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煤矿顶板灾害与防控技术天地科技股份有限公司开采设计事业部（原煤炭科学研究总院北京开采研究所）2019年10月潘俊锋研究员提纲煤矿顶板灾害发生现状浅埋煤层矿压规律及顶板灾害防治技术顶板大面积来压及防治技术特殊条件（复采、登空开采）顶板灾害防治技术破碎顶板控制技术综采工作面切顶（压架）防治技术支架低头压死状态架前冒顶巷道冒顶立柱穿入顶梁掩护梁断裂一煤矿顶板灾害发生现状煤矿顶板管理调研工作进展鄂尔多斯、神木地区浅埋煤层高强度开采近距离煤层下行开采山西大同地区厚层坚硬顶板强矿压显现山东新泰、济宁深井巷道围岩控制充填开采山东龙口地区海域回采软岩巷道掘进山西长治地区松软煤层破碎顶板安徽淮南地区复合顶板深井软岩巷道控制重庆地区大倾角、急倾斜，薄煤层工作面河南郑州、义马“三软”煤层大倾角工作面坚硬顶板贵州六盘水地区软岩巷道支护近距离煤层开采江西丰城、萍乡破碎顶板复杂地质构造黑龙江双鸭山、牡丹江、辽宁阜新较大顶板事故多发深部开采强矿压新疆乌鲁木齐巨厚煤层、急倾斜厚煤层煤矿顶板管理现状调研我国顶板事故总量呈逐年下降趋势；顶板事故占事故总量的比重依然较大；顶板事故以一般事故为主，较大事故占比较小，重大事故时有发生；煤矿机械化程度与顶板事故发生几率基本呈负相关的关系；小煤矿的逐步退出对顶板事故的控制起到了较为明显效果。全国煤矿顶板事故统计分析事故类别2011年2012年2013年2014年2015年事故起数死亡人数事故起数死亡人数事故起数死亡人数事故起数死亡人数事故起数死亡人数顶板567665366459274325196292132169瓦斯11953372350593484726627124机电57575658414336373838运输239279145201109124831035965放炮323524251618131988水害4419224122218919791264火灾43452731614223其它139178871428110411413174107合计1201197377913846041067509931352598十二五期间较大顶板事故分类研究顶板，44.56%瓦斯，9.40%机电，6.62%运输，18.43%放炮2.70%水害，3.48%火灾，0.44%其他，14.37%顶板1535瓦斯324机电228运输635放炮93水害120火灾15其他495顶板1910瓦斯1621机电233运输772放炮105水害546火灾104其他662各类事故比例各类事故死亡人数各类事故起数十二五期间较大顶板事故分类研究十二五期间较大顶板事故分类研究2012~2015年较大顶板事故致因统计分析致灾因素事故发生条件事故起数死亡人数事故占比死亡人数占比地质环境因素顶板条件坚硬顶板32615.00%25.74%松软破碎顶板62230.00%21.78%其他条件地质构造94445.00%43.56%具有冲击倾向42320.00%22.77%管理因素顶板管理支护强度丌足176565.38%67.01%未采取加强支护62023.08%20.62%空顶作业31211.54%12.37%作业环境因素支护机械化水平单体支柱工作面115461.11%63.53%综采工作面41622.22%18.82%其他落后支护方式31516.67%17.65%重大以上顶板事故起数保持在0~2起之间，死亡人数由2000年~2009年平均13人下降至2010后的10人，远低于重大以上事故由993人降至319人的下降幅度。2000~2015年重大顶板事故分析全国煤矿顶板事故统计分析一般顶板事故起数及死亡人数平均占事故总量比例为97%及90.2%；较大顶板事故起数及死亡人数平均占事故总量比例为2.9%及9.1%；重大以上顶板事故起数及死亡人数平均占事故总量比例为0.1%及0.7%。顶板事故起数按级别分析顶板事故死亡人数按级别分析2000~2015年顶板事故级别分析全国煤矿顶板事故统计分析顶板事故与煤矿机械化水平的关系全国煤矿顶板事故统计分析二、浅埋煤层矿压规律及顶板灾害防治浅埋煤层埋藏浅、松散层厚、基岩层薄；煤层开采后上覆岩层中不能形成稳定的承载结构；地表厚松散层与基岩层同步下沉，顶板沿煤壁切落，地表形成台阶状下沉；易对工作面造成冲击，压垮支架；顶板垮落易引发溃砂、溃水等灾害。浅埋煤层矿压特征煤层埋藏浅，工作面压力不一定就小；煤层埋藏浅，工作面压力也不一定就大；工作面参数影响岩层结构及矿压显现规律；浅埋煤层工作面易形成切顶下沉，但是超前及两顺矿压不大；较高的初撑力对控制顶板下沉很重要；合理较快的推进速度可以减缓支架载荷；二、浅埋煤层矿压规律及顶板灾害防治二、浅埋煤层矿压规律及顶板灾害防治矿井名称事故时间事故持续时间压架数量处理时间事故造成的经济损失某矿2009.540min25架14天2604万元某矿2009.825min62架24天4664万元某矿2010.430min43架19天6792万元二、浅埋煤层矿压规律及顶板灾害防治鄂尔多斯伊旗某矿煤层厚度2.9m，直接顶为4m的砂质泥岩，基本顶为16m砂岩，整体性好，支架型号为ZY6800/17/35。在切眼内距切眼中心线1.0m处打放顶炮眼，眼距为3m，深度为3m。在工作面推进30m时顶板没有垮落，在工作面支架的架间打孔，眼距为6m，深度为7m。每个炮眼装药量为2.1kg。炮孔长度3m7m炮孔布置图3m6m30m二、浅埋煤层矿压规律及顶板灾害防治16二、浅埋煤层矿压规律及顶板灾害防治鄂尔多斯准旗某矿煤层厚度为2.25m；支架ZY6800/17/35；无初采放顶方案；初采期间发生了顶板大面积突然垮落，伤亡事故。图S2钻孔柱状图图S6钻孔柱状图二、浅埋煤层矿压规律及顶板灾害防治y=0.9147x+1.8227R2=0.997701234567306090120150地表松散层厚度/m工作面超前支承压力峰值/MPa试验数据拟合曲线①松散层厚度的影响★基本规律：松散层厚度越大，工作面压力越大。基岩松散层二、浅埋煤层矿压规律及顶板灾害防治②地表地形的影响★基本认识：地表沟谷对工作面压力有影响。二、浅埋煤层矿压规律及顶板灾害防治③煤柱的影响★基本规律：遗留煤柱区域工作面压力增强。正常情况：平均工作阻力为6578KN循环末阻力为7871KN过煤柱时：平均工作阻力为7518KN循环末阻力为8765KN二、浅埋煤层矿压规律及顶板灾害防治★基本规律：采高越大，工作面压力显现越强烈。316-2上04工作面326-01工作面开采煤层编号6-26-2地面标高+1226m～1286m+1209m~1282m煤层厚度/m采高2.2m采高5.8m工作面长度/m180m100m~180m*支架型号ZY6800/14/32ZY13000/28/63来压时支架平均工作阻力/kN6460kN9256kN（工作面长度180m时）（4）采高的影响二、浅埋煤层矿压规律及顶板灾害防治在一定地质条件下，采高是影响上覆岩层破坏状况的最重要因素之一。在单一煤层或厚煤层第一分层开采时，冒落带与裂缝带的总厚度与采高基本上成正比关系。采高越大，采出的空间越大，必然导致采场上覆岩层破坏严重。02040608010048121620242832364044承压拱临界拱高/m工作面推进距离/m采高2m采高3m采高4m采高5m采高6m基岩厚度h＝43m二、浅埋煤层矿压规律及顶板灾害防治★基本规律：工作面长度越大，工作面中部压力显现强烈区域越长。（5）工作面长度的影响二、浅埋煤层矿压规律及顶板灾害防治★工作面推进速度慢极易造成切顶压架事故6000700080009000100001100012345678910111213工作面推进度m/d日循环末阻力平均值/kN日循环末阻力平均值拟合曲线02468101214600065007000750080008500支架日循环末阻力平均值/kN工作面日推进速度/m实测数据拟合数据（6）工作面推进速度的影响二、浅埋煤层矿压规律及顶板灾害防治采前科学优化液压支架选型（支架工作阻力和架型）根据煤层厚度和产量确定合理的工作面长度工作面推进速度要大于6m/天初采期间要进行顶板弱化在回采中要进行矿压观测，并实时分析数据提高初撑力来压时，要加快工作面推进速度1、大面积切顶压架概念、危害工作面大面积来压坚硬顶板造成的大面积切顶压架由于坚硬顶板大面积悬顶，工作面推进到一定距离后，顶板突然垮落，造成支架损坏，形成“飓风”。非坚硬顶板造成的大面积切顶压架由于顶板离层严重，累积到一定程度后，顶板从煤壁切落，造成工作面压架，有时损坏支架，影响工作面正常生产。浅埋煤层造成的大面积切顶压架埋深比较浅，导致顶板承载结构容易失稳，导致大面积来压特殊地质构造导致的大面积切顶压架（断层、煤柱等）三顶板大面积来压与防治技术1、大面积切顶压架概念、危害坚硬顶板大面积来压（特点：瞬间、冲击、震动）断裂位置煤壁处：支架压死、损坏、暴风断裂位置切顶线：支架尾梁、四连杆损坏、推移杆损坏、暴风坚硬顶板大面积来压示意图三顶板大面积来压与防治技术非坚硬顶板大面积来压（特点：时间相对较长、工作阻力急增阻、安全阀开启、立柱损坏）图切顶发生在煤壁处图切顶发生在切顶线切顶位置切顶位置三顶板大面积来压与防治技术危害工作面压力大，矿压显现强烈支架损坏工作面发火顶板溃沙溃水形成飓风，通风系统损坏瓦斯超限一、大面积切顶压架概念、危害1、大面积切顶压架概念、危害三顶板大面积来压与防治技术图工作面压架时支架立柱损坏图1、大面积切顶压架概念、危害三顶板大面积来压与防治技术矿区矿名、工作面名称支架工作阻力/kN切顶情况神东矿区石圪台矿综采工作面18000多次压架，支架损坏酸刺沟矿6105-2综放工作面15000多次切顶，支架损坏神东榆家梁综采工作面10600两次压架大同矿区同煤塔山矿8102综放工作面11000多次切顶，影响生产扎赉诺尔矿区扎赉诺尔铁北矿、灵泉矿综放工作面8000多次切顶，影响生产彬长矿区崔木煤矿301、302综放工作面13000、10500出水压架山东巨野矿区龙固煤矿1301综放工作面11000切顶压架淮南矿区潘一矿、潘三矿、顾北矿出水切顶，影响生产淮北矿区祁东煤矿多次切顶，影响生产表我国近几年工作面大面积压架典型案例2、大面积切顶压架典型案例三顶板大面积来压与防治技术支架工作阻力曲线工作面推进速度初撑力是否合格来压步距及强度立柱窜液或损坏安全阀合格及损坏支架支撑效率。。。。。。二、大面积切顶压架典型案例横轴：时间或工作面推进距离纵轴：支架工作阻力支架工作阻力变化曲线0.002000.004000.006000.008000.0010000.0012000.004-305-45-85-125-165-205-245-286-16-56-96-136-176-216-256-297-37-77-117-157-197-237-277-318-48-88-128-168-208-248-28日期工作阻力（KN）5-35-85－145－225－286－26－106－217－17－77－13来压步距分析曲线实际初撑力末阻力工作阻力额定工作阻力二、大面积切顶压架典型案例1个循环铁北矿右三片工作面煤层厚度为8.5m，埋深340m，直接顶为3.5～4.0m的劣煤与泥岩互层，俗称五花三层，较为稳定，老顶为砂质泥岩和泥质砂岩互层。工作面长度165m，采用ZF8000/18/35放顶煤支架。1、大面积切顶压架典型案例-铁北矿三顶板大面积来压与防治技术1、大面积切顶压架典型案例-铁北矿三顶板大面积来压与防治技术右三片工作面压死原因分析顶板急速下沉特征顶板急速下沉特征停采阶段顶板下沉阶段顶板下沉阶段大面积切顶图4-4-3734、35、36号支架压架前后工作阻力曲线支架全部压死2、大面积切顶压架典型案例-铁北矿三顶板大面积来压与防治技术右三片工作面压死原因支架额定