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煤矿地质与开采安全 主讲人 王增明手机蒙古煤矿安全培训中心 1 影响煤矿生产的地质因素 矿井水文地质与矿井防治水 矿井开拓方式及矿井生产系统 主要内容 煤矿开采技术 采掘工作面顶板控制与事故防治 矿井热害及防治 2 第一节影响煤矿生产的地质因素 一 煤系地层与煤层地壳是由岩石构成的 岩石按生成原因分岩浆岩 沉积岩和变质岩三大类 煤层是几千万年至几亿年前由古代植物残体大量堆积 在一定条件下经泥炭 成煤和变质作用形成的层状固体可燃矿产 煤层是煤系的重要组成部分 煤层的厚度及其变化是评价煤层工业价值的主要指标 也是选择煤矿开采设计的主要依据 煤层属于沉积岩 3 煤层常见有以下分类方法 1 煤层按层状分类为 层状煤层似层状煤层非层状煤层2 煤层按倾斜程度分类为 近水平煤层缓倾斜煤层倾斜煤层急倾斜煤层近水平煤层 地下开采时倾角8 以下的煤层 缓倾斜煤层 地下开采时倾角8 25 的煤层 倾斜煤层 地下开采时倾角25 45 的煤层 急倾斜煤层 地下或露天开采时倾角在45 以上的煤层 4 3 煤层按厚度分类为 薄煤层中厚煤层厚煤层薄煤层 地下开采时厚度1 3m以下的煤层 中厚煤层 地下开采时厚度1 3 3 5m的煤层 厚煤层是 下开采时厚度3 5m以上的煤层 5 二 矿井地质构造矿井地质构造是井田边界及其范围内的各种地质构造的统称 单斜构造 单斜构造示意图 6 岩层的产状要素产状三要素 走向 倾向 倾角 7 褶皱构造岩层在水平方向挤压力的长期作用下 所形成的各种弯曲变形 这些构造形态叫褶皱构造 褶皱构造中的每一个弯曲叫褶曲 它是褶皱构造的基本单位 褶曲的基本形态分为背斜和向斜两种 背斜 向斜 褶皱 8 断裂构造根据煤 岩 层断裂面两侧岩块相对位移的大小 分节理和断层两大类型 节理又称为裂隙或者裂缝 是指断裂面两侧的煤 岩 没有发生显著的位置移动的断裂构造 断层是指断裂面两侧的煤 岩 发生了显著的位置移动的断裂构造 断层的基本要素有断层面 断盘和落差 断距 等 9 断层分为正断层 逆断层和平移断层 正断层 上盘相对下降 下盘相对上升的断层 逆断层 上盘相对上升 下盘相对下降的断层 平移断层 两盘岩块沿断裂面作水平方向相对移动的断层 a 正断层 b 逆断层 c 平移断层 10 陷落柱陷落柱是分布在石灰岩地层中 有流动的地下水对石灰岩地层进行溶蚀作用形成的 当煤层下部分布有可溶性的石灰岩 白云岩 并有发育的岩溶时 岩溶可能坍塌而引起上覆岩层的跨落 破坏煤层的完整性 这种坍塌呈圆形的柱状体或底大顶小的圆锥体 称之为陷落柱 陷落柱的形成过程示意图 a 石灰中发育的岩溶 b 岩溶逐渐扩大 c 陷落柱形成 11 三 影响煤矿生产的地质因素 煤层厚度的影响 褶皱构造断裂构造陷落柱 地质构造的影响 12 第二节矿井水文地质与矿井防治水 一 矿井水害及其产生条件根据水源不同 矿井水害分为地表水害 老窑水害 孔隙水水害 裂隙水水害及岩溶水水害 充水水源充水途径充水强度 矿井水害发生的条件 13 矿井充水水源及通道 矿井充水水源通道 天然人为 水源通道 岩溶陷落柱 袭夺水源 封孔质量不佳的钻孔 大气降水 地表水 地下水 地震裂隙 断裂带 裂隙 隐伏露头 天窗 老窑水 顶板冒裂带 底板矿压破坏带 岩溶地面塌陷 水源通道 14 矿井充水程度及其指标矿井的充水程度指标 含水系数矿井涌水量 含水系数 富水系数 从生产矿井中排出的水量Q m3 与同一时期内煤炭产量T t 的比值 即 每开采一吨煤的同时 需要从矿井内排出的水量 据含水系数的大小 可将矿井的富水性划分为四个等级 涌水小的矿井KB10m3 t 15 矿井涌水量矿井涌水量是指单位时间内流入矿井的水量 常用q表示 根据矿井涌水量的不同 矿井的富水性也可分为四个等级 涌水小的矿井q15m3 min 16 二 矿井突水及其预测矿井突水 按采掘工作所处的阶段 可分为掘进突水与回采突水 按突水点与开采煤层所处的相对位置 可分为顶板突水 底板突水与煤柱突水 按突水相对于采掘工程进行的时间可分为即时突水与滞后突水等 依据突水点的水量大小 将突水点分为小突水点 Q 60m3 h 中等突水点 Q 60m3 h 600m3 h 大突水点 Q 600m3 h 1800m3 h 和特大突水点 Q 1800m3 h 4个等级 根据 煤矿防治水规定 突水量首次达到300m3 h以上或者造成死亡3人以上的突水事故称重大突水事故 17 矿井突水预兆 1 挂红 2 挂汗 3 空气变冷 4 出现雾气 5 水叫 6 顶板淋水加大 7 顶板来压 底版鼓起 8 水色发浑 有臭味 9 有害气体增加 10 裂隙出现渗水 煤矿安全规程 规定 当采掘工作面或其他地点出现透水征兆时 必须停止作业 采取措施 立即报告矿调度室 发出警报 撤出所有受水威胁地点的人员 18 突水水源分析与判别 直观分析法水文地质条件分析法水化学试验法及示踪试验水质判别模型法地下水动态分析法 突水的因素与预测影响底板突水的因素 含水层富水性及水压隔水层是底板突水的抑制因素断裂构造矿压是底板突水的触发与诱导因素 19 突水预测易发生突水地段 断层交叉或汇合处 断层尖灭或消失端一带 褶曲轴部裂隙密集带或小断裂密集带 背斜倾伏端一带 两条大断层相互对扭地带 即张扭性破碎带 与导水或富水大断裂成入字型连接的小断裂带 复合部位小断层与次级小褶曲轴在地层倾向急剧转折带上的复合部位 或小褶曲轴与地层倾向转折带的复合部位或平缓小褶曲翼部 压性断裂下盘 张性断裂上盘因富水性强 井巷通过或接近时往往发生突水 新构造活动强烈的断裂带 不同力学性质的断裂组成的断裂带 富水性强 易于发生突水 20 采掘前的突水预测 水文地质分区图 矿区或采区底板突水预测图 突水系数法采掘过程中的突水预测 钻探方法 放射性测量方法 物探方法 突水征兆的监测 21 三 矿井防治水技术路线 矿井防治水的基本方针基本原则 预测预报 有疑必探 先探后掘 先治后采综合防治措施 防 堵 疏 排 截 22 四 煤矿水害防治技术 地面防治水井下防水井下探放水疏放降压注浆堵水 23 第三节矿井开拓方式及矿井生产系统 矿井开拓方式开拓巷道在井田内的总体布置方式煤矿井下巷道分为 开拓巷道 准备巷道 回采巷道矿井开拓方式分类 按井筒形式分立井开拓 斜井开拓 平硐开拓和综合开拓按开采水平数目分 有单水平开拓与多水平开拓按阶段内的布置分连续式和分区式 24 二 矿井生产系统矿井生产系统由井下生产系统 地面生产系统和安全监控系统所组成 1 井下生产系统井下生产系统分为提升运输系统 通风系统 供电系统 排水系统以及压风系统 2 地面生产系统地面生产系统分为选煤系统 排矸与运料系统和地面管线系统3 煤矿安全监控系统 25 井下生产系统示意图 26 第四节煤矿开采技术 一 采煤方法的概念采煤方法是指采煤系统与采煤工艺在时间和空间上的相互配合 采煤系统 回采巷道的掘进一般是超前于回采工作进行的 它们之间在时间上的配合以及在空间上的相互位置关系 称为采煤系统 采煤工艺 在采煤工作面内按照一定顺序完成落煤 装煤 运煤 顶板支护和采空区处理各项工序的方法及其配合 称为采煤工艺 回采工作可分为基本工序和辅助工序回采工作的基本工序 落煤 装煤 运煤回采工作的辅助工序 工作面支护 采空区处理 移置运输机及采煤设备等 27 采煤方法分类 28 壁式体系采煤法 薄及中厚煤层单一长壁采煤方法 a 走向长壁 b 倾斜长壁 仰斜 c 倾斜长壁 俯斜 29 厚煤层分层开采的采煤方法 分层采煤法 倾斜分层水平分层斜切分层 a 倾斜分层 b 水平分层 c 斜切分层 30 回采顺序 分层的回采有下行式和上行式两种顺序 各先采上部分层 然后依次回采下部分层的方式称为下行式 先回采最下分层 然后依次回采上部分层的方式称为上行式 采空区处理方法 当用下行式回采顺序时 可采用垮落或充填法来处理采空区 采用上行式回采顺序时 则一般采用充填法 31 厚煤层整层开采的采煤方法 大采高一次采全厚的单一长壁采煤法 5m以下的缓斜厚煤层综采放顶煤采煤法 5m以上缓倾斜厚煤层掩护支架采煤法 急斜厚煤层 壁式体系采煤法具有的主要特点 通常具有较长的采煤工作面长度 通常在80 250m 在采煤工作面两端至少各有一条回采巷道 至少两个安全出口 也有利于通风和运输 随采煤工作面推进 顶板暴露面积增大 矿山压力显现较为强烈 采煤工作面可分别用爆破 滚筒式采煤机或刨煤机破 装煤 用与采煤工作面相平行铺设的刮板输送机运煤 用支架支护工作空间 用放顶垮落法或充填法处理采空区 32 柱式体系采煤法柱式体系采煤法包括 房式采煤法 房柱式采煤法 33 采煤工艺炮采工艺 炮采普通机械化采煤工艺 普采综合机械化采煤工艺 综采放顶煤采煤工艺 一次采全厚放顶煤预采顶分层网下放顶煤倾斜分段放顶煤 34 第五节采掘工作面顶板控制与事故防治 一 矿山压力概念原岩应力场矿山压力 矿压 矿山压力显现煤层顶板 伪顶 直接位于煤层之上 极易垮落的较薄岩层 它由泥岩 页岩等软弱岩层组成 厚度小于0 5m 常随采随落 直接顶 位于伪顶或煤层之上的一层或几层相同或不同的岩层 它由泥质页岩 页岩 砂质页岩等不稳定岩层组成 具有随回柱放顶而垮落的特征 其厚度是指回柱放顶后能在采空区自行垮落的岩层厚度 老顶 基本顶 位于直接顶之上的岩层 由砂岩 石灰岩 砂砾岩等坚硬岩石所组成 其厚度大于2m 自燃分层厚度较大 整体性较强 采空后能悬露较大面积 35 煤层底板直接底 位于开采层下面的岩层 当它为坚硬岩石时 可作为采煤工作面支柱的底座 如果是泥质页岩等松软岩层时 则常造成底鼓和支柱插入底板等现象 在开采急倾斜煤层时 直接底还可能出现沿倾斜滑动的现象 老底 位于直接底之下 一般由砂岩 石灰岩等坚固的岩层所组成 根据顶板的坚硬程度 稳定程度以及对工作面矿压影响程度 直接顶可分为四类 不稳定顶板 中等稳定顶板 稳定顶板和坚硬顶板 按老顶来压强烈程度不同 老顶可分为四级 级顶板 级顶板 级顶板 级顶板 36 巷道围岩压力矿山压力的分布规律1 采煤工作面周围压力分布 a 增压区 支承压力区 b 减压区 卸压区 cc 稳压区 原始应力区 37 2 工作面初次来压1 直接顶初次垮落2 老顶初次垮落与工作面初次来压老顶的初次来压步距 一般为20 35m 38 3 工作面周期来压老顶周期来压步距 一般为老顶初次来压步距的1 2 1 44 采空区上覆岩层移动情况根据破坏的特征 上覆岩层沿竖直方向自下而上分为 冒落带 裂隙带 弯曲下沉带 39 二 巷道掘进顶板控制技术 顶板控制方法 巷道保护 指为了预防巷道失稳或有效的减轻矿压危害而采取的各种技术措施 巷道支护 指借助于各种支架去预防巷道围岩产生过度变形和防止巷道冒顶 片帮的技术措施 巷道维护 维修 指对已进行过支护的巷道 为了改善已恶化的维护状况和恢复其稳定性所采取的一些措施 巷道支护材料 木支护料石及混凝土砌碹金属支架 矿工钢支护 U型钢支护锚杆支护喷射混凝土支护锚喷支护 40 三 巷道顶板事故的防治 造成巷道冒顶事故的因素 自然地质因素工程质量因素采掘工程因素管理因素 岩层层理影响镶嵌型围岩结构的影响岩层节理裂隙及破碎带影响地下水的影响 支架架设质量差掘进打眼爆破参数掌握不好 41 1 掘进工作面冒顶事故的原因及防治措施 巷道冒顶事故的预防措施 冒顶的原因冒顶事故的防治措施 严格控制空顶距离 严禁空顶作业加强安全检查 严格执行敲帮问顶制度在地质破坏区掘进巷道时要缩小棚距 在工作面附近应把棚子连成一体防止棚子被推垮 必要时还要打中柱以抵抗突然来压 及时整理爆破崩倒或崩歪的支架 42 2 支架支护巷道冒顶事故的原因及防治措施 冒顶的原因支架支护巷道的冒顶可分为压垮型 漏垮型和推垮型3类冒顶事故的防治措施 掘进工作面严禁空顶作业 支架间应设牢固的撑木或拉杆在松软的煤岩层掘进巷道时 必须采取前探支护或其他措施在坚硬稳定的煤岩层中 确定巷道不设支护时 必须制定安全措施可缩性金属支架应用金属支拉杆 并用机械或力矩扳手拧紧卡缆支架与顶帮之间的空隙必须塞紧 背实巷道砌碹时 碹体与顶帮之间必须用不燃物充满填实更换巷道支护时 在拆除原有支护前 应先加固临近支护 拆除原有支护后 必须及时除掉顶帮活矸和架设永久支护 必要时还应采取临时支护措施 在倾斜巷道中 必须有防止矸石 物料滚落和支架歪倒的安全措施 43 3 锚杆支护巷道冒顶事故的原因及防治措施 冒顶的原因冒顶事故的防治措施 预防锚杆支护巷道冒顶的措施 主要在于正确选择锚杆支护的参数 加强施工管理 保证工程质量 44 4 巷道交叉处及巷道贯通处冒顶事故的原因及防治措施 冒顶的原因冒顶事故的防治措施 开岔口应避开原来巷道冒顶的范围 必须在开岔口抬棚支设稳定后再拆除原巷道棚腿 不得过早拆除 切忌先拆棚腿后支抬棚 保证抬棚有足够的强度 开帮掘进的新巷与原巷的方位要保持较大的夹角 最好大于45 贯通前要进行超前探测 并处理好被透点的积水 瓦斯等有害气体情况 制定相应的安全措施 45 巷道维修及冒顶处理方法 1 巷道维修及冒顶处理的一般原则 先外后里先支后拆先上后下先近后远先顶后帮 2 巷道冒顶处理方法 1 直接支架法 2 撞楔法 3 锚喷法 4 木垛法 46 采煤工作面支架的基本要求采煤工作面支架架设的安全要求工作面放顶时安全要求综合机械化采煤时必须遵守的规定放顶煤时必须遵守的规定 四 采煤工作面顶板安全管理 支得起护得好稳得住 47 五 采煤工作面顶板事故及预防措施顶板事故是指在地下开采过程中 因为顶板意外冒落造成的人员伤亡 设备损害 生产中止等事故 采煤工作面顶板事故的分类 按冒顶范围的不同分 局部冒顶大面积冒顶按发生冒顶事故的力学原理分 压垮型冒顶漏垮型冒顶推垮型冒顶 压垮型冒顶是由垂直于层面方向的顶板力压坏采煤工作面支架而导致的冒顶 漏垮型冒顶是因已破碎顶板没有得到有效防护 受重力作用冒落而导致的冒顶 推垮型冒顶则是由平行于层面方向的顶板力推倒采煤工作面支架而导致的冒顶 48 压垮型冒顶的机理及防治漏垮型冒顶的机理及防治推垮型冒顶的机理及防治综合型冒顶的机理及防治在一次冒顶事故中出现压 漏 推的综合 但必有一个为主 按为主的预防即可 49 六 冲击地压及其防治 冲击地压的定义煤矿冲击地压 Rockburst Pressurebumpincollieries 又称煤爆 是指在一定条件的高地应力作用下 井巷或回采工作面周围的煤岩体由于弹性能的瞬时释放而产生破坏的矿井动力现象 常伴随有巨大的声响 煤岩体被抛向采掘空间和气浪等现象 它往往造成采掘空间中支护设备的破坏以及采掘空间的变形 严重时造成人员伤亡和井巷的毁坏 甚至引起地表塌陷而造成局部地震 50 冲击地压现状 煤矿冲击地压是一个世界性的灾害现象 从1738年英国的南史塔福煤田发生世界上第一次冲击地压以来 已有260年的历史了 其间在世界上发生冲击地压的国家除我国外 还有英国 波兰 法国 德国 俄罗斯 乌克兰 南非 美国 日本等23个国家和地区 我国最早记录的冲击地压是1933年在抚顺胜利矿发生的 我国煤矿进入80年代以来 矿井开采深度日益加大 如开滦矿务局开采深度已超过1200m 新汶矿务局开采深度也在1000m以上 大多数大中型矿井开采深度均已超过500m 51 冲击地压的特点 1 突发性 冲击前没有明显的宏观前兆 2 瞬时震动性 发生时伴有强烈震动和声响 人员和设备被弹起 地面地震感 3 破坏性 常使几米 几十米甚至几百米巷道支架破坏 造成巷道堵塞 人员伤亡 设备损坏 丢失煤炭 52 冲击地压发生的原因 53 冲击地压发生的机理理论 强度理论 井巷和采煤工作面周围产生应力集中 当应力达到煤岩体的强度极限时 煤岩体就会突然发生破坏 形成冲击地压 刚度理论 矿山结构 矿体 的刚度大于矿山负荷系统 围岩 的刚度是产生冲击地压的必要条件 能量理论 矿体 围岩系统在其力学平衡状态破坏时所释放的能量大于所消耗的能量时就发生冲击地压 冲击倾向性理论 煤岩介质产生冲击破坏的固有能力或属性 是冲击地压发生的必要条件 54 冲击地压的发生的条件 1 凡是发生冲击地压的煤层 都具有 三高一低 的特点 即 弹性 脆性 硬度较高 含水量低 干燥 大多数冲击地压的煤层顶板都十分坚硬 完整大面积不昌落 伪顶或直接顶较薄甚至没有 2 随着开采深度的增加 冲击地压次数和强度有增加的趋势 3 向斜轴部 断层附近 煤层或倾角发生变化的地点 是冲击地压密集区 4 两面或三面已采的孤独煤柱 受到从几个面传来的顶板压力 最容易产生冲击地压 5 在支承力带护达巷边 最容易引起冲击地 6 在上层煤的回采边界影响带内 容易发生击地压 55 冲击地压的预测 钻粉率指标法地音 微震法煤层围岩压力 变形观测法综合预测方法 56 冲击地压的防治 煤矿安全规程 规定 对有冲击地压危险的煤层 应根据预测预报等实际考察资料和积累的数