矿山顶板事故防治第一二三章.ppt

煤矿顶板事故防治技术,太原理工大学矿业工程学院,第一章煤矿事故概况,第一节综述 瓦斯煤尘爆炸事故次数占事故总数的29.5%，伤亡人数占总数的52.31%，居各类事故之首； 其次是顶板事故，发生次数占总次数的23.5%，伤亡人数占总数的8.81%,如果统计死亡1-2人的顶板事故，顶板事故占总数的49.86%，死亡人数占总数的35.67%，可见顶板事故对煤矿安全生产的影响之大。,1950-2003年煤矿各类事故发生起数及死亡人员统计,第二节 顶板事故发展趋势 1954-1985年 顶板事故死亡人数占总数的45%，其中工作面顶板事故占75%，巷道顶板事故占25%； 1986-1992年顶板事故死亡人数占总数的40%，其中工作面顶板事故占66%，巷道顶板事故占34%； 顶板事故总体呈下降趋势，其中工作面顶板事故亦呈下降趋势，而巷道顶板事故呈上升趋势。,第二章矿山压力及其显现概述,第一节 矿山压力及其在围岩中的分布 一、矿山压力的概念 原岩体：地下岩体在受到人类工程活动影响前称为原岩体 。 原岩体在地壳内各种力的作用下处于平衡状态。 矿山压力： 由于在地下进行采掘活动而在井巷、硐室及回采工作面周围煤、岩体中和支护物上所引起的力，就叫做矿山压力,二、矿山压力的来源,（1）上覆岩层的重力(自重应力) 由于上覆岩层的重量所应起的力成为自重应力。 自重应力可以通过计算得出：,如在深部，岩层呈现塑海姆法则，即,（金尼克假设）,(2)构造运动的作用力(构造应力),由于地质构造运动而在岩体内积存的应力称为构造应力。特点： 一般情况下地壳运动以水平运动为主，构造应力主要也是水平应力，而且地壳运动总的来说是以挤压运动为主，所以水平应力以压应力占绝对优势。 构造应力分布很不均匀，主应力的大小和方向往往有很大变化。 岩体中的构造应力具有明显的方向性，通常两个方向的水平应力值是不相等的。 根据测定，岩体中的构造应力普遍存在以下规律： 最大水平应力最小水平应力垂直应力 在坚硬岩层中，出现构造应力一般比较普通；在软岩中，储存构造应力很少。,(3)岩体膨胀的作用力(膨胀应力) 包括岩体因温度升高或遇水膨胀而产生的应力。 温度主要与开采深度有关。在一般深度条件下，由于温度应力与自重应力及构造应力相比很小，因此，只是在开采深度比较大的条件下才需要考虑。 泥质岩石特别是含有蒙脱石等吸水很强成分的情况下，遇水膨胀可以产生很高的膨胀应力，是巷道矿山压力的一个重要来源。（铝土岩）,第二节 矿山压力显现,一、概念及基本形式 矿山压力显现：矿山压力显现是指在矿山压力作用下所引起的一系列力学现象。 基本形式： 如围岩变形、顶板下沉、岩体离层、破坏和冒落、煤体压酥、片帮和突出、支架受载、变形、折断以至大规模岩层移动、“放炮”等现象，均称之为“矿山压力显现”。所以，矿山压力显现是矿山压力作用的结果和外部表现。,图2.1 矿山压力显现的基本形式,顶板下沉与支架承载,顶底板移近,两帮鼓出,冒顶、片帮,矿山压力显现,围 岩 运 动,支 架 受 力,两 帮 运 动,顶 板 运 动,底 板 运 动,载 荷 增 减,支 架 压 折,支 架 变 形,概念？,采动后表现出的矿山压力现象,矿山压力控制： 人为减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的各种方法，叫做“矿山压力控制”，简称矿压控制。 把矿山压力显现控制在合理的范围，这是矿山压力控制的根本目的。,二、矿山压力与矿山压力显现间的关系 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。但矿山压力的显现则是相对的、有条件的，它是矿山压力作用的结果。然而，围岩中有矿山压力存在却不一定有明显的矿山压力显现。因为围岩的明显运动本身是有条件的，只有当应力达到其变形强度后才会发生。支架受力也是如此，它不仅取决于围岩的明显运动，而且还取决于支架对围岩运动的抵抗程度。 压力显现强烈的部位不一定是压力高峰的位置。研究表明，在岩层运动发展过程中，矿山压力与矿山压力显现之间存在一定的对应关系，根据两者间的关系，可以通过矿山压力的显现来推断压力高峰的位置。 就某一点而言，压力显现的变化幅度与该点压力的增减幅度是相关的、对应的，但不一定成正比。,三、影响矿山压力显现的因素 1深度越大，巷道越难维护，但维护费用的增加并不与深度成正比。浅部巷道的矿压主要表现在顶部，深部巷道 的矿压则来自四周，并有冲击地压现象。 2岩层性质的影响 岩体内摩擦角小，结构面发育，则矿压显现显著。在缓倾斜岩层中矿山压力主要来自顶板；急倾斜岩层中矿山压力来自顶底板，在巷道中表现为两帮压力较大。在强度较大的岩体中，顶压较明显；在强度低的岩体中，四周压力较明显，底鼓影响严重。遇水膨胀的岩体最难维护。 3地质构造的影响 在向斜轴、背斜轴、压应力断层或剪应力断层附近等应力集中区，矿山压力较大。因为构造应力的最大主应力垂直于巷道轴向，平行于这些构造走向的巷道更难维护。,4巷道尺寸和形状的影响 巷道的矿山压力与巷道尺寸成正变关系。巷道的形状对弹性状态的周边应力影响较大，对塑性区的大小影响较小，巷道形状对支架的受力情况有较大的影响，曲线形巷道断面易于维护。 5时间影响 由于岩石不断移动，塑性区将不断扩大，岩体强度又逐渐削弱，矿山压力也将随时间而增加。如果维护措施得当，强度较大的岩体将在短时间内趋于稳定，软弱岩体则将持续很长时间。 6. 其它采掘工程的影响 采掘工程将引起周围岩体中应力重新分布及岩体移动。凡处于这一影响范围的巷道，矿压显现将加剧。,矿山压力的来源,矿山压力,根源？,采动前的原岩应力,随采深的增加而 增加是不确切的,来源？,1.岩层重力 2.构造运动作用力 3岩体膨胀作用力,各点主应力的大小、方向、垂直应力与水平应力之间的比值等决定了采动后围岩应力重新分布的规律,第三章 采煤工作面上覆岩层移动规律,第一节 概 述 一、煤层顶底板岩层的构成 采煤工作面上方的岩层顶板 下方的岩层底板 回采工作面或采场： 直接进行采煤或采有用矿物的工作空间。,1、基本顶；2、直接顶；3、伪顶；4、煤层；5、底板岩层,煤层顶底板岩层,伪顶：在煤层与直接顶之间有时存在厚度小于0.30.5m、极易垮落的软弱岩层。随采随冒，一般炭质页岩、泥质页岩等。 ； 直接顶：直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层。通常由具有一定稳定性且易于随工作面回柱放顶而垮落的页岩、砂页岩或粉砂岩等岩层组成。 基本顶(老顶)：位于直接顶 (有时直接位于煤层)之上对采场矿山压力直接造成影响的厚而硬的岩层。一般是由砂岩、石灰岩及砂砾岩等岩层组成。 直接底：直接位于煤层下面的岩层。,二、采煤工作面上覆岩层移动及其破坏,在采用长壁采煤法时，随着采煤工作面的不断向前推进，暴露出来的上覆岩层在矿山压力的作用下，将产生变形、移动和破坏。根据破坏状态不同，上覆岩层可划分为图31所示的三个带：,冒落带。指采用全部垮落法管理顶扳时，采煤工作面放顶后引起的煤层直接顶的破坏范围(图中)。该部分岩层在采空区内已经垮落，而且越靠近煤层的岩石就越紊乱、破碎。在采煤工作面内这部分岩层由支架暂时支撑。 裂隙（缝）带。指位于冒落带之上的岩层。这部分岩层的特点是岩层产生垂直于层面的裂缝或断开，但仍能整齐排列(图中)。 弯曲下沉带。一般是指位于裂隙带之上的岩层，向上可发展到地表。此带内的岩层将保持其整体性和层状结构(图中)。,冒落带和裂隙带的总厚度，一般为采高的6倍8倍。,裂隙带岩层在水平方向上可以分为3个区：煤壁支撑区、离层区和重新压实区，如图所示。 (1)煤壁支撑影响区：它是由于工作面煤壁支撑而使顶板呈拉伸变形形成的。范围从工作面前方3040 m一直到工作面后方48m，该区内顶板水平移动较为剧烈，垂直移动则甚微，在有些场合垂直位移还会出现负值（即岩层上升现象）。 (2)离层区：范围从工作面后方48m至30m左右，该区内顶板急剧下沉、断裂，且各层下沉的速度由下向上逐渐减少，并且层间的离层现象随着距煤层距离的增加而愈多。 (3)重新压实区：位于工作面后方30 m以外，该区内已断裂的岩层又重新被采空区冒落的歼石支撑，由下向上各岩层的下沉速度逐渐增大，层间进入相互压实的过程。,采煤工作面上覆悬露岩层破坏的运动形式决定着矿山压力的显现规律及对控制的要求。 上覆岩层自悬露发展到破坏，基本上有两种运动形式，即拉破坏和剪断破坏。 1拉破坏,(a)-随工作面的推进，上覆岩层悬露； (b)在重力作用下弯曲； (c)岩层弯曲沉降到一定程度后，伸人煤体的端部裂开； (d)中部开裂； (e)岩层冒落。,2剪断破坏 岩层悬露后只产生较小弯曲下沉，悬露岩层端部即开裂，见图(a)； 在岩层中部末开裂(或开裂很少)的情况下，岩层大面积整体塌垮，见图(b)。 运动范围大、速度快，工作面有明显的动压冲击。极易发生顶板沿煤壁切下的重大冒顶事故。 有时也会发生台阶下沉，使支柱回撤工作非常困难。 控制这类顶板破坏，工作面支架必须有较高的初撑力。,产生悬露岩层剪断破坏的条件： 当工作面煤壁推进至岩梁端部开裂位置附近时，断裂面上的剪应力超过一定限度，虽然其中部尚未开裂，但只要下部有少量运动空间，岩层即可能被剪断而整体塌垮。,3两种破坏形成的转化 岩层的两种破坏形式随地质及开采条件的变化而相互转化。 (1)当工作面推至岩层端部开裂位置附近，提高推进速度可能会使原来呈弯拉破坏的岩层转变为剪切破坏的运动形式。在日常来压比较均匀的工作面，高产后往往会出现切顶事故，破坏形式的转化就是其原因。 (2)强制放顶改变坚硬岩层的厚度，可以排除整体塌垮的威胁，从而使剪切破坏形式转化为弯拉破坏形式。 (3)分层开采的厚煤层，若采用上行式开采程序，通过下部几个分层的开采，使坚硬(可能发生剪切破坏)的顶板岩层受到重复的采动影响，产生裂缝，可减小突然剪断的可能性，从而可转化为弯拉破坏的运动形式。 (4)在工作面推进方向上遇到与煤壁平行的断层，使原来弯拉破坏的岩层可能向整体切断的运动形式转化。这是因为断层破坏了岩层的连续性，当工作面推到断层部位时，岩层悬露尚未达到中部裂断所必须的跨度，可能出现整体切断危险。,第二节 直接顶的移动规律,直接顶的初次垮落：采煤工作面自开切眼开始推进后，直接顶岩层一般并不立即垮落。待推进一定距离后，直接顶悬露面积超过其允许值，才会大面积垮落下来，称为直接顶的初次垮落(初次放顶) 。 初次垮落距：工作面自开切眼推过一段距离后，直接顶悬露达到一定跨度，采空区进行初次放顶，直接顶开始垮落，此时直接顶的跨距成为初次垮落距。 直接顶结构特点：在推进方向上不能保持水平力的传递。 控制直接顶的基本要求是：支架应能承担其全部重量。,一、直接顶厚度(冒高)的确定,一般，K=1.251.35,1不考虑岩层本身沉降的推断方法,2考虑岩层本身沉降的推断方法,二、影响直接顶厚度(冒高)的主要因素 1采高的影响 冒落高度与采高近似成正比 2岩梁允计沉降值So及岩梁实际沉降值SA的影响 S0的大小主要由岩层的厚度、强度及在推进方向上裂隙发育情况等因素决定。 3岩梁触矸处已冒岩层碎胀系数的影响 已冒岩层的碎胀系数岩层的岩石力学性质及结构情况、顶板处理方法有关 。 强度高、节理裂隙发育的砂岩或坚硬砂岩强制放顶时，K13135；强度较低的一般岩层(粉砂岩、页岩等)时，K125128。 K愈大，则冒高值(hZ)愈小。当岩层坚硬，产生整体切断时： K1、hz。表明上部软岩随其下部坚硬岩层整体塌落时，上覆岩层将冒到上部坚硬岩层为止，甚至达到地表。,4采空区顶板处理方法的影响 (1)采用充填法可以减小冒高值 (2)采用强制放顶可以将可能整体垮落的采场向一般采场转化。此时冒高值即为强制放顶的岩层厚度。 5开采程序的影响 在有整体垮落危险的坚硬顶板岩层条件下，实行反程序开采，可避免切落危险。,第三节 老顶的移动规律,老顶的运动一般有两种形式。 1老顶的缓慢下沉 若采高较小，直接顶厚度较大，直接顶岩层可能呈不规则垮落而充满采空区。 老顶岩层缓慢下沉时，破断的岩块之间互相啮合饺接，这时，老顶岩层将其自身和上部岩层的部分重量传递到前方煤壁和后方冒落矸石上，采煤工作面内的矿山压力显现不明显，对顶板管理有利。 2老顶呈长岩梁断裂 当直接顶厚度较小或工作面采高较大时，直接顶冒落后将不能充满采空区,这时老顶的运动情况如下： (1)老顶的初次垮落 极限跨距：老顶岩梁达到断裂时的跨距称为极限跨距。 拉破坏： 按固定梁计算 ： 按简支梁计算 ：,剪断破坏：,式中：L-极限跨距；h-老顶岩梁厚度； q-老顶上的载荷；RT-老顶岩梁抗拉强度； RS-老顶岩梁抗剪强度,同样条件下，按简支梁计算比固定梁计算 小；剪切应力时最大。,老顶岩层达到极限悬跨度形成断裂后，并不一定立即垮落，（老顶由开始破坏直至垮落常需要一定的时间，甚至在老顶垮落前的2d一3d即出现顶板断裂的响声等来压预兆。在垮落前1h一2h，采空区可能发生隆隆巨响，通常煤壁片帮严重，顶板产生裂缝或掉渣，其下沉量及下沉速度明显增加。支架载荷迅速增高。）岩块间由于互相咬合关系也可能形成平衡，如图4-l所示。由于岩层抗拉强度较小，因而在断裂时很可能在梁的中间底部及两侧支座的上部裂开。随岩块的转动，可能形成强大的水平挤压力，从而形成三铰拱式的平衡结构。,三铰拱形成的条件是： (1)咬和点处形成的应力应小于岩块的抗压强度。若超过该处的抗压强度极限，就会咬合不住，从而导致岩层的垮落。 (2)在挤压过程中岩层有一定的厚度，从而保证中间的铰接点b在两端铰接点a、c连线之上，形成三铰拱式的平衡。但岩层厚度也不能过大，否则也可能咬合不住。 (3)三铰拱两端支座处岩块与煤壁的摩擦力要大于支座反力。 老顶初次来压时，老顶跨度较大，影响范围也较广，工作面易出现事故，因此在生产过程中应严加注意。在来压期间，必须注意采煤工作面的支护质量，加强支架的支撑力，增强支架的稳定性。一般可以采用木垛、戗柱等加强支护。,老顶的初次来压：由于老顶第一次失稳而产生的工作面顶板压力突然增大的现象称为老顶的初次来压。 老顶的初次垮落（来压）步距：由开切眼到老顶初次垮落（来压）时工作面推进的距离称为老顶的初次垮落步距。 初次垮落步距取决于老顶岩层的岩性、厚度和裂隙发育程度。一般情况下老顶的初次垮落步距为20m35m。有的矿区可达50m一70m，甚至更大。 特点：顶板下沉量和下沉速度增加、支架载荷增大、煤壁片帮、顶板产生裂缝或掉渣、出现顶板断裂的响声等 。,(2)老顶的周期性垮落 老顶初次垮落后，随着采煤工作面继续推进，工作面上方的老顶岩层将呈悬露状态。此时，上覆岩层的重量将由老顶的悬臂直接传递给煤壁，部分上覆岩层及已折断的老顶重量将直接加在已垮落的矸石上，采煤工作空间处于老顶悬梁的保护之下。 当采煤工作面继续推进，老顶悬露跨度达到一定长度时，老顶在其自重及上覆岩层载荷作用下，将沿煤壁甚至在煤壁内发生折断和垮落 。 老顶的周期来压：老顶的初次来压以后，随工作面推进老顶岩层形成的裂隙体梁结构由稳定到失稳而导致回采工作面顶板压力周期性增大的现象。 周期来压（垮落）步距：相邻两次周期来压（垮落）之间回采工作面推进的距离。,周期来压步距取决于老顶的岩性、厚度、老顶上方岩层的组成情况等因素。 老顶的周期来压步距常常是按老顶的悬臂式折断来确定。,式中：L-极限跨距；h-老顶岩梁厚度； q-老顶上的载荷；RT-老顶岩梁抗拉强度；,老顶初次断裂的极限跨距（按固定梁计算 ）,则周期来压步距相当于初次的1/2.45,周期来压的矿压显现有： 顶板下沉速度急剧