第六章_煤矿顶板事故防治

1矿山压力与岩层控制孙光中河南工程学院（中国新郑）2一、有关矿山压力的基本概念原岩应力；二次应力场：矿山压力；矿山压力显现；矿山压力控制；自重应力；构造应力；支承压力。3二、矿压显现的基本规律4老顶断裂成岩块后的转动1.老顶的初次来压•定义–由于老顶的初次断裂失稳引起工作面顶板来压的现象。•形成过程–随着工作面推进还可能形成四、五……不同数量岩块的咬合平衡，直到岩块间的咬合关系不能满足平衡为止。•初次来压特征–老顶初次来压比较突然–来压前回采工作空间上方的顶板压力比较小–因而往往容易使人疏忽大意。初次来压时，老顶垮距比较大，影响的范围也比较广，工作面易出现事故。•衡量指标–来压强度和初次来压步距–顶板坚硬、直接顶薄的工作面初次来压强度大、来压步距大。•采取对策–在来压期间，必须加强支架的支撑力，尤其要加强支架的稳定性。–一般可以采用木垛、斜撑等特种支架加强回采工作空间的支护。52.老顶的周期来压•周期来压的主要表现形式–顶板下沉速度急剧增加，顶板的下沉量变大；–支柱所受的载荷普遍增加；有时还可能引起煤壁片帮、支柱折损、顶板发生台阶下沉等现象。–如果支柱参数选择不合适或者单体支柱稳定性较差，则可能导致局部冒顶、甚至顶板沿工作面切落等事故。•由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象–随着回采工作面的推进，在老顶初次来压以后，裂隙带岩层形成的结构，将始终经历“稳定-失稳-再稳定”的变化，这种变化将呈现周而复始的过程。由于结构的失稳导致了工作面顶板的来压。这种来压也将随着工作面的推进而呈周期性出现。63、采场上覆岩层的竖三带（1）冒落带：指直接顶岩层。冒落后成块状，彼此间失去了力的联系，不规则地堆积在底板上。如果直接顶比较厚，冒落后由于其碎胀性，可以充满采空区，对老顶岩层会起到支撑作用，这将大大减轻老顶的来压强度。（2）裂隙带：指老顶岩梁组合。工作面推过以后，老顶岩梁组合断裂、下沉，但由于块度很大，岩层断裂后，各岩块间并没有失去力的联系，而是彼此间相互咬合，形成诸如“砌体梁、悬臂梁、压力拱、铰结岩块”等之类的结构。这些结构将上覆岩层的重量一方面传递到工作面前方煤壁，另一方面传递给工作面后方冒落矸石，而工作面支护工作空间则在这种结构的保护下，承受较小的压力。（3）弯曲下沉带：裂隙带之上至地表的岩层。采动以后，这部分岩层只发生下沉和弯曲，并没有断裂。但下沉的结果会使地表产生下沉盆地，严重时可能使地表形成局部裂缝、塌陷或台阶下沉，给地表建筑物造成破坏。4、采场上覆岩层的横三区(1)煤壁支撑影响区：煤层上方的岩层在开采的影响下，在工作面前方20~30m处开始变形，其特点是水平移动剧烈，垂直运动很小，当工作面推过此区，才能引起垂直位移急剧增加。(2)离层区：此区垂直位移急剧增加，但各层位移速度不尽相同，特点是上位岩层移动缓慢，下位岩层移动较快，因此，此区内会形成离层现象。(3)重新压实区：工作面后方已断裂的老顶遇到矸石支撑后，下位岩层下沉速度慢，上位岩层下沉速度快，原来发生离层的地方又重新被压实，故该区叫重新压实区。A.煤壁支撑影响区(a—b);B—离层区(bc);C—重新压实区(cd);I—冒落带;II—裂隙带;III—弯曲下沉带;—支撑影响角71—冒落带;2—裂隙带a—覆岩为软岩层;b—覆岩为中硬岩层;c—覆岩为坚硬岩层5.不同类型覆岩开采后的破坏情况86.回采工作面附近应力集中两相邻采空区周围的应力分布97.采场周围支承压力分布老顶断裂前的结构形式及其周围的应力再分布A—应力增高区;B—应力降低区;C—应力不变区（1）工作面在正常推进期间，上覆岩层所形成的结构，由“煤壁——已冒落矸石”支撑体系来支撑，下位岩层（直接顶）由“煤壁——工作面支架——已冒落矸石”所形成的支撑体系来支撑。（2）由于上覆岩层的结构大多是半拱式的，因此煤壁一端几乎支撑着回采工作空间上方悬露岩层的大部分重量，而采空区后方只承受压实区的重量。（3）工作面前后方形成三个不同的支承压力区。即工作面前方压力增高区、工作面支护空间前后减压区及工作面后方稳压区。（4）随着工作面不断向前推进，这三个区不断向前移动，使工作面承受的压力显现出动态的过程。108.分层开采时的矿山压力显现的基本规律•由于在第一分层回采时顶板岩层已经历了一次悬露、破裂、折断和垮落的过程，完整性受到了破坏；•下分层工作面的老顶来压将会显著减弱或者不再显现，即通常所说的在回采顶分层时可能出现“动压”，而在回采下分层时则主要表现为“静压”。•其基本表现为老顶来压步距小，强度低;支架载荷变小;顶板下沉量变大。11放顶煤开采技术•由于放顶煤开采的支架上方存在一层厚而破碎且随采随放的顶煤，因而与分层开采相比，其矿压显现也有一些其自身的特点支承压力冒落的松散顶煤损伤和破坏的顶煤煤层9.放顶煤工作面矿山压力显现特征12巷道掘进阶段（Ⅰ）掘进巷道仅对小范围岩体造成扰动，故一般情况下矿压显现不会很剧烈.无采掘影响阶段（Ⅱ）顶底板移近速度比掘进期间要小得多，故巷道基本上处于稳定状态。采动影响阶段（Ⅲ）采动影响是由于回采工作引起围岩应力再次重新分布而造成的。这阶段中矿压显现也最强烈。采动影响稳定阶段（Ⅳ）这是巷道围岩经受一次采动影响后重新进入相对稳定的阶段，故其围岩移动特征基本上与无采掘影响阶段类似。二次采动影响阶段（Ⅴ）二次采动影响的时间和空间规律与一次采动影响类似，但由于这种情况下巷道受到下区段工作面超前支承压力和巷道煤体一侧残余支承压力的叠加作用，二次采动影响的剧烈程度和影响范围都会比一次采动影响稍大。移近速度曲线移近量曲线10.巷道矿山压力显现13断层与褶曲挤压与破碎带节理、裂隙煤层倾角开采深度上部煤层残留煤柱工作面推进速度采高与控顶距8.影响工作面矿山压力显现的基本因素14三、采场顶板事故的致因及防治15顶板事故分类•按冒顶范围分：–局部冒顶–大型冒顶•按发生冒顶事故的力学原因分：–压垮型冒顶–漏冒型冒顶–推垮型冒顶16局部冒顶和大型冒顶•局部冒顶指范围不大，有时仅在3~5支架范围内，伤亡人数不多(1~2人)的冒顶。–局部冒顶事故的次数远多于大型冒顶事故，约占采场冒顶事故的70%，总的危害比较大。–常发生在靠近煤壁附近、采场两端、放顶线附近以及地质破坏带附近。•大型冒顶指范围较大，伤亡人数较多（每次死亡3人以上）的冒顶。17压垮型冒顶：老顶来压时的压垮型冒顶；厚层难冒顶板大面积冒落；直接顶导致的压垮型冒顶。漏冒型冒顶：大面积漏垮型冒顶；局部漏冒型冒顶。推垮型冒顶：复合顶板推垮型冒顶；金属网下推垮型冒顶；大块游离顶板旋转推垮型冒顶；采空区冒矸冲入采场的推垮型冒顶；冲击推垮型冒顶。综合类型冒顶按力源划分的采场顶板事故分类181．靠煤壁附近的局部冒顶•致因：①直接顶被密集裂隙切割，形成了游离岩块；②采高过大，在老顶来压期间，煤壁片帮，扩大了无支护空间；③放顶煤开采，顶煤破碎。19镶嵌型顶板局部冒顶•地质及技术条件–煤层编号：11#–直接顶岩性：粉砂岩–底板：砂页岩–采高：1.8~2.2m–采煤方式：炮采–支护方式：金属摩擦支柱+1.0m金属梁•事故发生经过–靠近煤壁装煤–直径2m，厚0.9m岩块掉落–死亡1人20顶板楔形岩块冒落•地质及技术条件–煤层编号：12#–直接顶岩性：细砂岩–底板：粉砂岩–采高：1.2m–采煤方式：80采煤机，截深0.6m–支护方式：金属摩擦支柱+1.1m木板梁•事故发生经过–靠近煤壁装煤–2.7m长、0.85m宽、1.04vm厚岩块掉落–死亡1人21①采用能及时支护悬露顶板的支架，并使端面距不大于200mm；•正悬臂交错顶梁支架•错梁直线柱支架布置单体支柱工作面冒顶事故防治22②炮采时，炮眼布置及装药量应合理，尽量避免崩倒支架。③尽量使工作面与煤层的主要节理方向垂直或斜交，避免煤层片帮。④在金属网下，还可以采用长钢梁对棚迈步支架。⑤在架设支架前还必须敲帮问顶，以防止掉岩块伤人23综采工作面的局部冒顶预防措施–支架设计上•采用长侧护板•整体顶梁•内伸缩式前梁•增大支架向煤壁方向的水平推力•提高支架的初撑力；–工艺操作上，采煤机过后，及时伸出伸缩梁，及时擦顶带压移架，顶梁的俯视角不超过7°。–当碎顶范围较大时（比如过断层破碎带等），则应对破碎直接顶注入树脂类粘结剂使其固化，以防止冒顶。242．采场两端的局部冒顶•致因–暴露的空间大，支承压力集中；–经常要进行机头机尾的移置工作；–要拆掉原巷道支架的一个棚腿，换用抬棚支承棚梁。25–在机头机尾处各应用四对一梁三柱的钢梁抬棚支护，每对抬棚随机头机尾的推移迈步前移；–在机头机尾处采用双楔铰接顶梁支护。–在采场两端采用十字铰接顶梁支护系统以防漏冒。–在超前工作面10m以内，巷道支架应加双中心柱，超前工作面10~20m，巷道支架应加单中心柱以预防冒顶。防治措施26273．放顶线附近的局部冒顶•致因–回拆放顶线上“吃劲”的柱子；–当顶板中存在被断层、裂隙、层理等切割而形成的大块游离岩块时；–在金属网假顶下，网上有大块游离岩块。28–①加强地质及观察工作，记载大岩块的位置及尺寸；–②在大岩块范围内用木垛等加强支护；–③当大岩块沿工作面推进方向的长度超过一次放顶步距离时，在大岩块的范围内要延长控顶距；–④如果工作面用的是单体金属支柱，在大岩块范围内要用木支架替换金属支架；–⑤待大岩块全部都处在放顶线以外的采空区时，再用绞车回木支柱。防治措施294．地质破坏带附近的局部冒顶•致因–顶板裂隙发育、破碎；–断层面间多充以粉状或泥状物；–断层面都比较尖滑,使上、下盘之间的岩石无粘结力,尤其是断层面成为导水裂隙时，更是彼此分离；30–在断层两侧加设木垛加强维护，并迎着岩块可能滑下的方向支设戗棚或戗柱。–在煤壁的前方顶板和煤层特别破碎时，采用锚杆。–用树脂注入煤岩裂隙中，进行预加固。防治措施315.大型冒顶事故的致因及防治•1.老顶来压时的压垮型冒顶•致因（1）垮落带老顶岩块压坏采场支架导致冒顶；32（2）由于采场支架初撑力不足，在老顶岩块未明显运动之前，直接顶与老顶已发生离层。（3）当老顶岩块向下运动时，采场支架要承受冲击载荷，支架容易被损坏，从而导致冒顶。33坚硬顶板冒顶实例•地质及技术条件–工作面长度：75m–直接顶岩性：石英砂岩4~5m–老顶：白色石英砂岩8m–采煤方法：爆破–支护：木支柱•事故发生原因及经过–支柱阻力低–在煤壁大面积片帮和支架折断情况下，没有采取措施–工作面推进48m时，初次来压–从煤壁处切顶–冒顶30m34压垮型冒顶实例•地质及技术条件–直接顶岩性：石英砂岩3.3m–采煤方法：爆破–支护：金属摩擦支柱•事故发生原因及经过–支柱阻力低，支护质量不好–控顶5排，悬顶6m–回柱放顶–冒顶29m–回柱3人全部死亡35台阶下沉引起冒顶实例•地质及技术条件–直接顶岩性：砂岩4m–采煤方法：爆破–支护：金属摩擦支柱•事故发生原因及经过–支柱阻力低，支架插底–控顶5排–台阶下沉–回柱放顶–冒顶12m–1人死亡36防治措施•提高支架支撑力和初撑力，保证直接顶与老顶之间不离层;•支架有足够的可缩量，满足裂隙带老顶下沉的要求;•遇到平行工作面的断层时：–单体支柱支护时要及时加强工作面支护（最好用木垛）;–液压自移支架支护时，则应考虑使工作面与断层斜交或在采空区挑顶的措施过断层。376.厚层难冒顶板大面积冒顶•致因–煤层顶板是整体厚层硬岩层,不易冒落。•征兆–顶板断裂声响的频率和音响增大；–煤帮有明显受压与片帮现象；–底板出现底鼓或沿煤柱附近的底板发生裂缝；–巷道（上下平巷）超前压力较明显；–工作面中支柱载荷和顶板下沉速度明显增大；–有时采空区顶板发生裂缝或淋水加大，向顶板中打的钻孔原先流清水后变为流白糊状的液体。38•监测–微震仪–地音仪–超声波地层应力仪•防治方法–改变岩体的物理力学性质，以减小顶板悬露及冒落面积，减小顶板冒落高度，降低空气排放速度。•具体防治措施1．顶板高压注水2．强制放顶39407.漏垮型冒顶的致因及防治•致因–煤层倾角较大，直接顶又异常破碎；–某个地点失效先发生局部漏冒，造成支架失稳，工作面顶板大面积漏垮。