采场顶板控制及监测-第一章.ppt

采场顶板控制及监测,,,牟宗龙，博士，讲师muzonglong,学时安排授课32学时，试验16学时考核方法平时成绩30％，考试成绩70％平时成绩课堂（试验）出勤＋课后（课堂）作业考试方式闭卷,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,概述,1、顶板事故又分为采场（工作面）顶板事故和巷道顶板事故。2、在我国煤矿（国有重点煤矿）中，顶板事故伤亡人数占煤炭行业总伤亡人数的比重较大。3、54年－85年期间，顶板事故占总死亡人数的45。4、采场（工作面）顶板事故占3/4，巷道顶板事故占。,采场事故,①按支护类型分磨擦支柱、木支柱占93、其它支柱占7②按顶板类型分直接顶板事故占93、老顶事故占7③按冒顶类型分局部冒顶占70、大型冒顶占30④按地点分机道炮道占26、放顶线占15、上下出口占15、其他地点占44,采场事故,①1986年----1992年顶板事故死亡人数占总死亡人数的40。其中采场顶板事故占2/3巷道顶板事故占1/3②科技发展；工作面支护改革；巷道断面加大、长度加长。,采场事故,①1999年，顶板事故死亡1997人，占30.8②2000年，顶板事故死亡人数1546人，占26.5③2001年，顶板事故死亡人数2679人，39.79（瓦斯2546）④2002年，顶板事故死亡人数2766人，占39.5（瓦斯2407人）,2002、2003年按事故类别统计分析,顶板事故发生原因,（1）自然因素（2）技术因素（3）人为因素,,课程的内容、意义与目的一、课程的内容科研与生产相结合的产物。1、采场冒顶事故的机理及预防（1984～1987）,1984年进行了20个矿务局调研初步了解各种冒顶事故的原因及预防措施。了解事故的严重性4人/百万吨（顶板1.8人/百万吨，采场顶板1.35人/百万吨）。1985～1996年，全国顶板管理工作会议。1989、1991年全国统配煤矿九次支护质量与顶板动态监测新技术培训班。,1985年调研报告。1986年压、漏、推；支、护、稳。1987年初撑力与复合顶板推垮型冒顶的关系。这几年还对压垮型冒顶、金属网下推垮型冒顶等进行研究，至1987年底，对冒顶机理及其预防措施有了较完整的认识。1989年出书。,2、采场支护质量与顶板动态监测（1988～1991）1987年课题提出；1988年研究“比值法”；1989年推广“比值法”；1990年研究“压力法”；1991年推广“压力法”；,顶板管理由经验→科学。至1992年夏有1000个以上采场应用。1994年出书。3、预防冒顶事故的采场控顶设计（1992年至今）合理设计是监测的基础。安全可靠、符合实际、简单明确。,首先研究顶板分为六类的单体支架面控顶设计。1994年出书。随后研究顶板不分类的综采面与单体支柱面的控顶设计（解决了初撑力的计算）。1998年、2004年出书。,再后又研究了“统一理念”的综采面与单体面的控顶设计。2007年初出书。最近又有新的进展。,二、课程的意义社会效益与经济效益1、事故机理及预防某局1987年2起事故死亡15人，经济损失800多万元。按预防措施办事，至1999年再无事故。,2、事故机理及预防、监测统配煤矿采场顶板百万吨死亡率1984年1.35人1992年0.27人3、设计某矿采用设计提供方法，找到压支架原因及今后对策。,三、学习本课程目的2006年，百万吨死亡率为2人，其中顶板约占40％，采场顶板约占24％。把课程内容用于生产实际，保证安全、正常生产、提高经济效益。,2、参考书,1）采场顶板控制与监测技术岑传鸿、窦林名著2）顶板灾害防治岑传鸿编著3）中国采场围岩控制陈炎光、钱鸣高主编4）中国巷道围岩控制陈炎光、陆士良主编5）冲击矿压防治理论与技术窦林名、何学秋著,采场顶板控制及监测,第一章采场顶板控制的基本知识第二章采场顶板事故及预防第三章预防冒顶事故的采场控顶设计第四章顶板状态参数与采场支护参数第五章支护质量与顶板动态监测,第一章采场顶板控制的基本知识,第一节顶板与底板,一、煤层上面的岩层叫顶板。分直接顶与老顶（牢顶）。二、直接顶是较软（强度小）的岩层。厚度小于1.5～2.0m、较软弱、下面又无老顶的岩层称为直接顶。,三、老顶是较硬（强度大）的岩层。厚度大于1.5～2.0m、较坚硬的岩层。厚度大于5～6m的老顶称为厚层难冒顶板。岩层的软硬不仅与岩性的软硬有关，还与岩层厚度大小有关。,四、伪顶。煤层与直接顶（或老顶）之间的厚度小于0.5m、随采随冒的软弱岩层。五、煤层下面的岩层叫底板。直接底。六、采煤主要是管好顶板。*直接底过于软弱会给顶板管理带来一定的困难。,七、采煤后，顶板岩层按“分层”由下而上依次逐个向下运动。八、分层属性依基础岩层确定。分层同一岩性的一个岩层。同一岩性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组。基础岩层。,第二、三节煤、岩的物理力学性质,物理性质容重、碎胀性及软化性,煤12～14石灰岩22～26砂岩20～26页岩20～24,硬砂岩1.5～1.8砂质页岩1.6～1.8粘土页岩1.4碎煤1.2,,,容重,碎胀系数K,,,KN/m3,力学性质抗压、抗拉、抗剪强度,第四节垮落带与裂隙带,工作空间与采空区；采空区处理方法全部垮落法与充填法,a全部垮落法；b充填法,1.垮落带、裂隙带、弯曲下沉带,用全部垮落法处理采空区后，采空空间上方顶板形成三带，如图。,垮落带不支撑就会垮落的那部分岩层；裂隙带岩层中虽有裂隙，但呈整层的特征没变，其重量主要由采空区空间周围的煤体及冒矸支撑。众所周知，为保证采场安全而正常地进行生产，采场支架的支撑力应能支撑住垮落带岩层的重量，支架的可缩量应能适应裂隙带岩层的下沉。因此，实践中确定垮落带岩层及其厚度是个非常关键的问题。,第五节采场上覆岩层活动规律的假说,一、压力拱假说德国人哈克（W.Hack）和吉里策尔（G.Gillitzer）于1928年提出。,图回采工作面压力拱,二、悬臂梁假说德国的施托克（K.Stoke）于1916年提出，后得到英国的弗里德（I.Friend）、前苏联的格尔曼等的支持。,工作面和采空区上方的顶板可视为梁，它一端固定于岩体内，另一端则处于悬伸状态。当顶板由几个岩层组成时，形成组合悬臂梁。在悬臂梁弯曲下沉后，受到已垮落岩石的支撑，当悬伸长度很大时，发生有规律的周期性折断，从而引起周期来压。,三、铰接岩块假说铰接岩块假说由前苏联库兹涅佐夫于19501954年提出。,图铰接岩块假说1不规则垮落带；2规则垮落带；3裂隙带,四、预成裂隙假说预成裂隙假说由比利时学者A.拉巴斯于20世纪50年代初提出。,I为应力降低区；II为应力增高区，包围面上的剪应力达最大；III为采动影响区。,图顶板岩层的假塑性弯曲,五、我国学者在岩体结构力学模型上的发展我国学者在总结铰接岩块假说及预成裂隙假说的基础上，以及在大量生产实践及对岩层内部移动进行现场观测的基础上，于20世纪70年代末80年代初提出了岩体结构的“砌体梁”力学模型，从而发展了上述有关假说。代表人物钱鸣高院士。,采场上覆岩层中的“砌体梁”力学模型,1、当直接顶厚度大于或等于2～3倍采高时，垮落带岩层就是2～3倍采高的直接顶，其上面的直接顶或老顶已进入裂隙带。先计算理论的垮落带直接顶厚度h。（m）M采高，m；Kz岩层的碎胀系数。再由下而上累加直接顶各分层厚度，当其达到或刚超过h时，即为实际的垮落带直接顶厚度。,第六节垮落带岩层的确定,一、缓斜、倾斜煤层,2、当直接顶厚度不足2～3倍采高时，其上老顶有三种情况（1）当老顶分层厚度大于5～6m时为厚层难冒顶板，需松动碎裂全部或部分老顶，使碎矸充满采空空间。（2）当老顶分层厚度小于5～6m，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、并把自身及上位岩层的重量加到采空空间周围的煤体及垮落矸石之上的平衡结构者为裂隙带老顶。（3）当老顶分层厚度小于5～6m，在其断裂、旋转、下沉及触矸过程中，断块间会失去水平力的联系，从而不能形成平衡结构者为垮落带老顶。,Hi--由下而上第i层老顶（基础岩层）的厚度，m；由下而上第i层老顶分层（包括附加岩层）的厚度，m；M--煤层采高，m；Kl--老顶及附加岩层的碎胀系数，1.15～1.33；h--直接顶厚度，m；Kz--直接顶岩层的碎胀系数，1.33～1.5。当该式成立时，i层已进入裂隙带，以下岩层均在垮落带。,当直接顶厚度小于2～3倍采高，而上面老顶分层厚度又小于5～6m时，可用下式判断老顶分层的带别,3、最新研究表明，可以统一用下式计算垮落带厚度,二、急斜煤层走向长壁面,工作面上部垮落带厚度较大。工作面支护上下部一样。控顶设计应以工作面上部为准。上部采空区约有0.5倍采高岩层垮落的矸石往下滑，垮落带厚度可按下式计算,当直接顶厚度大于3.55倍采高时，垮落带厚度,当直接顶厚度小于3.55倍采高时，老顶是否进入裂隙带的判断1当h≥0.5M,2当h0.5M,第七、八、九节顶板事故基本类型及支架性能,顶板事故基本类型压、漏、推,液压支架单体支架,支撑式掩护式支掩式,液压支柱摩擦支柱木支柱,,,,支架类型,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。,第十节采场顶板的科学管理,