第1章 绪论
本章分析国内矿井工作面顶板灾害现状及变化趋势，对顶板灾害致灾机理、监测预警及控制技术的研究现状进行回顾，分析当前研究存在的局限性或不足，介绍本书的创新点及主要内容。
1.1 工作面顶板灾害现状
近年来，我国煤炭产量稳中有升，2021年，全国原煤产量41.3亿t，煤炭消费量占能源消费总量的56.0%；煤炭仍然是我国的主体能源，在去产能、严管理、强技术的要求下，我国煤矿事故和死亡人数逐年下降，2021年百万吨死亡率为0.045，已达到或接近世界先进水平。但由于我国煤炭产量和矿井数量基数较大，且地质条件、管理水平、装备能力参差不齐，煤矿事故发生起数和死亡人数总量还是较多。从多年的事故统计可知，顶板事故一直是我国煤矿的主要事故，2013～2021年全国煤矿事故不完全统计见表1-1。由表1-1可知，顶板事故发生864 起，死亡人数1218人，分别居所有事故类别第一位、第二位。
顶板事故按发生地点主要分为巷道顶板事故和工作面顶板事故，本书主要探讨的是工作面顶板事故。在顶板灾害和顶板事故的界定上，主要看其影响范围，若事故后果对生产影响不大，则可称为一般顶板事故；若波及范围广，严重影响生产，甚至造成较大人员伤亡或经济损失，则称为顶板灾害，即顶板灾害主要泛指较大型的顶板事故。按机理或表现形式，顶板灾害又分为顶板大面积切顶、大面积垮落和大面积片帮冒顶三类。
从20世纪80年代后期至21世纪初，我国回采工作面综合机械化发展逐渐成熟，大量推广液压支架支护顶板，工作面小范围冒顶造成的人员伤亡事故所占比例大幅下降。但是近年来，由于煤矿开采强度的加大，工作面顶板突然垮落和大面积切顶失稳造成的顶板灾害事故仍频繁发生，这些顶板灾害轻则影响工作面正常生产，重则导致人员伤亡，并引发次生灾害。近几年我国工作面顶板灾害的主要特点和危害有以下几个方面。
1.1.1 工作面顶板灾害易引起次生灾害发生
1.损坏支架
工作面大面积突然垮落，冲击支架造成设备损坏，如塔山矿8103大采高综放面，工作面切顶压架造成支架顶梁、四连杆、底座频繁损坏，如图1-1所示。
2.瓦斯爆炸
工作面顶板大面积突然垮落事故易引起瓦斯爆炸等次生灾害，如安平煤矿“3.23”重大责任事故，安平煤矿5-1煤层厚度4～14m，该煤层8117工作面采用放顶煤采煤法，5-1煤层上方为4号煤层房柱式采空区，层间距为13～37m，8117工作面顶板爆破诱发4号煤层房柱式采空区顶板突然大面积失稳，4号煤层房柱式采空区有害气体瞬间挤入8117工作面，遇到冲击波损坏的电缆火花，引起8117工作面的瓦斯发生爆炸，导致20人死亡。
3.采空区着火
工作面发生顶板灾害后，往往导致支架损坏或工况恶化，采煤机无法正常割煤，工作面处于停采状态或推进速度较慢，易引起采空区浮煤自然发火等次生灾害。如崔木煤矿302综放工作面，工作面频繁发生大面积切顶压架，工作面推进速度较慢，导致工作面因采空区自然发火而封闭，经济损失达1亿元以上。
4.顶板溃水溃沙
工作面发生大面积切顶压架或冒顶事故后，易在煤壁处形成涌水通道，当顶板上方有含水层或松散层，易诱发顶板溃水溃沙等次生灾害，造成人员伤亡和设备损坏，如图1-2所示。2016年4月25日，陕西省照金煤矿202综采放顶煤工作面发生一起因顶板冒顶诱发的透水事故，这次事故的主要原因是工作面周期来压期间，顶板下沉量较大，工作面支架控顶范围内顶板发生断裂，形成涌水通道，顶板水和顶板矸石及泥沙溃入工作面，造成11人死亡。这次事故表象是工作面溃水溃沙，但根源是煤壁处及支架上方顶板断裂形成了涌水通道。
1.1.2 提高支架额定支护强度(工作阻力)并不能杜绝顶板灾害
随着我国设备制造能力的提升，支架支护强度逐步提高，很大程度上减少了工作面顶板灾害。目前，我国综放工作面支架最大工作阻力达到21000kN，大采高支架工作阻力达到26000kN，但支架工作阻力加大并不能完全避免顶板灾害的发生。如神东矿区的上湾煤矿12401工作面8.8m超大采高支架工作阻力达26000kN，在初采阶段也发生过范围较大的片帮冒顶，如图1-3所示；鄂尔多斯地区的酸刺沟煤矿，综放工作面支架工作阻力达15000kN，仍多次发生大面积切顶压架事故；布尔台矿综放工作面支架工作阻力达到18000kN，工作面动压显现强烈，顶板突然失稳形成飓风，造成超前支护段帮鼓、底鼓和单体大量折损。扎赉诺尔地区的铁北、灵泉煤矿，支架工作阻力达到了8000kN，仍发生了多次大面积切顶压架事故。
1.1.3 非坚硬顶板工作面大面积切顶压架事故易被忽视
坚硬顶板工作面易发生大面压架事故，导致人员伤亡，目前，我国坚硬顶板工作面岩层大面积垮落灾害已受到重视。煤矿管理和技术人员一般认为非坚硬顶板不会发生大面积顶板灾害，但该类顶板发生顶板灾害的案例也非常多，如崔木煤矿和铁北煤矿属于非坚硬顶板，仍多次发生大面积切顶压架事故；阳煤一矿的8303工作面，曾由于冒顶和压架导致工作面陷入瘫痪，如图1-4所示，所以，非坚硬顶板工作面事故还未引起足够重视。
1.1.4 浅埋煤层顶板大面积切顶压架治理难度大
自神东矿区开发以来，我国浅埋煤层开采历时30多年，浅埋煤层由于基岩薄、埋深浅，回采过程中动载强烈。近年来，尽管支护强度得到大幅提升，但工作面切顶灾害一直是浅埋煤层围岩控制的核心。如石圪台矿的31201综采面，推进过程中曾发生多次大范围顶板整体切落事故，最严重一次压架112架，停产60天；纳林庙二矿4–1101综采面回采过程中，19～87号架顶板突然沿煤壁切落，安全阀呈喷射状卸载，顶板最大下沉量达2100mm，37个支架被压死，20多个支架护帮板受压切入煤壁；凯达矿1603工作面顶板多次沿煤壁切落，工作面支架几乎全部被压死，如图1-5所示。
1.1.5 工作面顶板灾害是主要灾害之一
我国部分矿井工作面顶板灾害事故统计如表1-2所示，这些矿井管理水平和现代化水平较高，工作面支架支护强度较大，但也时常发生顶板灾害，造成工作面停产或设备损坏，甚至导致次生灾害的发生。因此，工作面顶板灾害需要引起煤矿和安全主管部门的足够重视，在日常管理中，将工作面顶板灾害作为煤矿的主要危险源来进行防控。
1.2.1 工作面顶板灾害机理研究
根据事故的内在机理和表现形式，将工作面顶板灾害分为工作面切顶压架、顶板大面积垮落、大范围片帮冒顶三种类型。
1.工作面切顶压架
工作面切顶压架指的是顶板沿煤壁切落造成支架立柱活柱没有行程的情况，

目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 工作面顶板灾害现状 1
1.1.1 工作面顶板灾害易引起次生灾害发生 2
1.1.2 提高支架额定支护强度(工作阻力)并不能杜绝顶板灾害 3
1.1.3 非坚硬顶板工作面大面积切顶压架事故易被忽视 4
1.1.4 浅埋煤层顶板大面积切顶压架治理难度大 4
1.1.5 工作面顶板灾害是主要灾害之一 5
1.2 国内外相关技术发展概况和趋势 6
1.2.1 工作面顶板灾害机理研究 6
1.2.2 工作面矿压及灾害监测技术 9
1.2.3 顶板灾害控制技术 10
1.3 已有研究存在的问题 11
1.4 本书创新点及主要内容 12
参考文献 14
第2章 工作面顶板灾害类型、案例及特点 15
2.1 工作面大面积片帮冒顶灾害 15
2.1.1 定义及现象 15
2.1.2 典型案例 16
2.1.3 致灾机理及原因 17
2.2 工作面顶板大面积突然垮落灾害 20
2.2.1 定义及现象 20
2.2.2 典型案例 21
2.3 工作面大面积切顶压架灾害 30
2.3.1 定义及现象 30
2.3.2 典型案例 30
2.4 三类顶板灾害关系及相互转化 46
参考文献 47
第3章 工作面矿压显现定量化分析方法 48
3.1 工作面矿压数据类型及监测方法 48
3.2 支架工作阻力等相关概念 51
3.3 支架工作阻力*线 54
3.4 工作面支架工况多参量分析方法 56
3.4.1 支架初撑力 56
3.4.2 安全阀开启 60
3.4.3 支架受力不均衡 66
3.4.4 支架立柱不保压 69
3.4.5 支架工作阻力频率分布 71
3.4.6 支架工作阻力高报比例 71
3.4.7 支架工况综合评价方法 72
3.5 工作面矿压显现强度分析及评价方法 77
3.5.1 工作面周期来压 77
3.5.2 工作面矿压显现强度指标及评价方法 85
参考文献 93
第4章 我国不同地质条件工作面矿压显现规律及特征 95
4.1 浅埋煤层工作面矿压显现规律及特征 95
4.1.1 浅埋煤层赋存特征 95
4.1.2 上湾煤矿 97
4.1.3 石圪台矿 100
4.1.4 杨伙盘煤矿 107
4.1.5 浅埋工作面矿压显现规律及特征 116
4.2 坚硬顶板工作面矿压显现规律及特征 118
4.2.1 坚硬顶板煤层赋存特征 118
4.2.2 酸刺沟煤矿 120
4.2.3 千树塔煤矿 124
4.2.4 坚硬顶板工作面矿压及顶板灾害典型特征 127
4.3 非坚硬顶板工作面矿压显现规律及特征 129
4.3.1 非坚硬顶板煤层赋存特征 129
4.3.2 崔木煤矿 130
4.3.3 长平煤矿 133
4.3.4 非坚硬顶板工作面矿压及顶板灾害典型特征 138
参考文献 140
第5章 支架工作阻力均化循环及增阻特性 141
5.1 支架工作阻力研究方法综述 141
5.2 支架工作阻力均化循环提出 142
5.2.1 采用支架工作阻力*线分析矿压存在的问题 142
5.2.2 均化循环F-T*线和均化循环ΔF-T*线提出 143
5.3 均化循环ΔF-T分析方法 144
5.3.1 循环ΔF-T*线类型及特点 144
5.3.2 均化循环ΔF-T计算方法 146
5.3.3 循环ΔF-T*线拟合及合理性验证 146
5.4 不同工作面支架均化循环ΔF-T和增阻特征 148
5.4.1 浅埋煤层 148
5.4.2 坚硬顶板 152
5.4.3 非坚硬顶板 155
5.4.4 三类顶板增阻特性对比 158
5.5 支架循环工作阻力力学模型分析 159
5.6 初撑力对支架增阻的影响 162
5.6.1 广义开尔文模型 163
5.6.2 Maxwell模型 164
参考文献 164
第6章 基于分区支承理论顶板岩层断裂及失稳机理研究 166
6.1 工作面顶板岩层结构及活动研究现状和存在问题 166
6.2 工作面顶板分区支承理论及力学模型 168
6.2.1 工作面顶板分区支承理论提出 168
6.2.2 工作面顶板分区支承类型 168
6.2.3 分区支承顶板内力和变形力学模型及求解 171
6.2.4 不同分区支承刚度系数及支架刚度 176
6.3 多区支承顶板的内力分布及破断特征 181
6.3.1 工作面顶板断裂位置判定条件 182
6.3.2 顶板内力分布和破断特征及影响因素 184
6.3.3 煤壁断裂基本顶的稳定性 191
6.4 不同支承条件工作面顶板来压特征 199
6.4.1 基本顶活动及对支架增阻影响 199
6.4.2 浅埋煤层三区支承顶板来压特征 207
6.4.3 坚硬顶板四区支承来压特征 209
6.4.4 非坚硬顶板二区支承来压特征 212
参考文献 215
第7章 工作面顶板灾害近远场监测预警技术 217
7.1 国内矿压监测技术现状 217
7.1.1 顶板灾害监测预警系统的发展 217
7.1.2 微震监测系统的发展 219
7.1.3 国内矿压监测系统存在的问题 220
7.2 工作面近场顶板灾害监测预警系统 221
7.2.1 系统总体架构 222
7.2.2 核心传感器及各子系统开发 222
7.2.3 多源异构数据采集协议开发 228
7.2.4 顶板矿压监测预警系统核心算法 228
7.2.5 监测预警软件平台 231
7.2.6 应用案例 237
7.3 工作面远场覆岩断裂失稳微震监测技术 241
7.3.1 远场覆岩断裂失稳微震监测原理 242
7.3.2 井上下微震联合监测系统 249
7.3.3 井上下微震系统波速模型研究 252
7.3.4 井上下微震联合监测系统的监测效果 255
7.3.5 KJ1160矿用微震监测系统原理与应用 260
7.3.6 微震监测系统在顶板灾害防治中的应用 276
参考文献 288
第8章 工作面顶板灾害防治技术及现场应用 289
8.1 工作面顶板灾害整体防治思路 289
8.2 基于顶板下沉量控制的浅埋煤层工作面顶板灾害防治技术 290
8.2.1 灾害案例 290
8.2.2 防治技术 291
8.2.3 防治效果 295
8.3 基于提高支护刚度的非坚硬顶板工作面切顶压架防治技术 295
8.3.1 灾害案例 295
8.3.2 防治技术 300
8.3.3 防治效果 305
8.4 中低位坚硬顶板深孔爆破弱化技术 308
8.4.1 工作面条件 308
8.4.2 潜在灾害 308
8.4.3 深孔爆破顶板弱化技术 309
8.5 工作面中低位坚硬顶板“钻-切-压”弱化技术 315
8.5.1 技术原理及工艺 316
8.5.2 应用效果 321
8.6 高位硬厚顶板地面区域压裂弱化技术 324
8.6.1 地面区域压裂弱化技术 325
8.6.2 工作面强矿压地面区域压裂卸压防治技术及应用 327
8.6.3 冲击地压地面区域压裂卸压防治技术及应用 345
8.7 房柱式采空区下长壁工作面顶板灾害防治技术 350
8.7.1 灾害案例 350
8.7.2 防治技术 351
8.7.3 防治效果 355
参考文献 356