神东煤炭集团顶板管理研讨提纲

1采煤工作面顶板管理理论和技术山东科技大学2013年10月9日1采煤工作面顶板管理概述•1.1采煤工作面顶板管理的概念采煤工作面顶板管理：即是采煤工作面工作空间支护和采空区处理工作的总称。支—顶住顶板，可控的顶板下沉量护—保持顶板的完整性2•1.2采煤工作面顶板管理的意义采煤工作面顶板管理是煤矿生产技术管理的重要和基础工作。搞好顶板管理，增强采煤工人和技术及管理人员的顶板管理安全意识，认真贯彻落实“安全第一，预防为主”的方针，杜绝重大伤亡及其严重影响工作面正常生产效率的冒顶事故的发生，是打造本质安全型矿井的重中之重。3•1.3采煤工作面顶板管理的目标及要求•1.3.1顶板管理的目标（1）能最大限度地消除压、漏、推冒顶隐患，防止发生各种类型的冒顶事故；（2）能保持顶底板移近量、台阶下沉量以及端面冒高等顶板状态参数在一定限度之内，保证顶板处于良好状态；（3）所需的费用少。4•1.3.2顶板管理的要求在明确采场采动环境、顶底板岩层特征和顶板运动规律的基础上，按照矿压控制的理论要求，提出并认真实施针对性的矿压控制技术和措施，生产过程中不出现灾变性的矿压显现，保证工作面生产过程中的高产高效生产效果。5•1.4采煤工作面顶板管理的内容•1.4.1采空区处理方法（1）自然垮落法（2）缓慢下沉法（3）煤柱支撑法（4）充填法6•1.4.2采煤工作空间的支–支——支架工作阻力要和顶板压力完全抗衡。1.4.2.1顶板初次运动阶段（1）直接顶初次垮落支架至少承担一半直接顶重量（2）老顶初次来压支架承担直接顶全部重量和部分老顶的重量7•1.4.2.2正常开采阶段工作面顶板压力同样由直接顶和老顶两部分岩重产生，见下式：8•1.4.2.3末采阶段工作面顶板压力同样由直接顶和老顶两部分岩重产生。主回撤的锚杆支护不作为顶板支护力源。9104.52.05.011.2煤（13号煤层）向东向西常尖灭。0.8灰色泥岩，常相变为粉砂岩。1.511.50.5灰色粉砂岩夹灰白色细砂岩。10.0灰色粉砂岩夹灰白色细砂岩，局部地段变相为中砂岩。柱状厚度/m岩性描述煤（12号煤层）常呈透镜状产出，局部地段相变炭质泥岩。灰白色细砂岩和灰色粉砂岩互层含煤屑，顶部为薄层泥岩，见植物化石。上部：钙质中砂岩；下部：灰白色粗砂岩。灰色粉砂岩，常变相为粉砂质泥岩。5-1煤（14号煤层）东部厚，西部薄，分布广泛，层位稳定。顶板类别和厚度/m上位岩层ME10mMZ17mh4.5m停采工作面主回撤巷辅回撤巷6m图1.115104综采工作面回撤区顶板结构（万利一矿）•1.4.3采煤工作空间的护护——主要依靠合理的架型和高质量的顶板管理工程质量。112采场矿压的基本概念与理论•2.1顶板的分类和分级–直接顶分类和老顶分级。20世纪80-90年代煤炭管理部门颁发的全国性的顶板管理文件。–对顶板进行分类和分级，是采场顶板管理的一个基本工作，对顶板特性的认识和顶板管理有重要作用。12•直接顶的定义–不同的定义•山东科技大学宋振骐院士的定义：及时冒落，不能传递自身的力，支架要全部承担其作用力。13•（a）直接顶（b）基本顶1415h=3.7mMZ=7.24mME=8.9mc=16.9m图2.122202工作面正常开采阶段顶板结构模型（大柳塔矿）2.1.1直接顶分类16直接顶分类表指标（LOZ/m)岩性描述直接顶类别LOZ≤44＜LOZ≤8泥岩、泥页岩，节理裂隙发育或松软泥岩，炭质泥岩，节理裂隙较发育1a1b不稳定8＜LOZ≤18致密泥岩、粉砂岩、砂质泥岩节理裂隙不发育2中等稳定18＜LOZ≤28砂岩、灰岩，节理裂隙很少3稳定28＜LOZ≤50致密砂岩、灰岩，节理裂隙极少4坚硬顶板172.1.2基本顶分级•定义：不同的定义。宋院士老顶的定义，直接顶上方，传递自身及其上方岩层的力，支架承担自身一部分作用力。–分级指标：基本顶初次来压当量(pe)，–参数：基本顶初次来压步距(C0)、直接顶充填系数(N)和煤层采高(hm)。–pe=241.3ln(C0)-15.5N+52.6hm–式中，pe—基本顶初次来压当量，kN／m2。18基本顶分级表19895ep975895ep1075975ep11451075ep1145ep•2.2顶板运动参数2.2.1直接顶运动参数（1）直接顶的厚度和岩性（2）初次垮落步距（3）正常推进阶段直接顶悬顶距和悬顶系数20ZMOZLSLZf2KSKZ)LLL(f21h=3.9m6上105-2综放工作面顶煤顶板结构示意图c=20mLz2=13mME=8mhd=9mMz15mMz25mSA直接顶悬顶距和悬顶系数•2.2.2老顶的运动参数（1）老顶的厚度（2）老顶的断裂步距①老顶初次来压步距②老顶周期来压步距22ZMOELEL•2.3矿山压力与矿山压力显现2.3.1矿山压力2.3.1.1矿山压力概念矿山压力：采动后作用于岩层边界上或存在于岩层中的这种促使围岩向已采空间运动的力（即采动后促使围岩运动的力），称为矿山压力。23•所谓的“矿山压力”既是指分布于岩层内部各点的力，又包括作用于围岩上的任何一部分边界上的外力。24•2.3.1.2矿山压力的来源采动前原岩中各点的应力，就其来源主要有以下三个方面：•（1）覆盖岩层的重力；（可以定量计算，主要的力）•（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力等。25•2.3.2矿山压力显现•2.3.2.1矿山压力显现的概念•采动后，在矿山压力作用下通过围岩运动与支架受力等形式所表现出来的矿山压力现象，统称为“矿山压力显现”。26•2.3.2.2矿山压力显现的基本形式1）围岩的明显运动（1）两帮运动（2）顶板运动（3）底板运动2）支架受力27•2.3.3矿山压力与矿山压力显现间的关系根据宋振骐院士的实用矿山压力理论，矿山压力的存在是客观的，绝对的，它存在于采动空间的周围岩体中，但矿山压力的显现是相对的，有条件的，它是矿山压力作用的结果。28•2.4工作面上覆岩层运动规律采动后，促使围岩运动的矿山压力取决于悬露岩层的面积、厚度及压力传递情况。随采场不断推进，矿山压力的大小和分布不断变化。巷道和采场支架上的受力是围岩运动的结果，受力的性质、大小和发展变化的规律与上覆岩层运动更是不可分割。292.4.1上覆岩层运动和破坏的基本形式30(a)(b)(c)(d)(e)2.4.1.1弯拉破坏(矿压较小）弯拉破坏的基本形式(a)(a)(b)(c)(d)(e)(b)(a)(b)(c)(d)(e)（c）(a)(b)(c)(d)(e)（d）(a)(b)(c)(d)(e)（e）2.4.1.2剪切破坏（矿压较大）岩层剪切破坏的发展过程：岩层悬露后产生很小的弯曲变形，悬露岩层顶部开裂→在岩层中部为开裂（或开裂很少）的情况下，突发性整体切断垮落。312.4.1.3岩层破坏形式的转化岩层破坏的弯拉破坏和剪切破坏两种形式是随地质条件和采动条件的变化而相互转化的。（1）当工作面推至端部开裂位置附近，提高推进速度可能会使原来呈弯拉破坏运动的岩层转变为剪断破坏。32•（2）改变开采程序。•（3）强制放顶改变坚硬岩层的厚度，可以排除整体切断跨落的威胁，从而使破坏形式转化为弯拉破坏形式。•（4）在推进方向遇到岩层，弯拉破坏的岩层可能向整体切断的运动形式转化。因为断层破坏了岩层的延续性。当工作面推进到断层部位，岩层悬露尚未达到中部裂断所必需的跨度，可能出现整体切断的危险。332.4.1.4上覆岩层在推进方向上的运动发展规律•（a）直接顶初次垮落（b）老顶初次来压（c）老顶周期来压上覆岩层在推进方向上的运动发展过程示意图34•2.4.1.4上覆岩层纵向运动发展的基本规律岩层的纵向运动：在重力作用下弯曲沉降→发生离层后在运动中重新组合成同时运动（或近乎同时运动）的“假塑性”传递岩梁→沉降值超过允许的限度，发生垮落。35•2.5工作面•顶板结构36h=3.7mMZ=7.24mME=8.9mc=16.9m图2.122202工作面正常开采阶段顶板结构模型（大柳塔矿）h=3.9m6上105-2综放工作面顶煤顶板结构示意图c=20mLz2=13mME=8mhd=9mMz15mMz25mSA图2.26上105工作面正常开采阶段顶板结构模型（酸刺沟矿）•2.6工作面支架工作阻力•2.6.1支架受力–它是一种最为典型的工作面矿压显现。•2.6.1.1支架受力包括支架工作循环内支架的实时受力和循环内受力–实时受力——支架在工作循环内某一特定时刻的受力，对应某个时间点，即时刻。37•综采支架上安装的压力表可以直读，单位一般为MPa。–工作循环内受力——按照支架从拉架结束后的升架开始，直至采煤机完成一个割煤循环重新拉架过程中，支架在完整的工作循环内支架的受力特征。38支架的循环工作阻力不能从压力表上直接读取，需要从分间隔记录的实时压力曲线中选取。单位为kN或者MPa。一般用kN表示。•2.6.1.2支架受力又分为立柱受力和整个支架受力。立柱受力的单位一般为MPa。39•2.6.1.3循环工作阻力又分为3个值。–初撑力（P0）——升架后2分钟内的支架工作最大阻力。–末阻力（Pm）——拉移支架前2分钟内支架的最大工作阻力。–加权循环工作阻力（Pt）——工作循环内分时段加权平均阻力。现在一般较少使用。40•2.6.1.4初撑力和末阻力的作用–支架初撑力是由泵站压力、供液持续时间、管路损失和顶板的状况、支架接顶情况等参数综合决定，是一个比较难以完全控制的支架工作参数。但初撑力对工作面的顶板控制效果起到首要作用。一般要求达到工作阻力的80%。41•末阻力是由支架初撑力、采煤循环过程的顶板下沉、支架安全阀开启压力、支架的接顶情况和支架液压系统的保压性能参数等综合决定。它表征着支架的实际控顶能力和效果。一般要求支架的末阻力要基本达到支架的额定工作阻力，表明支架选型是合理的。过大或过小均不合理。42•2.6.2支架的额定初撑力和额定工作阻力–它是和支架实际工作阻力密切相关的支架设计参数。对于支架而言，除了支架的驾型外，支架的额定阻力是支架的最重要参数。432.6.2.1支架初撑力–是指按支架立柱的压力为设计泵站压力时产生的支架工作阻力。单位kN。2.6.2.2额定工作阻力–是指支架立柱达到安全阀开启压力时支架的工作阻力。单位kN。44•2.6.3支架的合理工作阻力•2.6.3.1支架的合理工作阻力的概念支架的合理工作阻力是指既能使支架充分发挥作用，又能达到很好的顶板控制效果的支架主动承担顶板的力。45•2.6.3.2支架合理工作阻力的确定1）支架合理工作阻力确定的要求（1）支架充分发挥作用（2）达到良好的顶板控制效果462）支架合理工作阻力的确定方法（1）经验估算法（2）现场实测法（3）垮落带法（4）顶板结构分析法（5）“四一法则”473采煤工作面顶板管理的途径•3.1工作面顶板管理的技术（1）选择合理的采煤方法和顶板处理方法（2）工作面优化布置（位置和开采时间等）（3）选择合理的液压支架架型和工作阻力（4）正确使用液压支架（5）加强地质预报和矿压观测及其成果应用推广等48•3.2工作面顶板管理的技术途径–对采煤工作面的顶板资料，开采参数，矿压规律资料等进行充分的研究，掌握工作面的顶板运动和顶板压力分布规律，采取技术上可行，经济上合理的技术和方法，达到安全生产的顶板控制效果。•3.3工作面顶板管理的组织和投入保证–专门的队伍，必要的设备投入。神东现在不够。3.2工作面顶板管理的技术途径494采煤工作面矿压预测预报•4.1矿压预测的定义矿压预测就是利用矿压仪表实测回采工作面及巷道的围岩应力分布特征、围岩变形、位移、顶底板破坏特征、支架受载及压缩等一系列矿山压力显现现象，并采用合理数学方法对各种矿山压力显现监测信息进行汇总分析，总结回采工作面矿压显现规律，预报矿压显现的发展趋势。50•4.2矿压预测的意义–指导回采工作面的安全开采，最大限度的预防回采工作面顶板事故的发生，并为工作面的正常推进提供工艺参数参考和顶板控制预防技术和措施等方面的决策参考。51•4.3矿压预测的内容（