顶板灾害防治
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第三个专题
华北科技学院 刘过兵
顶板灾害防治及勘察
概 述
第一节、矿山压力显现规律及影响因素
第二节、采场顶板事故防治及预防勘察
第三节、巷道顶板事故防治及勘察
第四节、冲击地压事故防治及勘察
概 述
一、研究顶板事故及防治勘察的重要性
在我国统配煤矿（国有重点煤矿）中，顶板事故伤亡人数占煤炭行业总伤亡人数的比重较大。而顶板事故又分为采场（工作面）顶板事故和巷道顶板事故。请看下面几组数据。
1、1954年----1985年期间顶板事故占总死亡人数的45%。
其中：采场（工作面）顶板事故占3/4
巷道顶板事故占1/4 而在采场顶板事故中：
①按支护类型分：磨擦支柱、木支柱占93%、其它支柱占7%
②按顶板类型分：直接顶板事故占93%、老顶事故占7%
③按冒顶类型分：局部冒顶占70% 、大型冒顶占30%
④按 地 点 分：机道炮道占26%、放顶线占15% 、
上下出口占15% 、 其他地点占44%
2、1986年----1992年顶板事故死亡人数占总死亡人数的40%，
有所下降，但比例也发生变化。
其中：采场顶板事故占2/3
巷道顶板事故占1/3
●变化原因分析：
①整体事故比例下降是由于支护设备发展科学研究成果的
应用，管理的加强所致。
②采场顶板事故3/4→2/3主要是支护形式发展单体液压支
柱，液压支架的应用，回采工艺发展。
③巷道顶板事故上升：
A：巷道断面扩大
B：巷道总数加大、使用时间长
C：支护技术有待进一步完善
40%或许45%的大比例很值得去研究去监察，进一步降低。
且事故类型很多，随机性多样性，要求加大勘察力度。
二、顶板事故发生原因分析
1、自然因素
2、技术因素 3、人为因素
4、勘察的目的
三、介绍几本参考书
1、中国采场围岩控制 陈炎光、钱鸣高主编
2、中国巷道围岩控制 陈炎光、陆士良主编
3、顶板灾害防治 岑传鸿编
以上皆为中国矿大出版社出版
第一节、矿山压力显现规律及影响因素
一、采场矿山压力显现规律
1、初次放顶----
当工作面自开切眼推进一段距离后，工作面开始第一次大
面积的放顶，叫做初次放顶。
初次放顶工作面需要采取相应的安全防范措施，制定监测
制度等以策安全。煤矿顶板事故在初次放顶时发生者也
不在少数，应特别引起注意，也是勘察的主要内容之一，
后面见案例分析。
2、直接顶初次垮落----
初次放顶后，直接顶首次大面积的垮落称为初次垮落，即直
接顶冒高超过1～1.5Ｍ占全工作面的1/2以上为准。
如图1所示。
岩石强度 分层厚度 节理裂隙
直接顶初次垮落步距----直接顶初次垮落后，从切顶线到
开切眼煤壁的距离叫直接顶初
次垮落步距。它是一个很重要
的指标，对顶板分类和研究矿
压理论很重要。
直接顶初次垮落步距：5--25M不等，见表1。
3、老顶初次来压
当老顶悬露达到极限时，老顶第一次断裂，同时发生破断
岩块的回转失稳。从而导致工作面顶板急剧下沉，此时工
作面支架显现压力普遍增大现象，即称为老顶初次来压。
直接顶垮落后，与老顶之间有一个空隙空间。
如图2、图3。
若△=0，即直接顶冒落后充满采空区; 则∑h=m/（kp-1）
其中：m----煤厚;
∑h----直接顶总厚度;
kp----岩石碎胀系数（初始值1.25--1.5,）;
一般(2--4）倍（通常用N表示）采高的直接顶冒落
后即可。填满采空区，周期来压则不明显。
老顶初次来压前的结构及周围应力分布情况.
如图4所示。
图4 老顶断裂前的结构形式及其周围的应力再分布
A----应力增高区 B----应力降低区 C---应力不变区
老顶初次垮落时，工作面煤壁距开切眼煤壁的距离
叫做老顶初次垮落步距。
老顶初次垮落步距的相关因素：
●老顶的岩石力学性质
●老顶的厚度
●岩块之间的胶合条件等 老顶初次来压步距，一般为20-35M
有的可达50-70M不等
持续时间2-3天
4、老顶周期来压
老顶初次来压后随工作面的推进，老顶呈规律性折断，
工作面显现周期性的来压，称为周期来压。
老顶顶板经历了稳定----失稳----再稳定的变化。
如图5、图6所示。
图5 老顶周期来压
a---老顶断裂下沉 b---顶板台阶下沉
图6 回采工作面推进中岩体结构的变化过程
周期来压时矿压显现：
●顶板下沉速度增大
●下沉量增大
●支柱载荷增加、钻底
●煤壁片帮
●支柱折损
●台阶下沉
周期来压步距----两次周期来压间工作面推进距离。
经验数据并根据实测，周期来压步距：
L周=（1/2-1/4）L初
5、三带
回采工作面初次来压后，随着工作面的继续推进，工作面
上复岩层的活动情况将逐渐形成常说的上“三带”，即：
●冒落带（垮落带）----岩块不规则垮落和堆积 Kp=1.3～１.5，压实后1.03左右
●裂隙带----在冒落带之上，岩块断裂但整齐排裂
●弯曲下沉带----裂隙带之上直到地表，岩层裂隙较
少，但有下沉。如图7所示。
6、采场围岩应力分布
1）工作面前后方应力分布----移动支承压力分布
由于开采所致，应力重新分布，在工作面前方形成了支
承压力带，它的影响范围达30-40m或更远,最高峰在
煤壁前方7-10m处。K可达2-3，随开采移动。
工作面后方冒落矸石被压实，一般只恢复到rh或比
rh稍高一点。如图8所示。
2）工作面两侧支承压力分布----固定支承压力分布
随工作面开采，在工作面两侧煤柱或煤体上也形成支承
压力。作用时间长，位置比较固定，如图9、图10所
示，称为固定支承压力。
二、顶板分类
（一）按岩性和与煤层的位置划分
1、伪顶----厚度小于0.5m，极易垮落，随采随冒，位于
煤层之上。
2、直接顶----岩层较稳定，位于伪顶之上，一般随放顶
可垮落。
3、老顶----在直接顶之上，岩层厚而硬，难冒落，有时
呈规律性折断。
典型柱状如图11所示。
图11 顶板典型柱状图示例 （二）我国对直接顶分类和老顶的分级
为了确定支护参数和支架造型，1981年煤炭工业部颁发：
缓倾斜煤层顶板分类方案，如表2、表3所示
1、掘进巷道引起的围岩应力分布
巷道未开掘之前，岩体处于原始应力状态rh，在巷道开掘
后，应力即开始重新分布，巷道围岩内出现应力集中现象，
当围岩强度小于围岩应力，围岩则产生塑性变形，并向岩
体深部发展。一般巷道开掘后形成如下图所示的状态。
巷道围岩一般分为四个区：●破裂区 A
●塑性区 B
●弹性区 C
●原始应力区 D
开切眼开掘后两侧煤体的应力如图13所示。
2、采动影响下，底板应力分布
支承压力通过煤体，直接传递到底板岩层，在底板岩层
一定范围内同样存在支承压力的影响。如下图所示。
①a 一侧采空煤柱应力分布特征
●煤柱应力呈三角形;
●应力增高系数为3;
●Ψ=30°～40° 传递深度为（1.5～２）B.
②b 煤柱宽度为B，两侧采空时应力特征
●煤柱应力呈钟形;
●应力增高系数为5;
●煤柱最中心下方应力最大;
●Ψ=30°～40° 传递深度为3～４B.
③c 煤柱宽度为2B，两侧采空应力特征
●煤柱应力呈马鞍形;
●应力增高系数为3.5;
●Ψ=30°～40° 传递深度为3～４B.
四、影响矿山压力显现的因素分析
（一）地质因素 1、断层与褶曲
断层的影响
●顶板失去连续性，容易冒顶;
●构造应力存在使巷道难以维护;
●伴有其他灾害因素存在.
褶曲的影响
●构造应力使顶板难维护;
●顶板破碎，易冒顶.
如图15所示
在地层水平应力作用下巷道底板鼓起
在地层水平应力作用下巷道两帮破裂
2、节理、裂隙的影响
●直接顶被切割，易冒顶;
●影响老顶的稳定性.
如图16所示
3、煤层倾角的影响
●顶板压力的方向改变;
●支架的稳定性受到影响;
●底板滑动给支护带来困难.
如图17所示
