矿山顶板事故防治-太原理工大学张百胜-第十章 采煤工作面矿山压力控制

第十章采煤工作面矿山压力控制第一节顶板分类一、直接顶的分类类别1类(不稳定)2类(中等稳定)3类(稳定)4类(非常稳定)1a(极不稳定)1b(较不稳定)2a(中下稳定)2b(中上稳定)指标Lz0≤44Lz0≤88Lz0≤1212Lz0≤1818Lz0≤2828Lz0≤50岩性描述泥岩，泥页岩，节理裂隙发育，或松软。泥岩，碳质泥岩，节理较发育。致密泥岩，粉砂岩，砂泥岩，节理裂隙不发育。砂岩，石灰岩，节理裂隙很少。致密砂岩，石灰岩，节理裂隙极少。直接顶分类指标及参考要素据缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类（中华人民共和国煤炭行业标准MT554—1996）二、老顶（基本顶）的分级基本顶矿压显现强度分为四级，DL为基本顶初次来压当量，计算公式为：MNLLDLfn6.525.15)(3.241fLNMhNhM—基本顶初次来压步距；—直接顶充填系数，，—直接顶厚度，m，—煤层采高，m。老顶分级ⅠⅡⅢⅣ老顶来压显现不明显明显强烈非常强烈ⅣaⅣb分级指标DL≤895895DL≤975975DL≤10751075DL≤1145DL1145老顶分级指标据缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类（中华人民共和国煤炭行业标准MT554—1996）第二节采煤工作面顶板控制设计(一)顶板控制方式选择的原则随着采煤工作面的不断推进，顶板悬露面积不断扩大，为了保证采煤工作的顺利进行，采煤工作面只需控制有限工作空间。为此，必须及时地对采空区进行处理。采空区处理应遵循安全性、经济性和可操作性的原则。根据不同的煤层赋存条件及顶底板岩石性质、地面的特殊要求(水体、铁路、建筑物下采煤)等因素，采取不同的采空区处理方法。(二)顶板控制方法分类1．全部垮落法2．全部充填法3．局部充填法4．煤往支撑法5．缓慢下沉法坚硬难垮落顶板的控制技术坚硬难垮落顶板是指顶板岩石强度和弹性模数高、节理裂隙不发育、厚度大、整体性强、自承能力强、煤层开采后大面积悬露而在采空区短期内不垮落的顶板。坚硬难垮落顶板工作面与普通工作面矿压显现的主要区别是一次垮落的面积大，高度大；有强烈的周期性来压，来压时有明显的动压冲击现象，常造成支护设备损坏，人身伤亡等恶性事故。我国的大同、晋城、鹤岗、枣庄、通化、神东、乌鲁木齐等矿区都有坚硬难垮落顶板，也都存在着对该类顶板控制的技术和工艺。我国从20世纪50年代起开始研究坚硬难垮落顶板的控制。为解决此问题，多年来，国内外都进行了采煤方法的改进试验和顶板弱化处理试验研究，将难垮落顶板改变为较易垮落的顶板，从而实现了长壁机械化开采。与此相适应，需采用强力液压支架，并配以特殊结构，包括大流量安全阀。因此，为了达到工作面安全、高效生产，必须对顶板进行处理，改变顶板岩体的物理力学性质，以减小顶板悬露面积，防止或减弱这种大面积顶板来压。经过多年的研究和实践，发展了以下几种主要处理坚硬顶板的措施：（1）注水弱化（软化）坚硬顶板①顶板高压注水顶板高压注水是从工作面顺槽或专用巷道（工艺巷）向顶板打深孔，进行高压注水。利用高压水对顶板进行压裂，其作用是增加和扩展顶板原始裂隙，高压水在岩体中形成压力坡降，使水更好地在岩体中透过裂隙、节理、层理及其他弱面而渗流，从而在岩体中产生水力的、机械的、物理和化学的作用。高压注水的压力变化，可引起岩体内应力的重新分布，也可使岩体产生塑化作用。这种方法目前在国内处于试验阶段，在波兰、澳大利亚已经成为坚硬顶板处理的主要手段。②顶板静压注水顶板静压注水是使顶板含水率提高，降低顶板的强度，使顶板垮落距离缩小，避免顶板来压过于强烈。但该方法应用的前提必须是顶板岩石吸水性强，且吸水后其强度明显降低，否则不能应用。（2）爆破弱化坚硬顶板爆破弱化是用爆破的方法人为将顶板切断，使一定厚度的顶板冒落形成矸石垫层。切断顶板可以减小顶板冒落面积，减弱顶板冒落时产生的冲击力；形成的矸石垫层则可以缓和顶板冒落时产生的冲击波及风暴。目前爆破弱化的方法有以下几种：①循环式浅孔放顶循环式浅孔放顶主要作用是，爆破后破坏了顶板的完整性，形成矸石垫层，缓和顶板冒落时产生的冲击。具体做法是，每1～2个循环，在工作面切顶线处打一定深度的浅孔，装药进行爆破。缺点是对生产的影响较严重，对高推进速度的综采工作面不适合。②步距式深孔爆破步距式深孔爆破主要作用是，切断顶板，避免顶板大面积冒落。具体做法是，在顶板周期来压前，沿工作面向顶板偏向采空区方向打2～3排深孔，装药爆破，爆破后使在顶板内形成一道一定高度的沟槽，坚硬顶板就沿这条沟槽折断。③超前深孔预裂爆破超前深孔松动爆破主要作用是，切断坚硬顶板，减小顶板冒落面积。具体做法是在上、下顺槽或特殊巷道(工艺巷)向顶板打深孔，在工作面前方一定距离进行爆破，预先破坏顶板的完整性。④地面深孔放顶地面深孔放顶的主要作用是从地面打钻孔爆破，在采空区后方切断坚硬顶板，避免顶板大面积冒落，具体做法是在采空区上方的地面打垂直钻孔，达到已采区顶板的适当位置，然后装药进行爆破，将大面积悬露的顶板崩落。循环式浅孔爆破要在切顶线处从支架后部向顶板打眼，打孔与装药存在很大的困难，严重影响生产；步距式深孔爆破需沿工作面向顶板偏向采空区方向打孔、装药进行顶板处理也存在较大困难，同时，工作面打孔与装药影响生产，即生产与顶板处理不能平行作业。这两种方法都存在较大的安全隐患，《煤矿安全规程》已禁止采用这两种方法，因此循环式浅孔架后强制放顶和步距式深孔爆破的方案不可取。地面深孔爆破从地面垂直向下打孔至采区顶板位置，其钻孔深度较大，打孔工程量大，同时，由于地面打孔，钻孔经过地面表土层，因此钻孔成孔率相对较低（甚至无法成孔），孔易变形，影响装药质量，可能出现装药不连续，甚至无法爆破到煤层顶板。超前深孔预裂爆破在上、下顺槽或专用巷道（工艺巷）进行施工，实现了生产与顶板处理平行作业，不影响工作面正常生产，有利于工作面生产能力的实现。同时，在专用巷道进行施工具有方便、简单等优点。循环式浅孔放顶（1.5—2m）②步距式深孔爆破（5—9m甚至更长）开切眼切槽处理、顺槽超前预爆破方案切眼炮孔布置图炮眼与顺槽及工作面关系(三)采煤工作面支护方式的选择5．特殊支护三、采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计一般应遵循以下原则：(1)尽可能保证工作面顶板的完整性。(2)应避免采煤工作面发生大面积切顶事故，支架的支撑能力应足以阻止直接顶和老顶之间的离层。(3)顶板的最大下沉量控制在活柱可缩量的范围内。(4)选择合理的采空区处理方法和控顶距，使坚硬的直接顶在控顶区后方进行周期性垮落，以防止直接顶在控顶区上方断裂时摧垮工作面支架。(5)要有合理的初撑力和采用合理的支护方式，防止直接顶运动时支架失稳。综采工作面顶板控制设计一、自移式液压支架的类别1．根据支架与围岩的相互作用力分类(1)支撑式液压支架。如图10—46(a)，支架对顶板只起支撑作用而不起掩护作用适用于支撑稳定和坚硬的顶板。(2)支撑掩护式液压支架。如图10—46(b)，支架顶部对顶板的支撑部分长度大于掩护部分的长度，支架对顶板兼有支撑和掩护两种作用，适用于较稳定的顶板。(3)掩护支撑式液压支架。如图10叫6(c)，支架对顶板的掩护部分大于支撑部分，支架顶梁较短、支撑能力较弱，支撑力集中靠近煤帮附近，主要起掩护作用，适用于松软顶板的采煤工作面。(4)掩护式液压支架。如图10—46(d)，支架没有顶梁，只有掩护梁，起掩护作用，适用于松软顶板的采煤工作面。2．按支架结构特点进行分类按支架结构特点，各种类型液压支架的基本结构如图10—47所示。液压支架命名方法既考虑了支架的支撑特点，又考虑了支架的结构特点，具体如下：1．影响架型选择的因素(1)顶板条件。直接顶的分层厚度大小，节理、裂隙间距大小，发育程度，将决定支架合力作用点位置和支撑力的分布状态。老顶的坚硬程度、岩梁厚度和所处状态，格决定顶板运动时给支架的作用力大小，以及支架所必须具有的支撑力和可缩量。根据综采的实践经验，支架选型的一般原则为：在直接顶中等稳定以下、老顶来压不明显的顶板条件下，宜选用掩护式支架，确定支架顶梁长短；在直接顶中等稳定、老顶来压较明显的顶板条件下，宜选用支撑掩护式支架，确定支架工作阻力；在老顶来压强度大、有动压冲击危险的顶板条件下，宜选用支撑式支架，确定支架工作阻力；在坚硬的岩梁直接位于煤层之上的顶板条件下，宜选用支撑式或支撑掩护式支架，支架后方如出现大面积的悬顶，必须采取深孔爆破人工强制放顶、高压注水弱化顶板和放震动炮等措施。(2)底板条件。底板坚硬，抗压强度大，支架与围岩力学系统中的总刚度就大，支架的设计性能发挥就越好。(3)煤层倾角。当煤层倾角大于12°。时，支架必须装有防倒、防滑装置，并要求端头支架有足够的锚固力以防支架下滑、倾倒以及发生偏心载荷等。工作面全长中倾角变化幅度不能太大，否则将会因倾角变化带来工作面长度的变化，造成支架在排列上时挤时松，影响正常生产。除上述因素外，还应考虑到煤层厚度变化、地质构造、瓦斯涌出量等影响因素。2．液压支架规格的选择液压支架规格的选择3．液压支架初撑力的确定液压支架初撑力是由泵站压力提供的。提高支架初撑力可迅速地压缩浮煤、浮矸等中间介质，增加支架与围岩系统的总体刚度，使支架的工作阻力尽快地发挥作用，减少顶底板移近量，改善直接顶岩层内的应力分布状态，抑制直接顶的挠曲离层。一般情况下，把初撑力定为额定工作阻力的50％以上是比较适宜的。确定支架初撑力的大小通常有两种方法：(1)按防止直接顶与老顶之间离层的要求确定初撑力。支架初撑力强度Po(kN／m2)应能支撑直接顶的重力，即一般来说，对于不稳定的直接顶，为了防止直接顶与老顶之间的离层，初撑力可设计为额定工作阻力的70％一80％，对于中等稳定顶板，初撑力设计为额定工作阻力的70％，对于稳定的顶板，设计初撑力为额定工作阻力的60％一70％。(2)根据Po与PH之间有合理比值的观点确定支架的初撑力。初撑力强度go与额定工作阻力强度gH的比值6的合理范围为60％一85％。支架架型、顶板条件不同，额定工作阻力的合理值略有不同。5．液压支架架型选择和额定支护强度的确定(二)液压支架工作方式液压支架的工作方式包括支护方式和移步方式两个方面。1．液压支架的支护方式(1)及时支护方式。在采煤机割煤后，先移支架，再移输送机，使暴露的顶板得到及时支护，如图10—50(a)。特点是：在移架前，必须在底座与输送机之间保持一个截深的距离，待采煤机割煤后及时移架；支架具有较长的顶梁，一般超过输送机宽度与支架移动步距之和3采煤机割煤以后，可立即支护新暴露的顶板。空顶时间缩短，因而减少顶板的沉降量；采煤机割煤所引起的顶板下沉与移架过程产生的顶板下沉相互作用，使顶板岩层活动较为剧烈。(2)滞后支护方式。在采煤机割煤以后，先推移输送机，然后再移支架的支护方式，如图10—50(b)。特点是：采煤机割煤以后，先移输送机再移支架，因而空顶时间较长，空顶面积较大，可能引起顶板大量下沉，割煤移架引起的顶板下沉相互作用较弱；顶梁长度相对较短。2．移步方式(1)单架顺序移步方式。如图10—5l(a)，为随采随支，一般采用单架顺序移步。支架在采煤机割煤后依次前移，移动步距等于截深。这种移步方式移架速度慢、但顶板卸载面积小、操作简单、易于控制工程质量。能适应顶板变化要求，是目前我国常用的一种移步方式。(2)成组整体顺序移步方式。如图10—51(d)、(e)，采煤工作面支架每2—3架组成一组，采煤机割煤后，每组支架沿采煤机行进方向依次前移。移架速度快、但顶板下沉量大，适用于顶板较完整的工作面。(3)交错移步方式。如图10—51(b)、(c)。工作面的支架每2—3架分为一组，组间及组内架间移动顺序，均为由近及远(远离采煤机)。这种移架方式移架速度快，但顶板下沉量大，主要适用于顶板完整的工作面。