矿山压力与顶板管理

矿山压力与顶板管理南屯煤矿职工教育培训中心刘尚星老顶基本顶直接顶伪顶煤层顶板采矿开挖空洞顶板岩石下沉变形、破坏，产生事故第一节矿山压力基础知识一、工作面的顶板与底板直接底老底煤层顶、底板岩石的性质、强度及含水性对采煤工作有直接影响，它是确定巷道支护方式、选择采空区处理方法的重要依据。1）顶板：根据岩性、厚度及采煤过程中垮落的难易程度，顶板可分为三种类型。（1）伪顶：直接位于煤层之上，多为几厘米至十几厘米厚的炭质泥岩，富含植物化石，在采煤过程中，常常随采随落，不易维护.一般小于0.5米•（2）直接顶：覆盖在伪顶之上的岩层，常为数米厚的粉砂岩、页岩、泥岩等，比伪顶稳定，在采煤过程中，经常在采过一段时间后自行垮落，少数砂岩层需要进行人工放顶。•（3）老顶：位于直接顶之上的岩层，一般为厚层的粗砂岩、砾岩或石灰岩，采空后，较长时间内不易垮落，仅发生缓慢变形。2）底板：分为直接底和老底两种类型（1）直接底：直接位于煤层之下的岩层，厚数十厘米，多为富含植物根化石的泥岩和泥质页岩。由于这种岩石遇水后膨胀，容易引起底鼓现象，可造成运输线路或巷道支架的破坏。（2）老底：位于直接底之下，常为厚层状砂砾岩或石灰岩。煤层顶、底板的发育程度受当时沉积作用和后期构造运动的影响，因此不同地区的煤层顶底板性质及发育程度不同，有的煤层顶底板发育完好，几种类型的顶底板都有，有的煤层缺少某种类型的顶板或底板。二、矿山压力的基本概念1.矿山压力由于采掘活动的影响，而在采掘空间周围岩体上及支护物上所产生的力称为矿山压力。水平原岩应力铅垂原岩应力采矿开挖引起的应力集中2.矿山压力显现由于矿山压力的作用将引其围岩及支护物的位移、变形、破坏等一系列的力学现象称为矿压显现。3.矿山压力与矿山压力显现的关系（1）矿压是矿压显现的原因，矿压显现是矿压作用的结果。（2）矿压存在是绝对的、不可控制的，矿压显现是相对的、有条件的、可以控制的。（3）矿压显现与矿压大小并不成比例三、矿山压力的分布规律采煤工作面前后支撑压力分布abcc四、影响矿山压力显现的基本因素5）断层与褶曲6）挤压与破碎带2）开采深度1.地质因素1）岩石力学性质2.开采技术因素2）开采程序3）支护方法4）顶板控制方法5）工作面推进速度6）采高与控顶距7）上部煤层残留煤柱1）巷道位置五、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六、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（七）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。移近量曲线移近量曲线第二节采煤工作面矿压显现规律及顶板控制一、采煤工作面矿压显现规律主要包括三项内容（一）全部垮落法控制顶板时矿压显现规律1）工作面直接顶的初次垮落。2）工作面老顶的初次来压。3）工作面老顶的周期来压。（二）分层开采时的矿山压力显现的基本规律（三）放顶煤工作面矿山压力显现特征二、全部垮落法控制顶板（一）直接顶的初次垮落与初次放顶的安全措施1）工作面直接顶的初次垮落工作面自开切眼向前推进一段距离后（8-25米）假如没有支护，直接顶悬露达到一定距离，在其重力的作用下，就要开始跨落，称为工作面直接顶的初次垮落这时直接顶的跨距称为初次垮落步距。见图工作面直接顶的初次垮落《规程》规定：采煤工作面必须按作业规程的规定及时支护，严禁空顶作业。直接顶不能任其自然垮落。当工作面推进距离达到初次垮落距时，要进行初次放顶。采煤工作面初次放顶时必须制定安全措施，采煤区（队）长要亲临现场进行指挥。《规程》规定：采煤工作面必须按作业规程的规定及时支护，严禁空顶作业。直接顶不能任其自然垮落。当工作面推进距离达到初次垮落距时，要进行初次放顶。采煤工作面初次放顶时必须制定安全措施，采煤区（队）长要亲临现场进行指挥。(二）直接顶初次放顶的安全措施对于单体支柱支护工作面，制定初次放顶安全措施时，应该遵循以下原则（1）适当加大控顶距，防止直接顶回转推垮工作面支架；（2）使用切顶支柱，密集放顶；（3）加强支柱的稳定性。尽量加打木垛，在不能打木垛的密集支护区，加打斜撑。1）工作面老顶的初次来压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。见图1-2(三)工作面老顶的初次来压及来压时的安全措施图1-2老顶断裂成岩块后的转动•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。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。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。•2）.初次来压及来压时的安全措施•（1）加强来压的预测预报，掌握老顶初次来压步距；•（2）适当缩小控顶距；•（3）提高支护质量，增加初撑力和增加和支架稳定性；•（4）对某些特别坚硬顶板，采用深孔爆破强迫放顶。•（5）一般可以采用木垛、斜撑等特种支架。(四)工作面老顶的周期来压及来压时的安全措施1）工作面老顶的周期来压。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。2）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。3）工作面周期来压时的安全措施（1）通过矿压观测，准确判断周期来压的时间和位置，做好预测预报工作。(2）做好来压前的支护工作，保证支架的规格质量，保证一定的支护密度和支架稳定性。（3）合理缩小控顶距，以利于工作面维护。（4）保证直接顶垮落的质量。采空区冒落的矸石可以减轻老顶的来压强度。（5）加强正规循环，保持工作面推进速度。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；强度小；支架载荷变小；顶板下沉量变大。（三小一大）（五）分层开采时的矿山压力显现的基本规律（六）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：•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。三、采煤工作面顶板控制方法•采煤工作空间的直接维护对象是直接顶，直接顶的好坏将对安全生产有直接影响。而直接顶的完整性又受到老顶平衡特征的影响•从一定意义讲控制采煤工作面矿山压力显现主要是控制老顶的活动规律，使其不危及到工作面的安全。•工作面支护的直接对象是直接顶。通过直接顶间接地对老顶的活动起一定的控制作用•采煤工作面顶板控制实质是控制采煤工作面矿山压力显现。（一）采煤作业时的采空区顶板处理方法刀柱法充填法缓慢下沉法全部垮落法（二）.单体支柱支护工作面顶板控制•1.木支柱。•2.摩擦式金属支柱•3.单体液压支柱（三）综采工作面顶板控制•综采工作面顶板主要是通过液压自移支架来控制的。•液压支架按照支架的支撑特点和结构特点分为•1）支撑式•2）掩护式•3）支撑掩护式（四）特殊条件下采煤工作面顶板控制•1采煤工作面初采时的顶板控制•2采煤工作面过旧巷时的安全措施•3采煤工作面过小地质构造时的安全措施•4采煤工作面收尾时预防冒顶的安全措施第三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。•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。（二）局部冒顶事故的预兆、原因及防治1.局部冒顶事故的预兆1）响声2）掉渣3）片帮4）裂缝5）离层6）漏顶7）瓦斯涌出量突然增大8）顶板的淋水明显增加2.局部冒顶事故的原因及防治•局部冒顶的原因：一类是已破碎了的直接顶，失去了有效的支护而局部冒落；另一类是老顶下沉迫使直接顶破坏支护系统而造成的局部冒落。局部冒顶常发生的区域：两线（煤壁线、放顶线）两口（上下安全出口）及地质构造变化带。1）．靠煤壁附近的局部冒顶煤层的直接顶中，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。•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。密集裂隙切割，形成了游离岩块；2）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