矿山压力与顶板管理

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1、矿山压力与顶板管 理山东煤矿安全技术培训中心 电话：06324072240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。择采空区处理方法的重要依据。 1 1）顶板：）顶板：根据岩性、厚度及采煤过程中垮落的难根据岩性、厚度及采煤过程中垮落的难 易程度，顶板可分为三种类型。易程度，顶板可分为三种类型。 （1 1）伪顶：）伪

2、顶：直接位于煤层之上，多为几厘米至十直接位于煤层之上，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，不易维护程中，常常随采随落，不易维护. .一般小于一般小于0.50.5米米 （2 2）直接顶：）直接顶：覆盖在伪顶之上的岩层，常为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，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。，少数砂岩层需要进行人工放顶。 （3 3）老顶）老顶：位于直接顶

3、之上的岩层，一般为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。间内不易垮落，仅发生缓慢变形。2 2）底板）底板：分为直接底和老底两种类分为直接底和老底两种类 型型（1 1）直接底：）直接底：直接位于煤层之下的岩层，厚数十厘米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，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。支架的破坏。（2 2）

4、老底：）老底：位于直接底之下，常为厚层状砂砾岩或石位于直接底之下，常为厚层状砂砾岩或石 灰岩。灰岩。煤层顶、底板的发育程度受当时沉积作用和后期构造煤层顶、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。，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

5、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4）节理、裂隙3）煤层倾角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、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（）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（）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（） 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

7、阶段中矿压显现也最强烈。采动影响稳定阶段（）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（）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）

8、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

9、。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

10、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

11、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

12、。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

13、）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。

14、（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

15、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

16、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