安全生产月安全宣讲——煤矿顶板安全管理.ppt

煤矿顶板安全管理,曹志强 2015年5月28日,,一、加强顶板管理的重要性1、顶板事故统计2、当前的安全生产形势 二、 顶板事故的类型及原因分析1、顶板事故的类型2、冒顶事故的预兆3、冒顶事故发生的地点及原因 三、顶板事故的防治之《锚杆锚索支护》1、支护理念及形式2、锚杆支护的优点及发展3、锚杆支护原理及设计4、锚杆支护施工及检测5、复杂条件下锚杆支护要点 四、顶板事故案例分析神华亿利能源有限公司黄玉川煤矿 事故案例及警示教育,一、加强顶板管理的重要性,顶板事故的统计据1950-2003年煤矿各类事故发生次数及伤亡人数的统计结果，瓦斯煤尘爆炸事故次数占事故总数的29.5%，伤亡人数占总伤亡人数的52.31%，居各类事故之首；其次是顶板事故，发生次数占事故总数的23.5%，伤亡人数占总伤亡人数的8.81%；水害事故占事故总数的12.72%，伤亡人数占总伤亡人数的11.28%由此可见，顶板事故的防治和瓦斯煤尘爆炸、水灾事故的防治一样，均是降低煤矿百万吨死亡率的重点如果把死亡1-2人的顶板事故统计在内，不论是事故发生的起数，还是死亡人数，顶板均居各类事故之首根据对2001-2003年煤矿事故的统计，顶板事故占煤矿总起数的49.86%，死亡人数占总死亡人数的35.67%。

当前煤矿安全生产形势2014年，煤矿百万吨死亡率同比下降了12.2%，事故起数和死亡人数同比分别下降14.1%和13.4%，重特大事故同比分别下降12.5%和10.5%从2008年开始，煤矿百万吨死亡率一降再降，直降至2013年的0.293百万吨煤的死亡率十年来从5.8下降到0.25， 2014年，下降率95.6%，煤矿的安全生产发生了持续稳定好转山西省2014年全年共发生事故26起，死亡35人，起数同比减少14起，下降35%；人数同比减少40人，下降53.33%；煤矿百万吨死亡率0.036，同比下降53.25% 这些统计数据反应煤矿安全生产形势持续好转，重特大事故得到有效遏制，3人以下事故不论是事故的起数及死亡的人数都为煤矿事故第一位所以加强顶板管理，预防顶板事故成为当前煤矿安全管理的重重之重二、 顶板事故的类型及原因分析,顶板事故的类型按冒顶范围，可将顶板事故分为局部冒顶和大型冒顶两类按发生冒顶事故的力学原因进行分类，可将顶板事故分为压垮型冒顶、推垮型冒顶和漏垮型冒顶三类采煤工作面大型冒顶包括基本顶来压时的压垮型冒顶、厚层难冒顶板大面积冒顶、直接顶导致的压垮型冒顶、大面积漏垮型冒顶、复合顶板推垮型冒顶、金属网下推垮型冒顶、大块游离顶板旋转推垮型冒顶、采空区冒矸冲人采场的推垮型冒顶及冲击推垮型冒顶。

巷道大型顶板事故多发生在局部冒顶附近及地质破坏带附近冒顶事故的预兆一．局部冒顶的预兆 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二、大面积冒顶的预兆(1)顶板的预兆顶板连续发出断裂声，这是由于直接顶和基本顶发生离层，或顶板切断而发出的声音有时采空区顶板发出像闷雷的声音，这是基本顶和上方岩层产生离层或断裂的声音顶板岩层破碎下落，称之为掉渣这种掉渣一般由少逐渐增多，由稀而变密顶板的裂缝增加或裂隙张开，并产生大量的下沉 (2)煤帮的预兆由于冒顶前压力增大，煤壁受压后，煤质变软变酥，片帮增多使用．电钻打跟时，钻眼省力3)支架的预兆发出响声支柱破顶、钻底活柱迅速下缩，工作面支柱整体向一侧倾斜4)瓦斯和水的预兆含瓦斯煤层，瓦斯涌出量突然增加；有淋水的顶板，淋水增加冒顶事故常发的地点及原因一、采煤工作面局部冒顶事故常发的地点及原因 采掘工作面或井下其他工作地点的冒顶事故大多数属于局部冒顶事故，工作面发生局部冒顶的原因主要有两个：一是直接顶被破坏后，由于失去有效的支护而造成局部冒顶；二是基本顶下沉压迫直接顶破坏工作面支架造成局部冒顶采煤工作面顶板事故常发生在靠近两线(煤壁线、放顶线)、两口(采场两端)及地质破坏带附近。

原因：煤层的直接顶中，存在多组相交裂隙时，不及时支护游离岩块，可能突然冒落砸人，造成局部冒顶事故放顶线上支柱受力不均匀及暴露在空间的面积大造成冒顶事故地质构造带由于裂隙发育，形不成整体，导水使无粘结力，容易冒落切眼、大倾角、复合顶板、采场设计等等,,二、掘进工作面局部冒顶事故常发的地点及原因 掘进工作面冒顶的原因有以下两类： 1、掘进破岩后支护不及时，该岩块可能与岩体失去联系而冒落2、掘进工作面附近支护失效，就会冒落造成事故 巷道围岩受力后所处的力学状态，由两方面因素决定：一是岩体本身的强度以及受到层理裂隙等构造破坏的情况；另一个是所受力的大小巷道围岩受力的大小，也有两方面因素：一是由巷道的自重应力和构造应力；二是由采掘引起的支撑压力掘进巷道冒顶主要发生的地点：1、巷道的交叉处及大断面处2、构造发育区 3、矿压集中应力区4、支护薄弱区域5、掘进工艺决定的其他应力集中及支护不及时的地方,三、顶板事故的防治之《锚杆锚索支护》,支护的理念及支护形式支护理念 传统支护理念—— 被动支护：认为支护体被动承载，采用抵抗地压的方法控制围岩稳定； 现代支护理念—— 主动支护：支护体与围岩共同承载，支护体的主要作用是加固围岩，调动围岩的强度，相互协调作用抵抗地压；（亦即认为围岩是天然支架，目的是充分利用和发挥围岩的自承能力） 支护形式棚式支护：工字钢棚、木棚、U型钢棚、料石碹等；锚杆支护：以锚杆为基本支护构件的复合支护形式很多，如：锚杆-锚索支护锚杆-锚索-网-喷支护、锚杆-锚索-金属网-W钢带（钢筋梯）支护等；复杂条件下的联合支护形式：锚网索+棚支护等；,,锚杆支护的优点及发展目前，锚杆支护是各国煤矿巷道主要的支护形式之一。

锚杆支护与传支护相比较其优点：1）明显改善围岩应力状态；2）劳动强度低；3）支护成本低、维护费用低；4）工序简单，掘进速度快；发展历程： 1 国外： 1）最早使用锚杆支护技术的国家是英国和德国1872年英国露天页岩矿用于边坡加固；1912年德国在井下使用锚杆支护技术；50年代以后，锚杆土木工程和地下工程得到广泛应用） 2）美国的锚杆支护技术一直处于世界领先水平； 3）澳大利亚是使用锚杆支护技术比较先进和成熟的国家，推广全长树脂锚固锚杆，形成比较完善的锚杆支护体系和设计方法；,4）国外锚杆支护技术的发展特点如下：a 发展适合本国地质条件的锚杆支护类型； b 锚杆向高强度发展； c 建立了一整套合理的锚杆支护设计方法； d 完善锚杆施工工艺； e 完善锚杆支护监测系统； d 完善锚杆施工工艺； e 完善锚杆支护监测系统； 2 国内：我国1956年起，在岩巷中使用锚杆支护；60年代，在煤巷中开始使用锚杆支护；我国煤巷锚杆支护技术发展三个阶段：1）、起步阶段（60-80年代初期）：钢丝绳水泥砂浆锚杆、低强度楔缝式、水泥锚固剂端头锚固为代表锚杆间没有托梁，相互间没有联系；2）、普通锚杆支护阶段（80年代中期-90年代中期）锚杆支护用于软岩巷道支护，进行公关和现场试验。

以锚网和锚网梁组合锚杆支护技术为代表锚固剂使用树脂锚固剂，锚固性能大大提高，锚杆直径小（14-16mm），支护强度低；在I-III类顶板条件下，形成适合我国的锚杆支护技术；,3）、高强锚杆支护阶段（95年至现在）对困难条件下锚杆支护技术进行公关锚杆直径增大至20-22mm，使用螺纹钢锚杆工程检测得到重视（离层监测、锚固力动态监测等） 发展趋势锚杆支护的安全性取决于：1）、围岩性质；2）、应力环境；3）、支护强度；为实现煤巷锚杆支护巷道的稳定，需进行以下几方面工作a、设计前围岩状况调查；b、锚杆-锚索协调支护设计研究；c、经济安全型锚杆研制；d、冒顶危险性监测；,锚杆支护理论及设计 一、锚杆支护理论锚杆的支护理论主要有：悬吊理论、组合梁理论、加固拱理论和最大水平应力理论1）悬吊理论认为：锚杆支护的作用是将巷道顶板较弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上，增强较软弱岩层的稳定性适用于锚杆锚固范围内具有稳定岩层的巷道顶板2）组合梁理论认为：煤层顶板为层状顶板岩层时，锚杆将锚固范围内的岩层挤紧，增加层间摩擦力，防止层间滑动，避免离层现象，增强自承能力3）加固拱（压缩拱）理论认为：在拱形巷道围岩破裂区安装预应力锚杆时，在杆体两端形成圆锥形分布的压应力，如果锚杆间距足够小，各个锚杆的压应力锥体相互交错，这样在巷道周围岩层中形成一种连续的压缩带（压缩拱）。

4）最大水平应力理论认为：矿井的水平应力是垂直应力的1.3-2.0倍，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力是最小水平应力的1.5-2.5倍该理论认为巷道稳定性在于水平应力的影响：a 与最大水平应力平行的巷道受水平应力的影响最小，巷道稳定性最好；b 与最大水平应力呈锐角的相交的巷道，其顶板变形破坏偏向巷道某一帮；c 与最大水平应力垂直的巷道，巷道稳定性最差；5）围岩强度强化理论该理论认为：（1）巷道锚杆支护的实质是锚杆与锚固区的岩体相互作用而组成锚固体，形成统一的承载结构；（2）锚杆提高了锚固体的力学参数E、C、Φ，改善了锚固体的力学性能；（3）锚固体的峰值强度和残余强度都得到强化二、锚杆支护设计理论 目前，煤巷锚杆参数设计方法可归纳为：1）理论计算法-以一定的支护理论为基础；应用岩石力学或荷载-结构模式进行计算；代表性的理论计算方法是：应用冒落拱理论进行支护计算，主要确定锚杆的间排距；冒落拱理论认为：锚杆支护的作用是防止松动破坏区的围岩垮落2）模拟分析法-基于模拟手段分析围岩应力和变形；模拟方法：数值模拟、相似模拟及物理模拟；3）工程类比法（直接类比和间接类比）-是建立在以往解决岩层控制的经验基础上的设计方法；4）组合方法-以上方法的结合； 使用类比法要求：1）对巷道类别进行准确界定，科学的进行围岩分类。

分类方法-单指标分类、多指标分类和单指标多因素分类法介绍；巷道类别分为5类：非常稳定、稳定、中等稳定、不稳定、极不稳定；,2）赋予一定的可靠性指标和安全系数； 我国在围岩分类基础上，制定了《锚杆支护设计规范》，规范要点为： 1）顶板必须采用金属锚杆； 2）巷帮应进行支护； 3）锚杆孔径与杆体锚固段直径之差，宜保持在6-10mm之内； 4）顶板靠巷道两帮的锚杆，一般应向巷帮倾斜15-30度； 三、锚杆支护冒顶原因1)、非稳定岩层变厚超过锚杆（索）的长度；2）、稳定岩层变薄；3）、顶板一定范围内出现软弱夹层；4）、顶板出现小断层；5）、节理发育；6）、围岩出现镶嵌结构；7）、高应力引起的冒顶；8）、次生应力引起的冒顶；9）、地下水影响；10）、空气中水分对顶板的软化；11）、未及时支护；12）、三径匹配不合理；13）、施工偷工减料；14）、锚固剂失效,,锚杆的施工及技术要求锚杆杆体破断力 锚杆杆体能承受的极限拉力锚杆拉拔力 锚杆锚固后，拉拔试验时，锚杆破断或失效时的极限拉力锚固力 锚杆的锚固部分或杆体在拉拔试验时，所能承受的极限载荷 设计锚固力设计时给定的锚杆应能承受的锚固力等待时间 安装锚杆时，搅拌停止后到可以上紧螺母托板的时间。

预紧力 安装锚杆（锚索）时，通过拧紧螺母或采用张拉方法施加在锚杆（锚索）上的拉力预紧力矩 拧紧螺母使锚杆达到设计预紧力时，施加到螺母上的力矩锚固长度 锚杆的锚固剂或锚固装置与钻孔孔壁的有效结合长度端头锚固 锚杆的锚固长度不大于钻孔长度的1/3全长锚固 锚杆的锚固长度不小于钻孔长度的90％加长锚固 锚杆的锚固长度介于端头锚固与全长锚固之间拉拔试验 测试锚杆拉拔力的试验锚杆及锚索的结构要求 杆体材料力学性能要求 螺纹钢式杆体优先选用屈服强度不小于335MPa的左旋无纵肋螺纹钢筋，根据需要也可选用精轧右旋（或左旋）全螺纹钢筋； 麻花式树脂锚杆金属杆体选用屈服强度不小于235MPa的普通热轧圆钢，也可选用屈服强度不小于335MPa的螺纹钢筋 树脂的种类及要求,。