(2015-01-24)矿压理论与煤锚监测及采掘顶板事故案例分析

李俊斌(副总工教授级高工）淮南矿业集团生产部二0一五年一月二十四日矿压理论与煤锚监测及采掘顶板事故案例分析主要内容1、矿山压力基本知识2、采煤工作面伤亡事故案例分析3、淮南矿区煤锚支护应用特点4、煤锚巷道矿压监测监控技术5、锚网索巷道伤亡事故分析矿山压力基本知识1本章内容I、工作面矿山压力的形成Ⅱ、工作面顶板分类Ⅲ、工作面矿山压力显现的一般规律第一部分矿山压力基本知识I、工作面矿山压力的形成矿山压力概念在煤层或围岩中，开掘巷道和进行开采工作称为对煤(或围岩)的“采动”。采动后，在煤(岩)层中形成的空间称“采动空间”，如右图所示。采动空间周围岩体包括图中所示的顶板(T)、底板(D)及两帮(B)岩层，统称为“围岩”。原岩体在地壳内各种力的作用下处于平衡状态。当开掘巷道或进行采矿工作时，破坏了原来的应力平衡状态，引起岩体内部的应力重新分布。采动空间与围岩第一部分矿山压力基本知识重新分布后的应力超过煤、岩的极限强度时，使巷道或煤层工作面周围的煤、岩发生破坏，并向已采空间移动，直到再次形成新的应力平衡状态。采动后作用于围岩或支护物上的力，称为矿山压力。水平原岩应力垂直原岩应力采矿开挖引起的应力集中塑性区L0L0LBd3e3d3e2d2d2e1d1d1L0hHh△hLH△LLBL0LiBH第一部分矿山压力基本知识•矿山压力来源采动前，原始岩层中已存在的应力是矿山压力产生的根源，原始应力场的特征包括原岩中各点主应力的大小、方向及垂直应力与水平应力的比值等，并由其决定了采动后围岩应力重新分布的规律。采动前原岩中各点应力的来源主要有以下三个方面：(1)上覆岩层的重力；(2)构造运动的作用力；(3)岩体膨胀的作用力，包括岩体因温度升高或遇水膨胀而产生的应力等。第一部分矿山压力基本知识矿山压力显现：由于矿山压力作用，使巷硐周围岩体和支护物产生的种种力学现象，统称为矿山压力显现。第一部分矿山压力基本知识矿山压力控制：所有减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的各种方法，均叫做矿山压力控制。工作面采空区综采矸石充填液压支架水平短梁第一部分矿山压力基本知识上述三个基本概念既反映矿山压力与岩层控制的体系，也涵盖了矿山压力与岩层控制的主要内容。煤层（岩层）开挖岩层运动与矿山压力→规律与机理矿山压力显现→显现与危害矿山压力与岩层控制→控制与利用采场矿山压力与控制巷道矿山压力与控制第一部分矿山压力基本知识Ⅱ、工作面顶板分类煤层顶底板岩层的构成•根据顶、底板岩层离煤层的距离及对开采工作的影响程度，煤层的顶、底板岩层可分为：(1)伪顶。紧贴在煤层之上，极易垮落的薄岩层称为伪顶。(2)直接顶。位于伪顶或煤层之上、具有一定的稳定性、移架或回柱后能自行垮落的岩层称为直接顶。(3)基本顶。位于直接顶或煤层之上坚硬而难垮落的岩层称为基本顶。常由砂岩、石灰岩、砂砾岩等坚硬岩石组成。(4)直接底。直接位于煤层下面的岩层。如为较坚硬的岩石时，可作为采煤工作面支柱的良好支座；如为泥质页岩等松软岩层时，则常造成底臌和支柱插入底板等现象。第一部分矿山压力基本知识顶板分类•（一）直接顶的分类•目前，国内外对顶板的分类大都采用经验或统计分析的方法。将影响顶板稳定性的各主要因素综合作用的结果作为分类指标的依据。从生产的角度来说，顶板的稳定性是指采煤后顶板允许悬露的面积和时间。我国通过大量的观测和分析，将直接顶按其稳定性分为不稳定、中等稳定、稳定和坚硬四类。其分类依据主要有以下几个方面：•1、直接顶的初次垮落直接顶的初次垮落步距较好地体现了下位岩层的岩石强度，也反映了直接顶岩层的节理、层理和裂隙状况。在正常情况下，直接顶的垮落步距基本不受支护形式和生产工艺影响，它能综合地反映直接顶的稳定性。大量的调查分析表明，直接顶初次垮落步距的大小与支架形式间有着明显的规律性。第一部分矿山压力基本知识当直接顶初次垮落步距小于8m时，其下位岩层均为强度较小的炭质页岩、页岩或层理、节理裂隙发育的砂质页岩组成。在这种条件下，使用单体液压支柱需打贴帮柱，常用连锁式棚子支护。有时需超前预挂梁，棚梁上需背板。在该顶板条件下使用掩护式液压支架技术经济效果明显，不宜采用支撑式液压支架。当直接顶初次垮落距在9m~18m时，直接顶下位岩层由页岩、砂质页岩组成，顶板的层理、节理发育程度不等。在这类条件下，使用单体液压支柱一般只需视局部变化打几棵零星贴帮支柱。当直接顶初次垮落步距接近上限时，可使用支撑式液压支架；当直接顶初次垮落步距接近上限时，可使用支撑式液压支架；当直接顶初次垮落步距接近下限时，可使用掩护式或支撑掩护式液压支架。第一部分矿山压力基本知识当直接顶初次垮落步距大于18m时，直接顶是由分层厚度较大的砂质页岩、砂岩或整体性较好、厚度较大的页岩组成。在这种条件下，使用单体液压支柱不必打贴帮柱，棚梁上不需背板，有时亦可采用点柱支护。采用支撑式或支撑掩护式液压支架能取得良好的技术经济效果。•2．岩性指标岩石破坏的基本形式是拉伸和剪切破坏，岩石强度取拉伸或剪切破坏强度较为合理。由于岩石抗压强度的测定较为简单，离散系数相对较小，而岩石的抗压强度与抗拉、抗剪强度间又有一定的比例关系，为便于现场应用，以测定方法简单的单向抗压强度来代表岩石力学强度性质是可行的。以强度指标D为确定直接顶板的主要指标，以直接顶初次跨落步距l0为确定直接顶类别的工程指标，可以将直接顶分为四类，见下表。第一部分矿山压力基本知识表直接顶分类第一部分矿山压力基本知识（二）基本顶分极基本顶分级的主要根据直接顶厚度与采高的比值N=∑h/m(∑h为直接顶累计厚度；m为煤层采高)，再参照基本顶初次来压步距L0将基本顶分为四级，见下表。上表中，N值中的3～5，是指直接顶冒落后能基本充满采空区所需的倍数比。基本顶初次来压步距L0可根据现场实测或矿压显现特征确定。第一部分矿山压力基本知识大量的调查分析结果表明，各级基本顶大致可对应以下几种具体顶板结构：•(1)对Ⅰ级基本顶，初次来压和周期来压期间基本支柱的最大平均阻力值一般相当于或小于6～8倍采高的顶板岩层重量。它有以下两种顶板结构：①在6～8倍采高范围内全部是易垮落的直接顶，无基本顶岩层。因此，基本顶的初次来压和周期来压显现不大或不明显。②顶板结构为下软上硬，直接顶厚度大于3～5倍煤层采高，基本顶初次来压步距虽然大于25m，但对工作面影响不大。•(2)Ⅱ级基本顶的顶板结构组成是下软上硬，直接顶厚度小于3～5倍煤层采高，基本顶初次来压步距为25m～50m。当直接顶厚度较小(如小于2倍采高)，且基本顶初次来压步距较大(如大于35m)时，初次来压和周期来压显现明显。第一部分矿山压力基本知识•(3)Ⅲ级基本顶有以下三种顶板结构组成：①顶板结构为下软上硬，直接顶厚度小于3～5倍采高，基本顶初次来压步距大于50。②顶板均为性质相近的坚硬厚岩层或具有下硬上软结构，基本无直接顶，初次来压步距为25m～50m。平时支架工作阻力较低，但基本顶来压时“动载系数”较大。“动载系数”是指基本顶来压时的支柱受载与平时支柱所受载荷之比。③顶板结构为下硬上更硬，基本无直接顶，下位岩层初次来压步距为25m~50m，上位岩层的初次来压步距大于下位岩层。•(4)Ⅳ级基本顶的结构组成为煤层之上直接就是极坚硬的厚层砂岩或砾岩，初次来压步距大于50m，甚至可达100m～150m。工作面平时顶底板移近量和支柱工作阻力很小，但基本顶来压时动载系数很大。第一部分矿山压力基本知识采高与采煤工作面矿压显现关系第一部分矿山压力基本知识Ⅲ、工作面矿山压力显现的一般规律直接顶的移动规律采煤工作面自开切眼开始推进后，直接顶岩层一般并不立即垮落。待推进一定距离后，直接顶悬露面积超过其允许值，才会大面积垮落下来，称为直接顶的初次垮落（初次放顶）。初次放顶后，直接顶岩层随采煤工作面的推进而冒露。在正常推进过程中，直接顶是一种由采煤工作面支架支撑的悬臂梁。由于其结构特点，在推进方向上不能保持水平力的传递。因此，当其运动时，控制直接顶的基本要求是支架应能承担其全部重量。第一部分矿山压力基本知识基本顶的移动规律基本顶的运动一般有两种形式。1、基本顶的缓慢下沉若采高较小，直接顶厚度较大，直接顶岩层可能呈不规则垮落而充满采空区。此时，基本顶可能以缓慢下沉的形式运动。此外，若基本顶岩层的节理、裂隙发育，允许塑性变形值较大时，基本顶岩层也可能以缓慢下沉的形式运动。直接顶呈不规则或规则垮落时，如果其厚度较大，冒落后矸石基本上能充满采空区，使基本顶岩层无运动空间，只能随已冒落矸石的逐渐压实而缓慢下沉。基本顶岩层缓慢下沉时，破断的岩块之间互相啮合铰接，这时，基本顶岩层将其自身和上部岩层的部分重量传递到前方煤壁和后方冒落矸石上，采煤工作面内的矿山压力显现不明显，对顶板管理有利。第一部分矿山压力基本知识•2．基本顶呈长岩粱断裂•直接顶厚度较小或工作面采高较大时，直接顶冒落后将不能充满采空区，这时基本顶运动情况如下：•(1)基本顶的初次垮落，直接顶初次垮落后，随工作面的不断向前推进，直接顶不断垮落下来，基本顶的悬跨度不断增大，当达到一定跨度时，基本顶岩层将在两端及中部逐渐裂开，见下图(a)。•采煤工作面继续向前推进，若有足够的自由空间，基本顶岩层将裂断并产生明显的沉降，见右图(b)。这时将对工作面产生较大影响，顶板下沉量增加、支架载荷增大、煤壁片帮。这就是基本顶的初次垮落。由开切眼到基本顶初次垮落时工作面推进的距离称为基本顶的初次垮落步距。第一部分矿山压力基本知识基本顶的初次垮落步距越大，矿压显现就越剧烈，基本顶控制也就越困难。初次垮落步距取决于基本顶岩层的岩性、厚度和裂隙发育程度。通常基本顶的初次垮落步距为20m～35m。（2)基本顶的周期性垮落如右图所示，初次垮落后基本顶岩层可视为一端嵌入煤壁、另一端悬于采空区的“悬臂梁”，它支撑着自身和比它强度低的上部岩层重量。随采煤工作面的继续向前推进，其悬露长度达到某一极限值时，将发生折断(在煤壁前方)、垮落，从而在采煤工作面内产生明显的矿压显现。这种现象，随工作面的推进将周期性地出现，称为基本顶的周期性垮落。第一部分矿山压力基本知识基本顶“O-X”断裂弹性薄板理论:厚跨比=1/7~1/15＜1/4破断过程:四周固支板形成O形破断(长边形成裂缝→裂缝沿长边延伸→短边裂缝的形成与延伸→裂缝在四角形成圆弧形贯通)→四周简支板再形成X形破断(板中央沿长边裂缝形成与延伸→板形成X形断裂)模型试验的验证(初次来压为X形破断,周期来压时为半X形破断)四周基础视为弹性基础,则板的破裂线将深入煤壁内第一部分矿山压力基本知识基本顶“O-X”断裂岩板的破断与工作面来压图(a):中部可用“砌体梁”结构来加以解释;而上下两侧应该用“弧三角板”说明显现不同。图(b):为横O-X形断裂.沿工作面推进方向不能应用“砌体梁”的概念。应用范围1、工作面支架工作阻力分布规律2、沿空掘巷和沿空留巷的围岩结构原理第一部分矿山压力基本知识工作面基本顶沿回采方向来压特征：三次矿压显现强烈期间工作面基本顶沿倾斜方向分段来压第一部分矿山压力基本知识上覆岩层破坏的空间形态（a）倾角0~35°（b）倾角36~54°（c）倾角55~90°第一部分矿山压力基本知识淮南煤田主要含煤地层为石炭二叠系，侏罗系—白垩系缺失，煤系地层之上普遍被巨厚新生界冲积层覆盖。淮南矿区上提工作面采煤工作面伤亡事故案例分析2本章内容Ⅰ、采煤工作面伤亡事故发生规律及事故特点Ⅱ、综合机械化采煤伤亡事故分析与防治第二部分采煤工作面伤亡事故案例分析Ⅰ、采煤工作面伤亡事故发生规律及防治措施据统计，淮南矿业集团采煤专业自1988~2002年间共发生伤亡事故105起，死亡115人，其中顶板伤亡事故81起，死亡89人，分别占采煤伤亡事故总起数和死亡总人数的77.14％和77.39％，因此改善、提高淮南矿业集团采煤专业整体安全水平，分析摸索顶板事故发生规律，并采取行之有效的防范措施，对实现煤矿安全生产工作具有着十分重要的现实意义。1、事故发生规律1.1零打碎敲事故多在全部81起顶板