煤矿顶板事故防治技术课件

煤矿顶板事故防治技术第一部分：煤矿顶板事故综述一、顶板事故在煤矿事故中的比重15.8410.3515.631.24.537.9810.34.690.981.770.655.490.321.553.354.94.147.0305101520123456789101112131415161718横坐标：表示事故原因纵坐标：表示事故原因所占百分比%原因1－违章指挥;2－违章作业;3－措施不力;4－管理混乱;5－支护质量;6－作业规程针对性不强;7－工人作业态度;8－工人缺乏安全生产知识;9－领导不重视;10－设备原因;11－安检人员不负责任;12－重生产轻安全;13－通风设施;14－通风系统;15－机构不健全;16－执规不严;17－明火;18－无证上岗图1-11950~2003年煤矿各类事故原因分析第一部分：煤矿顶板事故综述一、顶板事故在煤矿事故中的比重23.59.933.552.316.139.3725.620.3961.574.12.25.2529.51.772.8812.720.161.020.82.4811.288.810102030405060123456789101112事故次数占百分比死亡人数占百分比%横坐标：事故次数及伤亡人数纵坐标：事故次数及伤亡人数百分比事故性质1－水灾事故;2－瓦斯煤尘爆炸;3－顶板事故;4－火灾事故;5－瓦斯窒息中毒事故;6－煤尘爆炸事故;7－提升运输事故;8－其他;99－自救伤亡;10－机电;11－煤与瓦斯突出;12－爆破图1-21950~2003年煤矿各类事故发生起数及死亡人员统计分析第一部分：煤矿顶板事故综述二、回采工作面与巷道顶板事故发展趋势分析1954~1985年期间，顶板事故的死亡人数占总事故死亡人数的45%，其中，采煤工作面顶板事故占75%，巷道顶板事故占25%。1986~1992年期间顶板事故死亡人数占总死亡人数的40%，其中，采煤工作面顶板事故占顶板事故总数的66%，巷道顶板事故上升到34%。第一部分：煤矿顶板事故综述三、顶板事故的特点顶板事故具有四个属性（一）突发性（二）灾难性（三）破坏性（四）继发性四、对顶板事故的认识和加强顶板管理的重要性一、有关概念1．伪顶、直接顶、老顶伪顶——直接位于煤层之上，厚度不大，一般约0.2~0.4m，是极易脱落的页岩，随落煤而掉，极难支护。直接顶——位于伪顶或煤层之上，有一层或几层岩石组成，较易垮落，一般在回柱后，很快就会垮落老顶——位于直接顶或煤层上方，厚度大，岩性较坚硬，呈周期性垮落。第一部分：煤矿顶板事故综述2．离层系指采面顶板发生层间脱离，从而失去了层间“控制”和依存关系。离层是采面的重大隐患之一。3．初压、周压初次来压——系指老顶第一次断裂垮落，从而导致采面来压的现象，叫做老顶初次来压。周期来压——随老顶周而复始的垮落，而引起采面周期来压的现象，称之为周期压力。4．初次放顶初次放顶在此是广义的概念，系指从切眼装面，到初次来压结束，这一时段，叫采面初次放顶期间。初次放顶期间是较大顶板事故多发期。务必加强“精细化”管理。5．初撑力系指人们使用升柱工具，给支柱对顶板的主动支撑力叫初撑力，它是回采工作面顶板管理最重要的一项指标。必须达标。第一部分：煤矿顶板事故综述6．阻力监控法系指采用科学方法，对采面支柱的初撑力、工作阻力和支护质量及顶板动态进行现场测定与监控的方法叫阻力监控法，它是单体液压支柱工作面的“支护质量与顶板动态监控”方法的简称。7．支护系统刚度从实践上讲，系指采面支架，从支柱扎底量，到过顶材料、顶梁、支柱、柱鞋可压缩的程度，即，顶底板的移近量，称支护系统刚度。生产实践表明，其“合理刚度”应为每米采高＜100mm／m，采煤工作面的顶板将处于良好状态。第二部分：矿山压力基本知识一、开采后上覆岩层的移动特征四、采煤工作面顶板的控制二、采煤工作面矿压显现的基本规律三、采掘工作面周围的矿压显现特点分析一、开采后上覆岩层的移动特征1.岩层移动和破坏的影响因素2.上覆岩层移动的破坏特征（一）三带的形成冒落带裂隙带弯曲下沉带一、开采后上覆岩层的移动特征（一）三带的形成（Ⅰ）-冒落带；（Ⅱ）-裂隙带；（Ⅲ）-弯曲下沉带1-地表塌陷区；2-岩层开始移动边界线；3-岩层移动稳定边界线；4-离层现象Ⅲ)Ⅱ)33221(Ⅰ)图2-1顶板岩层移动和破坏现象一、开采后上覆岩层的移动特征（一）三带的形成3.上覆岩层运动规律的研究内容（1）冒落带的高度；（2）裂隙带的高度；（3）直接顶的发展变化规律；（4）基本顶各岩梁的发展变化规律；（5）支承压力发生、发展变化规律；（6）内外应力场的形成条件及其发展变化规律。一、开采后上覆岩层的移动特征（一）三带的形成4.上覆岩层运动规律对顶板事故的影响事故原因：采动诱发顶板运动和破坏；事故形成条件支护不及时支护决策失误：支护方式不合理（没有针对顶板运动破坏等特点），没有满足“合理位态”控制的要求，表现为支护阻力不足或可缩量不够。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。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;—支撑影响角二、采煤工作面矿压显现的基本规律（一）直接顶的初次垮落初次放顶步距一般为6~20米。步距的大小是根据直接顶的岩石强度、厚度、节理裂隙发育程度等因素确定。初次垮落应注意：在掌握步距或冒落规律的同时，放顶时应采取必要的加固措施，以保证生产安全。二、采煤工作面矿压显现的基本规律（二）老顶的初次来压初次来压步距大小与老顶厚度、岩性、地质构造有关，一般为20~35米，有时可达50~70米，甚至更大。初次来压的特点：顶板急剧下沉，支架载荷明显增加，顶板出现沿煤壁的裂隙，甚至发生台阶下沉现象，煤壁严重片帮、采空区顶板大面积垮落，形成巨大的声响和风流等。老顶断裂成岩块后的转动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。（二）老顶的初次来压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。（三）周期来压二、采煤工作面矿压显现的基本规律（三）周期来压周期来压步距，一般比初次来压步距要小，通常为初次来压步距的1/2~1/4倍，一般为5~12米，有时可达20~30米。三、采掘工作面周围的矿压显现特点分析（一）回采工作面周围的矿压规律及特点1.层面内图2-4采空区周围应力重新分布的概貌1–工作面前方超前支承压力；2、3、4–沿倾斜、仰斜及工作面后方残余支承压力三、采掘工作面周围的矿压显现特点分析（一）回采工作面周围的矿压规律及特点1.层面内图2-5回采工作面周围支承压力在煤层平面内分布示意图三、采掘工作面周围的矿压显现特点分析（一）回采工作面周围的矿压规律及特点2.顶底板方向图2-6支承压力在被开采煤层顶底板中分布示意图1–采动影响带边界；2–支承压力区；3–卸载区边界三、采掘工作面周围的矿压显现特点分析（一）回采工作面周围的矿压规律及特点2.顶底板方向图2-7煤体与采空区交界处底板岩层中的不同矿压显现区A.应力增高区，不应布置巷道B.应力降低区，受采动影响且距离较远，不宜布置巷道C.影响轻微区，适合布置巷道D.未受采动影响区。三、采掘工作面周围的矿压显现特点分析（一）回采工作面周围的矿压规律及特点3.工作面端头图2-8煤层凸出角处的叠合支承压力三、采掘工作面周围的矿压显现特点分析（二）巷道矿压特点分析1.受采动影响的沿走向方向的平巷图2-9工作面下顺槽顶底板移动的全过程曲线1–移动速度曲线；2–移近量曲线Ⅰ.巷道掘进阶段每天移近量，从几毫米至几十毫米，稳定期一般小于1毫米/天Ⅱ.无采掘影响阶段每天0.2~0.5毫米/天Ⅲ.采动影响阶段采前几毫米到几十毫米，占总移近量的10~15%；采后为20~30毫米/天，少数情况下40~50毫米/天，占50~60%Ⅳ.采动影响稳定带＜1毫米/天，高达1~2毫米/天，占5~8%Ⅴ.二次采动影响带10~30毫米/天，占20~25%。从掘进到报废整个服务期间，顶底板移近总量为：U=U0+v0t0+U1+v1t1+U2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巷道矿山压力显现三、采掘工作面周围的矿压显现特点分析（二）巷道矿压特点分析1.采动影响区沿倾斜方向的矿压显现分区图2-10采区斜巷中沿倾斜不同矿压显现带I.卸载带：宽为1~3米II.支撑压力带：宽为12~25米，k=2~3III.原岩应力带1—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2.不同类型覆岩开采后的破坏情况3.回采工作面附近应力集中两相邻采空区周围的应力分布4.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