煤矿顶板灾害及防讲座

1,煤矿顶板灾害及防治,云南煤矿安全技术中心高家礼,2,第一节 概述,矿井开采过程的采、掘、维修工作面或者是在已掘成的巷道、采空区等所发生的冒顶、片帮、掉矸等人身伤亡和非生产事故，统称顶板事故。 与矿井瓦斯、矿尘、火灾、水灾一起构成了煤矿通常所说的“五大自然灾害”；顶板事故是煤矿中最容易发生的事故，根据资料统计显示，我国煤矿顶板事故起数和死亡人数，分别占煤矿事故总起数和死亡人数的50%、40%，80%的顶板事故发生在回采工作面。因此，认真分析、研究顶板事故的原因及防治措施具有重要意义。,3,一、矿山压力,地下岩体在采动前，由于自重的作用在其内部引起的应力，通常称为原岩应力。开采前的岩体处于相对静止状态，所以原岩体处于应力平衡状态。 井下采掘活动破坏了原岩应力的平衡状态，引起岩体内部的应力重新分布，在重新分布过程中促使围岩产生运动，从而导致围岩发生变形、断裂、位移、直至垮落。这种由于进行采掘活动而在采掘空间周围岩体中及支护物上产生的压力叫矿山压力，简称矿压,4,二、矿山压力显现,在矿山压力作用下，围岩及支护物会产生一系列现象，如顶板下沉、冒顶、片帮、底臌、煤与瓦斯突出、冲击地压，支架压缩、变形、折断，地表发生移动、塌陷等。这种在矿山压力作用下围岩和支护物上产生的一系列力学现象叫矿山压力显现，简称矿压显现,矿山压力,5,三、巷道围岩的应力分布,巷道开掘后，顶板岩石就暴露出来，如不进行支护，巷道顶板岩层便失去支撑，产生拉应力 。导致原来的整体顶板岩石破坏、冒落。与此同时，上部又产生裂缝，这些裂缝又逐渐扩大，最后冒落。 直到巷道形成类似拱的形状以后，顶板岩石才处于稳定状态。这样形成的拱叫做自然平衡拱 。,6,巷道围岩的应力分布,原始应力区；支承压力区；卸压区 1自然平衡拱；2、岩壁刚露出时的支承压力；3支承压力向深部转移； K应力集中系数；,7,四、斜巷地压,在平巷里，顶压的方向是重力线方向，是垂直于巷道的顶板的。 在倾斜巷道顶压分解为两个方向的压力，一个是垂直于顶板的垂地压力(N)，另一个是平行于顶板的倾斜压力，即下推力(H),斜巷底板岩石重力分布： Q-重力； H-下滑力； N-对底板压力,8,斜巷架设支架要求,斜巷的支架既要承受垂直压力，又要承受下推力。因此，斜巷的支架就不能按垂直于巷道顶、底板方向去架设，而必须向上迎一个角度，我们把棚腿中心线与顶底板垂线之间的夹角，叫做迎山角。支架迎山角是为了克服下推力，防止支架向下倾倒的措施之一。 支架的迎山角()是按照巷道倾角()来计算的，一般迎 山角等于倾角的1618，即=(1618)口，例如巷道倾角为30，则迎山角为54。迎山角过大、过小都会降低支架的支撑能力，迎山角过大叫过山，迎山角给反了叫退山，都是不允许的。,9,顶板分类,煤层的顶板按其与煤层的相对位置不同以及垮落的难易程度不同，分为伪顶、直接顶、老顶，,定板分类,10,第二节 顶板事故的分类,顶板事故按力源分为漏 垮型、压垮型、推垮型。 漏垮型冒顶：（图 1） 主要由破碎、游离岩石漏冒造成：常发生在靠煤壁附近的局部冒顶、工作面上下出口的局部冒顶、 地质破坏带附近的局部冒顶、放顶线及其附近的局部冒顶,11,压垮型冒顶：,老顶来压时的压垮型、难冒落的大面积直接顶离层重力导致的压垮型冒顶（图 2）,12,推垮型冒顶,推垮型冒顶包括： 复合顶板推垮型冒顶（图 3） 大块游离顶板离层旋转推垮型冒顶（图 4） 采空区冒矸冲入采场的推垮型冒顶（图 5）,13,图3复合顶板冲入采场推倒支柱,14,图4 冲击推垮型冒顶之一,15,图5 冲击推垮型冒顶之二,16,第三节回采工作面顶板灾害防治,一、对采场支架的基本要求 回采工作面支架应具备的基本性能应该有支、护、稳三个方面。即采场支架对顶板应支得起、护得好、稳得住。,17,二、回采工作面顶板管理,顶板管理概括工作面、端头、支护材料的选型、支护排距、柱距、采空区的顶板管理,18,工作面顶板支护控顶距,19,工作面几种特殊支护,20,3、采空区顶板,21,一、局部冒顶事故的成因及防治措施,局部冒顶实质上是控制区内已破碎的直接顶失去有效的支护而造成的。常发生地点： （一）靠近煤壁的局部冒顶； （二）上下出口的局部冒顶； （三）放顶线附近的局部冒顶； （四）地质破坏带附近的局部冒顶。,22,（一） 、靠近煤壁的局部冒顶,这类事故的发生是由于采煤过程中，裸露的破碎顶板得不到及时支护，或支护不当，支护质量不好造成的。 一）直接顶破碎的原因 由于原生构造及采动等原因，在一些煤层的直接顶中，存在着许多原生裂隙，在采煤或爆破落煤后，如果得不到及时支护或支柱打得不紧。这类游离岩块受采动影响后，就会逐渐脱离岩体，无约束的自由下移、冒落，以致造成局部冒顶事故。 当采用爆破法采煤时，如果炮眼布置不恬当或装药量过多，也可能在放炮时崩倒支架导致局部顶板事故。 此外，当老顶来压时，煤壁附近的直接顶可能破碎，如果煤层本身强度较底，则容易片帮，从而扩大了无支护空间。也会造成局部冒顶。,23,二) 防治措施,1、采取正确的支护办法。对采煤后露出的顶板要采用及时支护、超前支护。在加设支架前，必须敲帮问顶，以防岩块掉落伤人。同时支柱要有足够的初撑力，支得稳，抗得住，力求控制裂隙的发展，岩块的移动、滑落。 2、防止放炮崩倒棚子。放炮时，炮眼布置及装药量要适度、合理，采用小范围放炮方式，尽量避免崩倒支架；支柱的质量牢固有劲，不准打在浮煤浮矸上。 3、对易片帮的煤层，支柱应尽量贴近煤帮。,24,（二）、上下出口的局部冒顶,一）上下出口冒顶的原因 1、上下出口位于采煤工作面与顺槽的交结处，控顶范围比较大，加之应力迭加，掘进顺槽时由于巷道支护初撑力一般都很小，很难控制直接顶不下沉、不松动、不破碎。 2、在上下出口处经常要进行工作面输送机头，机尾的拆卸工作，这时难免要替换原来的支护，有时还要碰到替换棚子，就在老柱拆下或碰倒而新支柱未支上时，已破碎的直接顶可能局部冒落而造成事故。 3、工作面不断前移，往往要用工作面支护替换原来巷道的支护，出口处始终处于反复支撑状态，在一拆一支间隙中，已破碎的直接顶也可能局部冒落。 4、上下出口处的支护还受到老顶来压的影响，直接顶施给支柱的不仅是垂直压力，还有侧压力，可能推倒部分支柱而造成局部冒顶。 5、顺槽和工作面连接处有时会在顶板和底板出现台阶下沉，使得此处难以支护，造成局部冒顶事故。,25,二）防治措施,1、合理布置顺槽，尽可能将顺槽布置在受地质影响比较小的地段； 2、合理设计顺槽断面，顺槽断面尽量不破坏顶板，不留顶煤，保持巷道顶板的完整性； 3、适当加大工作面上下出口的支护密度，增加特殊支架，可在机头机尾处使用抬棚支护，每对台棚随机头机尾的推移逐步前移支护；在工作面与巷道相连处，宜用一对抬棚逐步前移，托住原巷道直接的棚架。 4、支架系统必须具有一定的侧抗力，以防老顶来压时推倒支架。推广使用“十字”铰接顶梁端头支架来提高支架的稳定性是防止上下出口局部冒顶比较理想的措施。,26,（三）、放顶线附近的局部冒顶,一）冒顶原因 这类事故的原因： 1、是回柱操作不合理，由于先回“吃劲”的柱子时，引起周围破碎顶板的冒落。回柱作业人员来不及退到安全地点，就可能被砸着而造成事故； 2、是当顶板中存在由断层、裂隙、层理等切割而成的大块游离岩块时，回柱后游离岩块就会旋转，从而推倒支架导致冒顶； 。,27,二）防治措施,1、正确的回柱方法，防止顶板压力向局部支柱集中，造成局部顶板破碎及回柱工作的困难。 2、为保证人工回拆吃劲的柱子及分段回拆最后一棵柱子时的安全，如果工作面用的摩擦支柱，可以在这些柱子的上下多支一棵木支柱作替柱，然后回拆金属支柱，最后用铰车回木替柱。如果工作面用的是木支柱，直接用铰车回柱就可以了。 3、为防止直接顶中大块游离岩块时在回柱时旋转推倒采场支架的冒顶事故，应采取下列措施： 第一，加强地质及观察工作，搞清楚大石块的位置及尺寸； 第二，在大石块范围内用木垛等办法加强支护； 第三，当大岩块沿走向的尺寸超过一次放顶距时，在大石块的局部范围要延长控顶距； 第四，如果工作面使用的是单体金属支柱，采用木支柱替换金属支柱； 第五，待大岩块全部都处在放顶线以外的采空区时再用铰车回木支柱。,28,（四）、地质破坏带附近的局部冒顶,一）冒顶原因 1、客观原因 (1)采煤过程中因围岩应力重新分布、采煤方法选择不当和巷道布置位置不合理，所需支承压力大于支护的支撑力，从而造成顶板垮落冒顶事故。 (2) 作业规程不能适用于突然出现的地质构造，如采煤工作面出现小断层，工作中没注意分析与观察，采取通常的支护方法往往发生冒顶事故。 2、主观原因 (1)采掘工作规格质量低劣。作业时不坚持敲帮问顶，发现隐患不及时排除；控顶距离掌握不当；空顶作业；违章放炮；冒险回柱作业。 (2)管理不善。煤矿生产管理不同于其他行业，井下生产条件随时有所变化，生产管理者不深入现场，不带班作业，不严格按三大规程办事，盲目开采、违章指挥、纪律松弛等，常常会造成事故 二) 防治措施 1、首先要求支护完整，不致出现顶板局部漏洞；若出现局部漏洞，立即加以堵塞，以防其进一步扩大； 2、顶板必须背严背实； 3、严禁放炮、移溜等工序弄倒支架，防止出现局部冒顶。,29,二、冒顶预兆,1、顶板破裂严重时，出现顶板掉渣。掉渣越多，说明顶板压力越大。 2、煤体压酥，片帮煤增多。 3、发出响声，岩层下沉断裂。顶板压力急剧增大时，木支柱会发出劈裂声，出现折梁断柱现象；金属支柱的活柱急速下缩，也发出很大响声；铰接预梁的楔子被挤；底板松软时，支柱钻底严重；有时能听到采空区顶板断裂垮落时发出的闷雷声 4、裂缝变大，顶板裂隙增多。 5、有淋水的采面，顶板淋水有明显增加。 6、顶板出现离层，用“问顶”方式试探顶板。例如，顶板发出“咚咚”声，说明顶板岩层之间已经离层。 7、在含瓦斯煤层中，瓦斯涌出量会突然增大。 8、破碎的伪顶或直接顶有时会因背顶不严或不牢出现漏顶现象。漏顶后，会造成支架托空而出现松动，引发冒顶,冒顶顶板预兆,30,三、坚硬顶板压垮型冒顶防治,坚硬顶板压垮型冒顶是指采空区内大面积悬露的坚硬顶板在短时间内突然塌落，将工作面压垮而造成的大型顶板事故。 坚硬顶板压垮型冒顶事故的预防措施是：改变顶板岩层的物理力学性质及减小顶板悬露面积，加强工作面支护。,31,(1)顶板高压注水。从工作面平巷向顶板打深孔，进行高压注水。通过顶板注水可以弱化顶板和扩大岩体中的裂隙及弱面，使顶板岩石强度显著降低。 (2)强制放顶。采用爆破方法人为地将顶板切断，控制顶板悬露和冒落面积，减弱顶板冒落时对工作面产生的冲击力，爆破时主要在工作面内向放顶线处进行钻孔。 (3)加强支护。在工作面加打木垛、抬棚、戗柱等特殊支护，加密支柱等，或选择工作阻力大的液压自移支架。,32,四、复合顶板推垮型冒顶防治 所谓复合顶板就是由下软上硬多层岩石组成的顶板。在工作面开采过程中，由于下部软岩下沉，与上部硬岩离层，支架处于失稳状态。一旦遇有外力作用，工作面支架因水平方向的推力而发生倾倒，造成推垮型冒顶事故。,33,复合顶板推垮型冒顶事故的预防措施是： (1)在工作面上下平巷掘进时不要破坏其复合顶板，应托伪顶施工。 (2)工作面初次推采时不要向采空区侧前进。 (3)避免上下平巷与工作面斜交形成三角形。 (4)严禁仰斜开采。 (5)提高支柱的初撑力。 (6)用拉钩器将工作面支架上下连成一体。 (7)灵活地应用戗柱或抬棚，使它们迎着顶板岩层可能推移的方向支设。,34,五、大块游离顶板旋转推垮型冒顶,（一）冒顶原因 当煤层顶板存在由断层、裂隙、层理或薄弱岩层切割成大块游离顶板时，这个游离顶板可能旋转而下，把工作面支柱向煤壁推倒，造成推垮型冒顶事故。 （二）防治措施 1、加强地质及观察工作，准确分析顶板破碎、节理裂隙发育程度及地质变化情况，判断游离顶板的范围。 2、在游离顶板范围内加强支护，不要进行回柱作业，特别要注意放炮震动的影响。 3、如果工作面使用的是金属支柱，要用木支架代替金属支架。 4、待游离顶板全部都处在放顶线以外的采空