煤層在開採之前，它同岩層在各個方向受力是平衡的，掘出開切眼後，岩層受力平衡狀態遭到破壞，圍岩移動變形，尋求新的應力平衡，在頂板上方形成了暫時平衡的岩石鬆動圈，這時工作面支架主要支撐的是鬆動圈內岩石重量。由於進行採掘活動而在巷道及回採工作面周圍岩體中，以及在支架上所引起的力，叫做頂板來壓。
基本介紹
- 中文名：頂板來壓
- 外文名：roof weighting
- 特點：各個方向受力是平衡
- 產生：山體壓力
- 危害：人員傷亡
- 套用：煤礦開採
特點,現象,冒落,煤柱,成因,破壞,預防措施,
特點
煤層在開採之前，它同岩層在各個方向受力是平衡的，掘出開切眼後，岩層受力平衡狀態遭到破壞，圍岩移動變形，尋求新的應力平衡，在頂板上方形成了暫時平衡的岩石松動圈，這時工作面支架主要支撐的是鬆動圈內岩石重量。
工作面開始回採，向前推進，鬆動圈逐漸擴大，支架受力很快增加，這時如不採取措施，岩層就會壓垮支架，以致發生冒頂事故。因此，一般在開切眼推進6m～20m後，就及時撤回採空區支架，直接頂隨回柱而垮落，這就是初次放頂。
如果頂板岩石不自行垮落，要向採空區頂板打眼放炮進行“強制放頂”，確保頂板跨落下來。開採過程中，要正面對待頂板跨落現象，岩層跨落，所受到的應力重新達到平衡是必然的規律，如果不能讓岩層應力逐步、緩慢地宣洩，一旦積累到一定程度，就會造成不可挽回的重大事故。
現象
冒落
頂板大面積來壓的冒頂形式有切冒型和拱冒型，有整體一次冒落和分層分次冒落。分層分次冒落式也常有發生。
煤柱
頂板大面積來壓與煤柱分布有關，煤柱面積比率大時，一般不易發生大面積來壓。例如對大同礦壓的調查，煤柱比率大於30%時很少發生大面積來壓，但小於20%的採空區，大都發生。煤柱的寬高比也直接影響大面積來壓發生，調查表明，寬高比大於3~4時一般不發生。煤柱的平面分布影響大面積來壓的範圍，一般情況下煤柱稀少的地方容易發生，煤柱密集的區域往往是塌陷區的邊緣。
成因
頂板大面積來壓基本上都發生在頂板岩層比較堅硬的回採工作面，頂板大多是砂岩或礫岩，開採後頂板大面積懸露不冒.在回採工作面初采時，頂板初次垮落步距可達50-70m，甚至達100m以上。
這樣大面積的頂板一旦冒落會造成巨大的危害，礦井生產中常採用刀柱法開採，但也因採空區面積太大，壓垮煤柱而發生大面積冒頂.即使採用綜采設備的長壁工作面，也仍然出現上萬平方米頂板大面積來壓的現象。
關於頂板大面積來壓產生的力學原因，一般認為，當開採過程中的堅硬難冒頂板大面積懸露時，在自重力的作用下，頂板會產生彎曲和離層.不管是作為板處理，還是作為梁來分析，當彎曲應力超過其強度極限時，便會產生裂隙和裂隙的擴展.一旦這些裂隙貫穿堅硬岩層時，則發生突然的垮落，造成災害.另一種情況是，頂板大面積懸露，使採空區形成扁平狹條孔，煤柱上的頂板岩層內產生巨大的切應力，導致頂板切斷，突然垮落。頂板大面積來壓造成的災害有以下3個方面的機理。
破壞
1、能量釋放造成的破壞
由於煤岩體處於複雜的自重應力和構造應力場中，在強大的地應力作用下，其體積與形狀會發生變化，這是外力做功的結果。當岩塊處於彈性狀態，且變形不能解除時，外力做功就以能量的形式貯存在煤岩體內，稱為彈性能.而這種彈性能又分為由體積變化產生的體變彈性能已，及由形狀變化而產生的形變彈性能叭。又因採空區上方頂板岩層大面積懸露不冒落，頂板岩層會產生彎曲下沉，因而又會聚積頂板彎曲彈性能。
2、冒頂衝擊力造成的破壞
採空區大面積懸露的頂板因斷裂失穩而冒落，其產生的衝擊力是巨大的。頂板在冒落前具有的勢能為EP=mgh，當冒落的頂板岩層面積大，即質量m大時，其勢能EP則大；當采高h大時，其勢能EP也大，頂板冒落後勢能轉變的動能Ek=mv2/2必然也大。如果頂板冒落的面積為5萬m2，冒落岩層的厚度為3m，采高為2.5m，則在不到1s的時間內，就有37.5萬t的岩石冒落，其衝擊力之大是可想而知的。好在這巨大的衝擊力絕大部分作用在採空區的底板上，但對工作面的破壞力也是很大的。
3、大面積冒頂產生暴風形成的破壞
由於頂板堅硬完整性好，冒落的面積大、時間短，採空區的空氣瞬間壓出，形成劇烈的暴風，破壞力極大。為便於定量分析，將採空區簡化成一個體積很大的扁平容器，將上下順槽看成容器底部的兩個小孔。
預防措施
分析頂板大面積來壓的原因，主要是開採工作面採空區懸頂面積太大，瞬時垮落時產生強大的衝擊力和暴風，破壞力極大。如何防治頂板大面積來壓，許多專家、學者都做過這方面的研究。利用微震儀、地音儀和超音波地層應力儀等測試儀器來進行預測預報，以及用堵和泄的辦法來預防暴風造成的危害，這無疑是防治頂板大面積來壓災害的措施之一但從主動的意義上講，防治頂板大面積來壓的基本原理是:減小懸頂面積和能量聚積。其具體措施有兩個方面，一是改變頂板岩層的物理力學性質，降低岩體的力學強度。一般可通過高壓注水等措施來實現;二是改變頂板的力學條件。減小工作面頂板初次來壓和周期來壓的步距。可通過強制放頂的各種方法來實現。大同等礦一區的實踐證明，這些措施是很有效的。
高壓注水處理堅硬頂板是個非常方便和安全的方法，但是軟化效果決定於岩石的吸水性、岩石構成和岩體的間斷性。水流隨著時間增大。初期的高壓相應地降到穩定壓力。穩定壓力取決作用於對高壓水流的岩層強力。浸水岩石的強度降低主要取決於節理的平均尺寸、岩石的含水能力和岩石中的粘土含量。以述參數增大，岩石強度損失也會加大。用高壓將水注入岩石內，水通過空隙、裂縫和層理，擴大並加寬它們，同時還要產生新的空隙，以破壞岩體的整體性，降低岩石的強度。採煤後弱化的上覆岩經常垮落在採空區，形成採空區最小的懸頂。
只有在易於吸水的岩層才適合使用這種方法，包括岩脈、岩塊大小和吸水性的岩性在決定岩石是否能注水弱化當中起著重要的作用。這些研究有助於預測高壓注水強制冒落的效果。
