矿山压力与顶板灾害.ppt

矿山压力与顶板灾害,华北科技学院中国煤矿安全技术培训中心安全工程学院副院长王玉怀教授,主要内容,一、顶板活动及矿压显现规律二、顶板事故类型及控制原则三、工作面冒顶处理,概述,科学管理顶板“合理顶板控制设计”和“支护质量与顶板动态监测”。管好顶板、最大限度地消除冒顶事故，必须合理顶板控制设计；支护质量与顶板动态监测（矿压观测）。支护质量监测支护参数是否符合合理顶板控制设计的要求。顶板动态监测保证顶板处于良好状态，保证采场正常而安全的生产。,顶板活动及矿压显现规律,一、采场顶板活动一般规律二、巷道周围矿压显现规律三、采场周围应力分布规律,一、采场顶板活动的一般规律,1、顶板煤层上方的岩层。,2.顶板运动方式,采煤后，顶板岩层按“分层”由下而上依次逐个下沉、断裂、冒落。“分层”可能是--同一岩性的整体岩层--同一岩性中较厚岩层中的一部分岩层--由下硬上软不同岩性岩层组成的岩层，此时软岩层为硬岩层的附加岩层。,3.分层的硬强度大与软强度小,分层的硬与软，不仅与岩性和强度有关，而且与分层的厚度有关。分层厚度小的岩层，分层强度较小。分层厚度大的岩层，分层强度较大。,4.老顶与直接顶,顶板煤层上方的岩层。老顶牢顶厚度大于1.52.0m，较坚硬的分层，岩性多为砂岩、砂砾岩、石灰岩等。直接顶直接在煤层上面，厚度小于1.52.0m，较软弱、下面又无老顶的分层，岩性多为页岩、砂页岩等。底板直接在煤层下面的岩层。,5.垮落带与裂隙带,工作面工作空间与采空区；采空区处理方法全部垮落法与充填法,垮落带岩层直接顶和老顶不支撑就会垮落的那部分岩层；裂隙带岩层主要是老顶在其断裂、旋转、下沉及触矸过程中，岩块间能够互相挤紧，从而形成能够承受载荷的平衡结构，并把自身及附加岩层的重量加到采空空间周围的煤体及冒矸之上。,6.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620m。,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2035m。①如果直接顶厚度大于或等于24倍的采高，则能填满采空区，采面无老顶活动威胁。但老顶还是要弯曲、下沉和断裂的。,②如果直接顶厚度小于24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。,③当老顶岩梁达到极限跨距时，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。,3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1/21/4。4老顶来压的两个问题①当初撑力较低时，老顶往往断裂在煤壁之内。②老顶，可能是垮落带岩层悬臂梁，裂隙带岩层砌体梁结构。,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。,①老顶在采空区受剪力时；②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。,二、采区平巷矿压显现规律,矿山压力显现就是由于矿山压力作用，使围岩煤体和各种人工支承物产生种种力学现象。本区段工作面采完后留下供下区段工作面复用的下部运输顺槽，从巷道开始掘进到开采工作完全结束巷道被废弃的全过程中，矿压显现要经历五个阶段，或分为5个不同的矿压显现带五个阶段巷道掘进阶段Ⅰ、无采掘影响阶段Ⅱ、采动影响阶段Ⅲ、采动影响稳定阶段Ⅳ、二次采动影响阶段Ⅴ。,工作面下部顺槽顶底板移近量的全过程曲线,1移动速度曲线；2移近量曲线,巷道掘进阶段Ⅰ,在煤层或岩体内开掘巷道，破坏了原始应力平衡状态，就会引起围岩应力重新分布，表现为巷道一旦掘出，其围岩立即产生移动和变形。随着巷道掘出时间的延长，围岩应力分布较快趋向平衡，移动速度也由剧烈、衰减而趋向稳定。随巷道围岩性质，采深，掘巷方法等不同，掘进阶段矿压显现由剧烈转向稳定所经时间差别较大，短者只有几天，而长者可达12月，相应地掘进阶段引起的顶底板移近量差别也较大。,无采掘影响阶段Ⅱ,这个阶段的围岩移动主要是由于流变所引起，即变形量是时间的函数。由于随时间增长变形的增量极为微小，这个阶段的顶底板移近速度比掘巷期间要小得多，故巷道基本上处于稳定状态。,采动影响阶段Ⅲ,因岩层运动规模大，这阶段中矿压显现最强烈。超前影响距离由1020m至4050m不等，峰值区位于工作面后方520m范围内。该处顶底板移近速度很大，巷道断面急剧缩小，支架变形折损常很严重，是巷道维护最困难的地段。工作面后方4060m处，采空区上方岩层运动即逐渐趋于稳定，采动影响明显变小，从而进入采动影响衰减区。,采动影响稳定阶段Ⅳ,这是巷道围岩经受一次采动影响后重新进入相对稳定阶段，故其围岩移动基本特征上与无采动影响阶段类似，这个阶段中的围岩平均移动速度一般还比无采动影响阶段稍大一些。进入采动影响稳定阶段的距离，少者从工作面后方5060m处开始，但多数情况是在100120m以外。,二次采动影响阶段Ⅴ,处于采动影响稳定阶段的巷道，在下区段回采时，由于开采面积进一步扩大，重新引起顶板岩层失稳和运动，将再次受到采动影响。二次采动影响的时间和空间规律与一次采动影响类似，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。,三、采场周围应力分布规律,工作面前方形成的移动超前支承压力。其余三边形成残余支承压力。,1工作面前方超前支承压力；2、3、4沿倾斜、仰斜及工作面后方残余支承压力,1.采场周围应力分布一般规律,对于移动性支承压力，其峰值大小可能比原岩应力γH增高13倍，即应力集中系数K24，对于固定性支承压力一般K23。在离工作面一定距离的后方采空区内，也可能出现峰值较小（Ｋ＝１1.3）的支承压力，称为采空区支承压力。上区段采空区的残余支承压力与下区段工作面的超前支承压力叠加，形成峰值很高的叠合支承压力。叠合支承压力的峰值可能比原岩应力增高46倍（即Ｋ＝57），有时甚至更高。,煤层凸出角处的叠合支承压力,2.支承压力的影响范围,超前支承压力峰值位置深入煤体内的距离约为210，其影响范围视具体情况不同，可达工作面前方2030至90100。,留区段煤柱时回采空间垂直应力等值线分布,1采动影响带边界；2支承压力区；3卸载区边界,3.煤柱及停采线下方底板岩体内的矿压显现,煤柱下方底板垂直应力等值线分布。煤柱载荷均布，应力集中系数为3。,煤体与采空区交界处底板垂直应力等值线分布,γ－上覆岩层容重；H－埋藏深度φ－底板岩石应力升高区的扩展影响角；Z－被跨巷道与上部回采煤层间的法线距；X-被跨巷道与上部回采煤柱边缘的水平距,主要内容,一、顶板活动及矿压显现规律二、顶板事故类型及控制原则三、工作面冒顶的处理,,顶板事故是指在地下采掘过程中．顶板意外冒顶、片帮、煤炮、冲击地压、顶板掉矸，造成的人员伤亡、设备损坏、生产中止等事故。随着液压支架的使用及顶板事故的研究和预防技术的逐步完善，顶板事故有所下降，但仍然是煤矿生产的主要灾害之一。,,矿井顶板事故的危害表现（1）冒顶事故发生后，一般都会推倒支架、埋压设备，造成停电、停风，给安全管理带来困难，对安全生产不利。（2）地质构造带附近的冒顶事故，不仅给生产造成麻烦，而且有时会引起透水事故的发生。（3）在有瓦斯涌出区附近发生顶板事故将伴有瓦斯的突出，易造成瓦斯事故。（4）如果是采掘工作面发生顶板事故，一旦人员被堵或被埋，将造成人员伤亡。,一、顶板事故类型,按冒顶的力源进行分类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。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。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。综合型两种或三种综合出现。,1、压垮型冒顶,老顶来压时的压垮型冒顶（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。难冒顶板的压垮型冒顶直接顶的压垮型冒顶,2）漏冒型冒顶,1靠煤壁附近的局部冒顶。2单体支柱工作面两端的局部冒顶，包括机头、机尾处的局部冒顶，工作面与巷道交接处的局部冒顶。3放顶线附近的局部冒顶。,（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,4）其他类型的冒顶,（1）厚层难冒顶板导致的大面积冒顶。（2）断层带附近的冒顶。（3）直接顶中出现游离岩块导致的冒顶，包括复合顶板推垮型冒顶、旋转推垮型冒顶、游离岩块的压垮型冒顶等。,,按冒顶范围可将顶板事故分为局部冒顶和大型冒顶两类；（1）局部冒顶是指范围不大，伤亡人数不多（1～2人）的冒顶。实际煤矿生产中，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。（2）大刑冒顶是指范围较大，伤亡人数较多（每次死亡3人以上）的冒顶。,冒顶事故的预兆,1．局部冒顶的预兆（1）响声。岩层下沉断裂、顶板压力急剧加大时，木支架就会发出劈裂声，紧接着出现折梁断柱现象；金属支柱的活柱急速下缩，也发出很大声响，有时也能听到采空区内顶板发生断裂的闷雷声。（2）掉渣。顶板严重破裂时，折梁断柱就要增加，随后就出现顶板掉渣现象。掉渣越多，说明顶板压力越大。（3）片帮。冒顶前煤壁所受压力增加，变得松软，片帮煤比平时多。,,（4）裂缝。老工人的经验是流水的裂隙有危险，因为它深；缝里有煤泥、水锈的不危险，因为它是老缝；茬口新的有危险，因为它是新生的。如果这种裂缝加深加宽，说明顶板继续恶化。（5）离层、顶板快要冒落的时候，往往出现离层现象。（6）漏顶。破碎的伪顶或直接顶，在大面积冒须以前，有时因为背顶不严和支架不牢出现漏顶现象。漏顶如不及时处理，会使棚顶托空、支架松动，顶板岩石继续冒落，就会造成没有声响的大冒顶。（7）瓦斯涌出量突然增大。（8）顶板的淋水明显增加。,大面积冒顶的预兆,（1）顶板的预兆。顶板连续发出断裂声，或顶板切断而发出的声音。有时采空区顶板发出像闷雷的声音。顶板的裂缝增加或裂隙张开，并产生大量的下沉。（2）煤帮的预兆。煤质变软变酥，片帮增多。使用电钻打眼时，钻眼省力。（3）支架的预兆。金属支柱时，支柱受压后发出的声音，支柱破顶、钻底。当顶板压力继续增加时，活柱迅速下缩，连续发出“咯咯”的声音，或工作面支柱整体向一侧倾斜。工作面使用铰接顶梁时，在顶板冲击压力的作用下，顶梁楔子有时弹出或挤出。（4）瓦斯和水的预兆。瓦斯涌出量突然增加，淋水增加。,二、对采场支架的基本要求,1）根据上述分析，采场冒顶又压、漏、推事故。2）则要求支架又支、护、稳来治理冒顶。,三、顶板控制原则,采场控顶设计的目标一、能最大限度地消除压、漏、推冒顶隐患，防止发生各种类型的冒顶事故；二、所需费用最少。,控顶原则之一预防压垮型冒顶,采场支架或支柱的工作阻力应能支撑住工作空间及采空区上方垮落带岩层的重量（支）。采场支架或支柱的初撑力应能保持直接顶与老顶或下位23m岩层与上位岩层之间不离层（切）。采场支架或支柱的可缩量应能适应裂隙带岩层的下沉（让）。对厚层难冒顶板，应松动碎裂23倍采高顶板岩层，或在工作面前方有钻眼爆破，高压注水松动碎裂顶板，或在采空区挑顶（挑）。,控顶原则之二预防漏冒型冒顶,综采时，如果直接顶比较软弱，液压支架应在掩护式或支撑掩护式中选用，且端面距不宜超过340mm。单体支柱工作面，如果直接顶比较软弱，支柱必须带顶梁，顶梁上还须背板，甚至背严。柱距小于0.7m，同时端面距小于200mm。综采支架的初撑力应保证端面冒高不超过300mm；单体支柱的初撑力应保证端面冒高不超过200mm。工作面推进过程中，若遇较大断层带，应考虑采用固结法处理碎顶。,控顶原则之三预防推垮型冒顶,支架能够保证煤层上方23m岩层与上位岩层不离层，并能沿切顶线主动切断下位23m岩层。单体支柱工作面，金属网下采煤时，初撑力应保证网兜高度不超过150mm。复合顶板下，初撑力应能把下位软岩层顶紧到上位硬岩层，并使其间的摩擦力足以防推。摩擦支柱面，采用“整体支架”防推。,四、预防冒顶事故的控顶设计特点,1.要求支架（支柱）有一定（较高）的初撑力来防压、防漏、防推。--工作阻力是压出来的，而初撑力是主动支撑顶板的2.均按最不利的条件，确定支护参数。--因为对于顶板事故是不允许有半点差错的。,三、冒顶事故的处理,,1．工作面局部冒顶的处理方法处理采煤工作面冒顶时，应根据工作面的采煤方法、冒落高度、冒落块度、冒顶位置及影响范围，来决定采用何种方法。（1）探板法。当采煤工作面发生局部冒顶的范围小，顶板没有冒严，顶板岩层已暂时稳定时，应采取掏梁窝、探大板木梁或挂金属顶梁的措施，即用探板法来处理。具体处理步骤为处理冒顶前，先观察顶板状况，在冒顶区周围加固支架控制冒顶范围扩大；然后掏梁窝、探大板梁，板梁上的空隙要用木料架设小木垛接到顶部；架设小木垛前应先挑落浮矸，小木垛必须插紧背实；接着清理冒矸石，及时打好贴帮柱，支柱打板的另一端，加固支架；同时要根据煤帮情况，采取防片帮措施。,,（2）撞楔法。当顶板冒落矸石块度小，冒顶区顶板碎矸停止下落或一动就下落时，要采取撞楔法来处理。具体操作是先在冒地区选择或架设撞楔棚子，棚了方向应与撞楔方向垂直。把憧楔放在棚架上，尖端指向顶板冒落处，末端垫一方木块；然后用大锤击打撞楔末端，使它逐渐深入冒顶区将碎矸石托住，使预板碎矸石不再下落；之后，立即在接楔保护下架设支架。撞楔的材料可以是木料、钢轨等。,,,（3）小巷法。如果局部冒顶区已将工作面冒严堵死，但冒顶范围不超过15m，跨落矸石块度不大且可以搬运时，可以从工作面冒顶区由外向里，从下而上，在保证支架可靠及后路畅通的情况下，采用人字形掩护支架沿煤壁机道整理出一条小巷道。小巷道整通后，开动输送机，再放矸，按原来的采高架棚。（4）绕道法。当冒顶范围较大、顶板冒严、工作面堵死，用以上三种方法处理均有困难时，可沿煤壁重新开切眼或部分开切服，绕过冒顶区。,,2．工作面大冒顶的处理方法对于缓倾斜薄煤层和中厚煤层工作面，处理大冒顶的方法基本上有两种一种是恢复冒顶区工作面的方法；一种是另掘开切眼或局部另掘开切眼绕过冒顶区的方法。冒顶影响的范围不大，冒落下来的矸石块度不大，用人工或采取一定措施后能够搬得动时，一般采取恢复工作面的方法处理冒顶。冒顶的影响范围较大，不宜采用恢复工作面的方法时，可采用另开切眼绕过冒顶区的方法。,,（1）恢复冒顶区工作面。具体方法如下①从冒顶地点的两端，由外向里进行，先用双腿套棚维护好顶板，保护退路畅通。棚梁上用小木板刹紧背严，防止顶板继续错动、垮落。梁上如有空顶，要用小木垛接顶。②边清理冒落矸石边架设工作面支架，把冒落的矸石清理后倒人采空区，每清理一架棚的距离，工作面架一棚。若顶板压力大，可在冒顶区两头用木垛维护顶板。③清理过程中遇到大块矸石不易破碎时，可用电钻（如有压风，最好用风钻）打眼放小炮的办法进行破碎。钻眼的数量和每个炮限的装药量，应根据岩块大小与岩石性质来决定。④如顶板冒落的矸石很破碎，一次整修巷道不易通过时，可先沿煤壁输送机道整修一条小巷。,,（2）另开巷道，绕过冒顶区。当冒顶范围大，不易采用恢复冒顶区工作面的方法处理时，可采用另开巷道绕过冒顶区的方法，也就是重新掘开切眼的方法。根据冒顶区发生在工作面的不同位置，一般分以下三种情况来处理①冒顶区发生在工作面机尾处。沿工作面煤壁从回风巷重开一条巷绕过冒顶区，将输送机机尾缩至工作面内支架完整处，工作面继续掘进。新掘巷的支架多采用一梁两柱或一梁三柱棚子。当工作面与新掘巷成直线时，再将刮板输送机机尾延长至回风巷，恢复正常采煤。当冒顶区面积较大，矸石堵塞巷道，造成采空区回风角瓦斯积存时，要先排除积聚的瓦斯。,,②冒顶区发生在工作面的进风巷附近。同样采用部分重开掘开切眼的方法处理。从工作面下部煤壁错过一段，留3～5m煤柱或紧贴工作面煤壁从进风巷斜掘一条开切眼与工作面相通，将新开切眼与工作向连接处刷成允许刮板输送机弯曲的一个角度，就可以正常出煤。③冒地区发生在工作面中部。平行工作面煤壁留3～5m煤柱重新掘开切眼，新开切眼的支架，一般采用一梁两柱棚。新开切眼的掘进可以从工作面的进风巷和回风巷同时掘进，以提高掘进速度，尽快恢复生产。,,（3）掘进新的开切眼时，应注意如下事项①新切眼一般是由冒顶区下部沿煤壁向上掘进的，而不采取由上向下掘进。因为由上向下掘进，出煤不方便，且不安全，会使冒顶范围扩大。②掘进新开切眼时，如果压力不大，可以采用一梁两柱的直腿棚子，边掘进边架设；如果顶板压力大，则应采用梯形棚子。③新开切眼靠冒顶区的一侧，必须用木板背严，并留适当的煤柱，以防冒顶区的碎石落入新眼内。④根据实际情况，新开切眼的长度要解决好通风问题。,谢谢,