煤层顶板冒落原因分析及支护技术研究

张燕飞

摘 要：在煤炭地下开采活动中，受煤层地质条件和钻采工艺等因素的影响，常常会发生煤层顶板冒落事故，给矿山的生产和安全带来重大的损失。在分析顶板冒落原因的基础上，提出了顶板冒落的支护技术，并分析各项技术的原理和应用特点，为矿山的顶板管理提供建议，以保障矿区的安全生产。

关键词：煤层；顶板冒落；原因；支护技术

中图分类号：TD327.2 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）15-0027-02

在煤炭地下开采过程中，维持顶板稳定是保障矿山正常生产必不可少的工作之一。一旦发生采场顶板冒落事故，不仅会使生产被迫停止，影响工作面的进行，增加生产成本，还会威胁到工作人员的生命安全，严重影响矿区的正常运行。

1 顶板冒落机理

当煤层采空以后，顶板的自重要靠顶板本身和煤柱来支撑，而顶板的自重是分布在几个点上的。当顶板的自重超过顶板的抗拉能力和煤柱的抗压能力时，就会出现顶板冒落的情况。顶板自重产生微破裂，层理、节理发育的部位加速破裂会使顶板局部冒落，顶板本身的抗压强度不断削弱，最终会发生大面积冒落。在顶板冒落前，支架并没有明显的变形，只是偶尔支柱会有倾斜。冒落高度虽然不大，但面积很广，具有突发性，速度快，没有明显的征兆。

1.1 地质构造弱面造成冒落

位于煤层顶板的岩石大多为沉积岩，因为地质构造运动，岩体中存在着丰富的不连续面，比如较为典型的裂隙、层理、断层等，使岩体成为不连续、非均质的结构体，不仅破坏了岩体原本的完整性，还会削弱岩体的力学性质，而这些对维护顶板的稳定性都是极其不利的。

裂隙是顶板岩体常见的构造弱面，在岩层裂隙发育地带，顶板受压易使裂隙末端应力集中，裂隙继续扩展致岩体压碎，岩块容易垮落，常发生局部冒顶的情况。弱岩体中层理发育，则该段岩层之间结合力较弱，受人工震动岩石容易产生离层裂隙而脱离母岩。断层的存在不仅仅是某部分地层的缺失，在断层附近的岩石上原生裂隙发育，顶底板岩体结构破碎，岩层面的黏聚力大大降低，岩体处于不稳定状态。在采动过程中，断层将改变岩体的初始应力，直接影响岩层的变形破坏规律，使顶板岩层的稳定性会变差。

1.2 应力集中造成冒落

在煤炭开采前，矿区的岩体受原始地应力的作用，处于自然平衡的状态，随着采矿工作的进行，这种平衡被破坏了，就会使应力重新分布。在新应力场的应力集中作用下，岩体被破坏发生变形，自身黏合力和摩擦力降低，因此，顶板岩体稳定性降低，最终发生顶板冒落。

1.3 开采因素

在煤炭开采过程中，爆破产生的冲击波和膨胀压力会破坏

附近岩体的原生结构，使其向碎裂结构变化，成为不连续性的介质，同时，它也降低了岩体的力学强度。对岩体中的结构弱面来说，在爆破的作用下，裂隙会大幅扩展，最终形成贯通的破坏面，使岩体承载力下降，岩体受压破碎，随之就会发生顶板冒落。

2 影响顶板稳定性的主要因素

2.1 顶板厚度

顶板厚度在很大程度上会影响小断层的发育——小断层发育，岩层强度会降低，这极大地削弱了顶板的稳定性。对厚度大的顶板来说，其稳定性较好。

2.2 顶板分层层数

如果顶板岩体在垂直方向有不同分层，岩性存在明显差异，则说明该区域内顶板的整体性较差。因为岩石容易沿着层理面发生离层，尤其是在煤层以上一定范围内的岩层，它对顶板稳定性的影响会更大。

2.3 主采煤层与薄煤层间距

当薄煤层与主采煤层距离较近时，顶板锚杆不能贯穿上部薄煤层，锚杆对该段岩层起不到固定的作用。在煤层开采后，薄煤层往往会成为软弱面，其黏结力差，易引发岩块塌落，从而发生顶板冒落。

3 支护技术

根据煤层顶板地质特征和冒落机理可知，只有选用适宜的支护方法才能有效地维护顶板的稳定。对于那些松软破碎、岩性复杂、稳定性差的顶板，鉴于其支护难度较大，在设计支护方案时，不应该局限于其中某一种单一技术，而应该根据不同支护技术各自的特点，考虑多种措施联合加固，使其加固效果更佳。下面介绍几种应用较为广泛的支护技术。

3.1 锚杆支护

锚杆加固顶板，不仅在很大程度上提高了顶板的整体刚度，而且顶板抗剪强度也有所增强，在采场顶板上布置的预应力锚杆群能对周围岩体起到挤压加固的作用。锚杆加金属网支护不仅能够充分发挥锚杆的主动支护作用，同时，还能利用金属网把锚杆之间的岩层负荷传递给锚杆，为已经碎裂的岩石提供保护，将岩体变形控制在合理范围内，防止碎岩掉落，起到加固顶板的作用。

使用锚杆加固时，必须测定锚杆的锚固力是否达到了稳定顶板所需的强度，合理选择锚杆的长度，规范其施工。对于破碎带不厚的顶板，运用锚杆加固能起到良好的稳定效果，但是，对于顶板厚度较大，超过锚杆能够作用的范围时，则不能保证锚杆会对顶板起到预定的加固作用，因为该顶板的稳定性是存在一定隐患的。

3.2 锚索支护

利用长锚索对矿体顶板进行锚固，布置方式有两种，即下向扇形（如图1a）、上向扇形（如图1b）布置。

两种钻孔形式分别为下向扇形和上向扇形，长锚索固段长度不同，前者全孔段放入钢丝绳，后者部分孔段作为锚固段，锚固段灌入砂浆，待砂浆凝固后，即形成了长锚索预锚固结构。

长锚索能够限制岩块位移、调整岩层应力场、及时稳固岩体，但是，它的工艺烦杂，如果其中某一道工序操作不当，锚固效果就会受到影响，甚至会给顶板的支护工作带来严重的后果。因此，这项措施对施工人员的要求比较高，要保证每道工序都能按照操作流程完成。也正是因为它的流程烦杂，所以工程完成时间也会延长。

摘 要：在煤炭地下开采活动中，受煤层地质条件和钻采工艺等因素的影响，常常会发生煤层顶板冒落事故，给矿山的生产和安全带来重大的损失。在分析顶板冒落原因的基础上，提出了顶板冒落的支护技术，并分析各项技术的原理和应用特点，为矿山的顶板管理提供建议，以保障矿区的安全生产。

关键词：煤层；顶板冒落；原因；支护技术

中图分类号：TD327.2 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）15-0027-02

在煤炭地下开采过程中，维持顶板稳定是保障矿山正常生产必不可少的工作之一。一旦发生采场顶板冒落事故，不仅会使生产被迫停止，影响工作面的进行，增加生产成本，还会威胁到工作人员的生命安全，严重影响矿区的正常运行。

1 顶板冒落机理

当煤层采空以后，顶板的自重要靠顶板本身和煤柱来支撑，而顶板的自重是分布在几个点上的。当顶板的自重超过顶板的抗拉能力和煤柱的抗压能力时，就会出现顶板冒落的情况。顶板自重产生微破裂，层理、节理发育的部位加速破裂会使顶板局部冒落，顶板本身的抗压强度不断削弱，最终会发生大面积冒落。在顶板冒落前，支架并没有明显的变形，只是偶尔支柱会有倾斜。冒落高度虽然不大，但面积很广，具有突发性，速度快，没有明显的征兆。

1.1 地质构造弱面造成冒落

位于煤层顶板的岩石大多为沉积岩，因为地质构造运动，岩体中存在着丰富的不连续面，比如较为典型的裂隙、层理、断层等，使岩体成为不连续、非均质的结构体，不仅破坏了岩体原本的完整性，还会削弱岩体的力学性质，而这些对维护顶板的稳定性都是极其不利的。

裂隙是顶板岩体常见的构造弱面，在岩层裂隙发育地带，顶板受压易使裂隙末端应力集中，裂隙继续扩展致岩体压碎，岩块容易垮落，常发生局部冒顶的情况。弱岩体中层理发育，则该段岩层之间结合力较弱，受人工震动岩石容易产生离层裂隙而脱离母岩。断层的存在不仅仅是某部分地层的缺失，在断层附近的岩石上原生裂隙发育，顶底板岩体结构破碎，岩层面的黏聚力大大降低，岩体处于不稳定状态。在采动过程中，断层将改变岩体的初始应力，直接影响岩层的变形破坏规律，使顶板岩层的稳定性会变差。

1.2 应力集中造成冒落

在煤炭开采前，矿区的岩体受原始地应力的作用，处于自然平衡的状态，随着采矿工作的进行，这种平衡被破坏了，就会使应力重新分布。在新应力场的应力集中作用下，岩体被破坏发生变形，自身黏合力和摩擦力降低，因此，顶板岩体稳定性降低，最终发生顶板冒落。

1.3 开采因素

在煤炭开采过程中，爆破产生的冲击波和膨胀压力会破坏

附近岩体的原生结构，使其向碎裂结构变化，成为不连续性的介质，同时，它也降低了岩体的力学强度。对岩体中的结构弱面来说，在爆破的作用下，裂隙会大幅扩展，最终形成贯通的破坏面，使岩体承载力下降，岩体受压破碎，随之就会发生顶板冒落。

2 影响顶板稳定性的主要因素

2.1 顶板厚度

顶板厚度在很大程度上会影响小断层的发育——小断层发育，岩层强度会降低，这极大地削弱了顶板的稳定性。对厚度大的顶板来说，其稳定性较好。

2.2 顶板分层层数

如果顶板岩体在垂直方向有不同分层，岩性存在明显差异，则说明该区域内顶板的整体性较差。因为岩石容易沿着层理面发生离层，尤其是在煤层以上一定范围内的岩层，它对顶板稳定性的影响会更大。

2.3 主采煤层与薄煤层间距

当薄煤层与主采煤层距离较近时，顶板锚杆不能贯穿上部薄煤层，锚杆对该段岩层起不到固定的作用。在煤层开采后，薄煤层往往会成为软弱面，其黏结力差，易引发岩块塌落，从而发生顶板冒落。

3 支护技术

根据煤层顶板地质特征和冒落机理可知，只有选用适宜的支护方法才能有效地维护顶板的稳定。对于那些松软破碎、岩性复杂、稳定性差的顶板，鉴于其支护难度较大，在设计支护方案时，不应该局限于其中某一种单一技术，而应该根据不同支护技术各自的特点，考虑多种措施联合加固，使其加固效果更佳。下面介绍几种应用较为广泛的支护技术。

3.1 锚杆支护

锚杆加固顶板，不仅在很大程度上提高了顶板的整体刚度，而且顶板抗剪强度也有所增强，在采场顶板上布置的预应力锚杆群能对周围岩体起到挤压加固的作用。锚杆加金属网支护不仅能够充分发挥锚杆的主动支护作用，同时，还能利用金属网把锚杆之间的岩层负荷传递给锚杆，为已经碎裂的岩石提供保护，将岩体变形控制在合理范围内，防止碎岩掉落，起到加固顶板的作用。

使用锚杆加固时，必须测定锚杆的锚固力是否达到了稳定顶板所需的强度，合理选择锚杆的长度，规范其施工。对于破碎带不厚的顶板，运用锚杆加固能起到良好的稳定效果，但是，对于顶板厚度较大，超过锚杆能够作用的范围时，则不能保证锚杆会对顶板起到预定的加固作用，因为该顶板的稳定性是存在一定隐患的。

3.2 锚索支护

利用长锚索对矿体顶板进行锚固，布置方式有两种，即下向扇形（如图1a）、上向扇形（如图1b）布置。

两种钻孔形式分别为下向扇形和上向扇形，长锚索固段长度不同，前者全孔段放入钢丝绳，后者部分孔段作为锚固段，锚固段灌入砂浆，待砂浆凝固后，即形成了长锚索预锚固结构。

长锚索能够限制岩块位移、调整岩层应力场、及时稳固岩体，但是，它的工艺烦杂，如果其中某一道工序操作不当，锚固效果就会受到影响，甚至会给顶板的支护工作带来严重的后果。因此，这项措施对施工人员的要求比较高，要保证每道工序都能按照操作流程完成。也正是因为它的流程烦杂，所以工程完成时间也会延长。

摘 要：在煤炭地下开采活动中，受煤层地质条件和钻采工艺等因素的影响，常常会发生煤层顶板冒落事故，给矿山的生产和安全带来重大的损失。在分析顶板冒落原因的基础上，提出了顶板冒落的支护技术，并分析各项技术的原理和应用特点，为矿山的顶板管理提供建议，以保障矿区的安全生产。

关键词：煤层；顶板冒落；原因；支护技术

中图分类号：TD327.2 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）15-0027-02

在煤炭地下开采过程中，维持顶板稳定是保障矿山正常生产必不可少的工作之一。一旦发生采场顶板冒落事故，不仅会使生产被迫停止，影响工作面的进行，增加生产成本，还会威胁到工作人员的生命安全，严重影响矿区的正常运行。

1 顶板冒落机理

当煤层采空以后，顶板的自重要靠顶板本身和煤柱来支撑，而顶板的自重是分布在几个点上的。当顶板的自重超过顶板的抗拉能力和煤柱的抗压能力时，就会出现顶板冒落的情况。顶板自重产生微破裂，层理、节理发育的部位加速破裂会使顶板局部冒落，顶板本身的抗压强度不断削弱，最终会发生大面积冒落。在顶板冒落前，支架并没有明显的变形，只是偶尔支柱会有倾斜。冒落高度虽然不大，但面积很广，具有突发性，速度快，没有明显的征兆。

1.1 地质构造弱面造成冒落

位于煤层顶板的岩石大多为沉积岩，因为地质构造运动，岩体中存在着丰富的不连续面，比如较为典型的裂隙、层理、断层等，使岩体成为不连续、非均质的结构体，不仅破坏了岩体原本的完整性，还会削弱岩体的力学性质，而这些对维护顶板的稳定性都是极其不利的。

裂隙是顶板岩体常见的构造弱面，在岩层裂隙发育地带，顶板受压易使裂隙末端应力集中，裂隙继续扩展致岩体压碎，岩块容易垮落，常发生局部冒顶的情况。弱岩体中层理发育，则该段岩层之间结合力较弱，受人工震动岩石容易产生离层裂隙而脱离母岩。断层的存在不仅仅是某部分地层的缺失，在断层附近的岩石上原生裂隙发育，顶底板岩体结构破碎，岩层面的黏聚力大大降低，岩体处于不稳定状态。在采动过程中，断层将改变岩体的初始应力，直接影响岩层的变形破坏规律，使顶板岩层的稳定性会变差。

1.2 应力集中造成冒落

在煤炭开采前，矿区的岩体受原始地应力的作用，处于自然平衡的状态，随着采矿工作的进行，这种平衡被破坏了，就会使应力重新分布。在新应力场的应力集中作用下，岩体被破坏发生变形，自身黏合力和摩擦力降低，因此，顶板岩体稳定性降低，最终发生顶板冒落。

1.3 开采因素

在煤炭开采过程中，爆破产生的冲击波和膨胀压力会破坏

附近岩体的原生结构，使其向碎裂结构变化，成为不连续性的介质，同时，它也降低了岩体的力学强度。对岩体中的结构弱面来说，在爆破的作用下，裂隙会大幅扩展，最终形成贯通的破坏面，使岩体承载力下降，岩体受压破碎，随之就会发生顶板冒落。

2 影响顶板稳定性的主要因素

2.1 顶板厚度

顶板厚度在很大程度上会影响小断层的发育——小断层发育，岩层强度会降低，这极大地削弱了顶板的稳定性。对厚度大的顶板来说，其稳定性较好。

2.2 顶板分层层数

如果顶板岩体在垂直方向有不同分层，岩性存在明显差异，则说明该区域内顶板的整体性较差。因为岩石容易沿着层理面发生离层，尤其是在煤层以上一定范围内的岩层，它对顶板稳定性的影响会更大。

2.3 主采煤层与薄煤层间距

当薄煤层与主采煤层距离较近时，顶板锚杆不能贯穿上部薄煤层，锚杆对该段岩层起不到固定的作用。在煤层开采后，薄煤层往往会成为软弱面，其黏结力差，易引发岩块塌落，从而发生顶板冒落。

3 支护技术

根据煤层顶板地质特征和冒落机理可知，只有选用适宜的支护方法才能有效地维护顶板的稳定。对于那些松软破碎、岩性复杂、稳定性差的顶板，鉴于其支护难度较大，在设计支护方案时，不应该局限于其中某一种单一技术，而应该根据不同支护技术各自的特点，考虑多种措施联合加固，使其加固效果更佳。下面介绍几种应用较为广泛的支护技术。

3.1 锚杆支护

锚杆加固顶板，不仅在很大程度上提高了顶板的整体刚度，而且顶板抗剪强度也有所增强，在采场顶板上布置的预应力锚杆群能对周围岩体起到挤压加固的作用。锚杆加金属网支护不仅能够充分发挥锚杆的主动支护作用，同时，还能利用金属网把锚杆之间的岩层负荷传递给锚杆，为已经碎裂的岩石提供保护，将岩体变形控制在合理范围内，防止碎岩掉落，起到加固顶板的作用。

使用锚杆加固时，必须测定锚杆的锚固力是否达到了稳定顶板所需的强度，合理选择锚杆的长度，规范其施工。对于破碎带不厚的顶板，运用锚杆加固能起到良好的稳定效果，但是，对于顶板厚度较大，超过锚杆能够作用的范围时，则不能保证锚杆会对顶板起到预定的加固作用，因为该顶板的稳定性是存在一定隐患的。

3.2 锚索支护

利用长锚索对矿体顶板进行锚固，布置方式有两种，即下向扇形（如图1a）、上向扇形（如图1b）布置。

两种钻孔形式分别为下向扇形和上向扇形，长锚索固段长度不同，前者全孔段放入钢丝绳，后者部分孔段作为锚固段，锚固段灌入砂浆，待砂浆凝固后，即形成了长锚索预锚固结构。

长锚索能够限制岩块位移、调整岩层应力场、及时稳固岩体，但是，它的工艺烦杂，如果其中某一道工序操作不当，锚固效果就会受到影响，甚至会给顶板的支护工作带来严重的后果。因此，这项措施对施工人员的要求比较高，要保证每道工序都能按照操作流程完成。也正是因为它的流程烦杂，所以工程完成时间也会延长。