采场顶板事故课件

煤矿顶板事故及防治

OccurrenceandPreventionofRoofFallAccidence安徽理工大学高明中2008年01月24日内蒙古阿拉善盟太西煤集团我国事故基本情况平均每年事故总起数一百万起总死亡12万左右工矿企业：平均每年事故发生1.5万起死亡15000人左右平均40人/天一次死亡10人以上的事故：平均每周两起左右煤矿：百万吨死亡率是美国的200多倍；是印度的17倍；事故突出的其他主要行业：建筑、机械、化工、建材、电力、冶金、石油采场矿山压力力学模型

HypothesesofRockPressure基本点对采场围岩属性的认识开采后岩体结构及平衡机理的解释与分析建立力学模型及相应的支架受力关系式1.1压力拱假说PressureArch

(1928,德.哈克,吉里策尔)松散介质自然平衡的“压力拱”前、后拱角的形成与移动（支承压力的初始描述）减压区的形成与经典描述问题：层状岩体？拱内岩层如何运动？拱的几何特征？后拱脚存在？压力拱平衡效应通过相似材料物理模拟，拱内端部离层岩层的为水平应力初始水平应力的2~3倍，竖直应力为初始竖直应力的3~5倍。后拱角？采动是否波及地表、离层结构1-刀柱法；2-全部垮落法3-坚硬顶板；4-大采高1.2悬臂梁假说CantileverBeam

(1916.德.施托克)将顶板视为叠合弹性梁双固梁\悬臂梁式的平衡及与外部岩梁的联系等可以解释:周期来压与来压步距关系顶板下沉与支架受力关系存在问题:弹性梁过于简化（弱面等）未查明覆岩活动规律计算顶板下沉量与支架荷载与实际相差甚远

1.3铰接岩块假说StackedLayerofBlock

(1950-1954.原苏联.库兹涅佐夫)岩块铰接状态铰接岩块活动是顶板运动的基本形式垮落带(规则垮落带与不规则垮落带)\规则移动带(基本顶)的水平挤压铰接作用给定荷载状态\给定变形状态正确地对覆岩进行了分带,重视支架与围岩的相互作用存在问题:岩块间的力学关系及平衡机理1.4预成裂隙假说InitialFissure

(1954.比利时.拉巴斯)假塑性梁(非连续体)的形成及准梁式平衡结构应力降低区(塑性弯曲,离层)应力升高区(最初产生预成裂隙)采动影响区随工作面推进,三区同时移动支架要有足够的初撑力和工作阻力,以靠挤压摩擦作用阻止张裂、离层和相对滑移存在问题:岩块之间的平衡支架受力关系不明确1.5砌体梁力学模型体系VoussoirBeam

(79-2000.中.钱鸣高等)上覆岩层的冒落移动“三带”(I,II,III)支撑覆岩的三区(a,b,c)砌体梁结构体(梁-拱式结构)运动特征(分组一致下沉,且受支配层制约)力的传递关系(水平力与垂直力)结构特征(半拱式结构与关键块)平衡条件(S-R平衡,滑落失稳显现为台阶,回转失稳显现为顶板下沉量增大)Titg(φ-θ)＞(Ri)0-0解释:工作面支承压力集中在前拱角;下沉量小(如采高小,直接顶厚,充填法处理采空区,远离煤层的岩层等)易形成结构;结构保护使支架受力小于覆岩重量问题:顶板下沉量的估计;支架与围岩的相互作用关系反弹现象反弹：老顶断裂时，老顶部分区域将发生上升现象老顶岩层断裂时在岩体中形成了反弹区和压缩区垫层系数越大，反弹区域及反弹值越小利用反弹信息可预测预报老顶岩层的断裂位置岩板的断裂模型（O-X形破断)弹性薄板理论:厚跨比=1/7~1/15＜1/4破断过程:四周固支板形成O形破断(长边形成裂缝→裂缝沿长边延伸→短边裂缝的形成与延伸→裂缝在四角形成圆弧形贯通)→四周简支板再形成X形破断(板中央沿长边裂缝形成与延伸→板形成X形断裂)模型试验的验证(初次来压为X形破断,周期来压时为半X形破断)四周基础视为弹性基础,则板的破裂线将深入煤壁内岩板的破断与工作面来压图(a):中部可用“砌体梁”结构来加以解释;而上下两侧应该用“弧三角板”说明.显现不同图(b):为横O-X形断裂.沿工作面推进方向不能应用“砌体梁”的概念.应用:工作面支架工作阻力的分布规律沿空掘巷的围岩结构原理沿空掘巷与上覆岩层的结构关系端头顶板控制机理

端头维护区示意图I-设备区(5~10m)II-巷道端头区III-前压力区(10~20m)IV-后压力区(10~20m)“悬板”结构下面的空间得到保护端头不位于“悬板”之下，维护困难基本支护与临时支护交替作业，可能引起“悬板”突变失稳，造成事故。岩板断裂引起的地基扰动岩板的断裂将引起四周弹性基础的“压缩”与“反弹”波动不仅在工作面中部前后有反应,而且在上、下两巷中同样有反应.可从回风巷或运输巷测定到老顶断裂信息,从而利用老顶断裂与工作面来压的时间差,预报工作面的来压.采场矿压整体力学模型关键层力学模型KeyStrata提出：为了研究覆岩中厚硬岩层对层状矿体开采中节理裂隙的分布及其对瓦斯抽放与突水防治以及对开采沉陷控制等的影响。因而,关键层理论将为绿色开采的研究提供理论平台。概念：

对岩体活动全部或局部起决定作用的岩层称为关键层,前者可称为岩层运动的关键层,后者可称为亚关键层。关键层有如下特征:几何特征厚度较厚;岩性特性弹性模量较大,强度较高;变形特征同步一致下沉;破断特征关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的破断,引起较大范围内的岩层移动;支承特征关键层破坏前以板(或简化为梁)的结构形式,作为全部岩层或层部岩层的承载主体,断裂后若满足岩块结构的Ｓ-Ｒ稳定，则成为砌体梁结构,继续成为承载主体.关键层理论的应用保水开采技术地下水渗漏关键层--裂隙闭合隔水带；采场底板隔水关键层。离层区注浆减沉技术部分充填(条带充填)控制开采沉陷，主关键层下部将是离层注浆的最佳层位.瓦斯抽采技术卸压瓦斯抽放“Ｏ”形圈理论（钻孔布置依据；下解放层开采）“O”型圈的形成及顶板“O-X”破断过程工作面裂隙区回风巷压实区进风巷裂隙区裂隙区压实区开切眼AAAA1.6传递岩梁的概念ImpressingBeam

宋振祺起源于对老顶的定义:老顶是由对采场矿压显现有明显影响的一组或几组“岩梁”组成.对于老顶中的每一岩梁,由于裂断岩块之间的相互咬合,始终能向煤壁前方和采空区矸石上传递作用力,因此,运动时的作用力无需由支架全部承担.支架承担作用力的大小,由对其运动的控制要求决定.内外应力场的观点..位态方程式给定变形工作方式(岩梁位态与支架无关)A≤PT≤A++hEγELA/2LK限定变形工作状态(支柱受力大小由限定的岩梁位态决定)PT=A+PE△hTPE=B/△hTB=(hEγELA/2LK)△hA1.7砌体梁模型与传递岩梁模型的对比比较砌体梁模型传递岩梁模型相同点考虑成层性,假定分组一致下沉垮落步距采用梁假说认为岩梁可以传递水平力不同点岩块的受力与平衡(推断)给定荷载与给定变形工作状态顶板压力估算应防止台阶下沉梁的几何特征(双曲线关系,实测)给定变形与限定变形工作状态顶板压力取决于岩梁的位态(控制)2采场支架的力学性能支柱力学性能急增阻式微增阻式恒阻式

底板软2.1单体液压支柱外注式250~350KN内注式250~300KN切顶支柱800~1200KN2.2液压支架类型支撑式掩护式支撑掩护式掩护支撑式2.3液压支架参数工作阻力pH

估算法：p=nMγ中国：4~8；美国：16；前德国：12前苏联：6~8；日本：5；印度：6实测法：p=pt+2σp=pm+（1~1.3）σ初撑力P0

2.4支撑掩护式支架受力分析工作面新型支架

端头支架铺网支架大采高支架风力充填支架（仰采、矸石）放顶煤支架单机高位双机中位双机低位煤尘与环境；易漏顶；后铰点与煤损；煤尘；顶梁长与可放；后机位采放不平行；装煤难。浮煤清理；维护较难。底板煤损小；煤尘小。难采煤层的分类3工作面顶板事故的防治

TypesofRoofFallAccidence压垮型（Pressingtype)坚硬顶板大面积来压厚层难垮顶板

推垮型（Pushingtype)复合顶板金属网下孤立岩块回转漏冒型(Cavingtype)大面积漏冒局部漏冒3.1压垮型冒顶事故防治机理断裂下沉、台阶下沉支架阻力或可缩性不足坚硬顶板控制

大同、北京、鹤岗坚硬顶板：分层厚度4~10m，强度80~100MPa，E=20~40GPa,脆性破坏控制措施

煤柱支撑+强制放顶

高压（9~10MPa）预注水弱化顶板超前深孔预爆破松动煤体或预裂顶板采空区深孔{（2.5~3.5）采高}，爆破强制放顶高阻力切顶支架（7200KN，7000~10000l/min)3.2漏冒型冒顶防治大面积冒顶局部冒顶

煤帮机头机尾放顶线地质破坏带破碎顶板端面冒落影响因素1直接顶12老顶回转3初撑力4顶梁仰俯角5推进度6端面距与接顶距23

456破碎顶板的控制

1/6低产；开机率仅27%；顶板冒顶事故占停产时数26%伸缩梁和折叠梁铺顶网带压或擦顶移架初撑力保证阀煤岩固化工作面过断层时的顶板控制过断层的方法

H<M-Hmin,采煤机直接过；H>(1/2)M或接近M时，重开切眼；技术措施

调整工作面方向（根据断层性质）；仰