矿山压力与顶板灾害

矿山压力与顶板灾害华北科技学院安全工程学院副院长王玉怀教授主要内容一、顶板活动及矿压显现规律二、顶板事故类型及控制原则概述1.科学管理顶板：“合理顶板控制设计”和“支护质量与顶板动态监测”。2.管好顶板、最大限度地消除冒顶事故，必须：合理顶板控制设计；支护质量与顶板动态监测（矿压观测）。3.支护质量监测：支护参数是否符合合理顶板控制设计的要求。4.顶板动态监测：保证顶板处于良好状态，保证采场正常而安全的生产。顶板活动及矿压显现规律(一)、采场顶板活动一般规律(二)、巷道周围矿压显现规律(三)、采场周围应力分布规律(一)、采场顶板活动的一般规律1、顶板：煤层上方的岩层。2.顶板运动方式1)采煤后，顶板岩层按“分层”由下而上依次逐个下沉、断裂、冒落。2)“分层”可能是：--同一岩性的整体岩层--同一岩性中较厚岩层中的一部分岩层--由下硬上软不同岩性岩层组成的岩层，此时软岩层为硬岩层的附加岩层。3.分层的硬(强度大)与软(强度小)1)分层的硬与软，不仅与岩性和强度有关，而且与分层的厚度有关。2)分层厚度小的岩层，分层强度较小。3)分层厚度大的岩层，分层强度较大。4.老顶与直接顶1)顶板：煤层上方的岩层。2)老顶(牢顶)：厚度大于1.5~2.0m，较坚硬的分层，岩性多为砂岩、砂砾岩、石灰岩等。3)直接顶：直接在煤层上面，厚度小于1.5~2.0m，较软弱、下面又无老顶的分层，岩性多为页岩、砂页岩等。4)底板：直接在煤层下面的岩层。5.垮落带与裂隙带1)工作面工作空间与采空区；2)采空区处理方法：全部垮落法与充填法1)垮落带岩层(直接顶和老顶)：不支撑就会垮落的那部分岩层；2)裂隙带岩层(主要是老顶)：在其断裂、旋转、下沉及触矸过程中，岩块间能够互相挤紧，从而形成能够承受载荷的平衡结构，并把自身及附加岩层的重量加到采空空间周围的煤体及冒矸之上。6.采动后顶板活动的一般规律(1)直接顶的初次垮落—垮落厚度在1.0m以上，垮落长度达工作面长度的一半以上。垮落步距一般为6~20m。(2)老顶初次来压—工作面回采以来的第一次老顶大规模来压。初次来压步距一般20~35m。①如果直接顶厚度大于或等于2~4倍的采高，则能填满采空区，采面无老顶活动威胁。但老顶还是要弯曲、下沉和断裂的。②如果直接顶厚度小于2~4倍的采高，开始时老顶呈双固支梁状态，它把自身及上部岩层的重量都加到了工作面周围的煤体上，工作面无老顶压力感觉。③当老顶岩梁达到极限跨距时，弯曲、下沉、断裂。工作面顶板下沉加快、煤壁片帮、支架受力增加，甚至出现顶板台阶等老顶来压现象。(3)老顶周期来压—老顶初次来压后，周期性的断裂、下沉，工作面内周期性出现顶板下沉加快、煤壁片帮、支架受力增加，以及出现顶板台阶等老顶来压现象。周期来压步距一般为初次来压步距的1/2~1/4。(4)老顶来压的两个问题①当初撑力较低时，老顶往往断裂在煤壁之内。②老顶，可能是垮落带岩层—悬臂梁，裂隙带岩层—砌体梁结构。老顶往往断裂在煤壁之内。剪切力为零点在煤壁内，对应弯矩最大点。①老顶在采空区受剪力时；②老顶上位岩层对老顶施加力时；老顶的断裂性质不变，而且位置更深入煤体内。(二)、采区平巷矿压显现规律矿山压力显现就是由于矿山压力作用，使围岩煤体和各种人工支承物产生种种力学现象。本区段工作面采完后留下供下区段工作面复用的下部运输顺槽，从巷道开始掘进到开采工作完全结束巷道被废弃的全过程中，矿压显现要经历五个阶段，或分为5个不同的矿压显现带五个阶段：巷道掘进阶段(Ⅰ)、无采掘影响阶段(Ⅱ)、采动影响阶段(Ⅲ)、采动影响稳定阶段(Ⅳ)、二次采动影响阶段(Ⅴ)。工作面下部顺槽顶底板移近量的全过程曲线顶底板移近量，mm1号工作面1号工作面ⅠⅡⅢⅣⅤⅢ前Ⅲ后211——移动速度曲线；2——移近量曲线巷道掘进阶段(Ⅰ)在煤层或岩体内开掘巷道，破坏了原始应力平衡状态，就会引起围岩应力重新分布，表现为巷道一旦掘出，其围岩立即产生移动和变形。随着巷道掘出时间的延长，围岩应力分布较快趋向平衡，移动速度也由剧烈、衰减而趋向稳定。随巷道围岩性质，采深，掘巷方法等不同，掘进阶段矿压显现由剧烈转向稳定所经时间差别较大，短者只有几天，而长者可达1~2月，相应地掘进阶段引起的顶底板移近量差别也较大。无采掘影响阶段(Ⅱ)这个阶段的围岩移动主要是由于流变所引起，即变形量是时间的函数。由于随时间增长变形的增量极为微小，这个阶段的顶底板移近速度比掘巷期间要小得多，故巷道基本上处于稳定状态。采动影响阶段(Ⅲ)因岩层运动规模大，这阶段中矿压显现最强烈。超前影响距离由10~20m至40~50m不等，峰值区位于工作面后方5~20m范围内。该处顶底板移近速度很大，巷道断面急剧缩小，支架变形折损常很严重，是巷道维护最困难的地段。工作面后方40~60m处，采空区上方岩层运动即逐渐趋于稳定，采动影响明显变小，从而进入采动影响衰减区。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阶段，故其围岩移动基本特征上与无采动影响阶段类似，这个阶段中的围岩平均移动速度一般还比无采动影响阶段稍大一些。进入采动影响稳定阶段的距离，少者从工作面后方50~60m处开始，但多数情况是在100~120m以外。二次采动影响阶段(Ⅴ)处于采动影响稳定阶段的巷道，在下区段回采时，由于开采面积进一步扩大，重新引起顶板岩层失稳和运动，将再次受到采动影响。二次采动影响的时间和空间规律与一次采动影响类似，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。(三)、采场周围应力分布规律工作面前方形成的移动超前支承压力。其余三边形成残余支承压力。12341—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1.采场周围应力分布一般规律对于移动性支承压力，其峰值大小可能比原岩应力γH增高1~3倍，即应力集中系数K=2~4，对于固定性支承压力一般K=2~3。在离工作面一定距离的后方采空区内，也可能出现峰值较小（Ｋ＝１~1.3）的支承压力，称为采空区支承压力。上区段采空区的残余支承压力与下区段工作面的超前支承压力叠加，形成峰值很高的叠合支承压力。叠合支承压力的峰值可能比原岩应力增高4~6倍（即Ｋ＝5~7），有时甚至更高。140000kNm10000600020000(γH)上区段采空区下区段采空区推进方向煤层凸出角处的叠合支承压力2.支承压力的影响范围超前支承压力峰值位置深入煤体内的距离约为2~10，其影响范围视具体情况不同，可达工作面前方20~30至90~100。支承压力影响区压力峰值所在位置留区段煤柱时回采空间垂直应力等值线分布1—采动影响带边界；2—支承压力区；3—卸载区边界123213.煤柱及停采线下方底板岩体内的矿压显现煤柱下方底板垂直应力等值线分布。煤柱载荷均布，应力集中系数为3。煤体与采空区交界处底板垂直应力等值线分布γ－上覆岩层容重；H－埋藏深度：φ－底板岩石应力升高区的扩展影响角；Z－被跨巷道与上部回采煤层间的法线距；X-被跨巷道与上部回采煤柱边缘的水平距主要内容一、顶板活动及矿压显现规律二、顶板事故类型及控制原则(一)、顶板事故类型按冒顶的力源进行分类(1)压垮型：由垂直于层面方向的顶板力压坏采场支架而导致冒顶。(2)漏冒型：因已破碎的顶板没有得到有效防护受重力作用冒落而导致的冒顶。(3)推垮型：由平行于层面方向的顶板力推倒采场支架而导致的冒顶。(4)综合型：两种或三种综合出现。1、压垮型冒顶老顶来压时的压垮型冒顶（1）垮落带老顶岩块压坏采场支架。（2）垮落带老顶岩块冲击压坏采场支架。（3）裂隙带老顶岩块压坏采场支架。难冒顶板的压垮型冒顶直接顶的压垮型冒顶2）漏冒型冒顶(1)靠煤壁附近的局部冒顶。(2)单体支柱工作面两端的局部冒顶，包括机头、机尾处的局部冒顶，工作面与巷道交接处的局部冒顶。(3)放顶线附近的局部冒顶。（1）金属网下的推垮型冒顶。（2）采空区冒矸冲入采场的推垮型冒顶。3）推垮型冒顶4）其他类型的冒顶（1）厚层难冒顶板导致的大面积冒顶。（2）断层带附近的冒顶。（3）直接顶中出现游离岩块导致的冒顶，包括复合顶板推垮型冒顶、旋转推垮型冒顶、游离岩块的压垮型冒顶等。(二)、对采场支架的基本要求1）根据上述分析，采场冒顶又压、漏、推事故。2）则要求支架又支、护、稳来治理冒顶。压垮型推垮型漏垮型支护稳(三)、顶板控制原则采场控顶设计的目标：一、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；二、所需费用最少。控顶原则之一—预防压垮型冒顶1.采场支架或支柱的工作阻力应能支撑住工作空间及采空区上方垮落带岩层的重量（支）。2.采场支架或支柱的初撑力应能保持直接顶与老顶或下位2~3m岩层与上位岩层之间不离层（切）。3.采场支架或支柱的可缩量应能适应裂隙带岩层的下沉（让）。4.对厚层难冒顶板，应松动碎裂2~3倍采高顶板岩层，或在工作面前方有钻眼爆破，高压注水松动碎裂顶板，或在采空区挑顶（挑）。控顶原则之二—预防漏冒型冒顶1.综采时，如果直接顶比较软弱，液压支架应在掩护式或支撑掩护式中选用，且端面距不宜超过340mm。2.单体支柱工作面，如果直接顶比较软弱，支柱必须带顶梁，顶梁上还须背板，甚至背严。柱距小于0.7m，同时端面距小于200mm。3.综采支架的初撑力应保证端面冒高不超过300mm；单体支柱的初撑力应保证端面冒高不超过200mm。4.工作面推进过程中，若遇较大断层带，应考虑采用固结法处理碎顶。控顶原则之三—预防推垮型冒顶1.支架能够保证煤层上方2~3m岩层与上位岩层不离层，并能沿切顶线主动切断下位2~3m岩层。2.单体支柱工作面，金属网下采煤时，初撑力应保证网兜高度不超过150mm。3.复合顶板下，初撑力应能把下位软岩层顶紧到上位硬岩层，并使其间的摩擦力足以防推。4.摩擦支柱面，采用“整体支架”防推。(四)、预防冒顶事故的控顶设计—特点1.要求支架（支柱）有一定（较高）的初撑力来防压、防漏、防推。--工作阻力是压出来的，而初撑力是主动支撑顶板的2.均按最不利的条件，确定支护参数。--因为对于顶板事故是不允许有半点差错的。