《煤矿顶板事故防治》PPT课件.ppt

1、1,矿山压力与岩层控制,孙光中 河南工程学院（中国 新郑）,2,一、有关矿山压力的基本概念,原岩应力；二次应力场：矿山压力； 矿山压力显现；矿山压力控制； 自重应力；构造应力；支承压力。,3,二、矿压显现的基本规律,4,老顶断裂成岩块后的转动,1.老顶的初次来压,定义 由于老顶的初次断裂失稳引起工作面顶板来压的现象。 形成过程 随着工作面推进还可能形成四、五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为止。,初次来压特征 老顶初次来压比较突然 来压前回采工作空间上方的顶板压力比较小 因而往往容易使人疏忽大意。初次来压时，老顶垮距比较大，影响的范围也比较广，工作面易出现事故。,衡量指

2、标 来压强度和初次来压步距 顶板坚硬、直接顶薄的工作面初次来压强度大、来压步距大。,采取对策 在来压期间，必须加强支架的支撑力，尤其要加强支架的稳定性。 一般可以采用木垛、斜撑等特种支架加强回采工作空间的支护。,5,2.老顶的周期来压,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；有时还可能引起煤壁片帮、支柱折损、顶板发生台阶下沉等现象。 如果支柱参数选择不合适或者单体支柱稳定性较差，则可能导致局部冒顶、甚至顶板沿工作面切落等事故。,由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象 随着回采工作面的推进，在老顶初次来压以后，裂隙带岩层形成的结构，将始终经

3、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。由于结构的失稳导致了工作面顶板的来压。这种来压也将随着工作面的推进而呈周期性出现。,6,3、采场上覆岩层的竖三带 （1）冒落带：指直接顶岩层。冒落后成块状，彼此间失去了力的联系，不规则地堆积在底板上。如果直接顶比较厚，冒落后由于其碎胀性，可以充满采空区，对老顶岩层会起到支撑作用，这将大大减轻老顶的来压强度。 （2）裂隙带：指老顶岩梁组合。工作面推过以后，老顶岩梁组合断裂、下沉，但由于块度很大，岩层断裂后，各岩块间并没有失去力的联系，而是彼此间相互咬合，形成诸如“砌体梁、悬臂梁、压力拱、铰结岩块”等之类的结构。这些结构将上覆岩层的重量

4、一方面传递到工作面前方煤壁，另一方面传递给工作面后方冒落矸石，而工作面支护工作空间则在这种结构的保护下，承受较小的压力。 （3）弯曲下沉带：裂隙带之上至地表的岩层。采动以后，这部分岩层只发生下沉和弯曲，并没有断裂。但下沉的结果会使地表产生下沉盆地，严重时可能使地表形成局部裂缝、塌陷或台阶下沉，给地表建筑物造成破坏。,4、采场上覆岩层的横三区 (1) 煤壁支撑影响区：煤层上方的岩层在开采的影响下，在工作面前方2030m处开始变形，其特点是水平移动剧烈，垂直运动很小，当工作面推过此区，才能引起垂直位移急剧增加。 (2) 离层区：此区垂直位移急剧增加，但各层位移速度不尽相同，特点是上位岩层移动缓慢，

5、下位岩层移动较快，因此，此区内会形成离层现象。 (3)重新压实区：工作面后方已断裂的老顶遇到矸石支撑后，下位岩层下沉速度慢，上位岩层下沉速度快，原来发生离层的地方又重新被压实，故该区叫重新压实区。,7,1冒落带; 2裂隙带 a覆岩为软岩层; b覆岩为中硬岩层; c覆岩为坚硬岩层,5.不同类型覆岩开采后的破坏情况,8,6.回采工作面附近应力集中,9,7.采场周围支承压力分布,A应力增高区; B应力降低区; C应力不变区,（1）工作面在正常推进期间，上覆岩层所形成的结构，由“煤壁已冒落矸石”支撑体系来支撑，下位岩层（直接顶）由“煤壁工作面支架已冒落矸石”所形成的支撑体系来支撑。 （2）由于上覆岩层

6、的结构大多是半拱式的，因此煤壁一端几乎支撑着回采工作空间上方悬露岩层的大部分重量，而采空区后方只承受压实区的重量。 （3）工作面前后方形成三个不同的支承压力区。即工作面前方压力增高区、工作面支护空间前后减压区及工作面后方稳压区。 （4）随着工作面不断向前推进，这三个区不断向前移动，使工作面承受的压力显现出动态的过程。,10,8.分层开采时的矿山压力显现的基本规律,由于在第一分层回采时顶板岩层已经历了一次悬露、破裂、折断和垮落的过程，完整性受到了破坏； 下分层工作面的老顶来压将会显著减弱或者不再显现，即通常所说的在回采顶分层时可能出现“动压”，而在回采下分层时则主要表现为“静压”。 其基本表现为

7、老顶来压步距小，强度低; 支架载荷变小; 顶板下沉量变大。,11,放顶煤开采技术 由于放顶煤开采的支架上方存在一层厚而破碎且随采随放的顶煤，因而与分层开采相比，其矿压显现也有一些其自身的特点,9.放顶煤工作面矿山压力显现特征,12,巷道掘进阶段（） 掘进巷道仅对小范围岩体造成扰动，故一般情况下矿压显现不会很剧烈.,无采掘影响阶段（） 顶底板移近速度比掘进期间要小得多，故巷道基本上处于稳定状态。,采动影响阶段（） 采动影响是由于回采工作引起围岩应力再次重新分布而造成的。这阶段中矿压显现也最强烈。,采动影响稳定阶段（） 这是巷道围岩经受一次采动影响后重新进入相对稳定的阶段，故其围岩移动特征基本上与

8、无采掘影响阶段类似。,二次采动影响阶段（） 二次采动影响的时间和空间规律与一次采动影响类似，但由于这种情况下巷道受到下区段工作面超前支承压力和巷道煤体一侧残余支承压力的叠加作用，二次采动影响的剧烈程度和影响范围都会比一次采动影响稍大。,移近速度曲线,移近量曲线,10.巷道矿山压力显现,13,断层与褶曲,挤压与破碎带,节理、裂隙,煤层倾角,开采深度,上部煤层残留煤柱,工作面推进速度,采高与控顶距,8.影响工作面矿山压力显现的基本因素,14,三、采场顶板事故的致因及防治,15,顶板事故分类,按冒顶范围分： 局部冒顶 大型冒顶 按发生冒顶事故的力学原因分： 压垮型冒顶 漏冒型冒顶 推垮型冒顶,16,

9、局部冒顶和大型冒顶,局部冒顶指范围不大，有时仅在35支架范围内，伤亡人数不多(12人)的冒顶。 局部冒顶事故的次数远多于大型冒顶事故，约占采场冒顶事故的70%，总的危害比较大。 常发生在靠近煤壁附近、采场两端、放顶线附近以及地质破坏带附近。 大型冒顶指范围较大，伤亡人数较多（每次死亡3人以上）的冒顶。,17,压垮型冒顶：老顶来压时的压垮型冒顶； 厚层难冒顶板大面积冒落； 直接顶导致的压垮型冒顶。 漏冒型冒顶：大面积漏垮型冒顶； 局部漏冒型冒顶。 推垮型冒顶：复合顶板推垮型冒顶； 金属网下推垮型冒顶； 大块游离顶板旋转推垮型冒顶； 采空区冒矸冲入采场的推垮型冒顶； 冲击推垮型冒顶。 综合类型冒顶

10、,按力源划分的采场顶板事故分类,18,1靠煤壁附近的局部冒顶,致因： 直接顶被密集裂隙切割，形成了游离岩块； 采高过大，在老顶来压期间，煤壁片帮，扩大了无支护空间； 放顶煤开采，顶煤破碎。,19,镶嵌型顶板局部冒顶,地质及技术条件 煤层编号：11# 直接顶岩性：粉砂岩 底板：砂页岩 采高：1.82.2m 采煤方式：炮采 支护方式：金属摩擦支柱+1.0m金属梁 事故发生经过 靠近煤壁装煤 直径2m，厚0.9m岩块掉落 死亡1人,20,顶板楔形岩块冒落,地质及技术条件 煤层编号：12# 直接顶岩性：细砂岩 底板：粉砂岩 采高：1.2m 采煤方式：80采煤机，截深0.6m 支护方式：金属摩擦支柱+1

11、.1m木板梁 事故发生经过 靠近煤壁装煤 2.7m长、0.85m宽、1.04vm厚岩块掉落 死亡1人,21,采用能及时支护悬露顶板的支架，并使端面距不大于200mm；,正悬臂交错顶梁支架 错梁直线柱支架布置,单体支柱工作面冒顶事故防治,22,炮采时，炮眼布置及装药量应合理，尽量避免崩倒支架。 尽量使工作面与煤层的主要节理方向垂直或斜交，避免煤层片帮。 在金属网下，还可以采用长钢梁对棚迈步支架。 在架设支架前还必须敲帮问顶，以防止掉岩块伤人,23,综采工作面的局部冒顶预防措施,支架设计上 采用长侧护板 整体顶梁 内伸缩式前梁 增大支架向煤壁方向的水平推力 提高支架的初撑力； 工艺操作上，采煤机过

12、后，及时伸出伸缩梁，及时擦顶带压移架，顶梁的俯视角不超过7。 当碎顶范围较大时（比如过断层破碎带等），则应对破碎直接顶注入树脂类粘结剂使其固化，以防止冒顶。,24,2采场两端的局部冒顶,致因 暴露的空间大，支承压力集中； 经常要进行机头机尾的移置工作； 要拆掉原巷道支架的一个棚腿，换用抬棚支承棚梁。,25,在机头机尾处各应用四对一梁三柱的钢梁抬棚支护，每对抬棚随机头机尾的推移迈步前移； 在机头机尾处采用双楔铰接顶梁支护。 在采场两端采用十字铰接顶梁支护系统以防漏冒。 在超前工作面10m以内，巷道支架应加双中心柱，超前工作面1020m，巷道支架应加单中心柱以预防冒顶。,防治措施,26,27,3放

13、顶线附近的局部冒顶,致因 回拆放顶线上“吃劲”的柱子； 当顶板中存在被断层、裂隙、层理等切割而形成的大块游离岩块时； 在金属网假顶下，网上有大块游离岩块。,28,加强地质及观察工作，记载大岩块的位置及尺寸； 在大岩块范围内用木垛等加强支护； 当大岩块沿工作面推进方向的长度超过一次放顶步距离时，在大岩块的范围内要延长控顶距； 如果工作面用的是单体金属支柱，在大岩块范围内要用木支架替换金属支架； 待大岩块全部都处在放顶线以外的采空区时，再用绞车回木支柱。,防治措施,29,4地质破坏带附近的局部冒顶,致因 顶板裂隙发育、破碎； 断层面间多充以粉状或泥状物； 断层面都比较尖滑,使上、下盘之间的岩石无粘

14、结力,尤其是断层面成为导水裂隙时，更是彼此分离；,30,在断层两侧加设木垛加强维护，并迎着岩块可能滑下的方向支设戗棚或戗柱。 在煤壁的前方顶板和煤层特别破碎时，采用锚杆。 用树脂注入煤岩裂隙中，进行预加固。,防治措施,31,5.大型冒顶事故的致因及防治,1. 老顶来压时的压垮型冒顶 致因 （1）垮落带老顶岩块压坏采场支架导致冒顶；,32,（2）由于采场支架初撑力不足，在老顶岩块未明显运动之前，直接顶与老顶已发生离层。 （3）当老顶岩块向下运动时，采场支架要承受冲击载荷，支架容易被损坏，从而导致冒顶。,33,坚硬顶板冒顶实例,地质及技术条件 工作面长度：75m 直接顶岩性：石英砂岩45m 老顶：

15、白色石英砂岩8m 采煤方法：爆破 支护：木支柱 事故发生原因及经过 支柱阻力低 在煤壁大面积片帮和支架折断情况下，没有采取措施 工作面推进48m时，初次来压 从煤壁处切顶 冒顶30m,34,压垮型冒顶实例,地质及技术条件 直接顶岩性：石英砂岩3.3m 采煤方法：爆破 支护：金属摩擦支柱 事故发生原因及经过 支柱阻力低，支护质量不好 控顶5排，悬顶6m 回柱放顶 冒顶29m 回柱3人全部死亡,35,台阶下沉引起冒顶实例,地质及技术条件 直接顶岩性：砂岩4m 采煤方法：爆破 支护：金属摩擦支柱 事故发生原因及经过 支柱阻力低，支架插底 控顶5排 台阶下沉 回柱放顶 冒顶12m 1人死亡,36,防治

16、措施,提高支架支撑力和初撑力，保证直接顶与老顶之间不离层; 支架有足够的可缩量，满足裂隙带老顶下沉的要求; 遇到平行工作面的断层时： 单体支柱支护时要及时加强工作面支护（最好用木垛）; 液压自移支架支护时，则应考虑使工作面与断层斜交或在采空区挑顶的措施过断层。,37,6. 厚层难冒顶板大面积冒顶,致因 煤层顶板是整体厚层硬岩层, 不易冒落。 征兆 顶板断裂声响的频率和音响增大； 煤帮有明显受压与片帮现象； 底板出现底鼓或沿煤柱附近的底板发生裂缝； 巷道（上下平巷）超前压力较明显； 工作面中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或淋水加大，向顶板中打的钻孔原先流清水后变为流白糊

17、状的液体。,38,监测 微震仪 地音仪 超声波地层应力仪 防治方法 改变岩体的物理力学性质，以减小顶板悬露及冒落面积，减小顶板冒落高度，降低空气排放速度。 具体防治措施 1顶板高压注水 2强制放顶,39,40,7. 漏垮型冒顶的致因及防治,致因 煤层倾角较大，直接顶又异常破碎； 某个地点失效先发生局部漏冒，造成支架失稳，工作面顶板大面积漏垮。 预防措施 选用合适的支柱，使工作面支护系统有足够的支撑力与可缩量； 顶板必须背严实； 严禁放炮、移溜等工序弄倒支架，防止出现局部冒顶。,41,支架损坏漏顶实例,地质及技术条件 煤层编号：9# 直接顶岩性：金属网假顶 采高：2.2m 采煤方式：爆破，深1.

18、6m 支护方式：木支柱+木板梁 事故发生经过 靠近煤壁装煤 裂网漏矸，冒顶两个柱空 死亡1人,42,8. 复合顶板推垮型冒顶,致因 顶板离层 顶板岩层存在六面体 六面体有去路并有倾角 推力大于阻力,43,44,预防措施,应用伪俯斜工作面; 掘进上下顺槽时不破坏复合顶板; 工作面初采时不要反推; 控制采高，使软岩层冒落后能超过采高; 尽量避免上下顺槽与工作面斜交; 应用戗柱戗棚，使它们迎着六面体可能推移的方向支设; 在开切眼附近于控顶区内，系统地布置树脂锚杆;,45,46,四、巷道冒顶事故的致因及防治,47,巷道冒顶事故分类,掘进工作面冒顶 巷道交叉处冒顶 支架支护巷道冒顶 锚杆支护巷道冒顶,4

19、8,1.掘进工作面冒顶事故的原因及防治措施,致因 顶部存在将与岩体失却联系的岩块，支护不及时； 顶部存在与岩体完全失去联系的岩块，支护力不足或支护失效。,49,受节理切割顶板冒落,地质及技术条件 煤层编号：9# 直接顶岩性：坚硬顶板 底板：煤，f=3 支护方式：金属拱形支架 事故发生经过 5.0m长、3.7m宽、1.7vm厚岩块掉落 死亡1人，救出4人,50,过顶板岩性突变带,地质及技术条件 迎头顶板出现板棱 顶板由砂页岩变成煤顶 经过 放炮崩板棱，空顶2.7m 没有用点柱护顶 顶板掉矸2m*1.6m*0.6m 原因 岩性突变，连续性遭到破坏 炮崩板棱对顶板振动大 迎头空顶面积大,51,岩层节

20、理裂隙及破碎带影响,52,多发地点,断层、褶曲等地质构造破坏带 层理裂隙发育的岩层中 放炮不慎崩倒附近支架 接顶不严实而导致岩块砸坏支架 掘进工作面无支护部分片帮冒顶推倒附近棚子,53,预防措施,（1）掘进工作面遇到断层褶曲等地质构造破坏带或层理裂隙发育的岩层时，棚子支护时应紧靠掘进工作面，严格控制空顶距。 （2）严格执行敲帮问顶制度，严禁空顶作业。 （3）冒顶区及破碎带必须背严接实，必要时要挂金属网防止漏空。 （4）控制炮眼布置及装药量，防止放炮而崩倒棚子。,54,进行临时支护,55,2.巷道交叉处冒顶事故的原因及预防措施,致因 巷道开岔时，顶部存在与岩体失却联系的岩块，开岔口新支设抬棚的强

21、度不足，或稳定性不够； 交叉点面积大，支护力不足。,56,交叉点处空顶,地质及技术条件 煤层巷道 巷道净断面： 6.8 扩大到10.5 无临时支护 经过 空顶作业，顶板突然冒顶 原因 交叉地点套修属特殊作业，没有制定详细技术补充措施 麻痹大意，误认为顶板稳定 先拆支架后支护,57,交叉点处空顶,地质及技术条件 顶底板均为岩石 巷道净断面： 6.8 m*m 掘进方式：炮掘 支护方式：u型钢拱形支架临时支护 背板：木板与木条 2#碹已掘进9.6m，右边3.6m已砌碹，断面3.9m*3.6m 事故发生原因及经过 2#碹向前打眼掘进时局部冒顶 三架支架被推倒 交叉点悬顶面积大，没有专人观察顶板情况 支

22、架稳定性不好，临时支护不起护顶作用,58,预防措施,（1）开岔口应避开原来巷道冒顶的范围； （2）必须在开口抬棚支设稳定后再拆除原巷道棚腿。 （3）抬棚材料的质量与规格符合要求； （4）当开口处围岩尖角被挤压坏时，应及时采取加强抬棚稳定性的措施。,59,3.支架支护巷道冒顶防治,致因 压垮型：巷道压力过大，损坏了支架，顶部已破碎的岩块冒落； 漏垮型：无支护巷道或支护失效（非压坏），巷道顶部游离岩块在重力作用下冒落； 推垮型：巷道顶帮破碎岩石在运动过程中存在平行巷道轴线的分力，巷道支架的稳定性不够，被推倒而冒顶。,60,支架严重变形破坏,61,支架稳定性差,62,工程因素影响,支架支设质量差,6

23、3,替换支架时空顶空帮,地质及技术条件 工作面出口处煤层巷道 将4.7m*m拱形支架替换为1.8*1.8m的木棚 经过 木棚先支三架 回收第三架拱形支架时费力 用锤猛击，顶板突然冒落 原因 换棚前支架受力大 换棚后支架顶板和两帮不接 回拱形支架时，木棚没打中柱,64,预防措施,（1）巷道布置在稳定的岩体中，避免采动影响； （2）巷道支架应有足够的支护强度； （3）巷道支架有足够的可缩量； （4）支架施工时要严格按工序质量要求进行，并特别注意顶与帮的背严背实问题； （5）凡因支护失效而空顶的地点，重新支护时应先护顶，再施工； （6）巷道替换支架时，必须先支新支架，再拆老支架。,65,4.锚杆支护

24、巷道冒顶防治,致因 巷道顶板出现离层 锚杆强度不足,66,巷道冒顶的原因,岩层层理影响 镶嵌性围岩结构 影响 岩层节理裂隙 及破碎带影响 地下水影响,67,距顶板2.0m处存在软弱夹层时剪应力及顶板破坏过程,岩层结构,68,锚杆支护失效,69,防治措施,1.应用地应力为基础的锚杆支护设计方法 2.钻孔、锚杆、树脂卷直径进行合理匹配 3.使用高强锚杆及全长锚固 4.使用小孔径预应力锚索加强支护 5.进行煤巷锚杆支护监测,70,（1）高（超高）强度锚杆支护系统,左旋螺纹杆体结构，低稠度双速锚固剂，钻孔、杆体、树脂卷三径合理匹配所形成的全长锚固技术，使巷道围岩变形量比端锚锚杆减少50%以上。,71,

25、（2）测力锚杆、顶板离层指示仪,72,(3)顶板岩层结构探测,很多巷道冒顶事故原因主要是非稳定岩层变厚、稳定岩层变薄、软弱夹层使岩层组合劣化引起的，冒顶部分顶板围岩结构与其它稳定区域的围岩结构不同，因此支护不当就会产生冒顶,冒顶原因:直接顶板泥岩厚度由设计时的4.4m变为冒顶时的6.3m, 超过了设计的 锚索长度(5m),冒顶原因:9与10煤层间设计时粉砂岩厚79m变为冒落时的4.06m。锚索锚在了煤层中,锚固能力大大降低.冒落长40m，宽6m，高6.5m.,冒顶原因:直接顶板泥岩与基本顶砂岩间突然出现50mm厚的一层煤线。长9.4m，宽4.2m，高2.35m，,73,顶板岩层结构探测,利用锚

26、杆钻机钻孔这一施工过程，每0.8m1.0m对顶板地质情况逐一查明，由此发现易冒顶顶板冒顶隐患，从而采取必要的支护措施。 本项技术是原创型的，属于中国矿业大学独有技术。,74,(4)顶板岩层稳定性动态分类,由于巷道顶事故是由岩层组合劣化引起的，冒顶部分顶板围岩与其它稳定区域的围岩条件不同，一般不属于同一类别，在这种不同类别的顶板中使用相同的锚杆支护参数必然造成一方面支护过剩（占60以上），另一方面支护不足（万分之五）。 将巷道划分为若干区域，利用顶板岩层结构探测仪测得的顶板岩层参数进行分类（每个区域的范围可以达到足够小）。 煤巷顶板围岩的动态分类为首次。,75,（5）合理煤柱尺寸研究,留设煤柱护

27、巷时的基本要求 尽量减少煤柱损失 煤柱宽度要符合采场顶板运动规律及支承压力分布规律 煤柱宽度要有利于充分发挥先进锚杆支护技术的作用,76,煤柱破坏机理分析 煤柱的几种破坏形式 影响煤柱工作状态的因素分析 锚杆加固煤柱机理,(a)煤柱顶部无软夹层(b)煤柱顶部有软夹层(c)煤柱高1/2处有软夹层,a切破坏，b纵向劈裂，c沿弱面或断层破坏，d煤柱压入底板出现底臌 煤柱常见的几种破坏形式,载荷大小 煤柱强度的尺寸-形状效应 承载时间 煤柱与围岩的相互作用,77,可切割,78,柔性好,79,玻璃纤维过胶 拉挤成型 加热固化 套管复合 尾部滚丝 二次固化,FRP锚杆成型工艺,80,（6）防断顶板金属锚杆,81,锚杆尾部断裂的危害,82,普通锚杆的尾部破断机制,对普通锚杆，其锚尾螺纹部位的有效断面直径小于杆体直径是造成锚尾断裂失效的内