煤矿支护案例分析

第二篇煤矿支护案例分析1)顶板事故分类2)压垮型冒顶的机理及预防措施3)漏冒型冒顶的机理及预防措施4)推垮型冒顶的机理及预防措施5)综合类型冒顶的机理及预防措施6)对采场支架的基本要求第一节顶板事故分类顶板事故人们在地下煤层中采煤，如果处理不当，顶板就会冒落下来，轻则影响生产，重则造成人员伤亡。为了彻底消灭采场顶板事故，必须研究采场顶板事故的机理及其预防措施，而科学的采场顶板事故分类，则是首先必须解决的问题。关于采场顶板事故分类，有关专家学者根据个人的实践与研究，提出了不同的看法。我们认为：应该按冒顶的力学原因来进行分类，才能使采取的预防措施更加可靠有效。第一节顶板事故分类采场顶板事故按力学原因可分为压垮型、漏冒型与推垮型三大类。压垮型冒顶是由垂直于层面方向的顶板力压坏采场支架而导致的冒顶；漏冒型冒顶是因已破碎顶板没有得到有效防护受重力作用冒落而导致的冒顶；推垮型冒顶则是由平行于层面方向的顶板力推倒采场支架而导致的冒顶。第一节顶板事故分类此外，还可能出现综合类型的冒顶，有两种情况：第一，在一次冒顶事故中出现压、漏、推的综合，但必有一个为主，按为主的预防即可，亦即按为主的归类即可。第二，在一种条件下可能发生这类或另一类冒顶。可见，综合类型冒顶考虑的应是第二种情况。按力学原因划分的采场顶板事故分类方案如下：1、压垮型冒顶（主要发生在老顶来压时）①垮落带老顶岩块压坏采场支架导致的冒顶；②垮落带老顶岩块冲击压坏采场支架导致的冒顶；③裂隙带老顶压坏采场支架导致的冒顶。第一节顶板事故分类2、漏冒型冒顶①大面积漏垮型冒顶；②靠煤壁附近局部冒顶；③采场两端（即机头机尾处）局部冒顶；④放顶线附近局部冒顶。3、推垮型冒顶①金属网下推垮型冒顶；②采空区冒矸冲入采场的推垮型冒顶第一节顶板事故分类4、综合类型冒顶①厚层难冒顶板导致的冒顶（在这种顶板下主要是大面积的压力，但不排除一定条件下采空区冒矸冲入采场的推）；②地质破坏带附近的局部冒顶（主要在断层附近，这时压、漏、推都可能发生）；③大块游离顶板导致的冒顶（包括复合顶板推垮型冒顶、冲击推垮型冒顶、大块游离顶板旋转推垮型冒顶、直接顶导致的压垮型冒顶）。下面各节中，分别阐述这几类冒顶的机理及预防措施。第二节压垮型冒顶的机理及预防措施压垮型冒顶主要是在老顶来压时发生的，因此在介绍压垮型冒顶的机理及预防措施之前，先介绍老顶来压问题。一、采动后顶板活动的一般规律通常煤层之上既有直接顶，又有老顶。回采工作面从开切眼开始采煤后采到一定距离，首先要经历直接顶的初次垮落过程。如果直接顶厚度不大，随着采煤工作的进行，除了直接顶初次垮落外，工作面还要经历老顶初次来压和老顶周期来压等顶板来压过程。第二节压垮型冒顶的机理及预防措施1、直接顶初次垮落一个长壁工作面从开切眼开始采煤后，直接顶的跨度不断增加，其弯曲下沉也不断地增加。一般在直接顶跨距达6～20m后，直接顶开始垮落。直接顶初次垮落当直接顶垮落厚度达1m以上、垮落长度达回采工作面长度一半以上时，就叫直接顶初次垮落，见图1-2-1。直接顶初次垮落时的跨距叫做初次垮落步距。实践表明，直接顶是按分层由下而上逐个发生“初次”垮落的，而对每一个直接顶分层的初次垮落均应进行控制。图1-2-1直接顶初次垮落第二节压垮型冒顶的机理及预防措施第二节压垮型冒顶的机理及预防措施2、老顶初次来压直接顶初次垮落后、回采工作面继续向前推进，随着每次回柱放顶，采空区上方的直接顶也就随着垮落下来。直接顶岩石破碎后体积增大，刚破碎时其碎胀系数达1.33～1.5。如果直接顶的厚度等于或大于采高的2～3倍，直接顶垮落后就能把采空空间填满，见图１-2-2。在这种情况下，随着破碎的直接顶岩石被压实，老顶岩层还是会弯曲、下沉与断裂的，但是这对回采工作面影响很小，回采工作面不存在老顶活动的威胁。图1-2-２直接顶垮落后把采空区充填满第二节压垮型冒顶的机理及预防措施第二节压垮型冒顶的机理及预防措施如果直接顶厚度不到采高的2～3倍，则直接顶垮落后填不满采空空间。开始时，老顶在采空区上方呈双支点梁状态，如图1-2-3所示。老顶岩梁把自身及其上部岩层的重量都加到回采工作面周围的煤体之上，工作面还感受不到老顶的压力。图1-2-3老顶呈双支点梁第二节压垮型冒顶的机理及预防措施随着回采工作面的推进，梁的跨度愈来愈大，老顶就逐渐弯曲、下沉；当老顶双支点梁达到极限跨距时，它就断裂、下沉。这时，回采工作面内顶板下沉加快、煤壁片帮严重、支架受力增大、甚至发生顶板台阶下沉等老顶来压现象。老顶初次来压工作面回采以来老顶第—次大规模来压，叫做老顶的初次来压。由开切眼到初次来压时工作面推进的距离叫做老顶的初次来压步距。一般为20～35m。第二节压垮型冒顶的机理及预防措施3、老顶周期来压老顶的周期来压老顶初次来压后，随着回采工作面的继续推进，老顶岩梁周期性断裂、下沉，工作面内周期性地出现顶板下沉加快、煤壁严重片帮、支架受载增大、以及顶板台阶下沉等老顶来压现象，叫做老顶的周期来压。老顶岩梁周期断裂的距离叫做老顶周期来压步距，一般为老顶初次来压步距的1／2～1／4。第二节压垮型冒顶的机理及预防措施4、有关老顶来压的两个问题(1)当支架或支柱的初撑力较低时，老顶往往断裂在煤壁之内。这个事实可以用图1-2-4所示的力学模型来说明。图1-2-4老顶断裂位置的力学模型q-老顶的均布载荷；P1、P2、P3-表示扣除直接顶岩层影响后的支柱对老顶的支撑力；q1-表示扣除直接顶岩层影响后的煤体对老顶的支撑力分布。第二节压垮型冒顶的机理及预防措施如果支柱的初撑力很低，当老顶未断裂时，支柱工作阻力就很小，不足以平衡煤壁后方老顶岩层的重量，必须与煤体一起来支撑老顶岩层，这就导致老顶岩梁剪应力为零的点在煤壁以内，见图1-2-4的Q图。与剪应力为零点相对应的老顶岩梁弯矩最大点，因而也在煤壁之内，见图1-2-4的M图。随着回采工作面的推进，老顶岩梁悬露愈长，弯距值就愈大。当由弯矩最大值所决定的拉应力超过老顶岩石的抗拉强度时，老顶就折断。可见老顶岩层是在剪应力为零点即弯矩最大点处断裂的。上面已经分析过，当支架或支柱初撑力很小时，这个点在煤壁之内。目前，回采工作面所用单体支柱的初撑力一般都不大，因此多数单体支柱工作面的老顶是断裂在煤壁里面。第二节压垮型冒顶的机理及预防措施如果老顶岩层在采空区侧还受有剪力(如图1-2-5)，或老顶上位岩层对老顶还施加有力(如图1-2-6)，则老顶在煤壁内断裂的性质不会变，只是断裂位置可能更深入煤体而已。图1-2-5老顶受后面岩块图1-2-6老顶受上位岩层施加的剪力施加的分布力实践表明，随着老顶及其支撑条件的不同，老顶在煤壁内的断裂点距煤壁的距离由一两米至十几米不等。第二节压垮型冒顶的机理及预防措施(2)这里所指的老顶，可能是垮落带中的岩层，也可能是裂隙带中的岩层。如果是垮落带的岩层，在初次来压后会在采空区以悬臂梁状态出现；如果是裂隙带的岩层，则会在回采过程中以砌体梁结构出现。初次来压前顶板即将跨落的情形第二节压垮型冒顶的机理及预防措施初次来压第二节压垮型冒顶的机理及预防措施老顶初次来压（a）-老顶断裂下沉；（b）-顶板台阶下沉第二节压垮型冒顶的机理及预防措施老顶周期来压（a）-老顶断裂下沉；（b）-顶板台阶下沉第二节压垮型冒顶的机理及预防措施第二节压垮型冒顶的机理及预防措施二、压垮型冒顶的机理及预防措施20世纪50年代，我国回采工作面中主要使用木支架，由于它的可缩量小，当时支护密度也小，老顶来压时往往被折断，导致出现压垮型冒顶事故。20世纪50年代末期，回采工作面中开始使用摩擦支柱，随后得到普遍推广，使压垮型事故得到一定的抑制。20世纪70年代以来，相当多的工作面已经使用单体液压支柱，不少工作面还用上了液压支架。由于这些支架的工作阻力较大，可缩量也较大，能够适应老顶的下沉，并有足够的工作阻力与顶板压力相抗衡，大大降低了老顶来压时压垮型冒顶的威胁。第二节压垮型冒顶的机理及预防措施以上情况说明，过去流行的回采工作面重大冒顶事故主要是由老顶来压导致的结论，已经随着回采工作面支护手段的改变而不适用了。当前，为了大大降低回采工作面重大顶板事故及其伤亡人数，必须大力研究推垮型冒顶事故的机理及其预防措施。虽然如此，目前对老顶来压导致的压垮型冒顶，还是有研究的必要。因为在一些小矿，回采工作面中还有使用木支架；有些使用金属支柱的回采工作面，由于支护参数不合适，还有发生压垮型冒顶的；应用液压支架的工作面也有发生压垮型冒顶事故的。第二节压垮型冒顶的机理及预防措施1、顶板条件可能发生老顶来压时压垮型冒顶的煤层顶板是：(1)直接顶比较薄，其厚度小于煤层采高的2～3倍；(2)直接顶上面老顶分层厚度小于5～6m。2）冒顶的前兆这种冒顶只有来压时发生，故老顶来压预兆就是冒顶征兆。（1）煤壁片帮。（2）顶板下沉速度急剧增加。（3）支柱载荷急剧增加。（4）靠煤壁顶板断裂。（5）靠煤壁顶板掉渣。（6）摩擦支柱放炮。第二节压垮型冒顶的机理及预防措施３、冒顶的机理在下列三种情况下，老顶来压时可能导致发生压垮型冒顶事故：(1)垮落带老顶岩块压坏采场支架导致冒顶老顶来压时，断裂、下沉的老顶岩块要挤压采场支架，如果采场支架的支撑力不足，就会被压坏而导致冒顶。最不利情况如图１-2-7所示，垮落带老顶岩块前端已露出工作面煤壁，后端又未触矸，这时老顶岩块的全部重量均由采场支架承受，发生压垮型冒顶的可能性最大。图１-2-7垮落带老顶岩块压坏采场支架第二节压垮型冒顶的机理及预防措施第二节压垮型冒顶的机理及预防措施(2)垮落带老顶岩块冲击压坏采场支架导致冒顶如图１-2-8所示，由于采场支架的初撑力不足，在老顶岩块未明显运动之前，直接顶与老顶已发生离层[见图1-2-8(a)]，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[见图1-2-8(b)]。(a)离层(b)冲击压坏支架图1-2-8垮落带老顶岩块冲击压坏采场支架综采工作面如遇老顶冲击来压，可能将支架压死、压坏(立柱油缸炸裂、平衡干斤顶拉坏等)或压入底板，从而导致顶板事故。第二节压垮型冒顶的机理及预防措施(3)裂隙带老顶压坏采场支架导致冒顶当裂隙带老顶断裂、下沉、旋转、触矸时，如果采场支架的可缩量不足，就可能被压坏从而导致冒顶。图1-2-9所示为裂隙带老顶岩块后端已触矸，这时采场顶板下沉量最大，所需支架可缩量也最大。图1-2-9裂隙带老顶压坏采场支架如果支架可缩量较小，当裂隙带老顶岩块后端未触矸时，支架就可能已被压坏。此外，由于裂隙带老顶本身不会冒落，采场支架被压坏后，冒下的只是垮落带岩层。第二节压垮型冒顶的机理及预防措施4、预防冒顶的措施为预防发生老顶来压时的压垮型冒顶事故，应采取下列措施：(1)采场支架的支撑力应能平衡最不利情况下垮落带直接顶及老顶岩层的重量。(2)采场支架的初撑力应能保证直接顶与老顶之间不离层（专门试验表明，当支架初撑力足够大时，可令直接顶沿放顶线切断而不在煤壁处断裂，从而可保持直接顶与老顶之间不离层。）(3)采场支架的可缩量应能满足裂隙带老顶最大下沉的要求。•注意：•超前工作面20m范围内的两端巷道，因受工作面前方支承压力的作用，受压大。为防止压坏支架，应加强支护。•（1）超前10m内，用双中心柱。•（2）超前10~20m内，用单中心柱。第二节压垮型冒顶的机理及预防措施•1）发生的条件：直接顶板软弱破碎。•2）防治对策：护.采用各种方法将顶板护好。•综采面：选用掩护式或支撑掩护式支架。•单体面：支柱加顶梁，顶梁上加背板，甚至背严。支柱柱距小于0.7m。•漏冒型冒顶包括：大面积漏垮型冒顶，靠煤壁附近局部冒顶，采场两端局部冒顶，以及放顶线附近局部冒顶。第三节漏冒型冒顶的机理及预防措施局部冒顶范围虽然较小。有时不过在1～2或3～5架支架范围内，但它所占冒顶死亡事故的比例却很大。人们习惯上称局部冒顶为“零打碎敲”事故；正因为这样，往往容易被“忽视”。防止这类事故发生的难度比大型冒顶事故要难得多。造成局部冒顶事故的随机因素非