坚硬难冒顶板大面积垮落规律及防治

文学宽研究员煤炭科学研究总院坚硬难冒顶板大面积垮落规律及防治坚硬难冒顶板大面积垮落规律1.坚硬难冒顶板大面积垮落概述1.1.坚硬难冒顶板性质坚硬难冒顶板具有整、厚、硬的性质。整：顶板完整，裂隙节理间距1m；厚：岩层单层厚度大，≥2～5m；硬：岩层抗压强度大，岩石单向抗压强度σ60～80MPa,直接顶初次垮落步距25m，老顶初次垮落步距50m。•。1.2.坚硬难冒顶板垮落特点（1）一次冒落的面积大据大同矿区23次大面积垮落统计，其中20次的冒落超过1万m2，最大达12.8万m2，一般为2-4万m2。（2）顶板突然垮落超过极限面积后，顶板就会突然冒落，造成剧烈的动力现象。（3）产生巨大的暴风对附近巷道甚至矿井造成极大破坏。1.3.坚硬难冒顶板垮落实例(1)大同挖金湾煤矿坚硬顶板灾害1957-1961年5月采完，开采面积达16.3万m2；回收房间煤柱至1961年12月22日11时，顶板响动遍及整个盘区，将工人撤出盘区，半小时后大面积顶板突然冒落。采高4.0～4.3m，构造简单，煤层稳定；直接顶为细砂岩，厚度3m；老顶为厚层状中粗砂岩，厚度84～104m；开采方法：房柱式。造成：地陷12.8万m2，深达1m，地表对应出现7条0.2～0.5m，长102～360m大裂缝，顶板冒落产生巨大暴风，造成另外盘区多人伤亡，损毁密闭9座，风桥2座，支架90多架，巷道由4m降为2m，巷宽增大为6～7m，全井通风运输系统破坏。(2)新疆夏阔坦煤矿坚硬顶板灾害2008年新疆库车县夏阔坦煤矿发生采空区坚硬顶板突然塌陷事故。事故发生在首采下10煤层，工作面长72m,采煤方法为走向长壁式悬移支架放顶煤，全部陷落法管理顶板，采高2.0m,放顶煤4.0m。因开采后顶板不冒，改为分仓开采。采空区首采工作面+1590水平回风顺槽+1574水平运输顺槽+1553水平运输顺槽2103采区回风斜巷+1550H=1553.0主水仓水泵房管子道H=1574.0副水仓回风下山皮带下山变电所轨道下山材料绕道变坡点绞车硐室甩车场煤仓回风立眼H=1590.0见煤点H=1603.0217国道及工业广场保安煤柱混合斜井回风斜井导水巷火火火火火火火火火火火采空区图4采掘工程平面+1571回风顺槽5103巷已掘进402m2103巷已掘进440m1#25m放顶工作面事故发生工作面2#3#4#5#6#7#38m30m30m30m30m20m12m起始位置回采方向停采位置计划停采线采掘工程平面工作面推过38m之后，顶板不垮落，为此对顶板进行了人工强制爆破放顶，但顶板垮落未达到预期效果。因此矿井从2号采仓开始采用留保护煤柱的开采方法对坚硬难冒顶板进行控制。将已经形成的8101走向长壁工作面划分宽度为30～38m的采仓，仓间留10～12m煤柱，利用仓间煤柱控制顶板。工作面推到4号采仓时，2号采仓发生顶板大面积垮落，造成人员伤亡。采仓采仓宽度（m）采仓面积(m2)仓间煤柱宽度(m)煤柱面积(m2)1#3424482014402#382736107203#382736107204#302160128645#302160128646#302160128647#302160128648#12864矿井首采工作面分采仓开采情况(3)山西大同安平煤业顶板大面积垮落灾害2016年3月23日22时07分，安平煤业发生顶板大面积垮落导致瓦斯爆炸重大事故，造成20人死亡，1人受伤，直接经济损失2804.37万元。事故直接原因是8117工作面违规实施顶板预裂爆破诱发工作面采空区顶板大面积垮落，采空区瓦斯瞬间涌出形成冲击波造成人员伤亡和设备毁损;该采空区瓦斯处于爆炸浓度，逆流到工作面皮带进风巷，冲击波造成10千伏电缆受损产生火花引爆瓦斯导致事故扩大。(4)淮南孔集煤矿直立坚硬顶板灾害淮南孔集煤矿是在含水层下开采急倾斜煤层群的矿井，煤层顶板坚硬难冒，含水层下留设90m煤柱，由于煤层倾角大，煤层开采后煤柱发生抽冒，导致矿井溃水溃砂。2.坚硬难冒顶板来压规律2.1长壁工作面来压规律（1)初次来压与周期来压步距大一般大于30m，大的达50m，甚至可达100m以上。(2)工作面切顶线后方顶板悬露面积大切顶线后形成3～6m宽的悬顶。悬顶大造成垛式支架前后受力不均，后柱压力常常为前柱压力的1.5倍，同时工作面顶板有时沿煤壁折断。⑶顶板来压猛度大液压支架工作面来压比单体支架工作面猛度还要大，支架载荷增高1～2倍。由于安全阀来不及开启或卸载速度慢，使支架损，支柱活柱变形、弯曲开裂、缸体涨裂，最严重的使高吨位液压支架缸体爆炸。2.2.刀柱法工作面来压规律（1）突然一次性的由煤层顶板直达地表。垮落下来的岩块与未垮落岩体之间的裂隙形如刀切，称为切冒型破坏；（2）垮落岩体呈反漏斗形状，即上小下大，四周断裂面积与水平面的夹角为65～85度。（3）单次垮落的面积大，可达2～4万m3，最大达到12.5万m3；（4）垮落范围小于开采范围，中心区下陷深度为0.5～2m，最大可达3～4m，地表下沉均匀，周边裂隙宽度达0.5m，深不见底。3.顶板大面积来压和垮落预兆（1）煤壁片帮或刀柱煤柱炸裂，并伴有明显的响声；（2）炮眼变形，装不进药，打眼后钻杆拔不出来；（3）顶板折断发出闷雷声；（4）顶板下沉急剧增加；（5）顶板有时出现裂隙与淋水，局部底板底鼓。（6）支架压力突增，动载系数可达3.0以上；（7）微震仪观测发现有许多岩体破裂与滑移的波形出现。坚硬难冒顶板大面积垮落的防治我国在控制坚硬难冒顶板大面积垮落灾害防治的主要方法和措施是：爆落顶板控制法；充填式顶板控制法；煤柱式控制顶板法等；综合安全技术措施。坚硬难冒顶板爆破强制放顶技术坚硬难冒顶板地面深孔爆破放顶该方法主要是用在人员无法进入的老采空区悬顶区。在悬顶区上方相应的地面打钻至采空区顶板，然后进行扩孔和大药量爆破崩落顶板。地面深孔爆破顶板坚硬难冒顶板井下爆破强制放顶微信识别左面二维码，下载更多煤矿资料主要有两种方法。一种是对刀柱法形成的采空区悬顶进行强制崩落；另一种是在工作面前方未采动煤层顶板打平行工作面的长钻孔，煤层开采后在采空区内装药爆破。刀柱采空区深孔放顶炮眼布置平行工作面深孔爆破顶板垂直工作面深孔爆破顶板工作面切眼难冒顶板初次放顶1.工作面切眼初次放顶目的该矿工作面初次来压步距为35m左右，为了避免接续工作面初次来压对支架造成巨大的冲击载荷。采取人工爆破破坏顶板完整性，使其尽早垮落以减小初次来压步距，以此减缓初次来压对液压支架的破坏作用，决定在8102工作面切眼108m的范围内（全长117m，两侧各减4.5m），进行深孔预裂爆破放顶。2.爆破放顶的炮眼布置及施工煤层采高2.8m，放顶高度设计为采高的3倍。炮眼呈“一”字形排列，与切眼中心线平行，距离1.0m。炮眼间距为6.0m，共布置12孔眼。炮眼角度49°，眼深12.3m，，垂深9.3m，水平距为9.0m。开切眼掘成后，支架安装前采用MYZ-150型全液压坑道钻机施工，钻头直径为85mm，合金钢钻头。3.装药联线在采煤设备安装完毕，正式生产推进2.0m后装药，由于药券直径与炮孔直径相差很大，将3券药捆绑后装入。采用铵锑高威炸药，药卷为35×200mm，雷管采用煤矿许用毫秒延期电雷管，联线方式为并联，装药系数为0.6，炮泥装填系数为0.4，采用黄泥制作。炮眼装药量为15kg×12=180kg。炮眼采用连续耦合方式装药，并且双雷管、双导爆索引爆，其中一根导爆索延伸至炮眼底部，另一根导爆索与炮眼外侧第一个药卷连接，每一根导爆索均采用电雷管起爆，两个雷管在孔内采用并联连接，并用木塞固定，放炮母线必须绝缘良好，要悬空吊挂。装药前必须清净眼孔内的粉末，用60×1500mm的木制炮棍将药卷装入炮孔内，根据炮孔深度确定导爆索长度，导爆索要用快刀切割，严禁冲击挤压，药卷要推至孔底，装紧顶实，黄泥要充填密实。4.放炮为避免崩坏支架，待工作面推进6.0m后才进行放炮，起爆方式采用毫秒延期(两段)电雷管导爆索，起爆器型号MFB-100型。工作面水力压裂初次放顶内蒙准格尔旗酸刺沟矿曾采用切眼和两巷深孔预裂爆破方法进行工作面顶板强制初次放顶。爆破钻孔在工作面设备安装前施工，爆破作业在工作面支架推出切眼后实施。钻孔长度约18m，仰角33。，直径85mm，采用高威力乳化炸药，装药量50.8kg／孔。倾向300m长工作面炸药量约2t。消耗性火工品包括导爆索、雷管、PVc管等，爆破过程中产生的大量有毒有害气体，强烈震动影响支架安全。因此,在4煤和6煤工作面采用水力压裂方法初次放顶。1.4煤4203工作面顶板压裂1．1.工作面条件4203工作面煤层平均厚度3.6m，煤层倾角20，工作面倾向宽度240m。工作面直接顶为4m深灰色泥岩，基本顶为7m粗粒含砾砂岩，灰白色，局部为粉砂岩、细砂岩。初次垮落前顶板类似为固支梁，其初次来压步距Lf，由下式确定．式中，h为基本顶厚度，取9m；R1为基本顶抗拉强度，取2.5～3.8MPa；q为基本顶岩层承受载荷，根据组合梁原理，取205kPa。可得工作面初次来压步距约为：Lf=44～54m。根据顶板岩层结构确定压裂位置和压裂次数(图1)。选择完整段实施压裂，避免在裂隙或岩层交互位置压裂。采用倒退式压裂法，由钻孔深部向孔口位置逐次压裂。最后一次压裂位置选择在距离孔口4m以上，避免工作面回采到该位置时支架前方漏顶。1．2.压裂设计水力压裂初次放顶作业是在工作面切眼支护完成之后，在支架及采煤设备安装之前，对工作面煤体上覆顶板岩层进行水力预裂，提前在顶板中形成人为裂缝，弱化顶板的完整性及其整体强度，工作面初采时顶板能够及时垮落。一根据工作面顶板岩层结构、层厚、采高(影响高度为其4～6倍)等参数，确定4203工作面水力压裂设计见图2。钻孔参数为：(1)压裂钻孔S的长度为26m，倾角为450。(2)压裂钻孔L的长度为37m，倾角为300。(3)备用钻孔长度50m，倾角300，与煤壁夹角750。1.3.顶板压裂与顶板垮落采用单孔多次压裂方式，从钻孔底部逐步向孔口处逐次压裂，L孔压裂次数约为10次，S孔压裂次数约为7次。备用孔不实施压裂，用于顶板无法及时垮落时使用。压裂时间根据钻孔周围钻孔以及锚索出水情况确定，当出水量与进水量(80L／min)相当时，停止压裂作业。压裂过程中，监测水压变化，水压大小为10～29MPa，典型压裂曲线见图3。通过监测水压分析裂缝扩展情况。压裂开始时，水压上升较快，裂缝通常以较高水压起裂，随后压力小幅下降，以稳定水压开始扩展，表明顶板岩层较为致密完整，天然裂缝不发育，水力裂缝可在顶板岩层中大范围扩展，一段时间后临近钻孔有压裂水流出并逐渐增大，表明裂缝扩展范围可达lOm。4203工作面顶板经水力预裂后安装采煤设备并进行初采，工作面推进13m时直接顶全部垮落，推进约40m时基本顶垮落。顶板垮落过程呈现出分层、分次、及时逐步垮落的特点，垮落过程中未形成飓风，未对工作面产生冲击，工作面实现了安全初采，表明水力压裂初次放顶技术在酸刺沟4号煤层是可行性的。2.6煤115工作面顶板压裂酸刺沟煤矿6号煤层厚度约为10m，直接顶为粗砂岩(白色，成分以石英、岩屑为主)，厚度32m，上方为中粒砂岩(白色，厚层状，半坚硬)，厚度4.9m。根据钻孔窥视结果可知，顶板岩层厚度较大、致密完整、整体性和稳定性较好，岩石抗压强度约为30MPa。6号煤层采用综采放顶煤采煤法，顶板垮落时采空区空间较大，根据顶板柱状、岩层厚度、采高与顶煤厚度、4203工作面压裂经验，确定115工作面水力压裂参数。钻孔参数为：压裂钻孔s的长度为37m，倾角为450，钻孔间距16～20m；压裂钻孔L的长度为42m，倾角为200，钻孔间距16～20m；备用钻孔长度46m，倾角300。L孔与s孔交替布置。典型压裂曲线见图4。从图4看出，水压急剧增大到约20MPa时起裂，产生较小裂缝或使天然裂缝张开，紧接着水压短暂下降后再次迅速上升，达到30.8MPa后裂缝再次起裂，随后水压逐步下降，裂缝开始大范围扩展，扩展过程中水压出现小幅波动，说明顶板岩层中存在少量天然裂缝。此外，6煤顶板压裂水压大于