煤矿地质、防治水安全管理

煤矿地质与安全,王世栋二O一二年八月,主要内容,煤矿地质顶板管理顶板事故煤矿防治水水害事故,主要内容,煤矿地质顶板管理顶板事故煤矿防治水水害事故,煤矿地质,一、煤层的赋存状况及分类二、煤层顶底板三、地质构造四、矿井井巷的名称及分类五、矿井生产系统,地球不是均质体，其物质组成的分布呈同心圈层结构。大致以地壳表层为界分为外圈和内圈。外圈包括：大气圈、水圈、生物圈。内圈包括：地壳、地幔、地核。具体结构见下表,一、地球的圈层结构,第一节地质作用等,一、地球的圈层结构,第一节地质作用等,一、地球的圈层结构,第一节地质作用等,(一)地质作用的概念凡是由自然动力所引起的地壳物质成分、内部结构以及外部形态发生变化和发展的过程称为地质作用。(二)地质作用的分类根据地质作用的能源不同，地质作用分为两大类：内力地质作用、外力地质作用。,第一节地质作用等,二、地质作用,(三)内力地质作用的概念和分类1.内力地质作用由地球内部能量引起的地壳物质成分、内部构造、地表形态发生变化的地质作用，叫内力地质作用。2.按作用的性质和方式，内力地质作用分为地壳运动、地震作用、岩浆作用、变质作用。,第一节地质作用等,二、地质作用,(四)外力地质作用的概念和分类1.外力地质作用外力地质作用是指以地球外部的太阳能以及日月引力能为能源，并通过大气、水、生物因素所引起的风、雨、冰雪、冰川、河流、海浪等营力产生各种地质作用。2.外力地质作用分类外力地质作用包括：风化作用、剥蚀作用、搬运作用、沉积作用、固结成岩作用等。,第一节地质作用等,三、地壳物质组成,地壳由岩石组成，岩石是矿物的集合体，矿物由化学元素结合而成。(一)矿物矿物是地壳中的一种或多种化学元素在各种地质作用下形成的天然单质或化合物。矿物是组成岩石和矿石的基本单位。到目前人们所认识的矿物已达2000多种。,第一节地质作用等,三、地壳物质组成,(一)矿物矿物的形态可以分为两类：单体的形态与集合体形态。1.矿物单体的形态,第一节地质作用等,三、地壳物质组成,(一)矿物2.矿物集合体的形态,第一节地质作用等,三、地壳物质组成,(二)岩石岩石是构成地壳和上地幔固态部分的基本物质，它是天然产出的一种或多种矿物在各种地质作用下形成的、具有一定结构、构造的集合体。,第一节地质作用等,三、地壳物质组成,(二)岩石按成因分为三大类：岩浆岩（火成岩）、沉积岩、变质岩。1.岩浆岩：岩浆冷凝后形成的岩层，如花岗岩、玄武岩等。,第一节地质作用等,三、地壳物质组成,(二)岩石2.沉积岩：由先形成的三大类岩石经风化、剥蚀、搬运作用形成的岩石。其特点是成层状态。如砾石、砂岩、页岩、石灰岩、煤等。,第一节地质作用等,三、地壳物质组成,(二)岩石3.变质岩：受变质作用或高温高压作用已改变了成份和性质的岩石。如大理岩、石英岩、千枚岩、片岩和片麻岩等。,第一节地质作用等,三、地壳物质组成,(二)岩石由于地质作用的复杂性、多期性与漫长性，三大类岩石之间可以相互转化。,第一节地质作用等,三大岩石相互关系,岩石循环转化示意,四、地史的概念,年代地层单位和地质年代单位1.概念：1)年代地层单位地层单位，代表一定时间范围内形成的地层依据：生物演化的阶段性。顶底界面具有严格的等时性。2)地质年代单位时间单位，代表地史中一定时间范围。,第一节地质作用等,四、地史的概念,年代地层单位和地质年代单位2.二者具有对应关系年代地层单位地质年代单位宇宙界代系纪统世阶期时带时,第一节地质作用等,二、地层单位分类,年代地层单位和地质年代单位3.地质年代表,第一节地质作用等,第二节煤的形成及煤系,一、煤的形成二、煤系的概念,一、煤的形成,(一)煤形成的主要影响因素煤是由古代植物遗体演化而形成的。煤层的形成受以下因素的影响：(1)古植物条件(2)古气候条件(3)古构造条件,第二节煤的形成及煤系,一、煤的形成,(二)成煤作用植物遗体堆积，到转变为煤的全部过程叫成煤作用。这个过程经历了复杂的生物化学作用和物理化学作用。成煤作用分为二个阶段：泥炭化（腐泥化）阶段煤化阶段（包括成岩作用和变质作用）。,第二节煤的形成及煤系,(二)成煤作用1.泥炭化（腐泥化）阶段植物繁殖、死亡、堆积，在微生物作用下不断分解、化合、聚积，高等植物形成泥炭，低等植物形成腐泥。1)腐泥化作用(1)概念低等植物和浮游生物在湖泊、泻湖、海湾等还原环境中转变成腐泥的生物化学作用叫腐泥化作用。(2)腐泥含大量水分的黑灰、黑褐色冻胶淤泥状物质。,一、煤的形成,第二节煤的形成及煤系,一、煤的形成,(二)成煤作用1.泥炭化（腐泥化）阶段2)泥炭化作用(1)概念高等植物遗体在泥炭沼泽中经复杂的生物化学、物理化学作用转变为泥炭的过程叫泥炭化作用。分为二个阶段：第一阶段：在沼泽浅部植物遗体受氧化、分解。第二阶段：随积水深度增加，氧化环境被还原环境代替，产生腐植酸和沥青质，形成泥炭。(2)泥炭黄褐、黑褐色，无光泽、质地疏松状物质，风干可作燃料，也可作化工原料和肥料。,第二节煤的形成及煤系,一、煤的形成,(二)成煤作用2.煤化阶段泥炭或腐泥形成后，由于地壳下降而被其它沉积物覆盖，则进入了煤化作用阶段。此时生化作用停止，代之以物理化学作用。这个过程包括了二个连续过程：1)成岩作用泥炭(腐泥)在温度、压力作用下，经压实、脱水、固结转变成褐煤(腐泥煤)。2)变质作用褐煤继续在温度、压力、时间影响下转变为烟煤、无烟煤、天然焦或石墨。,第二节煤的形成及煤系,一、煤的形成,(二)成煤作用3.成煤过程,古植物成煤过程,第二节煤的形成及煤系,二、煤系的概念,(一)煤系的概念指在一定地质时间内，形成的具有成因联系且连续沉积的一套含煤岩系。(二)煤系地层在煤的形成过程中，煤层上下同时形成许多岩层，这些夹有煤层的岩层是在同一个成煤时期形成的，称为煤系地层。,第二节煤的形成及煤系,第三节煤的性质及工业分类,一、煤的性质1、煤的物理性质：光泽、颜色、条痕、硬度、脆度、比重和容重、导电性。2、煤的化学组成：有机质和无机质，主要元素有：碳、氢、氧、氮、硫、磷。,第三节煤的性质及工业分类,第三节煤的性质及工业分类,煤的主要物理性质变化表,二、煤的工业分类1常用的煤质指标评价煤质的主要指标包括：水分W、灰分（ash）、挥发分（volatility）、胶质层厚度Y、发热量Q、硫S和磷P的含量以及含矸率等。2煤的工业分类我国现行的工业分类，是以炼焦煤为主的分类方案，分类指标主要用挥发分和胶质层的最大厚度y(mm)为指标划分煤的种类，从无烟煤到褐煤分为十大煤种，即无烟煤、烟煤（贫煤、瘦煤、焦煤、肥煤、气煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤）、褐煤。,第三节煤的性质及工业分类,第四节煤层的埋藏特征,按煤层厚度分类煤层地下开采极薄煤层0.3-0.5m薄煤层0.5-1.3m中厚煤层1.3-3.5m厚煤层3.5-8.0m巨厚煤层8.0m,第四节煤层的埋藏特征,一、煤层赋存状态,第四节煤层的埋藏特征,一、煤层赋存状态按煤层倾角分类煤层地下开采近水平煤层45,第四节煤层的埋藏特征,第四节煤层的埋藏特征,一、煤层赋存状态按煤层稳定性分类煤层稳定性指煤层形态、厚度、结构和可采性的变化程度。按照矿区(或井田)的煤层变化程度(即稳定程度)划分为四类。稳定煤层；较稳定煤层不稳定煤层；极不稳定煤层,第四节煤层的埋藏特征,第四节煤层的埋藏特征,一、煤层赋存状态按煤层的结构根据煤层中有无较稳定的夹石层，煤层可分为：1)简单结构2)复杂结构,第四节煤层的埋藏特征,一、煤层的赋存状况及分类,对煤层开采影响较大的有两个方面：1、煤层本身的赋存状况；2、煤层围岩和地质构造。在煤层的赋存条件中，对煤层开采影响较大的是煤层的结构、煤层的厚度、煤层的倾角、煤层的层理、结核、化石等。,一、煤层的赋存状况及分类,一、煤层的结构根据煤层中有无较稳定的夹矸层，可将煤层分为简单结构煤层和复杂结构煤层。煤层结构对采掘造成重要的影响，如采掘复杂结构煤层时，其表现为：1、增加煤炭中的含矸量、灰分，影响煤质；2、在炮采炮掘面，增加装药量；3、在综采综掘面，增加截齿的磨损；等等,一、煤层的赋存状况及分类,二、煤层厚度煤层厚度：是指煤层顶底板之间的垂直距离。根据煤层结构，煤层厚度可分为总厚度、有益厚度、可采厚度。总厚度：是指煤层顶底板之间各煤分层和夹矸层厚度的总和。有益厚度：是指煤层顶底板之间各煤分层厚度的总和。可采厚度：是指在现代经济技术条件下可以开采的煤层厚度，又称最小可采厚度。除经济技术因素外，可采厚度的大小还受煤种、煤炭资源状况以及地质条件的影响。,一、煤层的赋存状况及分类,二、煤层厚度总厚度：0.20+0.50+0.40+0.25+0.90+0.30+0.55=3.10m有益厚度：0.20+0.40+0.90+0.55=2.05m可采厚度：0.40+0.90+0.55=1.85m,一、煤层的赋存状况及分类,二、煤层厚度我国目前规定煤层最低可采厚度如下表所示。(单位：m),一、煤层的赋存状况及分类,二、煤层厚度达到可采厚度的煤层称为可采煤层，可采煤层具有开采价值。根据开采技术的特点，可采煤层按厚度可分为以下3类：薄煤层：可采煤层1.3m；中厚煤层：1.33.5m；厚煤层：3.5m。生产中，习惯将厚度大于6m以上的煤层称为特厚煤层。我国的煤层以厚煤层和中厚煤层为主。以开采产量而论，厚煤层和中厚煤层大约各占40，薄煤层在20左右。,一、煤层的赋存状况及分类,二、煤层厚度,地下开采,露天开采,1.3m,薄煤层,3.5m,中厚煤层,厚煤层,3.5m,10m,薄煤层,中厚煤层,厚煤层,一、煤层的赋存状况及分类,二、煤层厚度煤层的厚度对采掘也造成重要的影响，一般情况下，2.5m左右的煤层采掘最舒服，薄煤层和厚煤层的开采都会增大采掘的难度，机械化采掘的难度加大，降低了煤炭的回收率等等。根据开采煤层的厚度不同，壁式体系采煤法分：,壁式体系采煤法,薄煤层采煤法,中厚煤层采煤法,厚煤层采煤法,一、煤层的赋存状况及分类,三、煤层的产状与倾角煤层的产状是指煤层的空间位置和状态。煤层的产状通常用煤层的走向、倾向、倾角三要素来表示，如下图所示。,煤岩层产状要素ab走向线；ce倾斜线；cd倾向；倾角,一、煤层的赋存状况及分类,三、煤层的产状与倾角(1)走向：倾斜煤层层面与假想水平面的交线称为走向线，它是一条水平线；走向线的方向称为走向，走向代表倾斜煤层在平面上的延伸方向。(2)倾向：煤层层面上与走向垂直的线称为倾斜线。倾斜线由高到低的水平投影所指方向称为倾向。(3)倾角：倾斜煤层层面与水平面所夹的最大锐角。,一、煤层的赋存状况及分类,三、煤层的产状与倾角倾角的大小反映了煤层的倾斜程度。煤层倾角越大，开采的难度也就越大，并且，煤层倾角对采煤方法和设备的选型有很大的影响。根据倾角大小可将煤层分为4类：近水平煤层：08；缓倾斜煤层：825；倾斜煤层：2545；急倾斜煤层：45。有些书上将倾角大于60的煤层为立槽煤。,一、煤层的赋存状况及分类,三、煤层的产状及倾角,地下开采,露天开采,8,近水平煤层,45,缓倾斜煤层,倾斜煤层,25,0,急倾斜煤层,0,5,10,25,近水平煤层,缓倾斜煤层,倾斜煤层,急倾斜煤层,一、煤层的赋存状况及分类,三、煤层的产状及倾角1、根据开采煤层倾角的大小不同，壁式体系采煤法分：,壁式体系采煤法,缓倾斜煤层采煤法,倾斜煤层采煤法,急倾斜煤层采煤法,一、煤层的赋存状况及分类,三、煤层的产状及倾角2、根据工作面布置及推进方向不同，壁式体系采煤法分：,壁式体系采煤法,走向长壁采煤法（a）,倾斜长壁采煤法,仰斜长壁=仰采（b）,俯斜长壁=俯采（c）,一、煤层的赋存状况及分类,四、煤层的稳定性任何煤层的厚度实际上都是变化的，时薄时厚，甚至尖灭。根据煤层的变化可将煤层分为4类：(1)稳定煤层：煤层在整个矿井开采范围内厚度均大于最小可采厚度，且厚度的变化有一定的规律性。(2)较稳定煤层：在矿井开采范围内绝大多数煤层基本可采，而只有局部煤层不可采。(3)不稳定煤层：煤层厚度的变化很大，有薄有厚甚至尖灭，经常出现不可采区域。(4)极不稳定煤层：煤层常呈鸡窝状，断断续续分布，在井田范围内仅局部可采。,一、煤层的赋存状况及分类,五、煤层的层理、结核、化石1、层理：是指煤层垂直方向上，由于煤与夹矸在组成、粒度、颜色、形状不同而显示出的成层现象。层理现象有助于煤炭的破碎，对煤层颗粒的形状也具有直接的影响。2、结核：是指煤层中存在的与周围物质成分不同的团块状物体。其形状和大小不一。如黄铁矿结核、菱铁矿结核等。3、化石：是指煤层中含有古生物遗体和遗迹。如我国云南褐煤层中有大量的哺乳动物化石。层理现象以及结核和化石的存在，说明煤的沉积岩特征。,一、煤层的赋存状况及分类,六、煤层的埋深我国是世界产煤大国，也是用煤大国。我国煤炭储量大部分埋藏在深部，埋深大于600m和1000m的储量分别占到73.19%和53.17%。1、根据矿井开拓的深度，可将矿井分为：浅（部）矿井：400m中深（部）矿井：400800m深（部）矿井：8001200m特深矿井：1200m,浅部,中深部,深部,特深部,400m,800m,1200m,一、煤层的赋存状况及分类,六、煤层的埋深2、深部巷道的概念：由矿井深度和岩性两个因素决定。由浅部过渡到深部的界限称为“极限深度”。,巷道极限深度表,极限深度以上支护简单、易维护；以下则明显困难。,一、煤层的赋存状况及分类,六、煤层的埋深3、深部开采的主要严重问题1）井巷维护困难、维护费用高，影响生产；2）采场顶板破碎，冒顶事故的危害增大；3）凿井困难增加，提升等井筒设备不能适应深井的需要；4）冲击矿压、煤与瓦斯突出危险加大；5）地温升高，恶化生产环境，影响生产；6）瓦斯涌出量增加，瓦斯爆炸危险加大；7）矿井水压力和涌出量增加，突水事故的危险性加大。,一、煤层的赋存状况及分类,七、煤层的瓦斯含量根据矿井相对瓦斯涌出量、根据矿井绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式，可将矿井分为：低瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量10m3/t、根据矿井绝对瓦斯涌出量40m3/min；高瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量10m3/t、根据矿井绝对瓦斯涌出量40m3/min；煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。相对瓦斯涌出量：是指平均每产1t煤所涌出的瓦斯量。绝对瓦斯涌出量：是指单位时间内涌出的瓦斯量。煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出：是指在地应力和瓦斯的共同作用下，破碎的煤、岩和瓦斯由煤体或岩体内突然向采掘空间抛出的异常动力现象。,二、煤层顶底板,一、煤层的顶底板赋存在煤层之上的岩层称为顶板；煤层以下的岩层称为底板。煤层的顶底板一般由砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩、粘土岩和石灰岩等组成。煤层的顶底板的岩石性质、结构和构造、强度、含水性等是选择顶板管理方法和采煤工艺的重要依据。,二、煤层顶底板,一、煤层的顶底板顶板根据顶板自然层位的岩性、厚度、与煤层的相对位置及垮落难易程度，可分为伪顶、直接顶、基本顶（又称老顶）3种类型。伪顶：直接位于煤层之上，厚度一般在0.5m以下，极易垮落的岩层，经常在落煤时即随同垮落。通常由炭质页岩、泥质页岩等强度较低的岩层组成，对顶板维护和煤炭质量有一定影响。有些煤层没有伪顶。直接顶：位于煤层或伪顶之上，具有一定的稳定性，在支架前移或回柱后能自行冒落的岩层。一般为页岩、砂质页岩和粉砂岩等，是采煤工作面顶板管理的直接对象。,第四节煤层的埋藏特征,二、煤层顶底板岩层煤层顶底板岩层是指煤系中位于煤层上下一定距离内的岩层。,第四节煤层的埋藏特征,二、煤层顶底板,一、煤层的顶底板顶板直接顶分类根据直接顶的强度及初次垮落步距，可将其分为4类。如下表所示：,二、煤层顶底板,一、煤层的顶底板顶板基本顶（老顶）：位于直接顶或煤层之上，通常为厚度及岩石强度较大，难于垮落的岩层。常有砂岩、砂砾岩或石灰岩等组成。基本顶在采空区上方悬露一定的面积后才能垮落，并且垮落后会给采煤工作面带来很大的压力，如果工作面支护不好，就会发生大冒顶伤人事故。根据直接顶的厚度与采高的比值K和基本顶的初次来压步距L，将基本顶分为4级，如下表所示：,一、煤层的顶底板顶板基本顶分级,二、煤层顶底板,一、煤层的顶底板底板可分为直接底和老底2种类型直接底：直接位于煤层之下的岩层。直接底坚硬、平整时，有利于工作面支护和采煤机工作；直接底松软或遇水膨胀时，常出现底鼓，支柱插入底板。溜子和液压支架一社困难等现象。老底：位于直接底或煤层之下的岩层。一般由砂岩或石灰岩等坚固的岩层组成。,二、煤层顶底板,一、煤层的顶底板采煤工作面是地下移动着的空间。为了保证生产工作的正常进行与矿工的安全，必须对采面进行维护，控制采面形成的矿山压力。1、采面围岩一般是指直接顶、基本顶和直接底，这三者对采面的生产有着重要的影响。2、采煤工作的直接维护对象是直接顶，直接顶的好坏将对生产和安全有直接的影响，例如：采面的初次来压与周期来压都是由于基本顶的活动而形成的。3、控制采面的矿山压力显然主要是控制基本顶的活动规律，这样才能保证采面的安全。采面的支护对象是直接顶岩层，通过直接顶间接地对基本顶的活动起一定的控制作用。,三、地质构造,一、地质构造的分类及对生产的影响煤层形成初期，一般都是水平或近水平的，并在一定范围内连续分布。但是，后来受地壳运动的影响，使煤岩层的形态和产状发生了变化。这些由地壳运动而造成的煤岩层空间形态的变化称为地质构造。地质构造的形态多种多样。概括起来可分为三种基本类型，即单斜构造、褶皱构造和断裂构造。它们对煤矿安全生产影响很大。,三、地质构造,1、单斜构造如果煤岩层大致向同一方向倾斜，这样的构造称为单斜构造。如图所示。单斜构造往往是其它构造的一部分，如褶曲的一翼或断层的一盘。单斜构造在地壳中的存在状态用产状要素来表示，包括走向、倾向和倾角。,三、地质构造,2、褶皱构造当煤岩层受地壳运动水平力的挤压作用而产生弯曲，但仍保持着连续性，这种构造形态称为褶皱构造。其中每一个弯曲部分称为褶曲，它是褶皱构造的基本单位。如下图所示。褶曲的基本形态有两种，即背斜和向斜。背斜：在形态上是一个中间向上凸起的弯曲，煤岩层从中心向两侧倾斜。向斜：在形态上是一个中间向下凹去的弯曲，煤岩层从两侧向中心倾斜。,三、地质构造,2、褶皱构造褶皱构造对煤矿安全生产的影响：(1)褶曲常常造成煤层厚度、产状的较大变化，给生产、安全造成困难；(2)褶曲核部一般裂隙发育，岩石破碎、易冒落，必须加强支护，否则，易发生冒顶，给顶板管理带来困难。(3)褶曲核部，瓦斯极易在此集聚，可能会造成瓦斯突出，给安全带来威胁。,三、地质构造,3、断裂构造煤岩层受地壳运动的作用力而发生断裂，失去了完整性和连续性，这种构造形态称为断裂结构。断裂后，如果断裂面两侧的煤岩层没有发生显著的位置错动，则称为节理后裂隙；如果发生了显著的位置错动，则称为断层。节理和断层普遍存在于地层之中，与矿井建设和生产关系十分密切，尤其是断层的影响更为显著，以下主要介绍断层构造。,三、地质构造,3、断裂构造断层的要素：断层的性质和形态是由断层面、断层线、断盘、断距等要素组成。如图所示:,三、地质构造,3、断裂构造断层断层的分类（2）断层的分类方法常用的有以下两种方法。按断层两盘相对位移的方向，分正断层、逆断层和平移断层（又称平推断层）。如图所示。正断层：断层的上盘相对下降，下盘相对上升的断层；逆断层：断层的上盘相对上升，下盘相对下降的断层；平移断层：断层的两盘不是相对升降，而是在水平方向相对移动的断层。,正断层,逆断层,平移断层（又称平推断层）,三、地质构造,3、断裂构造断层断层的分类按断层面的走向与煤岩层走向的关系，分走向断层、倾斜断层和斜交断层。走向断层：断层面走向与煤岩层走向基本平行的断层。倾斜断层：断层面的走向与煤岩层的走向基本垂直，即断层面走向和煤岩层的倾向基本平行的断层。斜交断层：断层面的走向与煤岩层走向斜交的断层。,三、地质构造,3、断裂构造（3）断裂构造对煤矿安全生产的影响1)煤岩层受断裂构造的影响，顶板岩层的整体性受到破坏，强度降低，易于冒落，应采取措施，加强顶板管理；2)当断裂面与工作面平行时，工作面易发生片帮切顶事故；当断裂面与工作面斜交或垂交时，易发生冒顶事故；3)断裂带地段是瓦斯、地下水的良好通道和积聚场所，当采掘工作进入该区域时，应加强管理，严防瓦斯、水灾事故的发生；4)断层破坏了煤层的连续性，使巷道布置和采煤工艺复杂化，给煤矿生产安全带来不利因素。,煤岩层的产状要素地质罗盘,三、地质构造,二、地质构造在煤层底板等高线图上的反映1、单斜构造,用煤层底板等高线图求煤岩层产状,50,60,70,80,A,D,B,C,三、地质构造,二、地质构造在煤层底板等高线图上的反映2、褶皱构造褶曲形态是多种多样的，其在煤层底板等高线图上的表现形态也不同。水平褶曲的煤层底板等高线图，为一组大致平行的直线。在这组直线中，如果两侧的等高线的标高大，中间的标高小，则为向斜；反之，则为背斜。如图所示：倾伏褶曲表现为一组不封闭的曲线，在这组曲线中，如果凸向标高值大的方向，则为倾伏向斜；如果凸向标高值较小的方向，则为倾斜背斜。如图所示：等高线的疏密表示煤岩层的倾角大小。越密倾角越大；越疏倾角越小。,三、地质构造,二、地质构造在煤层底板等高线图上的反映3、断层(1)断层在地形地质图和水平切面图上的表示方法,正断层,逆断层,长线表示断层线，箭头线表示断层的倾向，两个小短线表示下降盘,三、地质构造,二、地质构造在煤层底板等高线图上的反映3、断层(2)在煤层底板等高线图上确定断层的性质,断层上盘断煤交面线,断层下盘断煤交面线,当上下盘交面线之间为无煤带时，为正断层；当上下盘交面线之间有煤层重叠时，为逆断层，如图所示。,四、矿井井巷的名称及分类,井巷,按空间位置,按服务范围,垂直巷道：立井（竖井）；暗（立井）,水平巷道：平硐；平巷；石门；煤门,准备巷道：采区石门、上下山、车场,开拓巷道：井筒；井底车场；大巷；主石门,硐室：变电所；水泵房；水仓；火药库,倾斜巷道：斜井；上山；下山,回采巷道：机巷，风巷，切眼,五、矿井生产系统,矿井生产系统是指在煤矿生产过程中的提升、运输、通风、排水、人员安全进出、材料设备上下井、矸石出运、供电、供气、供水等巷道线路及其设施，是矿井安全生产的基本前提和保证。每一个矿井都必须按照有关规定和要求，建立安全、通畅、运行可靠、能力充足的生产系统。矿井生产系统包括井下生产系统和地面生产系统。,五、矿井井巷的名称及分类,矿井生产系统,井下生产系统,地面生产系统,提升运输系统：包括主要提升和辅助提升,通风系统：作用是供氧、排毒、调温,排矸场,机修厂,排水、供水系统,供电系统,地面调度室,开拓系统,巷道分类1、开拓巷道：为矿井服务的巷道（如平硐、主井）2、准备巷道：为采区服务的巷道（如大巷）3、回采巷道：为工作面服务的巷道（如顺槽）,一、开拓系统,开拓巷道,准备巷道,回采巷道,主要内容,煤矿地质顶板管理顶板事故煤矿防治水水害事故,煤矿开采及顶板控制有关规定(1)煤层分类1）按煤种：褐煤、烟煤、无烟煤。2）按厚度：薄煤层厚度小于1.3m；中厚煤层1.33.5m；厚煤层大于3.5m。,3）按倾角：近水平煤层倾角小于8；缓倾斜煤层倾角小于25；倾斜煤层倾角2545；急倾斜煤层大于45。,(2)煤层顶板的分类1）伪顶：紧贴在煤层之上，极易垮落的薄岩层；2）直接顶：位于伪顶之上,一般随采随冒；3）老顶：位于直接顶之上,厚而坚硬岩层，不随开采冒落。,（3）矿井“三个煤量”1)大型矿井：开拓煤量可采期应达到3-5年以上，准备煤量可采期应达到1年以上，回采煤量可采期应达到4-6个月以上。2)小型矿井：开拓煤量可采期应达到2-3年以上，准备煤量可采期应达到8-12个月以上，回采煤量可采期应达到3-5个月以上。,(4)采掘工作面数量一个采区内同一煤层的一翼最多只能布置1个回采工作面和2个掘进工作面同时作业。一个采区内同一煤层的双翼开采或多煤层开采的,该采区最多只能布置2个回采工作面和4个掘进工作面同时作业。严禁在采煤工作面内再布置另一采煤工作面同时作业。,（5）采区回采率1）厚煤层（3.5m以上）不小于75；2）中厚煤层（1.33.5m）不小于80；3）薄煤层（小于1.3m）不小于85。,(6)采煤工作面回收率1）厚煤层（3.5m以上）不应小于93；2）中厚煤层（1.33.5m）不应小于95；3）薄煤层（小于1.3m）不应小于97。,(7)放顶煤开采的规定1）编制开采设计矿井笫一次采用放顶煤开采，或在煤层(瓦斯)赋存条件变化较大的区域采用放顶煤开采时，必须编制开采设计。开采设计应当经专家论证或委托具有相关资质单位评价后请集团公司或县级以上煤管部门审批，并报煤监部门备案。,2）制定安全技术措施针对煤层的开采技术条件和放顶煤开采工艺的特点，必须对防瓦斯、防火、防尘、防水、采放煤工艺、顶板支护、初采和工作面收尾等制定安全技术措施。,3）预裂爆破对坚硬顶板顶煤弱化采用预裂爆破对坚硬顶板或者坚硬顶煤进行弱化处理时，应在工作面未采动区进行，并制定专门的安全技术措施。严禁在工作面内采用炸药爆破方法处理顶煤、顶板及卡在放煤口的大块煤(矸)。,4）易自燃煤层综放规定高瓦斯矿井的易自燃煤层应当采取以预抽方式为主的综合抽放瓦斯措施和综合防灭火措施，保证本煤层瓦斯含量不大于6m3/t或工作面最高风速不大于4.0m/s。,5）工作面严禁采用木支柱、金属摩擦支柱方式。有下列情形之一的，严禁采用单体液压支柱放顶煤开采：（一）倾角大于30的煤层（急倾斜特厚煤层水平分层放顶煤除外）。（二）冲积地压煤层。,有下列情形之一的，严禁采用放顶煤开采：（一）煤层平均厚度小于4m的。（二）采放比大于1:3的。（三）采空或工作面回采率达不到矿井设计规范规定的。（四）煤层有煤（岩）和瓦斯（二氧化碳）突出危险的。,（五）坚硬顶板、坚硬顶煤不易冒落，且采取措施后冒放性仍然较差，顶板垮落充填采空区的高度不大于采放煤高度的。（六）矿井水文地质条件复杂，采放后有可能与地表水、老窑积水和强含水层导通的。,4.采煤工作面矿压显现基本规律（1）直接顶初次垮落长壁工作面从开切眼开始采煤后，直接顶跨度不断增加，其顶板弯曲程度下沉不断增加。一般情况下，直接顶可以在一定时间内暴露一定面积而不跨落，但跨距达620m之后，直接顶一般会冒落，成为直接顶的初次垮落。当直接顶冒落高度达到采高1.5倍以上，冒落长达工作面一半以上时，就称之为直接顶初次垮落。,直接顶初次垮落又称工作面初次放顶。直接顶初次垮落步距是衡量顶板完整程度的主要指标。工作面初次放顶是防治顶板灾害的关键时期，要制定措施加强支护。,（2）基本顶初次来压随着工作面自开切眼处的不断推进、回柱放顶的不断重复，基本顶岩层悬露长度不断增加。当基本顶悬露达到极限跨距而且断裂时，可能形成三铰拱式的平衡。随着工作面的继续推进，可能形成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而失稳。基本顶的第一次失稳而产生的工作面顶板来压称为基本顶的初次来压。基本顶初次来压步距：2035m。,（3）基本顶的周期来压基本顶初次来压后，随着采煤工作面继续推进，裂隙带形成的岩体结构将始终经历“稳定失稳再稳定”的变化，这种变化将呈现周而复始的过程。其岩体结构的变化过程如下图。,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；有时还伴随煤壁片帮、支柱折损、顶板发生台阶下沉等现象。基本顶周期来压步距为初次来压步距的1/21/4。,（4）影响采煤工作面矿压显现的主要因素（1）顶板岩层直接顶直接顶是采煤工作面直接维护的对象。直接顶的完整程度将直接影响回采工作的安全及工作面生产能力的发挥，也会直接影响到所选择的支护方式。直接顶类型：不稳定、中等稳定、稳定、坚硬顶板见下表。,基本顶基本顶的失稳及来压强度对直接顶的稳定性有直接影响，对支护强度、支架具备的可缩量以及选择采空区处理方法起决定性作用。基本顶分类：把直接顶的厚度h与采高M之比km作为分类指标。级，km5;级,2km5;级,km2;级,基本顶特别坚硬,又无直接顶。定量分类指标见下表:,（2）采高和控顶距采高越大，顶板破坏越严重；控顶距大，顶板下沉量也越大，在同样位置的基本顶取得平衡的几率越小，而且，在支承压力的作用下，工作面煤壁也越不稳定，易于片帮。采高越低，控顶距离越小，顶板活动越缓和，煤壁也越为稳定。,1)支架受力的大小及其在采煤工作面的分布的规律单体液压支柱工作面顶板压力测定,2)顶板下沉量与采高成正比，与距离煤帮距离成正比。顶板下沉量的估算公式为：SL=ML式中：比例常数0.0250.05M煤层采高，m;L距煤帮的距离，m。取常数=0.04，采高为2m计算，离煤帮4m处的顶板下沉量为320mm。,（3）工作面的推进速度加快推进速度，缩断工作面每个循环时间，使顶板下沉量减少，解决顶板压力带来的影响。淮南谢一矿，当工作面一天一循环推进时，在离煤层5m处的顶板下沉量为289.2mm；当推进速度变为两天一循环时，对应处的顶板下沉量增加到410mm。在某些工作面中，当推进速度比较慢时，容易出现局部冒顶等不利于生产的矿山压力现象；当工作面推进速度加快时，则顶板状况明显好转。,（4）开采深度开采深度直接影响着原岩应力的大小，同时也影响着开采后巷道或工作面周围岩层内的支承压力。开采深度对采煤工作面顶板下沉量的影响并不明显。在目前的开采深度（600800m）条件下，实测表明，采煤工作面的顶板下沉量与采深之间并无直接的关系。但随着采深的增加，支承压力必然增加，从而导致煤壁片帮及底板鼓起的几率增加，由此也可能导致支架载荷增加。,（5）分层开采矿压显现的特点（1）基本顶来压步距小，强度低以兖州南屯煤矿综采工作面为例，直接顶为厚4.4m的粉砂岩，基本为厚12.7m的中细石英砂岩。使用4柱5500kN支撑掩护式液压支架支护。经观测本分层的基本顶初次来压步距和周期步距均小于上分层。,（2）支柱载荷变小经统计，无论是采用液压自移支架还是单体支柱，第二分层的支架载荷要比第一分层小，有时可以低40%左右，其原因：开采第一分层时，顶板来压表现的“动载荷”（即直接顶折断时对支柱形成的载荷）较大，而在第二分层主要表现为“静载荷”；第一分层回采时，支架围岩系统形成的刚度要比各分层大。,5.覆岩“三带”型破坏5.1覆岩“三带”型破坏特征长壁工作面煤层采出采用全部垮落法处理采空区，从煤层直接顶板开始，由下向上依次垮落、开裂、离层、弯曲,经过若干时间终止移动。移动期间和移动稳定后的上覆岩层，按其破坏程度的不同，大致可分为：垮落带、裂隙带、弯曲带。,(1)垮落带破坏特征1)不规则性垮落带下部为不规则垮落。垮落带内岩块不能传递水平力，控顶范围内垮落带的岩层重量由支柱或支架支撑。2)膨胀性岩石的碎胀性使垮落带岩石的体积增大，使垮落带与未垮落顶板岩层下方的自由空间逐渐变小，使垮落不再继续。,(2)裂隙带破坏特征1)岩层破坏有规则：无论是垂直岩层面或平行岩层面的裂缝均使岩层保持原有的层状；2)破坏程度分带明显：裂隙带在垂直剖面上分为：严重断裂、一般开裂和微小开裂。,(3)弯曲带破坏特征1)垂直弯曲、水平受压、隔水性增强岩层在自上而下沿层面法向弯曲，在水平处于双向受压，当岩性较软时，隔水性能增强。2)岩层完整不存在破坏岩层移动连续有规律，保持整体性和层状结构，不存在或极少存在离层裂隙。,3)地表形成下沉盆地盆地边缘要出现长裂隙，其深度3-5m，一般小于10m。裂隙宽度向下渐窄，至一定深度后闭合消失。,5.2覆岩“三带”型破坏的最终形态覆岩“三带”型破坏形态不仅决定覆岩的破坏范围，而且决定破坏的最大高度。以前认为采场与掘进巷道的覆岩破坏形态类似，均为中间高、四周低的拱形形态。通过现场实测：长壁全陷开采缓倾斜煤层，当工作面初次放顶后，一般不再出现垮落拱，其形态与煤层倾角有关。,按倾角划分为3种态近水平、缓倾斜煤层：0-35；大倾角煤层：36-54；急倾斜煤层：55-90。,（1)近水平、缓倾斜煤层覆岩破坏最终形态（035）裂隙带两端边界一般会超出开采边界，呈马鞍形。采空区四周边界略高。中间较低，两端较高，最高位于采空区斜方。采空区中央破坏高度一致。采空区面积相当大，且采厚大体相等时，中央破坏高度基本一致。,马鞍形产生原因：煤层倾角小；开采边界区和采区中央区的变形值不同；工作面端部和中部下沉量和下沉速度不一样。,冒落角、导水裂隙角大于岩层移动角,（2)大倾角煤层覆岩破坏范围最终形态（3654）垮落带、裂隙带破坏范围在倾斜方向上呈上大下小的抛物线拱形形态。但在走向方向上仍为马鞍形形态。,产生原因当煤层倾角为36-54时，采后垮落岩块落到采空区底板后，向采空区下部滚动，使采空区下部被垮落岩块填满，从而不再继续垮落。而采空区上部，由于垮落岩块的流失，等于增加了开采空间，故破坏高度大。,（3)急倾斜煤层覆岩破坏范围最终形态（5590）垮落带呈耳形或上大下小的不对称拱形，裂隙带形状与垮落带类似。,特点破坏性影响更加偏向于采空区上边界；破坏范围有顶板、底板及所采煤层本身；随煤层倾角的加大，垮落带、裂隙带范围逐渐转变为椭圆拱形形态。,产生原因开采倾角较大的急倾斜煤层时，由于垮落带岩块滚动下滑加剧，迅速充填采空区下部空间，限制了下部的垮落带和裂隙带向上发展。采空区上部、边界煤柱片帮、破碎、抽冒，使垮落带和裂隙带急剧向上发展。,5.3覆岩破坏最大高度（1）影响覆岩最大高度的主要因素1）岩层软硬程度覆岩直接顶和基本顶都比较坚硬的条件下，下沉量小，使垮落过程充分发展，覆岩破坏高度大。而软弱岩层顶板松软破碎，随采随落，采空区易充满，覆岩下沉量大，覆岩破坏变化小。为了便于进行覆岩破坏最大高度的计算，按覆岩单向抗压强度划分为4类。,为了便于进行覆岩破坏最大高度的计算，按覆岩单向抗压强度划分为4类。,2）采高一次采全高或厚煤层分层初次开采时“两带”高度与采高呈近似直线关系；,3）厚煤层分层次数水平至倾斜厚煤层分层开采或近距离煤层群重复开采条件下“两带”高度随分层次数的增加呈分式函数的关系增长，其增加的幅度越来越小。,4）采空区面积采空区面积的扩大会导致“两带”高度的增加，但在工作面放顶线后方垮落岩石堆已经接顶的地方，垮落带最大高度就达到了最大值（顶板极坚硬的除外）（其距离为：中硬岩石自煤壁到岩石堆接顶处515m）；,导水裂缝带高度则在经过回采工作面第一次放顶和老顶周期来压以及地表出现最大下沉速度时出现。以后再扩大采空面积则不再增加了。此时采空区走向长度：中硬2060m。,5）时间过程时间过程在两个方面起作用：导水裂缝带发展到最大高度以前：导水裂缝带的高度随着时间而增长。中硬覆岩在回柱放顶后12个月时间内达到最大值。坚硬覆岩，比中硬要长一些，软弱覆岩，比中硬要短一些。,导水裂缝带发展到最大高度以后导水裂缝带的发展过程出现稳定和导水裂缝带高度并有可能降低。坚硬覆岩：随时间，导水裂缝带最大高度基本没有变化,最多96240个月。软弱覆岩：随时间的增加，导水裂缝带最大高度有所下降，导水裂缝带的稳定时间，最少0.37个月，一般69个月，最多1217个月。下降速度为：0.4m/月。,6）采煤方法和顶板管理方法采煤方法和顶板管理方法是控制覆岩破坏性影响最大高度的重要因素。特别是顶板管理方法，它决定着覆岩破坏性影响的基本特征和最大高度。常见有全部陷落法、全部充填、条带法。不同的顶板管理方法形成不同的覆岩破坏高度。,全部陷落法是采用最普遍的，使覆岩破坏最严重的一种顶板管理方法。采用全陷法管理顶板，除了采厚极小（0.50.7m以下）时，顶板会缓慢下沉和顶板极为坚硬时不发生破坏以外，一般都发生垮落性和开裂性破坏，并且有“三带”的性质。,（2）覆岩破坏高度计算为实际应用方便及统一起见，均以开采上限（或回风巷顶）至”两带”形态曲线的最高点作为破坏的高度。水平，缓倾斜及中倾斜单一煤层“两带”最大高度的计算。,坚硬,中硬,软弱,极软,1）垮落带高度根据岩石的强度，其垮落带计算公式如下：,2)导水裂缝带高度,式中：煤层累计采厚，m；单层采厚不超过3m，累计采厚不超过15m。,3）近距离煤层导水裂缝带高度计算上、下两层煤的最小垂距大于下层煤的垮落带高度。分别进行计算，取其中标高最高者作为两层煤的导水裂缝带最大高度。上、下两层煤的最小垂距小于下层煤的垮落带高度。上层煤采用本层煤的开采厚度计算，下层煤则应用上、下层煤的综合开采厚度计算。取其中标高最高者为两层煤的导水裂缝带最大高度。,上、下煤层综合开采厚度,式中：M1上煤层开采厚度；M2下煤层开采厚度；h12上、下层煤距离；y2下煤层冒高与采厚之比。,如果上、下层煤之间的距离很小时，则综合开采厚度为累计厚度：,4)综放开采导水裂缝带高度计算我国上世纪八十年代从法国引进的厚煤层综采放顶煤一次采全厚的技术在国内已得到广泛推广应用。据测定厚煤层综放开采覆岩破坏的高度与“三下”采煤规程中通过厚煤层分层开采，且单煤层采厚不超过3m的计算公式得出的结果相比较，前者要大（见下表）。,综放开采覆岩破坏高度实测值与规程规定公式计算值比较,根据国内为数不多的观测资料得出厚煤层综放开采条件下的导水裂缝带最大高度与采厚虽然也近似分式函数关系，但其关系曲线上升速度高于分层开采。说明随着采厚的增加，综放开采导水裂缝带最大高度增加更快。,导水裂缝带高度与开采方法关系曲线1-薄煤层或中厚及厚煤层顶分层开采；2-中厚及厚煤层分层开采；3-中厚及厚煤层综放开采,兴隆庄煤矿综放开采两带高度计算公式山东兴隆庄煤矿通过综放开采导水裂隙带高度的实测拟合出，综放开采“两带”破坏高度计算公式。垮落带高度的计算式为：100MHk-+3.155.45M5.82导水裂缝带的计算式为：100MHL-+3.150.84M4.57,5)急倾斜煤层覆岩破坏最大高度计算,主要内容,煤矿地质顶板管理顶板事故煤矿防治水水害事故,顶板事故,掘进工作面顶板事故（正常巷道、切眼掘进）回采工作面顶板事故1、综采工作面顶板事故2、房采工作面顶板事故已掘失修巷道顶板事故顶板事故预防1、敲帮问顶2、加强支护（支护强度、高分子材料）,乌兰木伦煤矿306顶板事故（2003年3月6日）,事故案例分析,事故概况,2003年3月6日凌晨5:00，乌兰木伦煤矿63106运输顺槽掘进工作面发生一起顶板冒落事故，致使连采机司机邢利成受伤，经抢救无效死亡。事故发生后，国家煤矿安全监察局包头办事处东胜监察站会同神东公司领导和有着部门的负责人组成联合调查组，对事故进行了调查分析。,事故经过,2003年3月6日零点30分，当班8人从事63106顺槽掘进。4:40掘完右帮煤垛，班长刘俊指挥煤机司机邢利成把煤机退出来，准备支护。邢利成觉得在驾驶室内视线不太清楚，便违章离开驾驶室，在距工作面4m靠顺槽右帮，用遥控器控制煤机退机，这时一块约长4m宽5m厚0.2m的顶煤冒落，将邢利成砸倒，双腿和一只手被压住。班长刘俊急忙召集在场人员，将邢利成救出，送到神东公司总医院抢救，但因伤热过重，经抢救无效死亡。,事故原因,1.直接原因：司机邢利成违章离开煤机驾驶室，在空顶处违章操作，安全意识淡薄，是事故发生的直接原因。2.间接原因：班长刘俊发现邢利成违章离开驾驶室操作煤机，没有及时有效的制止；顺槽过断层，提前起坡，沿顶板掘进，要求短掘短支，本班没有进行短掘短支；作业规程中没有明确短掘短支的具体要求，对沿顶掘进没有详细具体的规定，没有起到有效的安全防范与技术指导作用；乌兰木伦煤矿对员工的安全教育不够，员工自保意识差。,事故责任,1.邢利成：对事故负直接责任。2.班长刘俊：没有有效制止违章作业，对事故负主要责任。3.连采队长郅喜荣、副队长王再祥：班前会对员工如何进行短掘短支交代不清，负重要责任。4.生产副矿长杜善周：在工作面出现特殊情况时，未采取有效措施，负直接领导责任。5.总工程师程远辉：对编制的补充措施不完善、不具体，审查把关不严，负主要技术责任。6.矿长孙小高：对全矿的安全工作管理不力，负主要领导责任。,防范措施,1.对作业规程中措施要补充、完善，编写补充措施要合理、科学，具有可操作性。2.加大对“三违”的查处力度。3.加强顶板管理，对支护方法要完善、具体，要拿出具体、有针对性的支护措施。4.安监处要加强员工培训，加强员工自保意识的教育，提高职工安全意识，对规程的执行情况，要严格监督检查。,大柳塔煤矿“10.10”顶板事故（2003年3月6日）,（一）事故概况1事故前的状况2005年10月10日7：30左右，大柳塔煤矿连采三队八点班带班队长A等15名工人下井，在右翼二区段右侧12#支巷进行连采作业。当时该区段5#支巷留设了9m的隔离煤柱，计划在12#支巷采完后再留设9m的隔离煤柱，5#支巷至12#支巷间的顶板悬空一直未冒落，空顶面积约10235m2。15：50，连采三队四点班带班队长B等13名工人开完班前会后，下井接班。17：00左右交接班时，电钳工C等5人在12607东侧旺采区右翼二区段辅助运输平巷4#联巷旁边的铲车周围测瓦斯、修理铲车，八点班带班队长A等3人，连采机司机D等4人在12607东侧旺采区右翼二区段辅助运输平巷12#支巷内距巷口约5m处交接班。,（一）事故概况,2事故经过大约17：05，12607东侧旺采区右翼二区段5#支巷至12#支巷间采空区顶板突然大面积跨落，顶板冒落形成的飓风将东侧旺采区右翼二区段辅助运输平巷4#联巷旁边铲车周围的电钳工C等5人和在12#支巷内的带班队长A、连采机司机D等4人吹倒。飓风过后，在12607东侧旺采区右翼二区段辅助运输平巷12#支巷内的带班队长A和电钳工E先爬起来，发现他们的矿帽被飓风吹掉了，矿灯也被飓风吹得绞在一起，两人把绞在一起的矿灯分开并打开开关，发现连采机司机D爬在旁边的地上，D想爬起来，撑了一下地就又倒下了，A和E急忙过去想把他扶起来但是扶不动，正在此时,2事故经过正在此时，又发生了冒顶，冒顶形成的飓风又一次吹来，A和E急忙趴倒，飓风过后，他们3人一起扶起D撤离12#支巷。在东侧旺采区右翼二区段辅助运输平巷4#联巷旁边铲车周围的C等5人被飓风吹倒后，F和G爬起来发现他们的矿帽和矿灯不见了，找到矿灯后，发现C头部受伤仰面朝天躺在铲车边的地上，两人问C情况怎么样，C手捂住肚子说他腹部疼，随后打电话向大柳塔煤矿调度室报告事故情况，把C抬到随后赶来的农用车上升井。D和C先后升井，在井口经120医生急救处理后送往神东职工总医院治疗。C在神东职工总医院经抢救无效于2005年10月10日18：30死亡。D在神东职工总医院因左侧颅骨骨折做了手术。,（二）事故原因分析1直接原因该矿井下12607房采工作面大面积悬顶跨落（11589m），产生飓风将现场作业人员致伤，导致事故发生，是造成这起事故的直接原因。没有按煤矿安全规程第57、58条对采空区顶板进行控制和管理。