此类事故的危险性越大，而α＝0时，F2＝0，就不可能发生这类事故。生产实际中，在单体液压支护条件下，当α＞80时就应该采用必要的预防措施。

(2)有ΣF2＝nF2吨/根〔n为上方离层区内同排支柱根数〕。ΣF2与n成正比，当n＝0时，ΣF2＝0。理论上说不离层不会推垮，离层面积越大，推垮的可能性就越大，这是形成推垮的又一必要条件。

由此形成推垮冒顶的充要条件是(1)支柱初撑力低，稳定性差。(2)煤层有一定的倾角。(3)老顶同下覆岩层存在离层。三个条件必须同时具备，一旦下滑力大于合阻力，就会瞬时推垮。

条件〔1〕是导致推垮的关键。条件〔2〕是形成推垮的必要条件之一。条件〔3〕是造成推垮的根本原因。

离层区下段与下方5m左右范围为推垮危险区，此段支架与顶板存在互相依存关系，一旦破坏平衡，下部岩层对离层顶板的阻力→0，给离层的不规则六面体提供了去路。因此，必须接实护严顶板，支柱有效支护，棵棵监控。

5、预防措施

〔1〕以防为主，保持“初撑力第一〞的观点，初撑力不够就是事故，必须增大并保持单体支柱的初撑力〔工作阻力〕使初撑力P不仅能支撑住复合顶板下位软岩层，而且使软岩层压紧硬岩层，其间的磨擦阻力足够阻止软岩层下滑，从而支架自身也能稳定，P可按下式计算。

P≥F1＋F2其中F2＝1/fGsinα

P≥γh/n(cosα+1/fsinα)

式中：

P－每根支柱的初撑力KN

n－支护密度，根/m2

γ－软岩层平均容重，KN/m3

h－软岩层厚度，m

α－煤层倾角，度。

f－软硬岩层间的滑动磨擦系数

为防止支柱钻底，一般采用支