矿山压力与顶板管理

顶板事故及勘察王家臣中国矿业大学（北京）资源学院电话：[phone]—8329（O）[phone]（H）E—mail:[e-mail]（煤矿安全培训讲稿）老顶直接顶煤层顶板采矿开挖空洞顶板岩石下沉变形、破坏，产生事故概述采煤作业时的顶板管理方式刀柱法充填法缓慢下沉法全部垮落法矿山压力的基本概念水平原岩应力铅垂原岩应力采矿开挖引起的应力集中矿山压力显现顶板事故的产生原岩应力重新分布掘进过程支护不及时支架强度不足顶板事故支架不适应围岩的变形与破坏类型变形的时间效应空洞围岩破坏特殊地质条件采矿岩石开挖开挖空洞周边应力集中矿山压力控制利用矿山压力活动规律采用合理的开挖顺序和过程避免顶板事故，保证采矿作业安全人工控制与支护矿山压力研究情况煤矿的五大灾害瓦斯、顶板、火、水、粉尘1979年在中国矿大成立了煤炭工业矿山压力情报中心站下设8个分站综采矿压分站煤科总院开采所史元伟单体支柱分站山东矿院宋振骐井巷地压分站西安矿院石平伍矿压仪表分站西安煤矿仪器厂朱安久冲击地压分站煤科总院开采所康立军矿山支护与设备分站北京煤矿机械厂赵宏珠软岩工程分站中矿大北京何满潮放顶煤矿压分站中矿大北京王家臣第一节矿山压力显现规律及影响因素一矿山压力显现的基本规律（一)工作面矿压显现的基本规律图3-3-1老顶断裂成岩块后的转动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关系为止。此时，老顶的失稳将对工作面带来严重的矿山压力显现，甚至危及生产和人身安全，形成老顶的初次来压。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。老顶初次来压对工作面的影响较大，因此必须掌握初次来压步距的大小，以便及时采取对策。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。初次来压是工作面矿山压力显现的重要现象，衡量其指标是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。老顶来压前，回采工作面的顶板压力并不大。但煤壁内的支承压力却达到了这种情况下的最大值。所以，煤帮的变形与塌落（片帮），常常是预示工作面顶板来压的一个重要标志。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。因此，由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象称之为工作面顶板的周期来压。周期来压的主要表现形式是：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。（二）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；因此，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”。其基本表现为老顶来压步距小，强度低;支架载荷变小;顶板下沉量变大。图3-3-2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（三）放顶煤工作面矿山压力显现特征支承压力冒落的松散顶煤损伤和破坏的顶煤煤层放顶煤开采时，一次性采出厚度增大，直接顶的垮落高度成倍增加，并且与煤层的采出厚度显著相关。综放开采时，采场上方仍可形成稳定的砌体梁式老顶结构，但其形成的位置相对远离采场，其稳定性也发生了相应的变化。顶煤运移规律及对矿压显现有显著影响。支架上方的顶煤经过了支承压力作用发生了破碎，刚度降低，但破碎程度与顶煤强度，裂隙分布和支承压力分布情况等有关，坚硬顶煤的运移始动点距煤壁距离较小，累计位移量较小，顶煤的破碎效果较差，传递上覆岩层作用的能力较强，则表现出的矿压显现明显。支承压力分布区前移。放顶煤开采时，工作面前方的支承压力区距煤壁距离较大，发生前移。对软煤而言，支承压力峰值点距煤壁距离较硬煤的大，峰值小，分布平坦。支架工作阻力变化不大。放顶煤工作面的支架阻力不大于单一煤层或分层开采的顶分层开采的工作面的。来压的动载系数也没有明显变化，支架以初撑和一次增阻工作状态为主。前柱工作阻力普遍大于后柱的，一般为10-15%，对于软顶煤而言，顶煤的破碎和放出较充分，支架顶梁后部上方的顶煤较少，不利于传递上覆岩层的作用，因此相对硬顶煤而言，支架前柱的工作阻力大于后柱的工作阻力这一特点表现的更明显。（四）巷道矿山压力显现的基本规律巷道掘进阶段（Ⅰ）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（Ⅱ）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（Ⅲ）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（Ⅳ）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无采掘影响阶段类似。二次采动影响阶段（Ⅴ）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二影响矿山压力显现的基本因素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采高与控顶距第二节顶板事故的致因及防治一采场顶板事故的致因及防治（一）顶板事故分类按冒顶范围可将顶板事故分为局部冒顶和大型冒顶两类。局部冒顶是指范围不大，有时仅在3~5支架范围内，伤亡人数不多(1~2人)的冒顶，常发生在靠近煤壁附近、采场两端以及放顶线附近。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。大型冒顶是指范围较大，伤亡人数较多（每次死亡3人以上）的冒顶。（二）局部冒顶事故的致因及防治1．靠煤壁附近的局部冒顶局部冒顶的原因一般有三种：一是直接顶被密集裂隙切割，形成了游离岩块；二是采高过大，在老顶来压期间，煤壁片帮，扩大了无支护空间；三是放顶煤开采，顶煤破碎。煤层的直接顶中，常存在多组相交裂隙时，这些相交的裂隙容易将直接顶分割成游离岩块，极易发生脱落，在采煤机采煤或爆破落煤后，如果支护不及时，这类游离岩块可能突然冒落砸人，造成局部冒顶事故。靠煤壁附近的局部冒顶事故的预防（１）单体支柱工作面：采用能及时支护悬露顶板的支架，如正悬臂交错顶梁支架，正倒悬臂错梁直线柱支架等，提高支柱的初撑力。在金属网下，可以采用长钢梁对棚迈步支架。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。煤层一旦片帮，应掏梁窝超前支护，防止冒顶。正倒悬臂错梁直线柱支架布置正悬臂交错顶量支架（２）综采工作面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。2．采场两端的局部冒顶（1）单体支柱工作面原因：两端机头机尾处，暴露的空间大;支承压力集中;巷道提前掘进;引发了巷道周边的变形与破坏。经常要进行机头机尾的移置工作，拆除老支柱支设新支柱时，碎顶可能进一步松动冒落。随着回采工作面的推进，要拆掉原巷道支架的一个棚腿，换用抬棚支承棚梁，在这一拆一支之间，碎顶也可能冒落。预防：在机头机尾处各应用四对一梁三柱的钢梁抬棚支护（即四对八梁支护），每对抬棚随机头机尾的推移迈步前移；或在机头机尾处采用双楔铰接顶梁支护。在工作面巷道相连处，宜用一对抬棚迈步前移，托住原巷道支架的棚梁。此外，在采场两端还可以采用十字铰接顶梁支护系统以防漏冒。在超前工作面10米以内，巷道支架应加双中心柱，超前工作面10~20米，巷道支架应加单中心柱以预防冒顶。（2）综采工作面如果工作面两端没有应用端头支架，则在工作面与巷道相连处，需用一对迈步抬棚。此外，超前工作面20米内的巷道支架也应以中心柱加强。3．放顶线附近的局部冒顶顶板中游离岩块旋转推倒支架放顶线附近的局部冒顶主要发生在使用单体支柱的工作面。放顶线上支柱受力是不均匀的，当人工回拆“吃劲”的柱子时，往往柱子一倒下顶板就冒落，如果回柱工来不及退到安全地点，就可能被砸着而造成顶板事故。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，回柱后游离岩块就会旋转，可能推倒采场支架导致发生局部冒顶，在金属网假顶下回柱放顶时，由于网上有大块游离岩块，也可能会发生上述的因游离岩块旋转而推倒支架的局部冒顶。预防措施：第一，加强地质及观察工作，记载大岩块的位置及尺寸；第二，在大岩块范围内用木垛等加强支护；第三，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；第四，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；第五，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。4.地质破坏带附近的局部冒顶地质破坏带及附近的顶板裂隙发育、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结力,尤其是断层面成为导水裂隙时，更是彼此分离。单体支柱工作面如果遇到垂直于工作面或斜交于工作面的断层时，在顶板活动过程中，断层附近破断岩块可能顺断层面下滑。从而推倒工作面支架，造成局部冒顶。为预防这类顶板事故，应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。对于有些综采工作面，高档普采和普采工作面，回采过程中，煤壁的前方顶板和煤层特别破碎，为保证正常割煤，不漏矸子，可采用全楔式木锚杆。当断层处的顶板特别破碎，用锚杆锚固的效果不佳时，可采用注入法，将较多的树脂注入大量的煤岩裂隙中，进行预加固。(三）大型冒顶事故的致因及防治1.老顶来压时的压垮型冒顶发生的条件：直接顶比较薄，其厚度小于煤层采高的2~3倍，冒落后不能充填满采空区；直接顶上面老顶分层厚度小于5~6m，初次来压步距为20~30m，或更大一些。工作面中，当支柱的初撑力较低时，老顶断裂在煤壁之内。当工作面推进到老顶断裂线附近时，顶板出现台阶下沉，这时老顶岩块的重量全部由采场支架承担。致因：垮落带老顶岩块压坏采场支架垮落带老顶岩块冲击压坏采场支架离层冲击压坏支架预防措施采场支架的支撑力应能平衡垮落带直接顶及老顶岩层的重量;采场支架的初撑力应能保证直接顶与老顶之间不离层;采场支架的可缩量应能满足裂隙带老顶下沉的要求;遇到平行工作面的断层时（1）如果工作面支护是单体支柱，当断层刚露出煤壁时，在断层范围内就要及时加强工作面支护（最好用木垛），不得采用正常回柱法;要扩大控顶距，并用木支柱替换金属支柱，待断层进到采空区后再回柱;（2）如果工作面支护是液压自移支架，若支架的工作阻力有较大的富裕，则工作面可以正常推进，若支架的工作阻力没有太大的富裕，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。2.厚层难冒顶板大面积冒顶发生的条件：整体厚层硬岩层顶板（如砂岩、砂砾岩、砾岩等其分层厚度大于5~6米）时，它们要悬露几千平方米、几万平方米，甚至十几万平方米才冒落。这样大面积的顶板在极短时间内冒落下来，不仅由于重量的作用会产生严重的冲击破坏力，而且更严重的是会把已采空间的空气瞬时挤出，形成巨大的暴风，破坏力极强。预兆：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；上下平巷超前压力