3.1 頂板大面積來壓的預測
根據(jù)以上機理,在本文中各舉一例,分別預測切冒型或拱冒型大面積來壓的發(fā)生和范圍,并與實際的來壓情況加以比較。
3.1.1 切冒型大面積來壓預測
實例1,大同礦務局挖金灣煤礦青羊灣井832盤區(qū),采深84~104 m,1961年10月22日當采空面積達16.3萬m2時發(fā)生了一次塌陷面積達12. 8萬m2的大面積切冒型來壓,冒落時產生強烈暴風,吹毀風橋兩座,密閉9座,摧倒巷道支架90多架,地面沉陷深度0. 5~1. 0 m,是大同礦區(qū)多年來一次最大的來壓動力現(xiàn)象。該盤區(qū)煤層厚度5 m,頂板為厚層狀整體砂巖,用刀柱法開采,煤柱面積比率約0. 19,首先計算煤柱平均應力σ=0. 19-1 ×100 × 2. 5 × 10-2 =13. 16 MPa,計算煤柱極限強度σp=25 × ( 0. 778 0. 222×5/5)=25 MPa,用(2)式判別nσ=26.32 MPa>σp,故該盤區(qū)中部煤柱已破壞。
若計算塑性區(qū)寬度xo,可取k=2,Pi=0,C=30 MPa,ctgφ =1. 2,f = 0.3,ε=4,則xo = 2. 72 m,根據(jù)公式(1),煤柱寬度5m <2xo,故煤柱已破壞。
運用公式(4),(5)計算Ld,Lc,q=2.5 MPa,R't=5 MPa,R's=8 MPa,所以Ld =276 m,Lc=435 m。用(6)計算采空區(qū)的切冒面積A = 120060 m2,與實際塌陷面積128000 m2基本一致。根據(jù)這種預測,該盤區(qū)在采空達12萬m2時,必須留寬的隔離煤柱,預防大面積來壓的發(fā)生。在開采設計中可用此值選擇盤區(qū)、區(qū)段和工作面的長度參數(shù)。
3.1.2拱冒型大面積來壓預測
實例2,陽方口煤礦東大巷上山盤區(qū)用房柱法開采,煤層厚10 m,開采深度210 m,煤房寬8 m,煤柱寬5 m,由下往上頂板組成及其參數(shù)見附表,煤的內聚力C=10 MPa,tgφ=1.2,f=0.3, ε=2.0。
首先用公式(7)計算使煤柱破壞的覆巖厚度Hp,k=4, Hp=163 m,再用公式(8)計算q,q1=0. 22 MPa, q2= 0. 284 MPa , q3= 0. 254MPa,因為q2 >q3,所以第一組覆巖厚H=H1 H2=16.9 m,q=q2=0. 284 MPa,將H,q分別代入公式(4), (5)得Ld=133 m,Lc=468 m,所以拱冒型來壓的塌陷面積A=62244 m2,為了預防大面積來壓的動力成脅,該礦采區(qū)設計的范圍可以6萬m2為限,采區(qū)間留寬煤柱隔離,此值可作為開采參數(shù)選擇的重要依據(jù)。
3.2 頂板大面積來壓的防治技術與原理
分析頂板大面積來壓的原因,主要是開采工作面采空區(qū)懸頂面積太大,瞬時垮落時產生強大的沖擊力和暴風,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、地音儀和超聲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,一是改變頂板巖層的物理力學性質,降低巖體的力學強度。一般可通過高壓注水等措施來實現(xiàn);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??赏ㄟ^強制放頂?shù)母鞣N方法來實現(xiàn)。大同等礦一區(qū)的實踐證明,這些措施是很有效的。
3.2.1 頂板高壓注水
高壓注水處理堅硬頂板是個非常方便和安全的方法,但是軟化效果決定于巖石的吸水性、巖石構成和巖體的間斷性。水流隨著時間增大。初期的高壓相應地降到穩(wěn)定壓力。穩(wěn)定壓力取決作用于對高壓水流的巖層強力。浸水巖石的強度降低主要取決于節(jié)理的平均尺寸、巖石的含水能力和巖石中的粘土含量。以述參數(shù)增大,巖石強度損失也會加大。用高壓將水注入巖石內,水通過空隙、裂縫和層理,擴大并加寬它們,同時還要產生新的空隙,以破壞巖體的整體性,降低巖石的強度。采煤后弱化的上覆巖經??迓湓诓煽諈^(qū),形成采空區(qū)最小的懸頂。"para" label-module="para">
只有在易于吸水的巖層才適合使用這種方法,包括巖脈、巖塊大小和吸水性的巖性在決定巖石是否能注水弱化當中起著重要的作用。這些研究有助于預測高壓注水強制冒落的效果。
3.2.2 強制放頂
所謂強制放頂就是用爆破的方式人為地將頂板切斷,使頂板冒落一定厚度形成矸石墊層。切斷頂板可以控制頂板冒落面積,減弱頂板冒落時產生的沖擊波,形成矸石墊層則可以緩和頂板冒落時形成的沖擊波及暴風。為了形成墊層,挑頂?shù)母叨瓤砂葱枰纬蓧|層的厚度進行計算。根據(jù)大同礦區(qū)實踐經驗,采空區(qū)中矸石充滿程度達到采高個挑頂厚度之和的三分之二,就可以避免過大的沖擊載荷和防止形成暴風。
強制放頂主要有以下幾種:
⑴循環(huán)式淺孔放頂。
其主要作用是爆破后破壞頂板的完整性,形成矸石墊層,具體做法是每1~2個循環(huán),在工作面放頂線上打一排鉆孔,進行爆破。
⑵步距式深孔放頂。
其主要作用是切斷頂板,避免大面積冒落,具體做法是在頂板周期來壓前,沿工作面向頂板打兩排深鉆孔,爆破后在頂板內形成一道溝槽,堅硬頂板就沿這個溝槽折斷。這種方法能有效的防止大面積冒頂?shù)奈kU。
⑶超前深孔松動爆破。
對于綜采工作面,由于在工作面內無法設置鉆頂板炮眼的設備,可以在上下順槽內分別向頂板打深孔,在工作面未到以前進行爆破,預先破壞頂板的完整性。
⑷地面深孔放頂。
對于歷史上有大面積冒頂隱患的地區(qū),目前又無法從井下采取措施時,可在采空區(qū)上方的地面打垂直鉆孔,達到已采區(qū)頂板的位置,然后進行爆破,將懸露的大面積頂板崩落。這樣,大面積采空的頂板切割成小塊,可以減小其冒落時 的強度。
3.2.3 預防暴風的措施
主要有堵、泄兩個方面的措施。
堵是留置隔離煤柱和設置防暴風密閉,把已采區(qū)和生產區(qū)隔離。
泄是通過專門泄風道,使被隔離區(qū)域與地面相通,以便將形成的暴風引出地面,避免進入生產區(qū)域。
2.1 頂板大面積來壓的成因與力學機理
頂板大面積來壓基本上都發(fā)生在頂板巖層比較堅硬的回采工作面,頂板大多是砂巖或礫巖,開采后頂板大面積懸露不冒.在回采工作面初采時,頂板初次垮落步距可達50-70 m,甚至達100 m以上.這樣大面積的頂板一旦冒落會造成巨大的危害.礦井生產中常采用刀柱法開采,但也因采空區(qū)面積太大,壓垮煤柱而發(fā)生大面積冒頂.即使采用綜采設備的長壁工作面,也仍然出現(xiàn)上萬平方米頂板大面積來壓的現(xiàn)象.關于頂板大面積來壓產生的力學原因,一般認為,當開采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巖層時,則發(fā)生突然的垮落,造成災害.另一種情況是,頂板大面積懸露,使采空區(qū)形成扁平狹條孔,煤柱上的頂板巖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。
2.1.1 能量釋放造成的破壞
由于煤巖體處于復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(fā)生變化,這是外力做功的結果。當巖塊處于彈性狀態(tài),且變形不能解除時,外力做功就以能量的形式貯存在煤巖體內,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。又因采空區(qū)上方頂板巖層大面積懸露不冒落,頂板巖層會產生彎曲下沉,因而又會聚積頂板彎曲彈性能。俄國學者阿維爾申教授認為,煤體內的彈性能就是由這3部分彈性能所組成,即:
式中,E,μ為巖層的彈性模量和泊松比;ρ, H為巖層的密度和采深;q為作用在巖梁上的均布荷載;J為巖梁的慣性矩;L為頂板巖梁的懸伸長度。
從上式可以看出,能量的聚積隨采深的增大而增大,也隨采空區(qū)面積即懸頂長度的增大而增大。當圍巖中的彈性能積聚到足夠大時,所產生的應力超過了煤體本身的強度,則彈性能突然釋放,使煤體猛烈破壞,或產生煤的彈射和突出等沖擊礦壓現(xiàn)象,在工作面或巷道中造成災害。
2.1.2 冒頂沖擊力造成的破壞
采空區(qū)大面積懸露的頂板因斷裂失穩(wěn)而冒落,其產生的沖擊力是巨大的。頂板在冒落前具有的勢能為EP = mgh.當冒落的頂板巖層面積大,即質量m大時,其勢能EP則大;當采高h大時,其勢能EP也大,頂板冒落后勢能轉變的動能Ek=mv2 /2必然也大。如果頂板冒落的面積為5萬m2,冒落巖層的厚度為3m,采高為2.5m,則在不到1s的時間內,就有37. 5萬t的巖石冒落,其沖擊力之大是可想而知的。好在這巨大的沖擊力絕大部分作用在采空區(qū)的底板上,但對工作面的破壞力也是很大的。比如大同王村礦402盤區(qū)8106工作面,一次冒頂達88 271 m2,壓壞4×550型道梯支架46架,頂板下沉0.5 m。
2.1.3 大面積冒頂產生暴風形成的破壞
由于頂板堅硬完整性好,冒落的面積大、時間短,采空區(qū)的空氣瞬間壓出,形成劇烈的暴風,破壞力極大。為便于定量分析,將采空區(qū)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,如圖1所示。頂板大面積冒落時,容器內的氣體承受著比巷道內氣體高得多的壓力po,采空區(qū)的面積為Ao空氣的流速為vo,巷道內空氣的壓力為p1,巷道的橫斷面積為A1,空氣的流速為v1。假定空氣為理想流體,其密度為ρa,由伯努利能量方程v02/2g po/ρag = v12/2g p1/ρag,根據(jù)連續(xù)性方程voAo=2A1 v1,vo=2A1v1/A0,得v1={2g(p1-po)/ ρag[(2A1/A0)2-1]}1/2,考慮到A1?A0,p0=p1 p0',則:
式中po為冒落頂板對空氣的壓力;ρD為冒落頂板巖層的密度;H0為冒落頂板巖層的厚度。
考慮到阻力損失,以及模型與實際情況的差異,將上式的值乘以一個折減系數(shù)k,則頂板大面積冒落時,巷道中空氣的瞬時流速為
由上式可知,頂板大面積冒落在上下順槽中形成暴風,其流動速度與大面積冒落頂板的厚度成正變關系取k=0. 4,則得到如下圖的變化關系:
由圖可見,采空區(qū)頂板冒落的厚度越大,其在巷道中形成的暴風速度也越大,對巷道及各種設施的破壞力也越大。頂板大面積冒落形成的暴風,在上下順槽以叭的速度移動,產生空氣沖擊波,根據(jù)流體運動的阻力公式,其對物體的作用力為
式中,kD為阻力系數(shù);S為物體的橫斷面積。
將上式代入,則有F=kDk2ρDHo S,對于平板kD=2,取k=0. 4;ρD=2550 kg/m3,則可以得到由采空區(qū)大面積冒落頂板形成的暴風對巷道內物體的作用力,其大小與冒頂?shù)暮穸燃拔矬w斷面積的關系見下表,從表中可見,隨著頂板冒落厚度的增大,以及風流中物體斷面積的增大,作用在物體上的力也增大。例如某工作面采空區(qū)有2m厚的頂板大面積冒落,則在順槽中可形成v1=114. 52 m/s的暴風,這時,如在順槽中有一臺It的礦車,其橫斷面積S≈1 m2,則由表中數(shù)據(jù)可知作用在這臺礦車上的力為F=16 kN。由于有這樣大的力,大冒頂時形成的暴風摧毀巷道,掀翻礦車,破壞風橋或密閉墻的現(xiàn)象就不難理解了。
2. 2切冒型大面積來壓機理
圖2為切冒型頂板冒落過程,圖2-a表示頂板變形首先將采空區(qū)的大部分煤柱壓酥,使之失去支撐頂板的能力;圖2-b為懸空頂板在四周煤體支撐下被拉裂破斷,變?yōu)楹喼Ш駧r梁;圖2-c是簡支巖梁由于受剪的截面積減小,而突然發(fā)生剪切冒落,即所謂切冒型冒落。
關于煤柱是否破壞的判據(jù)可用逐步破壞理論或極限強度理論,即
B≤2xo (1)
式中B—煤柱寬度;
xo—煤柱塑性區(qū)寬度,
M—煤層開采厚度;
f—煤柱與頂?shù)装宓哪Σ料禂?shù);
ξ—三向應力系數(shù),
φ—煤的內摩擦角;
C—煤的粘結力;
H—開采深度;
Y—巖石平均容重;
k—應力集中系數(shù);
Pi—支架對煤壁的阻力。
nσ≥σp (2)
式中。σ—煤柱平均應力;
σ=η-1H Y
η一一煤柱面積比率,即煤柱面積與采空區(qū)總面積之比;
n一安全系數(shù),n=2;
σp一一煤柱的極限強度,
σp =σC (0. 778 0. 222BM-1)
σC—立方體煤試件的單軸抗壓強度
關于簡支巖梁的切冒判據(jù),依彈性力學(如圖3示)的應力公式
當巖梁中部底面(巖梁的抗拉強度) σx≥R’t時,則該處拉斷,將R’t=0,x=0,y=2-1H,代入(3)式得:
(4)
式中Ld—采空區(qū)短邊的極限垮距。
當巖梁端部的τ≤R'時,即不大于巖梁的抗剪強度時,則該處發(fā)生切冒,將
R’t=τxy,x=2-1L,y=2-1L H,代入(3)式得
(5)
由于巖梁的剪應力與跨度成正比,故公式(5)的Lc為采空區(qū)長邊的極限跨距。由此預測發(fā)生的切冒型頂板大面積來壓的面積為
A=Ld·Lc (6)
2. 3拱冒型大面積來壓機理
形成拱冒型大面積來壓的主要原因有二:其一是開采深度較大,使煤柱破壞的巖層厚度僅是覆巖的一部分,其二是組成覆巖的剛度多為交替剛度和遞增剛度。交替剛度的頂板一般是分組分次冒落,最下一組冒落后,其上一組變形冒落,兩者形成一定的時間差。遞增剛度頂板是分層分次冒落,由于各層冒落的跨度由下而上逐漸增大,故造成層間冒落的時間差。拱冒型的冒落過程與切冒型相似,只是層間組間不同步而已,即首先因部分覆巖的變形使煤柱破壞,然后在固支巖梁的條件下,四周逐層逐組拉斷,最后在簡支巖梁條件下切冒。因此拱冒型的來壓機理首先要預測使煤柱破壞的覆巖厚度。
令xo=2-1B,Pt=0,由xo式得:
(7)
式中Hp—使煤柱破壞的覆巖厚度。
由于煤柱是在H,厚的覆巖變形作用下破壞的,在其破壞前覆巖基本無離層,所以由下往上可利用下式計算覆巖剛度分組厚度:
(8)
式中q—第一組覆巖上的均布載荷;
H1, H2…. Hn—由煤層開始的各層覆巖厚度;
E1, E2...En—由煤層開始的各層覆巖彈性模量。
利用公式(8)逐層計算,直到qn≥qn 1則第一組覆巖為第1至n層,其厚度為
H=∑_(i=1)^n?H (9)
將H,q代入(4),(5),(6),則可預測拱冒型初次冒頂面積。
由以上機理可知,頂板大面積來壓是否發(fā)生,關鍵在于煤柱是否破壞,煤柱未破壞就可有效支撐住頂板,不會發(fā)生大面積來壓,煤柱若被破壞,失去了支撐頂板的能力,則會發(fā)生大面積來壓。煤柱破壞與不破壞的主要影響因素是煤柱寬度B和煤柱面積比率夕。發(fā)生大面積來壓的采空區(qū)范圍則主要取決于堅硬頂板的厚度或剛度分組厚度,以及巖體強度。
采空區(qū)覆巖剛度可用EJ來表述,根據(jù)剛度組成不同,覆巖可分為四類即:
遞增剛度E1J1
遞減剛度E1J1>E2J2>...>EnJn,
均勻剛度E1J1=E2J2=...=EnJn,
交替剛度E1J1>E2J2...
不同類型剛度的覆巖其頂板載荷q差距很大,故形成大面積來壓的范圍相差很大,從幾千m2到幾十萬m2。一般來說遞減剛度和均勻剛度的覆巖容易發(fā)生切冒型大面積來壓,遞增剛度或交替剛度的覆巖容易發(fā)生拱冒型大面積來壓。
1.1頂板大面積來壓現(xiàn)象
頂板大面積來壓是礦山堅硬頂板下刀柱房柱式開采后,由于大面積的頂板懸空而突然冒落的一種劇烈的動力現(xiàn)象。一次冒落的面積少則幾千平方米,多則幾萬十幾萬平方米,這樣大面積的懸空頂板在極短時間內冒落下來,不僅由于重力作用產生嚴重的沖擊破壞,而且更嚴重的是把已采空間的空氣瞬時排出,形成巨大的暴風,其破壞力極強。
1. 2項板大面積冒落方式
頂板大面積來壓的冒落方式有整體一次冒落和分層分次冒落兩種。例如,1975年6月大同礦區(qū)馬脊梁煤礦的402盤區(qū),在采空面積達151280 m2,的情況下,頂板突然冒落,工作面被壓垮,強大的氣流吹開三層2m厚的密閉,將180 kg的輸送機溜槽吹出16 m遠,并貼在煤壁上,井口噴出300 m長的黑煙塵,地面房層搖晃,地震臺記錄達3. 2級,裂度4~5度,這是一次典型的整體一次冒落式來壓。地面出現(xiàn)一個橢圓形塌陷區(qū),面積達7萬m2。
分層分次冒落式也常有發(fā)生,例如山西陽方口煤礦北坑東大巷上山盤區(qū),在采空面積8萬m2的情況下,頂板夜間冒落,將地面熟睡的工人驚醒,井下部分巷道壓垮,事隔一天后,又冒頂一次,一星期后又連續(xù)冒頂兩三次。大同忻州窯煤礦東二上山盤區(qū),采空面積約10. 6萬m2,1962年4月也連續(xù)發(fā)生幾次冒頂,延續(xù)時間兩個月,停產3d,吹毀密閉一座。
1. 3切型冒落與拱型冒落
頂板大面積來壓的冒頂形式有切冒型和拱冒型,如圖1所示。圖1-a為切冒型,當采空面積達到一定范圍時,頂板沿煤壁切落直達地表,其特征是冒落面積大,冒頂時間短,且多數(shù)發(fā)生在100 m以內采深的淺部開采區(qū),冒落形狀呈反漏斗,冒落角650^-850,冒落后的地面出現(xiàn)縱橫交錯的張開裂縫。圖1-b為拱冒型,即頂板冒落后形成拱形空間,其特征是分層分次冒落,延續(xù)時間長,拱的四周頂板懸臂,冒落高度小,中部冒落高度大,但空頂面積小。
1. 4項板大面積來壓與煤柱分布
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(fā)生大面積來壓。例如對大同礦壓的調查,煤柱比率大于30%時很少發(fā)生大面積來壓,但小于20%的采空區(qū),大都發(fā)生。煤柱的寬高比也直接影響大面積來壓發(fā)生,調查表明,寬高比大于3 ~ 4時一般不發(fā)生。煤柱的平面分布影響大面積來壓的范圍,一般情況下煤柱稀少的地方容易發(fā)生,煤柱密集的區(qū)域往往是塌陷區(qū)的邊緣。
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頂板大面積來壓,是在具有堅硬頂板煤層開采工作面存在的一種礦壓現(xiàn)象,其主要危險是由于頂板大面積冒落而形成的沖擊載荷和暴風。隨大面積冒頂巖層厚度的增大,形成暴風的速度增大,處于暴風中的物體受力增大,其對巷道及設施的破壞力也增大。防止和減弱頂板大面積來壓的危害,是繼續(xù)研究和探討的課題。從采取主動的措施上看,改變頂板巖層的物理力學性質,減小頂板的懸露和冒落面積,以及減少頂板的下落高度,降低采空區(qū)內空氣的排放速度,從理論上和實踐上都是可行的。
刀柱、房柱法開采堅硬頂板的煤層,發(fā)生大面積來壓的動力現(xiàn)象,其主要原因是煤柱被破壞,煤柱是否破壞的關鍵是煤柱面積比率和煤柱的寬度。
頂板大面積來壓冒落的范圍主要取決于堅硬頂板的厚度或覆巖剛度分組厚度,以及巖體的抗拉、抗剪強度,運用本文的計算公式預測是可靠的。
切冒型和拱冒型大面積來壓的機理是相同的,區(qū)別在于采空區(qū)覆巖的剛度組成不同,一般來說均勻剛度和遞減剛度的覆巖易發(fā)生切冒型來壓,遞增剛度和交替剛度的覆巖易發(fā)生拱冒型來壓,兩種來壓型式均可運用公式預測來壓范圍,但H,q值的計算方法不同。
本文預測頂板大面積來壓的切冒面積A是開采設計和采掘過程中預防大面積來壓的重要參數(shù),以此可作為選擇采區(qū)走向長度、工作面長度,煤柱尺寸等開采參數(shù)的重要依據(jù)。
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對大面積石膏板吊頂?shù)牧芽p防治對策的探索 建筑施工中所出現(xiàn)的裂縫,會直接影響工程的質量和 美觀,對裂縫的防治刻不容緩。本文首先論述大面積石膏板吊頂裂縫的 形成原因,接著就裂縫的有效防止提出若干有效的對策。 隨著房地產市場的日趨繁榮, 我國的建筑藝術不斷翻新, 裝飾材料 使用頻率較高且成本低廉的要算輕鋼龍骨紙面石膏板, 其施工的技術工 藝也逐步走向成熟。 本文首先就大面積石膏板吊頂所發(fā)生的裂縫原因做 一番分析,接著提出裂縫防治的有效措施和方法。 工程概況 廣西七色珠光效應材料有限公司一期新建的辦公綜合樓位于廣西 鹿寨縣工業(yè)園二區(qū),于 2014年 3 月開展裝飾裝修施工的一層大堂吊頂 施工,并在原三層框架結構的梁板上安裝輕鋼龍骨, 橋牌 12mm紙面石 膏板,無分級的吊頂,該大堂高度為 8m,石膏板吊頂 30m*15m,為有 效防范石膏板吊頂?shù)拈_裂問題,做好相應的防治工作至關重要。 輕鋼龍骨紙面
頂板大面積來壓是礦山堅硬頂板下刀柱房柱式開采后,由于大面積的頂板懸空而突然冒落的一種劇烈的動力現(xiàn)象。一次冒落的面積少則幾千平方米,多則幾萬十幾萬平方米,這樣大面積的懸空頂板在極短時間內冒落下來,不僅由于重力作用產生嚴重的沖擊破壞,而且更嚴重的是把已采空間的空氣瞬時排出,形成巨大的暴風,其破壞力極強。
頂板大面積來壓基本上都發(fā)生在頂板巖層比較堅硬的回采工作面,頂板大多是砂巖或礫巖,開采后頂板大面積懸露不冒.在回采工作面初采時,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,礦井生產中常采用刀柱法開采,但也因采空區(qū)面積太大,壓垮煤柱而發(fā)生大面積冒頂.即使采用綜采設備的長壁工作面,也仍然出現(xiàn)上萬平方米頂板大面積來壓的現(xiàn)象。
關于頂板大面積來壓產生的力學原因,一般認為,當開采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巖層時,則發(fā)生突然的垮落,造成災害.另一種情況是,頂板大面積懸露,使采空區(qū)形成扁平狹條孔,煤柱上的頂板巖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 。
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(fā)生。
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(fā)生大面積來壓。例如對大同礦壓的調查,煤柱比率大于30%時很少發(fā)生大面積來壓,但小于20%的采空區(qū),大都發(fā)生。煤柱的寬高比也直接影響大面積來壓發(fā)生,調查表明,寬高比大于3~4時一般不發(fā)生。煤柱的平面分布影響大面積來壓的范圍,一般情況下煤柱稀少的地方容易發(fā)生,煤柱密集的區(qū)域往往是塌陷區(qū)的邊緣。