煤礦頂板管理與應(yīng)用

1、煤礦頂板管理與應(yīng)用一、礦山壓力與頂板管理基本理論1、 巖石的物理性質(zhì) 巖石的空隙性、碎脹性、軟化性。2、巖石的力學(xué)性質(zhì)a、巖石的變形性質(zhì)巖石受力后同時出現(xiàn)彈性變形和塑性變形。（有“記憶材料”之說）脆性巖石、塑性巖石。b.巖石的強度 試驗研究結(jié)果表明： 三向等壓抗壓強度三向不等壓抗壓強度雙向抗壓強度單向抗壓強度抗剪強度抗彎強度單向抗拉強度。RC=5- 38倍Rt ； RC=2-15倍巖石的抗破壞能力與受力狀態(tài)有關(guān)。3.巖體的概念地下工程空間周圍地層圍巖的總體稱為巖體。 巖體的強度取決于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)面（或弱面）的分布和強度。巖體的強度總體上低于巖石 (巖塊)的強度。工程上將巖體視為由結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面組

2、成。二、 開采后引起的采場礦山壓力1、原巖應(yīng)力a.自重應(yīng)力式中: = Hb.構(gòu)造應(yīng)力 水平力為主;力的方向變化大.c、地下水壓力d、氣體壓力e、地溫引起的壓力 礦山壓力：由開采工作所引起的，在巷道和回采工作面周圍巖體內(nèi)和支架上的力。 圍巖壓力：由圍巖變形引起的作用于巷道及回采工作空間內(nèi)支護物上的力，有時稱為圍巖壓力。 2、礦山壓力 礦山壓力顯現(xiàn)：由于礦山壓力的作用，引起了一系列的自然現(xiàn)象。三、采場礦山壓力的一般規(guī)律1、直接頂初次垮落直接頂初次垮落時的跨距叫初次垮落步距。2、老頂初次來壓 老頂(基本頂)巖層第一次失穩(wěn)垮落引起的采面壓力的變化-老頂初次來壓3、 周期來壓 開采引起的由于老頂巖層周期

3、性失穩(wěn)而引起的礦山壓力現(xiàn)象稱為工作面頂板的周期來壓。5、 上覆巖層的運動破壞 初次來壓后，采空區(qū)上方的巖層一般都產(chǎn)生移動，形成冒落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶。 沿工作面推進方向分為煤璧支撐影響區(qū)、離層區(qū)及重新壓實區(qū)。三、回答問題: 如何防止回采工作面頂板事故?結(jié)合本礦實際,如何防止回采工作面頂板事故?結(jié)合本礦實際,簡述如何防止煤礦頂板事故?1、本礦實際：礦井巷道和回采工作面頂板頂板情況、支護材料、支護方式、來壓情況等；2、采面3個大面積頂板事故發(fā)生時期的規(guī)律。提前采取加強支護的有效措施；3、針對不同類型的頂板條件進行有效的支護設(shè)計4、科學(xué)的支護設(shè)計 支護材料、支護方式、支護強度5、提高支護設(shè)計的有

4、效性 加強現(xiàn)場管理、嚴格執(zhí)行作業(yè)規(guī)程； 確保每根支柱的支設(shè)質(zhì)量，提高支柱工作的初撐力，減小頂板大量下沉，確保支護效果； 按照標準化建設(shè)，加強班組在支護工序質(zhì)量的監(jiān)督管理。6、結(jié)合不同類型的頂板事故發(fā)生的原因，有目的和有針對性的采取加強支護的措施。四、采面頂板分類、直接頂分類 按穩(wěn)定性不同，將直接頂分為四類： 不穩(wěn)定頂板、中等穩(wěn)定頂板、穩(wěn)定頂板、堅硬頂板 分類指標： (1)強度指標D=10*Rc *C1* C2 。 (2)直接頂初次垮落步距分類指標： Km=直接頂厚度/采高 初次來壓步距L通常情況： Km越大，則來壓越不明顯； Km越小，則來壓越明顯； 初次來壓步距越小，來壓越不明顯；初次來壓步

5、距越大，來壓越明顯。級：來壓不明顯 級：來壓明顯 級：來壓強烈 級：來壓極強烈 、老頂分級、底板巖層分類主要根據(jù)底板巖層的軟硬和易破壞程度，將底板巖層分為五類： 類（極軟類） 類（松軟類 ） 類（較軟類） 類（中硬類） 類（堅硬類）四川煤礦區(qū)所采煤層的底板巖層相對較軟。上覆巖層運動的基本理論-“關(guān)鍵層理論” 冒落帶巖層以上的裂隙帶下位巖層中存在著對回采工作面支護有重大影響的關(guān)鍵層巖層，由于不同的巖層條件，還將在其上部存在次關(guān)鍵層、第二次關(guān)鍵層巖層。次關(guān)鍵層的運動則對于整個裂隙帶巖層的運動破壞以及地表沉陷程度等，在時間、空間上都有一定的控制作用。 不同的埋藏條件、開采條件和采煤方法等，都直接影響

6、關(guān)鍵層和各個的次關(guān)鍵層的位置和運動狀態(tài)。、回采工作面采空區(qū)處理方法：五、頂板管理5.1 支護材料 采面：木材、金屬（剛性、可縮性 ）、液壓（單體液壓柱、自移式支架）。 巷道：木棚子、砼棚子、金屬棚子（可縮、剛性）、錨桿支護、錨噴支護、“錨網(wǎng)索”支護等。5.2 支柱工作特性 剛性、急增阻式、微增阻式、恒阻式5.3 回采工作面對采場支架的基本要求：要有足夠的支撐力；支架要有一定的可縮量，以適應(yīng)頂板的下沉規(guī)律；支架要維護直接頂?shù)耐暾€(wěn)定性支架有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以適應(yīng)頂板壓力的方向變化。支架布置方式 單體支柱采面支柱布置 目前普采面支架布置方式主要有齊梁直線柱和錯梁直線柱兩種： 工作面的特種支架形式

7、不同頂板條件下的支護方式 a、不穩(wěn)定類的直接頂板 支護工作重點為“護頂”、及時支護、控頂距不宜大；b、穩(wěn)定類以及堅硬頂板支護工作重點為“支撐”、及時支護、控頂距不宜太?。?.6 支護強度設(shè)計a、估算法：單位面積的支護強度為48倍采高的巖石重量。 P=（ 48）M 為巖石容重b、實測法： 在現(xiàn)有回采工作面上進行礦壓實測，測定出開采同一煤層時的初次來壓和周期來壓的規(guī)律以及來壓時期的支柱最大壓力、平均壓力等，作為新工作面的支護設(shè)計依據(jù)。5.7 極薄煤層開采要求 1） 工作面采用壁式采煤方法，采面支護后空間凈高不得低于； 2）采區(qū)同一翼的同一煤層內(nèi)，禁止布置兩個以上回采工作面； 3）炮采工作面長度不得

8、大于80m；機采工作面長度不得大于100m；六、 頂板事故防治6.1 采場頂板事故分類 采場頂板事故按原因可分為壓垮型、漏冒型與推垮型三大類。 壓垮型冒頂是支架支撐阻力不夠?qū)е碌拿绊敚?漏垮型冒頂是護頂效果差導(dǎo)致的冒頂； 推垮型冒頂是采場支架穩(wěn)定性差導(dǎo)致的冒頂。 此外，還可能出現(xiàn)綜合類型的冒頂。壓垮型冒頂：原因 條件：頂板、底板 主要時間：來壓、非來壓漏垮型冒頂：原因 條件：頂板、底板 主要時間：來壓、非來壓推垮型冒頂：原因 條件：頂板、底板 主要時間：來壓、非來壓6.2 工作面冒頂事故的基本規(guī)律工作冒頂基本規(guī)律有以下幾點。1）頂板類型 發(fā)生冒頂工作面的頂板類型往往是兩頭大，中間小，較軟的(破

9、碎或不穩(wěn)定頂板)和硬的(堅硬頂板和部分穩(wěn)定頂板)頂板事故多，約占全部工作面頂板事故的70 80%。 破碎頂板事故特點是“零打碎敲”，一次事故傷亡人數(shù)雖少，但頻繁發(fā)生，較難預(yù)防。它約占工作面頂板事故65%75%， 堅硬頂板事故特點是大面積冒落，往往造成一次死亡3人以上的重大惡性事故 2）冒頂?shù)攸c 發(fā)生冒頂?shù)攸c來看，煤壁線、切頂線和工作面端頭的事故較多。 煤壁線附近，即在無支柱空間內(nèi)的事故約占40%70%； 放頂線附近事故約占1530%； 放頂線附近事故約占1530%。 3）支護形式與支護機械化程度 從木支柱和金屬支柱的支護形式看，木柱帽的事故最多。 以木支柱工作面每采百萬噸煤死亡率為100%計算

10、，則摩擦支柱，木柱帽工作面為90%,摩擦支柱鉸接頂梁工作面為40%。支護機械化程度，與頂板事故關(guān)系極大。 摩擦支柱工作面頂板事故比綜采工作面高69倍，比單體液壓支柱工作面高24倍。 采面頂板事故率隨支護形式的改進和支護機械化程度的提高而降低。 4）礦壓 冒頂事故多發(fā)生在頂板來壓期間，約占頂板事故總數(shù)的60%70%，尤其是直接頂相老頂初次垮落時事故較多。 據(jù)實測資料整理，大多數(shù)工作面老頂來壓時的動載系數(shù)為，堅硬頂板條件下高達23。 來壓時煤壁片幫，頂板拉槽，無支柱空間局部漏頂和冒頂增多，頂板堅硬時往往大面積斷裂臺階下沉驟增，從而多數(shù)造成推垮型事故。 5） 煤層條件 煤層傾角超過25后，支架(柱)

11、的穩(wěn)定性差，頂板事故多。 煤層厚度或采高大于時。容易發(fā)生片幫冒頂。 具有復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)的煤層頂板事故較多，且預(yù)兆不明顯。 厚煤層全部陷落法的下分層開采和單一煤層的仰斜推進開采也具有頂板事故較多的趨向。 6）回采工序 在工作面各項工序中，回柱放頂時發(fā)生的事故較多，約占30%50%。 7） 地質(zhì)構(gòu)造 地質(zhì)構(gòu)造如斷層、褶曲、無炭柱等往往使頂板變得破碎。 地質(zhì)構(gòu)造區(qū)內(nèi)頂、底板起伏變化容易使煤璧片幫或采空區(qū)冒落肝石推倒支架，有時斷層帶附近也可能整塊頂板失穩(wěn)而推倒支架造成冒頂。頂板十分堅硬難冒，但也會造成事故發(fā)生。 6.3.復(fù)合頂板的概念 由軟、硬薄巖層互層的直接頂就是復(fù)合頂板。 這里的軟巖層與硬巖層只是一

12、個形象的說法，實際是指:采動后下部巖層或因巖石強度低，或因分層薄，其撓度比上部巖層大，向下彎曲得多，而上下巖層間又沒有多大的粘結(jié)力，因此下部巖層與上部巖層形成離層；從外表看，似平下部巖層較軟，上部巖層較硬。6.4 壓垮型冒頂?shù)臋C理及預(yù)防1) 老頂來壓時的壓垮型冒頂a.頂板條件： 當煤層上面有老頂、直接頂厚度又較小時，會因老頂來壓時可能發(fā)生壓垮型冒頂。 老頂來壓分為斷裂下沉和臺階下沉兩個階段，這兩個階段都有可能發(fā)生壓垮型冒頂。b. 預(yù)防措施 合理設(shè)計采場支柱，使支柱具有足夠的支撐力和可縮量。 要進行頂板斷層情況的預(yù)測預(yù)報。 當老頂來壓比較強烈時，要選用可縮量較大的支柱，并加強后排支柱的支撐強度。

13、 遇斷層時，要加強該段工作面的支護，不得正?；刂U大該段工作面的控頂距；如果工作面用的是金屬支柱，還要用木支柱替換金屬支柱，待斷層進入采空區(qū)后再用絞車回柱。 2)直接頂導(dǎo)致的壓垮型冒頂a.頂板條件 由于構(gòu)造、采動等原因，使采場工作空間上方某部分直接頂與其周圍巖體產(chǎn)生斷裂，當這部分直接頂整體向下運動時，有可能造成壓垮型冒頂事故。b.機理 這種類型壓垮型冒頂?shù)臋C理很簡單，就是當與巖體脫離的直接頂垂直層面方向向下運動時，采場支架的支撐力不足，因而導(dǎo)致壓垮型冒頂。 c.預(yù)防措施 a)采場支護強度要能自始至終平衡直接頂或垮落帶巖層的重量，底軟時必須穿鞋，力求以支柱的初撐力就能平衡直接頂或垮落帶的巖重

14、，以避免直接頂或垮落帶離層； b)開采下分層時不要留煤皮，以免增加支架的載荷，如因條件限制非留煤皮不可，要相應(yīng)增加支柱的初撐力或支柱密度； c)在構(gòu)造或采動破壞嚴重的區(qū)域進行工作面收作時，除應(yīng)縮小控頂距及加強放頂支柱的初撐強度外，應(yīng)采用絞車遠距離回柱。6.6 漏垮型冒頂?shù)臋C理及預(yù)防1）大面積漏垮型冒頂a.頂板條件當直接頂異常破碎，而煤層傾角又比較大時，可能發(fā)生大面積漏垮型冒頂。c.預(yù)防措施 1)選用合適的支護，使工作面支護系統(tǒng)有足夠的支撐力和可縮量； 2)頂板必須背嚴接實； 3)嚴防放炮、移輸送機等工序推倒支架，防止出現(xiàn)局部冒頂。2）局部漏冒型冒頂局部漏冒型冒頂主要有以下幾種。a.靠煤幫附近的

15、漏冒預(yù)防靠煤幫附近局部漏冒的主要措施有:1)提高第一排支柱的初撐力，以減小機道上方直接頂板的下沉量； 2)采用能及時支護懸露頂板并能減小端面距的支架，例如采用錯梁直線柱支架、沿工作面鉸接頂梁與盯型長鋼梁交替配合支架、n型長鋼梁對柵邁步支架，以及鉸接頂梁在機道上方配合短頂梁支架； 3)炮采時，炮眼布置及裝藥量應(yīng)合理，盡量避免崩倒支架； 4)盡量使工作面與煤層的主節(jié)理方向垂直或斜交，避免煤壁片幫，一旦片幫應(yīng)超前支護，防止冒頂。b.工作面兩端的漏冒 工作面兩端的漏冒，包括輸送機機頭機尾處局部漏冒，也包括與工作面相接的一段巷道中的局部漏冒。 工作面兩端，經(jīng)常要進行機頭機尾的移置工作。機頭機尾處一般是架

16、設(shè)抬棚支護，移置機頭機尾時需拆除抬柵下的支柱，如果造成直接頂下沉，就可能導(dǎo)致破碎頂板或孤立巖塊冒落。 為預(yù)防與工作面相接的這一段巷道發(fā)生漏冒事故: 1)巷道與工作面出口相接的一側(cè)要架設(shè)一對長梁抬棚，托住原巷道支架的梁頭，這一對抬棚也是邁步前移；而且與工作面第一架抬柵梁距不應(yīng)超過； 2)距工作面煤壁lOm范圍內(nèi)的巷道，要對巷道支架加設(shè)雙中柱；距工作面煤壁102Om范圍內(nèi)的巷道，要對巷道支架加設(shè)單中心柱。這類措施，當然也包含用于預(yù)防壓垮型冒頂。c.放頂線附近的漏冒 放頂線上支柱受力不是均勻的，人工回拆受力較大的柱子時，往往柱子一倒下，頂板隨即垮落，如果回柱工人來不及退到安全地點躲避，就可能造成人身

17、事故。這種情況在分段回柱回拆最后一兩根支柱時尤其容易發(fā)生。 預(yù)防放頂線附近的漏冒，不在于護住頂板不讓垮落，而在于保證回柱工人不因放頂工作而造成人身事故。如果工作面用的是摩擦支柱，可以在這些柱子的上下各支一根木支柱作為替柱，然后回拆摩擦支柱，最后用絞車回木替柱。 d.地質(zhì)破壞帶附近的漏冒 地質(zhì)破壞帶頂板往往較破碎，容易造成漏冒，因此要特別加強支護。不僅該地段的支柱密度要增大，而且要視頂板破碎的程度加強護頂工作。 三、復(fù)合頂板推垮型冒頂?shù)臋C理及預(yù)防 1.復(fù)合頂板的概念由軟、硬薄巖層互層的直接頂就是復(fù)合頂板。 這里的軟巖層與硬巖層只是一個形象的說法，實際是指:采動后下部巖層或因巖石強度低，或因分層薄

18、，其撓度比上部巖層大，向下彎曲得多，而上下巖層間又沒有多大的粘結(jié)力，因此下部巖層與上部巖層形成離層；從外表看，似平下部巖層較軟，上部巖層較硬。 3.復(fù)合頂板推垮型冒頂?shù)奶攸c 1)冒頂前采場頂板壓力不大，支架沒有壓縮變形及損壞； 2)多數(shù)情況下，冒頂前采場頂板已沿煤幫斷裂； 3)冒頂后支柱只是傾倒，多數(shù)是沿煤層傾斜方向向下傾倒，也有向采空區(qū)傾倒的； 4)冒頂后上部硬巖層大面積懸露不垮，個別情況是垮落幾個大塊；階冒頂在任何工序都可能發(fā)生，但多數(shù)是發(fā)生在回柱放頂過程；6)冒頂多發(fā)生在開切眼附近；7)多數(shù)情況是冒頂前沒有明顯征兆，推垮發(fā)生時速度快來勢猛，有時推垮前有征兆，能發(fā)現(xiàn)靠采空區(qū)支柱向下傾斜，沿

19、煤幫及采空區(qū)邊頂板掉碴，因而來得及撤人。 4.采場中容易發(fā)生復(fù)合頂板推垮型冒頂?shù)牡攸c 1)開切眼附近。在這個區(qū)域，頂板上部硬巖層兩側(cè)都有煤體支撐，不容易下沉，這就給下部軟巖層的下沉離層創(chuàng)造了有利條件。 2)地質(zhì)破壞帶 (斷層，裂隙等)附近。在這些地點，頂板下部軟巖層容易形成六面體。 3)尖滅構(gòu)造附近。采場頂板存在尖滅構(gòu)造，既容易形成六面體，又可能給六面體以去路。 4)舊巷 (走向的或傾斜的)附近。由于舊巷頂板已破壞，增加了在頂板巖層中形成六面體的可能性。 5)掘進工作面上下平巷時破壞了復(fù)合頂板的地點。 6)局部漏冒區(qū)附近。這些地點也存在增加形成六面體的可能性與提供去路等問題。 7)傾角大的地段

20、。在這些地段，由重力作用而令六面體沿傾斜下推的力增大。 8)頂板淋水地段。這些地段因有水導(dǎo)致巖塊間摩擦系數(shù)減小，總阻力將大為減小。 9)煤底或軟底地段。這些地段支柱容易鉆底，導(dǎo)致軟硬巖層離層。 5.預(yù)防復(fù)合頂板推垮型冒頂?shù)拇胧?)提高單體支柱的初撐力2)選用穩(wěn)定性能好的支架或加強支架的穩(wěn)定性 (1)有條件時，用掩護式或支撐掩護式支架代替單體支架。 (2)采用“整體支架”3)消除形成復(fù)合頂板推垮的條件(1)應(yīng)用俯斜長壁工作面或應(yīng)用偽俯斜工作面 ;(2)掘進上下平巷及開切眼時盡可能不破壞復(fù)合頂板;(3)工作面初采時不要反推。在反推范圍初次放頂時，極容易在原開切眼處誘發(fā)推垮型冒頂。(4)控制采高，使

21、軟巖層垮落后能超過采高。 (5)靈活地應(yīng)用戧柱戧棚，使它們迎著六面體可能推移的方向。(6)在開切眼附近控頂區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)地布置樹脂錨桿。這個措施是把下位軟巖層與上位硬巖層錨在一起而預(yù)防推垮型冒頂。4、其他類型推垮型冒頂?shù)臋C理及預(yù)防(1)大塊孤立直接頂板旋轉(zhuǎn)推垮型冒頂預(yù)防大范圍孤立頂板或孤立巖塊旋轉(zhuǎn)推垮型冒頂?shù)拇胧┯?1)提高工作面支架的初撐力和穩(wěn)定性，尤其是后排支架的初撐力和穩(wěn)定性；2)加強地質(zhì)及采場觀測工作，判斷孤立頂板或孤立巖塊的范圍； 3)在切頂線應(yīng)用墩柱或特種支柱切頂。 （2）沖擊推垮型冒頂沖擊推垮型冒頂又叫砸垮型冒頂。當煤層頂板的下位巖層容易離層時，可能發(fā)生沖擊推垮型冒頂 預(yù)防沖擊推垮型

22、冒頂?shù)闹饕胧┯邢铝袃牲c:1)提高支柱的初撐力及支護系統(tǒng)剛度，避免下位巖層離層；2)提高支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性，尤其是后排支護的穩(wěn)定性，避免被推垮；在放頂線應(yīng)用墩柱或特種支柱就是一個很好的辦法 （三）采空區(qū)冒矸沖入采場推垮型冒頂 如果煤層之上直接就是石灰?guī)r等較堅硬巖層，當其呈大塊在采空區(qū)垮落時，可能順著己垮落的矸石堆，沖入采場，推倒采場支架(從根部推倒支柱而不是從頂部)，從而導(dǎo)致推垮型冒頂。預(yù)防這種類型冒頂事故的主要措施有如下:1)用挑頂?shù)绒k法使采空區(qū)小塊冒矸超過采高，從而使大塊冒矸無法沖入采場；2)提高墩柱或特種支柱的初撐力及穩(wěn)定性；3)用墩柱或特種支柱切斷頂板，一方面減小冒矸面積，一方面阻擋冒矸

23、使其不得沖入采場。 急斜煤層工作面應(yīng)用走向密集支柱時，如果支柱初撐力不足、穩(wěn)定性不好，采空區(qū)冒矸也可能沖倒密集支柱及采場支架，沖入采場，造成頂板事故 。七、采場頂板事故的處理1、頂板事故處理的一般原則 處理頂板事故的首要任務(wù)，是搶救遇難人員及恢復(fù)通風(fēng)等。 其次，在搶救中，必須時刻注意救護人員的安全。如果覺察到有再次冒頂危險時，應(yīng)首先加強支護，準備好安全退路。 在冒落區(qū)工作時，要派專人觀察周圍頂板變化，注意檢查瓦斯及其它有害氣體情況。 再根據(jù)巖層冒落高度、冒落巖塊、冒頂位置相范圍大小以及圍巖破碎相礦壓等情況，采取不同的搶救方法。 2、采場冒頂事故的處理 采煤工作面冒頂?shù)奶幚矸椒☉?yīng)根據(jù)冒頂區(qū)巖層冒

24、落的高度、冒落巖石的塊度、冒頂?shù)奈恢煤兔绊斢绊懛秶拇笮頉Q定。同時，還要根據(jù)煤層厚度、采煤方法等，采取相應(yīng)的處理措施。 （1）采場局部小冒頂?shù)奶幚矸椒?（2）采場局部局頂范圍較大的處理方法1.偽頂冒落，直接頂沒有冒落 2.直接頂冒落（3）采場大冒頂?shù)奶幚矸椒?.恢復(fù)工作面的方法處理冒頂2.開補巷繞過冒頂區(qū) 3.分層假頂下冒頂處理方法八、巷道冒頂事故的預(yù)防及處理1、影響巷道冒頂事故的主要因素影響巷道冒頂?shù)囊蛩睾芏啵桓爬ㄆ饋砜煞譃閮深?自然因素和開采技術(shù)因素。（一）自然因素1）.巷道圍巖性質(zhì)及其構(gòu)造 一般說來；軟弱巖石的強度低，巷道掘進時容易產(chǎn)生變形和破壞，如果支護形式和維護方法選用不當，就容易發(fā)生冒頂，但一般規(guī)模較小。 巷道圍巖的構(gòu)造特征也能影響巷道變形破壞性質(zhì)及其規(guī)模的大小。 2）.開采深度 隨著開采深度的增大，港道上覆巖層重量也增大。 隨著開采深度增加巖石的溫度也隨之增加，溫度升高促使巖石從脆性向塑性轉(zhuǎn)化，易使巷道產(chǎn)生塑性變形。 3）.煤層