顶板管理技术

顶板管理技术生产技术部2012 12 顶板管理是综采技术管理的重中之重 作为技术人员 我们必须熟知相关知识 进行合理顶板控制 实现科学管理 确保安全生产 提纲1 顶板管理的一些基本概念2 顶板事故防治技术 一 顶板管理的一些基本概念 1 顶板和底板煤层以上的岩层叫做顶板 煤层下面的岩层叫做底板 直接在煤层下面的岩层叫直接底 三种顶板 伪顶 直接顶 老顶 1 伪顶 在煤层和直接顶之间 有时存在一层厚度小于0 5米 随采随冒的软弱松散岩层 常见的伪顶有炭质页岩 泥质页岩等 2 直接顶 直接在煤层或伪顶上面 有一定强度 并会随回柱放顶而冒落的岩层 在老塘已冒落 采场内支架暂时支撑的顶板 常见的直接顶岩层有页岩 砂页岩等 采煤工作面的直接维护对象是直接顶 直接顶的稳定性对支架的选型 支护方式以及对引起工作面冒顶常常起主导作用 直接顶的稳定程度取决于三个因素 岩层本身的力学性质 直接顶岩层内由于各种原因造成的层理和节理裂隙的发育程度 直接顶的稳定性 完整性 还受到上覆老顶来压的影响 直接顶按稳定性分为四种类型 不稳定顶板多数为分层厚度较小 250mm 强度低 原生裂隙发育 初次垮落步距小于8m 采空区内形不成悬顶 如页岩 炭质页岩 粉沙岩 再生顶板等 对这种顶板如不及时支护 很容易造成局部冒顶 中等稳定顶板此类直接顶多为分层厚度在250 600mm的砂质页岩 厚层页岩 粉砂岩 泥质石灰岩等 岩层力学强度较大 有些岩层虽受到一系列裂隙所切割 但局部较完整 仍属中等稳定型 初次垮落步距一般为9 15 18 m 这类顶板 采前勿需提前支护 但采后必须及时支护 稳定 完整 顶板分层厚度大 600mm 裂隙不发育 比较完整 这种顶板一般悬露面积较大 初次垮落步距大于15 18米 稳定性好 不易发生局部冒顶 如砂岩 坚硬的砂页岩等 非常稳定顶板节理裂隙极少 顶板发育完整 这种顶板一般悬露面积大 稳定性非常好 采用自然跨落法管理顶板时 老塘顶板不易跨落 如致密砂岩 石灰岩等 3 老顶 基本顶 直接在直接顶上面 强度比较大 厚度在1 5米以上 大面积暴露后才断裂冒落的岩层 老顶又指运动时采场矿压显现有明显影响的传递岩梁的总和 它由明显影响采场矿压显现的一组或几组 传递岩梁 组成 该岩梁在工作面推进中能始终保持向煤壁前方和老塘矸石上传递作用力 常见的老顶岩层有砂岩 石灰岩 砂砾岩等 老顶的失稳和来压不仅对直接顶的稳定性有直接影响 而且对支护强度 支架具备的可缩量以及选择采空区处理方法等 都起着决定性作用 在采用全部垮落法的工作面中 在相同采高时 一般情况下老顶对工作面矿压显现的影响 主要取决于老顶离煤层的距离 冒落的直接顶充填原来由直接顶和煤层所占空间的程度 老顶距煤层越远 采高越小 则老顶来压越不明显 通常 把直接顶厚度M与采高h之比N N M h 作为衡量老顶对矿压显现影响程度的指标 也是老顶分级的重要指标 一般认为 级基本顶 N 5 称无周期来压或周期来压不明显的顶板 这时老顶的垮落与错动对工作面的支架无多大影响 级基本顶 2 N 5 为有周期来压顶板 老顶的失稳对工作面支架有较为严重的影响 级老顶 N 2 甚至没有直接顶 为周期来压严重的顶板 这时老顶悬露与垮落都将对工作面支架有严重的影响 级老顶 即特别坚硬 又无直接顶 这时常出现采空区内顶板上万平方米不冒落 当其垮落时 常形成暴风 顶板沿工作面煤壁切落 造成重大事故 级老顶 能塑性弯曲的顶板 一般只可能在薄煤层或厚度不大的中厚煤层的石灰岩顶板中才出现 老顶无明显周期来压三种情形 一是老顶岩梁强度低 初次来压步距 25m 周期来压步距小于8m 其二是厚煤层下分层开采 三是冒高大 充填效果好 允许老顶运动空间小 老顶周期来压明显老顶初次来压步距一般为25 45m 周期来压步距为8 15m 组成老顶岩梁数目一般1 2个 坚硬岩梁位于上方时 须避免坚硬岩梁对对下位岩梁产生动压冲击 老顶周期来压强烈组成这类老顶岩梁多为厚层砂岩 中粒石英砂岩等 强度高 初次来压步距 45m 老顶为一个或多个岩梁组成 日常顶板管理中 必须进行来压及顶底板情况的预测预报 顶板管理主要是管好直接顶和老顶 当直接底过于软弱时 会给顶板管理带来一定的困难 2 上覆岩层运动形成的三种力 1 矿山压力煤 岩 体采出以后 形成采动空间 围岩就要向采动空间运动 变形和位移 这种采动后存在于围岩之中 围岩内部应力 又促使围岩运动 作用于围岩边界上的外力 的力叫做矿山压力 矿山压力的形成是由于采动引起的 采动引起矿山压力的存在是绝对的 在矿山压力作用下 围岩发生运动 包括两帮 顶板和底板位移 变形和破坏 以及由此产生的支架受力或变形等明显的压力现象叫矿山压力显现 例如 顶板下沉 垮落 底板隆起 片帮 支架变形和折损等 矿山压力显现是矿山压力作用的结果和外部表现 是相对的 有条件的 存在矿山压力不一定有明显显现 如围岩因承受压力大小 自身强度 受力状态不同而运动发展程度不同 支架受力与变形程度也与支架的力学性质 支架对围岩运动的抵抗程度以及围岩来压时间和支架所处地点有关 衡量矿压显现程度的指标 顶板下沉量 指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板的相对移近量 实际测定是在回采工作面煤壁刚刚悬露的顶板处设置测杆 顶板下沉速度 指单位时间内的顶底板移近量 该指标反映顶板活动的剧烈程度 支柱变形与折损 随着顶板的下沉 采煤工作面支柱受载也逐渐增加 柱帽变形和支柱折损 顶板破碎情况 常以单位面积中冒落顶板面积所占的百分数表示顶板破碎情况 它常常用来衡量顶板管理好坏的质量标准 局部冒顶 工作面出现的局部塌落 采煤工作面顶板沿煤壁切落 大面积冒顶 此外 还有煤壁片帮 支柱插入底板 底鼓等一系列反映矿压显现的现象 采煤工作面矿压显现的基本规律 直接顶的垮落 常指跨落为1 1 5米 范围超过工作面全长一半 自开切眼起 直接顶的第一次垮落叫直接顶初次垮落 此时工作面煤壁至开切眼的距离称作直接顶初次垮落步距 直接顶初次垮落步距一般为6 20米 直接顶初次垮落以后 随着工作面不断向前推进 新暴露出的顶板要及时支护 工作面采空侧的支柱要不断回撤 直接顶将不断垮落 这一过程叫回柱放顶 老顶初次来压 当老顶第一次悬露达到极限跨距 发生失稳断裂而产生的工作面顶板大规模来压 称为老顶的初次来压 老顶初次来压一般比较突然 老顶初次垮落时 工作面煤壁距开切眼的距离 由开切眼到初次来压时工作面推进的距离 叫做老顶的初次来压步距 一般为20 35米 有的矿区可达到50 70m 甚至更大 老顶初次来压实现之后的模型 老顶的周期来压 老顶初次来压后 随着工作面的继续推进 老顶岩梁周期性折断下沉 工作面周期性地出现顶板下沉加快 下沉量变大 支柱载荷普遍增加 煤壁可能严重片帮 支柱折断 以及顶板台阶下沉等来压现象 叫做老顶的周期来压 老顶岩梁周期折断的距离叫做老顶周期来压步距 一般为老顶初次来压步距的1 4 1 2 2 支承压力巷道开掘后在其周边会形成应力集中 集中系数介于2 3之间 巷道两侧切向应力增高部分 作用于采场四周煤 岩 体上垂直方向的压力称为支承压力 即在煤层内开掘开切眼或进行回采而形成的垂直方向上的集中应力 它是矿山压力的组成部分 煤体边缘在支承压力作用下 按其变形特征可分为以下四个区域 小于原岩应力的松弛区 减压区 松弛区的宽度视煤层厚度 煤质软硬及围岩性质而不同 一般在5m以内 应力升高的塑性变形区 增压区 塑性变形区的宽度取决于开采深度 回采引起的支承压力集中系数 煤层厚度和煤质软硬等因素 并随着工作面推进和采动影响时间的延续而发展 一般为5 12m 增压区即是通常所说的支承压力区 弹性变形区 弹性变形区是由最大压力逐渐过渡到压力稳定的区段 其范围可由20 25m变化至35 40m 原岩应力区 稳压区 再进一步深入煤体 支承压力受采动影响极小 甚至可忽略不计 一般视为处于原岩应力状态 支承压力对开采煤层 顶底板 相邻煤层及其应力范围内的岩层都会产生很大影响 通常 支承压力会引起底鼓 片帮 冒顶等 支承压力显现 在开采煤层群时 支承压力的影响更大 在时间和空间上 支承压力的显现和变化非常复杂 如何根据工作面的围岩和开采条件 研究支承压力 选择合理的巷道布置 位置 时间 和支护方式 是顶板管理的重要内容之一 3 顶板压力顶板压力是指由顶板重量或下沉等原因 在支架上反映出来的力 工作面支架的工作阻力是用来对付顶板压力的 如果支架不让顶板下沉 则顶板压力有时会很大很大 既不经济也不可能 因此支架除了必须具备一定的支撑能力外 还必须有一定的可缩性 以适应顶板的下沉 目前较普遍用经验法来确定顶板压力 即顶板压力P为4至8倍采高岩重 P 4 8 Mr吨 米 式中 M 煤层采高 米r 顶板平均容重 体积力 吨 米 应用此公式要考虑直接顶的厚度 直接顶厚时取小的系数 直接顶薄时取大的系数 顶板压力的大小还与采用的采空区处理方法有关系 用充填法或缓慢下沉法时比用垮落法时小 4 支柱的初撑力 有效支撑力支柱的初撑力是指支柱对顶底板的主动支撑力 如人工打紧支柱 摩擦式 一般为200公斤 丝杆升柱器一般为800公斤 液压升柱器 液压枪 为3 5吨 主动预紧力 用来增加顶板层间接触应力防止顶板过早离层 有效支撑力是指支柱在支护期间 即顶板下沉期间支柱的实际工作阻力 随着工作面的不断推进 顶板暴露面积不断扩大 为了控制采场矿山压力和顶底板围岩移动 必须进行安全可靠且经济合理的支护 对其余那部分不需要的采空区 也必须进行及时处理 以减轻顶板对工作面的压力 因此 回采工作面的支护和采空区处理是顶板管理的主要内容 二 顶板事故防治技术 一 常见的顶板事故1 漏垮型冒顶 已破碎的顶板没有得到有效支护而冒落导致的冒顶 包括局部漏冒型冒顶 大面积漏冒型冒顶等 局部冒顶事故的原因及实现条件分析 原因 未及时支护已破坏的直接顶板发生冒落 实现条件 存在破碎 复合顶板 存在内应力场 未及时支护 发生时间及地点 采煤过程中 特别是爆破后出煤 单体支柱工作面回柱放顶过程中 2 推垮型冒顶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 包括复合顶板推垮型冒顶 金属网下推垮型冒顶 采空区冒矸冲入采煤工作面的推垮型冒顶 推垮型事故分析 原因a 直接顶离层 沿工作面断裂 b 支护初撑力不足 方式不合理 实现条件游离 自由六面体 的形成且支撑结构不稳a 特别当煤层倾角较大时 b 顶板离层 表现在产生一定的顶底板移近量c 顶板裂断来压 D 倾斜方向断层切割 下方发生局部冒顶 E 支护结构不稳 如不顺山势 无支架稳定性措施 发生时间及地点直接顶板第一次裂断或周期性裂断时刻 直接顶运动引起推垮型顶板事故发生原因及实现条件分析 3 压垮型冒顶由垂直于层面方向的顶板力压坏采煤面支架而导致的冒顶 包括老顶来压时的压垮型冒顶 厚层难冒顶板大面积冒顶 直接顶导致的压垮型冒顶 此外 也有可能出现综合型冒顶 压垮型事故分析 原因a 支护阻抗力不足b 支护缩量不够 实现条件a 老顶来压前 直接顶或下位岩梁离层 支护阻抗力不足 b 老顶沿煤壁切断 在内应力场支承 c 老顶来压冲击 发生时间及地点坚硬上位岩梁裂断来压时刻 压垮型顶板事故发生原因及实现条件分析 二 控制顶板的 三字 支护要诀支 护 稳1 支得起 就是要求支架在工作全过程中能够支撑住顶板所施加的压力 这里包括支撑力和可缩量两方面 如果支架支撑力不够 支撑不了顶板压力而被损坏 就无法再支撑顶板 如果支架可缩量不够 适应不了顶板下沉而被损坏 也无法再支撑顶板 从而导致压冒型冒顶 老顶来压时 顶板施加在支架上的压力比平时大得多 顶板下沉量也比平时大 因此 支得起主要是对直接顶而言 而对老顶 要利用支架的可缩量来适应 单体液压支柱和微增阻式摩擦金属支柱的可缩量大 只要选型合理和密度合适 一般就能支得起顶板 木支柱由于可缩量太小 不能适应老顶来压时顶板下沉量大而被破坏 集中载荷大的支柱首先被压断 然后载荷转移 各个击破 从而失去对顶板的支撑能力 直径16cm以上的木支柱 其最大工作阻力也可达到350kN以上 支撑力并不比单体摩擦金属支柱低 因此 使用木支架的工作面 当老顶来压 要特别注意防止工作面被压垮的问题 2 护的好所谓护得好 一方面要求采煤工作面支架能控制住采煤工作面的顶板使其一点都不冒落 另一方面应保证回柱工人在有支护的地点进行工作 既护顶又护人 如果护不好 则可能发生漏冒型冒顶 直接顶破碎的煤层 以及靠煤壁附近 工作面上下出口 断层破碎带附近 应特别注意漏冒问题 当采用单体支架时 对完整的直接顶使用戴帽顶柱即可 对中等稳定的直接顶 应使用棚子 顶梁应垂直裂隙布置 对破碎的直接顶 则顶梁上要加背板 甚至要背严 对于特别破碎的直接顶 用炮采时还需要掏梁窝超前支护 3 稳得住所谓稳得住 就是要求采面支架具有抵抗来自层面方向推力的能力 一旦顶板要沿层面方向运动或旋转 支架能抵抗得住 不至于被推垮 通常 煤层倾角越大 对支架稳定性的要求也越高 稳得住主要是针对直接顶的 也有针对老顶的 如果稳不住 则可能导致推冒型冒顶 提高支架的初撑力 防止下位岩层与上位岩层离层 是实现 稳得住 的重要措施 以下几种情况 要特别注意支架的稳定性 复合型顶板 且煤层倾角又较大 顶板中存在由断层 裂隙 层理等切割而形成的大块游离岩块 回柱后游离岩块就会旋转 从而推倒采煤工作面支架导致冒顶 在金属网假顶下回柱放顶时 若网上有大块游离