煤矿围岩控制与检测-顶板事故培训

采场顶板事故及预防教师：曹胜根教授E-mail：

Tel：83885761，9/14/202319/14/20232第一节前言第二节顶板事故分类第三节压垮型冒顶的机理及预防措施第四节漏冒型冒顶的机理及预防措施第五节推垮型冒顶的机理及预防措施第六节综合类型冒顶的机理及预防措施第七节对采场支架的根本要求9/14/202332002年事故107万起，死亡139393人。在2006年的事故构成中，按死亡人数统计，第一位是道路交通,占79.3%，铁路交通占5.1%，煤矿占4.2%，建筑施工占2.2%,非煤矿山2%。按一次死亡10人以上事故起数统计，第一位煤矿、占41.1%，道路交通占40％，火灾占3.2%，非煤矿山和危化品各占2.1%。2003~2006年，煤矿事故平均每年减少350起、562人，年均降幅8%。2006年发生煤矿事故2945起、死亡4746人，比上年分别下降10.9％和20.1%。与2002年相比，2006年全国煤炭产量增长约9亿吨，到达23.3亿吨，煤矿事故死亡减少2249人，下降32.2%。前言1—我国的平安现状9/14/202342006年全国煤矿事故死亡人数统计主要指标单位实际同比煤炭生产死亡人数人4746-1192百万吨死亡率人/Mt2.041-0.719国重矿死亡人数人704-280百万吨死亡率人/Mt0.626-0.3359/14/202352007年数据原煤产量。2007年，全国原煤产量累计完成25.23亿吨，同比增加1.92亿吨，增长8.2%。其中：国有重点煤矿原煤产量完成12.4亿吨，同比增加1.21亿吨，增长10.8%；国有地方煤矿原煤产量完成3.24亿吨，同比增加400万吨，增长1.3%，乡镇煤矿原煤产量完成9.59亿吨，同比增加6700万吨，增长7.5%。三大类煤矿累计原煤产量占全国的比重分别为49%、13%、38%。前言1—我国的平安现状9/14/202362007年全国煤炭产量25.23亿吨其中95％以上为井工开采9/14/202372007年数据煤矿平安生产。2007年，全国煤矿事故死亡人数为3786人，煤炭百万吨死亡率为1.485。2007年，我国国有重点煤矿煤炭百万吨死亡率预计为0.38，与波兰、印度的煤炭百万吨死亡率根本相当。前言1—我国的平安现状9/14/202381977年以来全国煤炭产量与死亡人数9/14/20239重特大事故多发。“十五〞时期，全国煤矿共发生一次死亡3～9人重大事故1398起，平均每年发生280起，占全国各类重大事故起数的11%；发生一次死亡10～29人特大事故214起，平均每年发生43起，占全国各类特大事故起数的36%；发生一次死亡30人以上特别重大事故42起，平均每年发生8起，占全国各类特别重大事故起数的58%。前言2—十五期间煤矿平安状况9/14/202310煤矿职业危害严重。据不完全统计，全国煤矿尘肺病患者达30万人，占全国尘肺病患者50%左右。仅国有重点煤矿每年新增尘肺病患者近5000例，平均每年死亡2500人以上。煤矿尘肺病每年造成直接经济损失数十亿元。与世界主要采煤国家平安生产水平相比差距大。“十五〞时期，煤矿百万吨死亡率由2001年的5.07下降到2005年的2.81，下降了45%，但与先进采煤国家相比差距还很大。2005年，我国煤炭产量约占全球的37%，事故死亡人数那么占近80%，煤矿百万吨死亡率约为美国的70倍、南非的17倍、波兰的10倍、俄罗斯和印度的7倍。9/14/202311乡镇煤矿事故多发。2005年，全国乡镇煤矿共发生事故2480起、死亡4384人，事故起数和死亡人数分别占全国煤矿事故总起数和死亡人数的75%、73%。乡镇煤矿百万吨死亡率5.53，分别是国有重点煤矿的5.8倍和地方国有煤矿的2.8倍。国有重点煤矿事故伤亡程度大。国有重点煤矿特大事故所占比重大。2005年，国有重点煤矿发生一次死亡10人以上特大及特别重大事故9起、死亡527人，占国有重点煤矿总死亡人数的53.6%，平均每起死亡59人。2004～2005年，在全国煤矿发生的6起一次死亡100人以上的事故中，国有重点煤矿4起，平均每起死亡175人；乡镇煤矿2起，平均每起死亡115人。前言3—煤矿事故特征9/14/202312瓦斯、水害重特大事故比例高。2005年，在全国煤矿一次死亡3人以上的事故中，瓦斯事故158起，占58.9%，居第一位；水害事故46起，占17.2%，居第二位。在全国煤矿一次死亡10人以上的事故中，瓦斯事故40起，占69.0%，水害事故13起，占22.4%。顶板事故总量大。2005年，全国煤矿共发生顶板事故1805起，占全国煤矿事故起数的55%，居第一位；死亡2058人，占全国煤矿总死亡人数的34.7%，仅次于瓦斯灾害，居第二位。非法与违法矿井、基建与技改矿井和改制矿井特大事故多。2005年，非法与违法矿井发生特大事故18起，占特大事故总数的31.0%；基建与技改矿井发生特大事故15起，占特大事故总数的25.9%；改制矿井发生特大事故13起，占特大事故总数的22.4%。9/14/202313地质条件。在国有重点煤矿中，地质构造复杂或极其复杂的煤矿占36%，地质构造简单的煤矿占23%。据调查，大中型煤矿平均开采深度456米，采深大于600米的矿井产量占28.5%。小煤矿平均采深196米，采深超过300米的矿井产量占14.5%。瓦斯灾害。国有重点煤矿中，高瓦斯矿井占21.0%；煤与瓦斯突出矿井占21.3%；低瓦斯矿井占57.7%。地方国有煤矿和乡镇煤矿中，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占15%。随着开采深度的增加，瓦斯涌出量的增大，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井的比例还会增加。前言4—煤矿地质条件及自然灾害状况9/14/202314水害。我国煤矿水文地质条件较为复杂。国有重点煤矿中，水文地质条件属于复杂或极复杂的矿井占27%，属于简单的矿井占34%。地方国有煤矿和乡镇煤矿中，水文地质条件属于复杂或极复杂的矿井占8.5%。我国煤矿水害普遍存在，大中型煤矿有500多个工作面受水害威胁。在近2万处小煤矿中，有突水危险的矿井900多处，占总数的4.6%。自然发火危害。我国具有自然发火危险的煤矿所占比例大、覆盖面广。大中型煤矿中，自然发火危险程度严重或较严重(Ⅰ、II、III、Ⅳ级)的煤矿占72.9%。国有重点煤矿中，具有自然发火危险的矿井占47.3%。小煤矿中，具有自然发火危险的矿井占85.3%。由于煤层自燃，我国每年损失煤炭资源2亿吨左右。

9/14/202315煤尘灾害。我国煤矿具有煤尘爆炸危险的矿井普遍存在。全国煤矿中，具有煤尘爆炸危险的矿井占煤矿总数的60%以上，煤尘爆炸指数在45%以上的煤矿占16.3%。国有重点煤矿中具有煤尘爆炸危险性的煤矿占87.4%，其中具有强爆炸性的占60%以上。顶板灾害。我国煤矿顶板条件差异较大。多数大中型煤矿顶板属于Ⅱ、Ⅲ类，Ⅰ类顶板约占11%，Ⅳ、Ⅴ类顶板约占5%。冲击地压。中国是世界上除德国、波兰以外煤矿冲击地压危害最严重的国家之一。大中型煤矿中具有冲击地压危险的煤矿47处,占5.16%。随着开采深度的增加，现有冲击地压矿井冲击频率和强度在不断增加。热害。热害已成为我国矿井的新灾害。国有重点煤矿中有70多处矿井采掘工作面温度超过26℃，其中30多处矿井采掘工作面温度超过30℃，最高达37℃。9/14/202316顶板回采工作面冒顶事故2/3~3/4事故巷道冒顶事故1/4~1/3

煤矿顶板事故态势9/14/202317图11997～2006年我国煤矿顶板事故死亡人数煤矿顶板事故态势9/14/202318图21997～2006年我国煤矿顶板事故死亡人数所占比例煤矿顶板事故态势9/14/202319图32005年煤矿不同类型事故死亡人数的比例煤矿顶板事故态势9/14/202320图42005年煤矿不同类型事故起数的比例煤矿顶板事故态势9/14/202321图51998～2004年我国煤矿顶板事故起数煤矿顶板事故态势9/14/202322图61997～2004年我国煤矿顶板事故死亡人数煤矿顶板事故态势9/14/202323图71998～2005年我国不同类型煤矿顶板事故煤矿顶板事故态势9/14/202324第二节顶板事故分类按冒顶的力源进行分类：

〔1〕压垮型：由垂直于层面方向的顶板力压坏采场支架而导致冒顶。〔2〕漏冒型：因已破碎的顶板没有得到有效防护受重力作用冒落而导致的冒顶。〔3〕推垮型：由平行于层面方向的顶板力推倒采场支架而导致的冒顶。〔4〕综合型：两种或三种综合出现。9/14/2023251.压垮型冒顶〔1〕垮落带老顶岩块压坏采场支架；〔2〕垮落带老顶岩块冲击压坏采场支架；〔3〕裂隙带老顶岩块压坏采场支架。〔主要发生在老顶来压时〕9/14/2023262.漏冒型冒顶〔1〕大面积漏垮型冒顶；〔2〕靠煤壁附近的局部冒顶；〔3〕采场两端〔机头、机尾〕的局部冒顶；〔4〕放顶线附近的局部冒顶。9/14/202327〔1〕金属网下的推垮型冒顶；〔2〕采空区冒矸冲入采场的推垮型冒顶。3.推垮型冒顶9/14/2023284.综合类型的冒顶〔1〕厚层难冒顶板导致的大面积冒顶。〔2〕地质破坏〔断层〕带附近的冒顶。〔3〕大块游离顶板导致的冒顶，包括复合顶板推垮型冒顶，冲击推垮型冒顶，大块游离顶板旋转推垮型冒顶，以及直接顶导致的压垮型冒顶。9/14/202329预备知识：采动后顶板活动

的一般规律1.直接顶的初次垮落：垮落厚度在1.0m以上，垮落长度达工作面长度的一半以上。垮落步距一般为6~20m。9/14/202330如果直接顶厚度大于或等于2~3倍的采高，那么能填满采空区，采面无老顶活动威胁。但老顶还是要弯曲、下沉和断裂的。但老顶活动不明显。9/14/202331如果直接顶厚度小于2~3倍的采高，开始时老顶呈双固支梁状态，它把自身及上部岩层的重量都加到了工作面周围的煤体上，工作面无老顶压力感觉。9/14/202332当老顶岩梁到达极限跨距时，弯曲、下沉、断裂。工作面顶板下沉加快、煤壁片帮、支架受力增加，甚至出现顶板台阶等老顶来压现象。2.老顶初次来压：工作面回采以来的第一次老顶大规模来压。初次来压步距一般20~35m。9/14/2023333.老顶周期来压：老顶初次来压后，周期性的断裂、下沉，工作面内周期性出现顶板下沉加快、煤壁片帮、支架受力增加，以及出现顶板台阶等老顶来压现象。周期来压步距一般为初次来压步距的1/2~1/4。4.老顶来压的两个问题：9/14/202334〔1〕当初撑力较低时，老顶往往断裂在煤壁之内。〔剪切力为零点在煤壁内，对应弯矩最大点。〕9/14/202335当老顶在采空区受剪力时；当老顶上位岩层对老顶施加力时；老顶的断裂性质不变，而且位置更深入煤体内。〔2〕老顶，假设位于垮落带中，那么在采空区中多以悬臂梁状态存在；假设在裂隙带中，那么以砌体梁结构存在。9/14/2023361.冒顶机理及预防措施①上世纪50年代木支柱—可缩量小、支护密度小，来压时易被折断，导致压垮型冒顶。②上世纪60~80年代摩擦支柱—工作阻力大，可缩量大，适应顶板下沉，来压事故大大降低。③上世纪90年代液压支柱—工作阻力大，可缩量大，适应顶板下沉，阻力能与顶板抗衡，压垮型事故很少。采场支护与压垮型冒顶关系：第三节压垮型冒顶的机理及预防措施9/14/202337〔1〕直接顶薄，厚度小于采高的2~3倍。〔2〕直接顶上面老顶分层厚度小于5~6m。压垮型冒顶的顶板条件：冒顶的前兆：〔1〕煤壁片帮。〔2〕顶板下沉速度急剧增加。〔3〕支柱载荷急剧增加。〔4〕靠煤壁顶板断裂。〔5〕靠煤壁顶板掉渣。〔6〕摩擦支柱放炮。9/14/202338冒顶的机理垮落带老顶岩块全部重量均由采场支架承受，假设支架支撑力不够，就会压坏而冒顶。〔1〕垮落带老顶岩块压坏支架导致冒顶。9/14/202339〔2〕垮落带老顶岩块冲击压坏支架导致冒顶。初撑力缺乏，垮落带离层老顶岩块冲击采场支架，冲击压坏而冒顶。9/14/202340〔3〕裂隙带老顶压坏采场支架导致冒顶。裂隙带老顶断裂、下沉、旋转、触矸时，假设支架的可缩量缺乏，可能压坏导致冒顶。9/14/2023412.预防冒顶的措施:〔1〕支架支撑力应能平衡垮落带直接顶及老顶岩层重量。〔2〕采场支架的初撑力应能保证直接顶与老顶之间不离层。〔3〕采场支架的可缩量应能满足裂隙带老顶下沉的要求。9/14/202342注意：超前工作面20m范围内的两端巷道，因受工作面前方支承压力的作用，受压大。为防止压坏支架，应加强支护。〔1〕超前10m内，用双中心柱。〔2〕超前10~20m内，用单中心柱。9/14/202343第四节漏冒型冒顶的机理及预防措施发生的条件：直接顶板软弱破碎。防治对策：护.采用各种方法将顶板护好。综采面：选用掩护式或支撑掩护式支架。单体面：支柱加顶梁，顶梁上加背板，甚至背严。支柱柱距小于0.7m。9/14/202344漏冒型冒顶包括：〔1〕大面积漏垮型冒顶，〔2〕靠煤壁附近局部冒顶，〔3〕采场两端局部冒顶，〔4〕放顶线附近局部冒顶。9/14/2023451.大面积漏垮型冒顶条件：①直接顶异常破碎；②煤层倾角较大。冒顶机理：支护系统中假设某处失效发生局部冒顶，破碎顶板就可能从该处沿工作面向上全部漏空，使支架失稳，漏垮工作面。9/14/202346预防措施〔1〕使支护系统有足够的支撑力与可缩量。〔2〕顶板必须背严背实、梁头顶紧煤壁，采煤后及时支护、甚至要掏梁窝。〔3〕严防放炮、移溜等工序弄倒支架发生冒顶。9/14/2023472.靠煤壁附近局部冒顶〔1〕顶板由于被裂隙切割，存在镶嵌型游离岩块。〔2〕端面距过大。〔3〕放炮崩倒支柱。原因：9/14/202348预防措施：〔控制端面距〕〔1〕综采面：提高初撑力控制端面冒高；及时支护方式，控制端面距；采高大于2.5~3.0m时，加护帮装置，防止端面距扩大；控制顶板〔如固结碎顶〕。9/14/202349预防措施：〔控制端面距〕〔2〕单体面：及时支护，端面距不超过200mm。采用正悬臂交错顶梁，正倒悬臂错梁直线柱支护。9/14/202350控制端面距单体面：根本顶梁加短顶梁。9/14/202351I.控制端面距单体面：铰接顶梁加长钢梁，金属网下用∏型长钢梁对棚迈步支架等。II.严防放炮崩倒靠煤帮的支柱9/14/2023523.采场两端局部冒顶〔单体面〕〔1〕机头机尾处：原因：因移溜时支护操作不当〔先拆后支〕，导致碎顶冒落。措施：用“四对八梁〞支护，或用双楔铰接顶梁支护9/14/202353措施：交接处宜用一对迈步抬棚。说明：①有的采场利用“四对八梁〞中的一对。②综采面未用端头支架时，也应如此。①工作面与巷道交接处原因：交接处需去掉原巷道支架一个腿，如果支护操作不当，可导致碎顶冒落。〔2〕工作面与巷道交叉处9/14/2023544.放顶线附近的局部冒顶〔单体面〕原因：人工回柱时，顶板冒落伤人。特别是分段回柱回最后一棵柱时。措施：应在有支护的地点远距离操作后采用墩柱支护。9/14/202355第五节推垮型冒顶的机理及预防措施1〕煤层倾角在20°以上。2〕网上是悬浮顶板。岩层间有空1.金属网下推垮型冒顶发生条件：9/14/202356①上下分层切眼垂直布置时，开切眼附近，松散冒矸上有三角形空隙存在。9/14/202357②当下分层切眼内错布置，或垂直布置，但工作面已过三角形空隙区。松散顶板因支柱初撑力小，没有顶紧，转化为悬浮顶板。9/14/202358冒顶特点：多数发生在初次放顶前后；多数是无征兆的；推垮前支柱受力一般不大；推垮后支柱没有折损，多数沿倾斜方向倒；推垮后上位断裂了的硬岩大块大面积悬露；速度快；容易在回柱时发生；多数工作面采用摩擦支柱。9/14/202359冒顶机理：专门的实验研究说明，网下推垮分两个阶段。1〕形成网兜。原因是工作面内某位置的支护失效。当支架稳定性好时，不会推垮。9/14/2023602〕推垮工作面。原因是网上碎矸与上位岩层之间有空隙，支架不稳定，网兜向下拉力拉倒支架，造成推垮型冒顶。9/14/2023611〕单体液压支柱工作面。①采用内错式布置切眼，提高支柱的初撑力，防止形成网上空隙，严防支护失效。②当垂直布置切眼时，初放阶段用“整体支架〞〔沿走向与倾斜将单体支柱联成整体〕。2〕摩擦支柱工作面。采用“整体支架〞支护。3〕内错式布置切眼时，初放前要剪网，保证将金属网放到底板。4〕采用伪斜布置工作面。预防措施：提高初撑力，增加支架稳定性。9/14/2023622.采空区冒矸冲入采场的推垮型冒顶煤层之上直接就是石灰岩等坚硬岩层。发生条件：9/14/202363当顶板呈大块在采空区垮落时，可能顺着已垮落的矸石堆冲入采场，推倒采场支架〔从柱根推倒〕，导致事故。发生机理：9/14/202364〔1〕用切断墩柱的初撑力切断顶板〔减小冒落顶板的块度〕，并将冒矸挡在采空区。〔2〕当顶板分层过厚切不断时，用挑顶法，使冒矸超过采高。预防措施急倾斜工作面：如密集支柱初撑力缺乏，稳定性不好，采空区矸石也可能冲倒支架，造成事故。9/14/202365第六节综合类型冒顶的机理及预防措施1〕顶板为整体厚层硬岩层。2〕悬露几千、几万、甚至十几万平方米才冒落。1.厚层难冒顶板发生条件：9/14/202366两种观点：1〕岩体在自重作用下，拉断形成小裂缝，然后裂缝贯穿，发生大断裂，导致冒顶。切断2〕煤柱上的顶板岩层内产生强大的切应力，顶板被切断，导致冒顶。剪断冒顶机理：9/14/202367预防措施：1〕用挑〔钻爆法或高压注水〕松散碎裂2~3倍采高顶板〔包括直接顶在内〕。把“挑〞的局部看成是垮落带岩层，即可按常规法防压、漏、推。综采面：一般应超前工作面碎裂。单体面：考虑到冒矸块度大，放顶线上支柱应有足够的支撑力与稳定性，条件允许时用墩柱。2〕假设有可能〔即厚层顶板分层不太厚〕，挑顶一局部，令剩余局部转变为裂隙带老顶。9/14/2023682.地质破坏〔断层〕带附近断层褶皱9/14/202369

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3H地表地层应力状态9/14/202370水平应力与巷道9/14/202371垂直应力(Brown&Hoek,1978)开采深度岩层因自重引起的垂直应力随深度增加呈线性增大。9/14/202372水平应力水平应力与垂直应力之比(Brown&Hoek,1978)开采深度埋深≤1000m，水平应力与垂直应力的比值大约为1.5-5.0埋深≥1000m，水平应力与垂直应力的比值逐渐趋于集中，约为0.5-2.09/14/202373开采深度平均水平应力与垂直应力之比我国地应力测量结果9/14/202374〔1〕单体支柱工作面：断层附近顶板压力大，〔垮落带范围扩大〕，破碎、支护不好时，易发生压或漏冒型冒顶。当碎顶沿倾斜断层面移动时，易推倒支架，导致推垮型冒顶。因而，在断层带附近应增大支护密度，提高支柱初撑力〔甚至用木垛〕，以加强支护，护好碎顶，并用戗棚、戗柱，增加支架稳定性。9/14/202375〔2〕综采面：1〕支架假设有较大富裕阻力，可照常推进。2〕假设无，应让工作面与断层斜交、或挑顶。9/14/2023763.大块游离顶板导致的冒顶1〕地质构造：断层〔超过5m长的平行工作面的断层，往往会出现游离岩块。2〕旧巷：其上直接顶往往已断碎。3〕采动：支架初撑力小，导致直接顶板沿煤壁断裂。原因：9/14/202377复合顶板推垮型冒顶，冲击推垮型冒顶，大块游离顶板旋转推垮型冒顶，以及直接顶导致的压垮型冒顶。可能导致的顶板事故9/14/202378离层型顶板下软上硬厚度在之间。复合顶板的