煤矿矿山压力培训授课提纲讲稿2005.11

开拓开采、矿山压力、顶板事故防治与抢险救灾煤矿救护人员培训授课提纲段绪华教授

就以04年为例：全年煤矿发生事故3853起，平均每天发生10.5起，共死亡人数6029人，平均每天死亡17人左右，两天死亡人数相当于美国全年的死亡人数。

中国煤炭产量约占世界煤炭产量的35%，但因事故死亡的人数却占到80%。

05年仅上半年煤矿重特大恶性事故仍没有得到有效的遏制，不管其恶性程度、事故发生起数、死亡人数同比去年均有所上升，引起了社会的广泛关注。这些事故中，因人为因素造成的事故死亡人数占总死亡人数的91.5%。开拓开采知识矿压及冲击地压知识顶板事故机理及抢险救灾知识第一局部

一、煤田、井田、阶段、水平、采区、区段的划分

<一>煤田划分为井田；划分的原那么：主要根据自然条件划分井田境界：如断层，向、背斜轴、煤层倾角的变化以及河流、铁路、较大的建筑物等；另外井田范围与矿井生产能力要相适应，即储量与矿井效劳年限要相适应。图1－1煤田划分为井田

<二>井田划分为阶段

井田一般面积较大，从几平方公里到十几、几十平方公里，为了有方案的按顺序开采，还需将井田划分为阶段。图1-2分组与集中建井的井田划分1、2－浅局部组建斜井；3－深部集中建立井图1-3井田划分阶段1、阶段图1-4煤层群的阶段划分2、水平3、开采水平4、单水平开拓图1-5单水平开拓5、多水平开拓：图1-6多水平上山开拓图1-7多水平上、下山开拓图1-8多水平混合式开拓<三>阶段划分为采区及区段

井田划分为阶段之后，阶段的范围仍然很大，还不能直接进行开采，必须根据开采技术条件进行再划分，即在阶段范围内，把阶段沿走向划分为假设干局部，每一局部为一个采区。图1-9阶段划分为采区图1-10区段

图1-11双面采区图1-12单面采区二、井田开拓方式

矿井开拓方式种类很多，一般可按以下特征分类：＜一＞．立井开拓＜二＞．斜井开拓＜三＞．平峒开拓＜四＞综合开拓<一>立井开拓方式

图1-13立井开拓方式

<二>平峒开拓

这种开拓方式一般用于山区，有适合布署平峒的地点。才可这种方式，指由平巷直接进入煤层。图1-14垂直走向平峒

<三>斜井开拓

指利用的倾斜巷由地面进入井下，通过一系列巷到达煤层的一种开拓方式。片盘斜井

斜井单水平分区式开拓

斜井多水平分区式开拓

1、片盘斜井图1-15片盘斜井

2、斜井单水平分区式开拓

图1-16斜井单水平开拓方式

3、斜井多水平分区式开拓图1-17斜井多水平开拓方式

<四>立井开拓

立井开拓是利用垂直巷道由地面进入井下，并通过一系列巷道到达煤层的一种开拓方式。进一步划分为：

立井单水平分带式开拓。立井多水平分区式开拓：1立井单水平分带式开拓

图1-18立井单水平分带式开拓示意图

2立井多水平分区式开拓

图1-19立井多水平分区式开拓

<五>综合开拓根据地形与地质条件，为了充分发挥各开拓方式的优点，用两种以上井峒形式开拓井田，称为综合开拓。平峒—斜井开拓：斜井—立井开拓：

平峒—立井开拓：

平峒—斜井开拓：图1-20平峒—斜井开拓斜井—立井开拓：图1-21斜井—立井开拓平峒—立井开拓：图1-22.平峒—立井开拓三、采区巷道布置

采区是生产煤炭的主要场所，也是作业人员最集中的地方，同时也是冒顶事故频发的地方，必须加强对采区的了解，尤其要掌握采区的巷道布置系统及有关回采工艺，以便为处理事故创造条件。<一>单一煤层上山采区巷道布置：图1-23单一煤层上山采区巷道布置

<二>倾斜分层下行垮落采煤法的采区巷道布置图1-24倾斜分层下行垮落采煤法的采区巷道布置

<三>煤层群联合布置：1、分组联合根据煤层间及顶底板条件，可将近距离煤层联合一起开采，即分组共用一套上〔下〕山。2、大联合看条件许可，可将本区内所有煤层联合起来共用一套上〔下〕山，用石门联系。<四>回采工艺：对于炮采工作面：“破、装、运、支、控〔顶板管理〕〞五道工序对于机采、高档普采工作面：“割、运、支、控〞四道工序。对于综采工作面：“割、移、推〞三道工序。思考题：1．何谓煤田、井田、阶段、水平、采区和区段？2．井田开拓方式有几种？各适用什么条件？3．立井单水平与多水平开拓有什么区别？4．试分析倾斜分层下行垮落采煤法的采区巷道布置及各生产系统。5．回采工艺主要包括哪些内容？第二局部

采掘后矿压显现特点及规律图2–1老顶断裂成岩块后的转动

一、直接顶和老顶的垮落和来压

图2–2初次来压前四周围岩的支承压力分布状态A–增压区；B–减压区；C–稳压区

图2–3回采工作面推进中岩体结构的变化过程

二、回采工作面周围应力重新分布

图2–4采空区周围应力重新分布的概貌

图2–5煤层凸出角处的叠合支承压力

图2–6回采工作面周围支承压力在煤层平面内分布示意图

图2–7支承压力在被开采煤层顶底板中分布示意图三、采区平巷沿走向矿压显现规律

图2–8工作面下部顺槽顶底板移动的全过程曲线1–移动速度曲线；2–移近量曲线<一>．巷道掘进阶段(Ⅰ)<二>．无采掘影响阶段(Ⅱ)<三>．采动影响阶段(Ⅲ)<四>．采动影响稳定阶段(Ⅳ)<五>．二次采动影响阶段(Ⅴ)

根据采区平巷的矿压显现规律的研究可知，采区平巷从掘进到报废的整个效劳期内顶底板总移近量为U总为：U总=U0+v0t0+U1+v1t1+U2 式中：U0、U1和U2一由掘巷、一次采动和二次采动引起的顶底板移近量，mm； v0、v1—无采掘影响期和一次采动后稳定期内顶底板移近速度，mm/d t0、t1—无采掘影响期和一次、二次采动影响间隔期的时间，d。四、采区斜巷沿倾斜矿压显现规律

图2–9采区斜巷中沿倾斜不同矿压显现带1–卸载带；Ⅱ–支承压力带；Ⅲ–原岩应力带；lmax–峰值位置五、煤层底板岩巷矿压显现规律

图2–10煤体与采空区交界处底板岩层中的不同矿压显现区A–应力增高区；B–应力降低区；C–影响微弱区；D–未受影响区<一>冲击矿压的分类：

根据原岩(煤)体应力状态、显现强度和发生的地点和位置的不同，冲击矿压有如下几种分类方法1、按原煤(岩)体应力状态不同，冲击矿压可分为三类：2、根据冲击的显现强度，可分为四类：3、根据震级强度和考虑抛出的煤量，可分为三级：4、根据发生的地点和位置冲击矿压可分为两大类：六、冲击矿压

1、按原煤(岩)体应力状态不同，冲击矿压可分为三类： 1)重力型冲击矿压。主要受重力作用，没有或只有极小构造应力引起的冲击矿压，如：枣庄，抚顺、开滦等。 2)构造应力型冲击矿压。构造应力引起的冲击矿压，如：北票天池煤矿。 3)中间型或重力——构造型冲击矿压。主要受重力和构造应力的共同作用引起的冲击矿压。2、根据冲击的显现强度，可分为四类： 1)弹射。指一些碎块在应力的作用下射落。并伴有强烈的声响。属于微冲击现象。 2)矿震。在应力作用下，煤、岩体发生破坏，并不抛出，只有片帮和错落现象，但产生明显震动，伴有巨大声响，有时产生煤尘。较弱的矿震，也称为“煤炮〞。 3)弱冲击。煤或岩石向已采空间抛出，但破坏性不大，可能有大量瓦斯涌出。 4)强冲击。局部煤或岩层急剧破碎，且向采空区抛出，出现支架折损、设备移动、围岩震动，伴有巨大声响，形成大量煤尘与产生冲击波。3、根据震级强度和考虑抛出的煤量，可分为三级： 1)轻微冲击(Ⅰ级)。抛出煤量在10ｔ以下，震级在1级以下的冲击矿压。 2)中等冲击(Ⅱ级)。抛出煤量在10～50ｔ，震级在1～2级的冲击矿压。3)强烈冲击(Ⅲ级)。抛出煤量在50ｔ以上，震级在2级以上的冲击矿压。4、根据发生的地点和位置冲击矿压可分为两大类： 1)煤体冲击。发生在煤体内，根据冲击深度和强度又分为外表、浅部和深部冲击。 2)围岩冲击。发生在顶底板岩层内，根据位置有顶板冲击和底板冲击。<二>、冲击矿压的成因和机理

目前对冲击矿压机理的认识可主要概括为：强度理论;能量理论;冲击倾向理论<三>、冲击矿压的防治措施

根据发生冲击矿压的成因和机理，防治措施的根本原理有两方面：一是降低应力(能量)的集中程度；二是改变煤岩体的物理力学性质，以减弱积聚弹性能的能力和释放速度。1．降低应力的集中程度 <1>开采具有冲击倾向的煤层群时开拓布置应有利于开采保护层。如下图图2－11超前开采保护层1–危险层；2–保护层；3–保护区(卸载区)，4–载荷恢复区<2>划分井田或采区时，应保证合理地开采，防止形成应力集中的煤柱和不规那么的井巷几何形状。<3>应尽量采用长壁工作面开采法。<4>防止在应力集中区布置巷道。<5>防止相向开采、形成应力叠加。如下图：图2–12采掘顺序对集中应力分布的影响a–工作面相向推进；b–巷道穿过煤柱<6>防止形成四面、三面、两面采空的岛形煤，尽量少留煤柱，以解决应力叠加的问题。如下图：图2–13煤柱上集中应力分布及对下层的影响a–三面采空(半岛)状态；b–煤柱支承压力对下层的影响<7>在开采有倾向煤层时，应尽量将根本巷道布置于岩层中。<8>煤层群开采时，上、下煤层的工作面应有合理的错距，防止形成应力叠加。<9>应优先采用全部垮落法式的顶板管理方式。

2．改变煤层的物理力学性能及顶板预处理 <1>顶板注水。有些岩层遇水易软化，如：粘土页岩，长石，砾岩。注水后，岩石由脆性向塑性转化，从而促其早变形或垮落，集中应力就会得到释放，这就是顶板注水治理冲击地压的根本原理。<2>顶板松动爆破。这种方法适用于坚硬厚层整体性顶板。松动爆破后，顶板内形成不同程度的破裂，失去完整性。消除应力集中，减弱或消除了冲击倾向。<3>煤体预处理：即是煤体注水。根据冲击地压机理的冲击倾向和能力准那么，煤层注水使采掘工作前，向有潜在冲击危险的煤体进行较低压力和较长时间的注水，改变煤体的物理、力学性质，减弱或消除冲击能力。

思考题：1．什么是初次垮落、初次来压与周期来压？要注意哪些问题？2．试述回采工作面周围应力分布特点及规律。3．试分析支承压力在煤层底板中的分布特点。4．采区平巷与斜巷的矿压显现有什么规律？5．什么是冲击矿压？如何分类？6．试述冲击矿压的机理。7．冲击矿压的防治措施有哪些？

第三局部

顶板事故的防治与抢险救灾

一、采场顶板事故的致因及防治〔一〕顶板事故的分类采场顶板事故按力源可分为压垮型、漏冒型、推垮型冒顶三大类。1.压垮型冒顶是由垂直层面方向的顶板力压坏采场支架而导致的冒顶，又分为：①老顶来压时压垮型冒顶②厚层难冒顶板大面积冒顶③直接顶导致的压垮型冒顶2.漏垮型冒顶

是因破碎顶板没有得到有效的防护而冒落导致的冒顶，又分为：①大面积漏垮型冒顶②局部漏冒型冒顶③工作面上下出口的局部冒顶④放顶线及其附近的局部冒顶⑤地质破坏带附近的局部冒顶3.推垮型冒顶

是由于平行于层面方向的顶板力推倒支架而导致的冒顶，又分为：①复合顶板推垮型冒顶②金属网下推垮型冒顶③大块游离顶板旋转推垮型冒顶④采空区冒矸冲入采场的推垮型冒顶⑤此外，还可能出现综合类型冒顶。煤矿中习惯把采场冒顶分为两大类：1.局部冒顶指范围不大，伤亡人数不多〔每次1～2人〕的冒顶，可分为：①靠近煤壁附近的局部冒顶②放顶线附近的局部冒顶③上下出口的局部冒顶④地质破坏带附近的局部冒顶2.大型冒顶指范围较大，伤亡人数较多〔每次3人以上〕的冒顶，可分为：①两端来压时的压垮型冒顶②厚层难冒落大面积冒顶③直接导致的压垮型冒顶④大面积漏垮型冒顶⑤复合顶板推垮型冒顶⑥金属网下推垮型冒顶⑦大块游离顶板旋转推垮型冒顶〔二〕各种顶板事故的原因分析及勘察1.靠近煤壁附近的局部冒顶①原因分析节理、裂隙发育，岩石强度低支护质量差，支撑力缺乏造成离层炮采时，装药量过多，放顶崩倒支架，顶板失控老顶来压时，煤壁附近直接顶破碎新暴露的顶板没有及时支护综采时，端面距过大图3-3短顶梁与根本顶梁配合情况图3-1正悬臂交错顶梁支护图3-2错梁直线柱支架布置1-临时柱；2-正式柱②案例分析1③防治与勘察2.上下出口局部冒顶①原因分析此处为应力叠加区域，顶板完整性可能遭到破坏换棚时，破碎顶板冒落移机头机尾，交换抬棚，破碎顶板冒落老顶来压时，支柱侧向力缺乏，推倒支架造成的局部冒落老顶来压时，压坏局部支柱，导致的局部冒顶

②案例分析2

③防治与勘察及时架设有足够支撑力和可缩性的支柱支护糸统必须具有一定的侧向力换棚时，要模清顶板情况，采取必要的措施3.放顶线附近的局部冒顶①原因分析回柱方式不合理，先回“吃劲〞柱子，引起周围破碎顶板的冒落顶板存在由断层、裂隙、层理等切割而成的大块游离岩块时，回柱后游离岩块推倒支架，导致冒顶。如图3－4所示在金属网假顶下回柱放顶时，如果网上有大块游离岩，也会发生因游岩块旋转而推倒支架的局部冒顶图3-4顶板中游离岩块旋转推倒支架②防治与勘察采用正确的回柱方法，防止顶板压力向局部支柱集中而造成回柱的困难假设工作面使用木支柱，可直接用铰车远距离回柱加强地质工作，记载大岩块的位置与尺寸在大岩块下用木垛等加强支护当大岩块尺寸超过一次放顶步距时，在大岩块下延长控顶距③案例分析34.地质破坏带附近的局部冒顶

①原因分析工作面与断层垂直或斜交在顶板活动过程中，断层附近的破断岩块顺断面下滑，推倒工作面支架局部冒顶②防治与勘察断层破坏带在工作面出现后，加强支护，背好背板在放顶线处，断层两侧架好木垛，加强支护迎着岩块可能滑下的方向支设戗棚或戗柱③案例分析45.复合顶板推垮型冒顶复合顶板是指离层性顶板，由下软上硬的岩层构成。这类事故在开滦、淮北、淮南、徐州、铜川、鹤岗、舒兰、石咀山及贵州等。①冒顶特点顶板压力不大，支架无变形，无折损多数情况下，直接顶已沿煤壁断裂冒顶后，支柱多数沿煤层向下倾倒多数情况下，发生在回柱放顶过程②冒顶机理离层岩层下沉时，软快硬慢，两层别离断裂形成六面体，假设周围失去约束，连同单体支柱形成不稳定结构，如图3-5所示冒落借助煤层倾角，六面体靠自重，岩块的下推力大于阻力，导致推垮型冒落图3-5下位软岩层离层断裂③冒顶地点开切眼附近地质破坏带附近旧巷附近掘进破坏复合顶板的地点倾角大的地段顶板岩层含水的地段局部冒顶区附近尖灭构造地段④案例分析5⑤防治与勘察掘进上下顺槽时，不破坏复合顶板应用伪倾斜工作面，以增加阻力控制采高，使软岩冒落后超过采高，增加六面体下推的阻力采用整体支架，用拉钩联接器把每排支柱连起来，与铰接顶梁十字交叉，形成整体结构，如图3-6所示。图3-6拉钩式连接器金属支柱；2-拉钩式连接器利用戗棚、戗柱加强支护系统布置树脂锚杆，将开切眼附近和控顶区内的软硬岩层锚在一起，防止冒顶6.金属网下推垮型冒顶

①冒顶特点发生在初次放顶前后及回柱时推垮前支柱受力一般不大推垮时，支柱无折损推垮速度快，人力无法抵抗煤层倾角一般在20°以上发生支护方式一般为单体金属磨擦支柱②冒顶机理由于支护失效，首先形成网兜由于支柱初撑力小，刚度小，在碎块压力下，支架失稳。如图3-7所示。图3-7金属网假顶下推垮型冒顶过程③案例分析6④防治与勘察提高初撑力及刚度，增加稳定性在二分层及以下分层开采时，用内错式布置开切眼，防止网下碎矸之上存在空隙用“整体支架〞增加支架的稳定性初次放顶，要把金属网下放到底板7.大块游离顶板旋转推垮型冒顶

①冒顶特点发生在回柱时或放顶后游离岩块的重力与支反力不在同一条作用线上，重力大于支反力，且重力靠老塘侧一般将支柱推向煤壁②冒顶机理顶板由断层、裂隙、层理或薄弱岩层切割成游离大岩块大岩块形成旋转力矩，将支柱推倒③案例分析7④防治与勘察正确判断游离岩块的范围对游离岩块加强支护待游离岩块全部处于采空区时，再用回柱绞车8.压垮型冒顶①顶板条件直接顶较薄，厚度小于采高2～3倍直接之上的老顶分层厚度小于5～6米②冒顶前兆压垮型冒顶事故是在老顶来压时发生，因此压垮型冒顶是老顶来压时的征兆，顺序为：煤壁片帮顶板下沉速度急剧增加支柱载荷急剧增大靠煤帮顶板掉喳靠煤帮顶板断裂摩擦柱放炮③冒顶类型老顶断裂下沉,图3-8压垮型冒顶类型之一、之二老顶台阶下沉,如图3-8所示图3-8压垮型冒顶类型之一、之二④案例分析8⑤防治与勘察加强地质工作，摸清直接顶与老顶的结构和力学特性进行常规矿压观测，准确掌握来压步距，加强来压预报合理选择支护方式，合理设计工作面支护强度，特别对末排支柱要加大支护强度遇到平行于工作面的断层，要加强维护，不得正常回柱，待断层进入采空区后再回柱9.大面积冒顶①冒顶原因煤层之上是厚而坚硬的砂岩，常常大面积悬而不冒，老顶来压步距达50～70ｍ，甚至更大。当自身强度承受不了自重和上位岩层重量时，即弯曲应力超过了极限强度时，出现断裂及垮落。回采过程中遇到较发育的原生裂隙或断层，也会导致冒落②预兆顶板断裂声响的频率和音响增大有明显片帮现象底板有可能出现底鼓巷道超前压力明显支柱载荷和顶板下沉速度明显增大有时采空区顶板发生裂缝和淋水加大③案例分析9④防治与勘察顶板高压注水，周期来压步距减少60～70％，如图3-9所示图3-9顶板注水钻孔布置方式及其参数a-四老沟矿8205工作面顶板注水钻孔的布置方式b-云岗矿8305工作面顶板注水钻孔的布置方式强制放顶循环式浅孔放顶〔每1-2个循环，打一排钻孔〕步距式深孔放顶〔周期来压前，沿工作面向顶板打钻孔〕，如图3-10所示图3-10“步距式〞深孔放顶超前深孔松动爆破〔在上下顺槽，向顶板打深孔〕如图3-11所示图3-11超前深孔松动爆破地面深孔放顶〔地面打钻到放顶位置而后爆破〕二、巷道顶板事故的致因及防治〔一〕巷道顶板事故的分类1.掘进工作面冒顶事故2.巷道交岔处的冒顶事故〔二〕掘进工作面的冒顶事故的原因及防治①冒顶原因掘进破岩后，顶部岩石与岩体失去联系，假设支护不及时，随时可能冒落；已支护的顶部岩石，假设支护失败，可能造成冒落。②案例分析11③防治与勘察根椐岩性，控制空顶距，当遇到破碎带或层理、裂隙发育时，应紧跟掘进支护；严格敲帮问顶制度，危石必须挑下，无法挑下时应采取临时支撑措施，严禁空顶作业；在破碎带掘进巷道，要缩小支护棚距，用拉条将棚子连成一体，防止推跨；对破碎带有时可超前注速凝剂，固化岩体；掘进头有空顶区和破碎带必须背严结实，必要时要挂网防止漏空；炮眼布置及装药量必须与岩石性质、支架和掘进头距离相适应，防止放炮崩倒棚子；锚杆支护注意眼深和锚杆密度，必要时锚喷网联合支护〔三〕巷道交岔处顶板事故的原因与防治①冒顶原因交岔处断面大，岩层松动范围大，巷道压力大，可发生冒顶；交岔处支护复杂，有两巷支架，有抬棚，支架稳定性要求高，强度大，支护质量不好可发生冒顶。②案例分析12③防治与勘察开岔口应选择岩性较好的位置严格操作规程，先支抬棚，后撤除原棚注意选用抬棚材料的质量与规格，保证抬棚有足够的强度当开口处围岩夹角被压坏，应及时采取加强和稳定措施三、顶板事故的抢险救灾〔一〕顶板事故的特点1．突发性2．灾难性3．破坏性4．继发性〔二〕顶板事故的处理原那么〔1〕工作面冒落范围较小，矸石块度小，比较破碎，并且继续下落，矸石扒一点、漏一些时。救护人员可采用撞楔法处理，控制住顶板。〔2〕如果底板是岩石，掏不动，遇险者位置在金属网或荆条假顶下面时，可沿煤壁掏小洞寻找遇险人员。〔3〕如果工作面两头冒落，把人堵在中间，采用掏小洞和撞楔法穿不过去，可采用另开巷道的方法，绕过冒落区或危险区将遇险人员救出。1)冒顶发生在工作面机尾图3－12开补巷法2)冒顶发生在工作面的机头图3－13机头冒顶开补巷绕过3)冒顶发生在工作面的中部图3－14中部冒顶重掘开切眼方法〔4〕顶板冒落范围不大时；如果遇险人员被大块矸石压住，可采用千斤顶等工具把大块岩石顶起，将人迅速救出。〔5〕独头掘进巷道发生冒顶事故将人员压住或堵住，可参照以上方法抢救遇险人员。当冒顶事故发生在掘进工作面，处理垮落巷道的方法有：木垛法、搭凉棚法，撞楔法、打绕道法等。1〕木垛法这是处理垮落巷道的常用方法，一般又分为“井〞字木垛和“井"字木垛与小棚结合处理法两种。图3－15木垛法①“井〞字木垛法图3－16“井〞字木垛法②“井〞字木垛和小棚结合法图3－17垮落巷道处理法2〕搭凉棚法：图3—18凉棚法

3〕撞楔法：图3—19撞楔法

4〕打绕道法〔6〕如果遇险者位置靠近放顶区时，可采用沿放顶区由外向里掏小洞，架设梯形棚子，用木板背顶，或边支护边掏洞，把遇险人员救出。〔7〕工作面冒落范围很大时，遇险者的位置在冒落工作面的中间，采用掏小洞和撞楔法处理时间长，不平安，可沿煤层重开开切限的方法处理。新开切眼与原工作面距离一般为3m～5m左右，边支护边掘进。也可以沿煤壁用掏洞法处理，但靠冒落区的一帮必须用木板背好，防止漏矸石。整巷法。冒顶范围不超过15