煤矿顶板灾害防治技术

-156-图6-1-1直接顶运动引起的推垮型事故a-顶板沿倾斜方向推垮前；b-顶板顶板沿倾斜方向推垮后；c-顶板向采空区方向推垮前；d-顶板向采空区方向推垮后图6-1-2直接顶运动引起的压垮型事故a-顶板向煤壁方向压垮前；b-顶板向煤壁方向压垮后；c-顶板向采空区方向压垮前；d-顶板向采空区方向压垮后煤矿顶板灾害防治第一节基本理论概述一、项板事故的形式和特点（一）采煤工作面顶板事故1.局部冒顶事故局部冒顶事故实质上是已被坏的顶板失去依托而造成。就其触发原因而言可以大致分为两部分：一部分是采煤工作（包话破煤、装煤等）过程中发生的局部冒顶事故，即在采煤过程中未能及时支护已出露的破碎顶板；另一部分则是单体支护回柱和整体支护的移架操作过程中发生的局部冒顶事故。2.大冒顶事故`采煤工作面的大冒顶事故也叫采场大面积切顶、落大顶、垮面。1）由直接顶运动所造成的垮面事故就其作用力的始动方向可分为以下两大类：（1）推垮型事故。包括走向推进工作面常发生的倾向推垮型事故，如图6-1-1a、b所示，及倾斜推进工作面容易发生的向采空区方向推垮型事故，如图6-1-1c、d所示。（2）压垮型事故。包括向煤壁方向压垮，如图6-1-2a、b所示，及向采空区方向压垮型事故，如图6-1-2c、d所示。2）由老顶运动所造成的垮面事故(1)冲击推垮型（即砸垮型）事故。这类事故发生时，开始运动的老顶首先将其作用力图6-1-3老顶运动引起的冲击推垮（砸垮）型事故a-煤壁片塌和顶板下切；b-老顶把直接顶推垮图6-1-4老顶运动引起的压垮型事故a-靠近采空区支柱先压断；b-支柱全部压断而垮面-157-施加于靠近煤壁处已离层的直接顶上，造成煤壁片塌和顶板下切，紧接着高速运动的老顶把直接顶推垮。这类事故发展的简单过程如图6-1-3所示。（2）压垮型事故。这种事故发生在采用木支架支护的采场。事故过程如图6-1-4所示。3）大冒顶事故发生的时间地点从工作面倾斜方向来看，距离上出口10m范围内的事故比例通常是临近下出口部位所发生事故比例的两倍多。其主要原因是受上侧工作面支承压力作用的影响，顶板的完整性容易受到破坏的结果。从工作面推进方向来看，采煤工作面从开切眼推进开始到回采结束，就顶板运动和矿压显现特征的差别而言，可以分为两个发展阶段，即老顶各岩梁初次来压完成前的初次来压阶段，以及老顶来压完成后的正常推进阶段。（二）巷道顶板事故巷道的变形和破坏形式是多种多样的，巷道中常见的顶板事故按照围岩破坏部位可分为：巷道顶部冒顶掉矸、巷道壁片帮以及巷道顶、帮三面大冒落三种类型。按照围岩结构及冒落特征又可分为：镶嵌型围岩坠矸事故、离层型围岩片帮冒顶事故、松散破碎围岩塌漏抽冒事故以及软岩膨胀变形毁巷事故等几种形式。二、影响顶板事故的主要因素（一）影响采煤工作面顶板事故的因素1.自然因素（1）煤层倾角。煤层倾角对采煤工作面矿山压力显现的影响是很大的。（2）采煤工作面的围岩组成。采煤工作面的围岩，一般是指直接顶、老顶以及直接底的岩层。这三者对采煤工作面的安全生产有着直接的影响。其中直接顶的稳定性直接决定着支架的选型、支护方式的确定，是引起工作面局部冒顶的主导原因。（3）地质构造。各种地质构造如断层的存在可能改变顶板冒落的一般规律，造成突然来压和冒顶。（4）开采深度。开采深度直接影响着原岩应力大小，同时也影响着开采后巷道或工作面周围岩层内支承压力的大小。随着采深增加，支承压力必然增加，从而导致煤壁片帮及底板膨起的机率增加，由此也可能导致支架载荷增加。（5）煤层厚度。中厚及厚煤层要比薄煤层发生顶板事故的机率大。2.开采技术开采技术对采煤工作面顶板管理的影响是多方面的，不仅与支护方式有关，还受到回采工艺及其参数（采高、控顶距、循环进度等）、采空区处理方式、是否分层开采等开采技术因素的影响。通常，综采工作面的顶板管理状况要好于单体支护工作面。单体支护中单体液压支架要好于摩擦式金属支架，摩擦式金属支架要好于木支架。（二）影响巷道顶板事故的因素1.自然因素(1)岩石性质及其构造特征。-158-(2)开采深度。采深大时，由于上覆岩层重量大，形成的支承压力较大。在底板软弱时，巷道容易出现底鼓现象。(3)煤层倾角。煤层倾角不同往往使巷道破坏形式有差别。(4)地质构造因素。如果巷道开掘在地质构造破坏带，则很容易发生各种规模的冒顶。(5)水的影响。巷道围岩中含水较大时，将会加剧巷道的变形和破坏。(6)时间因素的影响。各种岩石都有一定的时间效应，尤其井下巷道的围岩，在时间和其它因素的作用下，岩石的强度会因变形、风化和水的作用等等而降低。2.开采技术因素(l)巷道与开采工作的关系，如巷道是处于一侧采动还是两侧采动的条件下，是受初次采动还是受多次采动影响；(2)巷道的保护方法，如巷道是依靠留煤柱保护还是在巷旁用专门的刚性充填带保护；(3)巷道本身采用的支架类型和支护方式。三、支护原理1.采煤工作面支护原理根据矿山压力的理论，整个采煤工作面上覆岩层中，裂隙带老顶岩层能够形成一种“大结构”，如图6-1-6所示。2.巷道支护原理在开掘巷道以后形成的“支架一围岩”力学平衡系统中，围岩通常承受着大部分的岩层压力，而支架却只承担其中一小部分。而且，在支架和围岩分担岩层压力的过程中，巷道支架所承担的载荷是多变的，其分担岩层压力的比重视围岩本身承担了多少载荷而定。围岩分担的比重愈多，支架分担的比重将愈少。合理的支护方式应在保证安全的前提下充分利用围岩的自承力，使支架与围岩在相互约束的状态下共同承载，使得围岩在承受一定支架阻力的条件下有限制地（而不是自由地）向巷道空间内变形（受控变形）。在此过程中，支架和围岩双方的受力和产生的变形大小都和任一方的特性有关，并随任一方特性的变化而变化。第二节采煤工作面顶板的日常管理一、采煤工作面顶板情况和来压的预测（一）破碎情况的预测预报工作（1）构造破碎的推断。（2）支承压力影响分析。（3）预测预报顶板情况。（二）老顶来压的预测预报图6-1-6采煤工作面裂隙带岩梁“大结构”A-煤壁支撑影响区（a-b）；B-离层区（b-c）；C-重新压实区（c-d）；I-冒落带；II-裂隙带；III-弯曲下沉带；a-支撑影响角-159-1．在生产中反映老顶动态情况的主要现象有：（1）顶板下沉速度的变化，老顶在两次强烈运动之间，特别是临近再次运动前夕，将有一个十分沉静的阶段，在这一阶段的顶板下沉速度小而稳定，采煤过程如此，放顶过程中可以更明显的看到。而当靠煤壁顶板下沉速度大幅度上升，甚至出现动压冲击现象，说明直接顶板被迫使挠曲，老顶活动已经开始。（2）支柱的承载情况，支柱受力是顶板运动的结果。（3）直接顶中强度较高、支承压力破坏不严重的部分，在上覆岩层相对静止时期，可能顶板放不下来而出现悬顶现象。（4）“板炮”（铁柱子“放炮”）、活柱高速沉缩时发出雷鸣般的声响，是老顶活动的标志，顶板愈坚硬，这一现象愈明显。追随采煤机后的支柱“放炮”增加（特别是靠近煤壁排的支柱“放炮”，是顶板大面积运动已经开始的标志）。2．预示来压的支承压力显现（1）顶板的挠曲程度。采场来压前，超前支撑压力将逐渐达到高蜂。（2）煤壁片帮。由于支承压力对煤壁的预先破坏作用，因此，采面来压前常有明显的片帮现象。（3）支柱钻底。二、采煤工作面顶板管理的技术要求1．单体支护密度在确定了必要的支护强度PT后，支护密度n即可由下式求出，即：式中RT－为支柱在工作面实际能够达列的平均承载能力。可由下式求得：如果计算出支护密度（n）超过实际所允许的数值，应当采取增加必要的特种支护措施。2．单体支护控顶方式1）周期来压不明显的采场，特别是在直接顶松软或者是采底分层的情况下，应当尽可能的缩小控顶距和放顶步距。2）周期来压明显、强度较大的采场，单体支护工作面一般应适当加大控顶步距。3．采煤、控顶之间的时、控关系组织1）对于周期来压不明显的采场，特别是直接顶本身岩性强度不高，顶板稳定性差的情况下，单体支护工作面应当强调跟随机后架设临时支柱、采煤、控顶平行作业，尽可能缩小采煤、回柱放顶操作间的距离，以增加工作面推进速度。2）对于周期来压明显，来压较大，顶板稳定性好的采场，应当在来压前后采取不同的时、控组织方案。4．单体支护工作面辅助性控顶支护（特种支护）的选用1）周期压力不明显，特别是直接顶板强度不高，采空区无悬顶（或悬顶很小）的情况下，只要基本支柱的承载能力满足要求，一般无需增设辅助性支护。2）对于周期来压明显的采场，应当在来压前夕增设特种支护加强顶板管理，直接顶强TTRPn（6-2-1）BZBTRKKR（6-2-2）-160-度高（有较大跨度的悬顶）应在靠放顶排打斜撑戗柱棚。来压强度大时增设木垛（底板比较松软的情况下）或直接改为密集（底板强度大时），来压强度特别大的采场，可以在采场内加设对柱、丛柱加强控制。5．来压前顶板的管理1）保证支柱有足够的初撑力，架设时打紧水平楔。2）防止支柱钻底。对于支承压力大（来压步距大），底板强度低的采场，应在来压前让支柱穿上“硬鞋”，防止来压时支柱钻入底板，否则支护密度再大，操作质量再好，也起不到作用。3）提前打好戗柱、木垛等特种支护，起到双保险的作用。4）在接近来压时刻要尽可能避免在采场同时进行采煤和放顶工作。三、采煤工作面顶板管理的制度要求(一)《煤矿安全规程》对顶板管理的总体要求(1）采煤工作面必须按照作业规程的规定及时支护，严禁空顶作业。(2）严格执行敲帮问顶制度。(3）采煤工作面必须及时放顶或充填，控顶距离超过作业规程规定时禁止采煤。（4）开采近距离煤层，上一煤层采用刀柱法、条带法或带状充填法控制顶板，下一煤层采用垮落法控制顶板时，必须制定控制顶板的安全措施。（5）采煤工作面的伞檐不得超过作业规程的规定，不得任意丢失顶煤和底煤。工作面的浮煤应清理干净。（6）采煤工作面必须经常存有一定数量的备用支护材料。(7)采用人工假顶分层垮落法开采的采煤工作面，人工假顶必须铺设好，搭接严密；采用金属网或矿用塑料网假顶时，必须把网连结好。（8）采用倾斜分层垮落法回采时，下一分层的采煤工作必须在上一分层顶板垮落的稳定区域下面进行。（9）工作面支架、煤壁、刮板输送机都要保持直线，拉线检查误差不大于±0.lm。（二）综采工作面顶板管理注意事项①必须根据矿井各个生产环节、煤层地质条件、煤层厚度、煤层倾角、瓦斯涌出量、自燃发火倾向和矿山压力等因素，编制设计（包括设备选型、选点）。②运送、安装和拆除液压支架时，必须有安全措施，明确规定运送方式、安装质量、拆装工艺和控制顶板的措施。③工作面煤壁、刮板输送机和支架都必须保持直线。④液压支架必须接顶。顶板破碎时必须超前支护。在处理液压支架上方冒顶时，必须制定安全措施。⑥采煤机采煤时必须及时移架。采煤与移架之间的悬顶距离，应根据顶板的具体情况在作业规程中明确规定；超过规定距离或发生冒顶、片帮时，必须停止采煤。⑥严格控制采高，严禁采高大于支架的最大支护高度。当煤层变薄时，采高不得小于支架的最小支护高度。⑦当采高超过3m或片帮严重时，液压支架必须有护帮板，防止片帮伤人。-161-⑧工作面两端必须使用端头支架或增设其它形式的支护。⑨工作面转载机安有破碎机时，必须有安全防护装置。⑩处理倒架、歪架、压架以及更换支架和拆修顶梁、支柱、座箱等大型部件时，必须有安全措施。（三）单体支护工作面顶板管理注意事项(1）工作面端头支护形式、材料、规格必须在作业规程中明确规定，总的要求应该是加强支护且有长梁抬棚，抬棚梁的长度应能保证在移动输送机头、机尾且替换支柱时不松动顶板，一般长度应为最大控顶距加循环进度，通常为2.4m的Π型钢梁或工字钢梁。(2）支架排柱距符合《煤矿安全规程》要求，误差不大于±0.lm，支架必须坚固完好，迎山有力，不准有缺梁缺柱或折损弯曲和松动空顶的“等劲柱”。(3)应提倡和推广交错支设方式，交错长度应为0.6m，齐头梁不利于对顶板的有效支护，因此应避免齐头梁，如果作业规程规定交错布置，则应杜绝齐头梁现象。(4）回柱放顶应有明确规定和安全措施。(5）整个回柱工作必须在有经验的老工人指挥下进行，并且要清理好安全退路，一旦顶