顶板事故及预防

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1、煤矿顶板事故及预防,主讲：杨明球湖南理工职业技术学院 TEL：0732-52554299Email：二0一0年十二月,相互探讨，共同提高,主要内容,1、顶板事故的危害性 2、基本概念 3、矿山压力显现规律及影响因素 4、顶板事故的致因及防治 5、讨论分析,第一节 顶板事故的危害性,一、事故案例及统计数据 1、影片1 2、湖南省2010年4月11月事故统计2010年4月11月湖南省煤矿共发生伤亡事故93次，死亡人数156人，其中：发生顶板事故41次，占总事故数的44.1%；发生顶板事故总共死亡人数51人，占32.6%。 二、原因初步分析（大家讲）,三、顶板管理的基本问题:一是合理支护；二是有效管

2、理（支护）。合理支护 适应的支护类型、支护密度 掌握支护对象的特性及运动规律顶（底）板岩石特性及分类、矿山压力规律。有效管理（支护） 制定有效的管理制度和科学和监控手段及应对措施合格的工程质量、有效的支护效果。,第二节 顶板管理基本知识,1、基本概念 矿山压力 初次来压、周期来压、采场压力 顶板岩石特性：力学性质表现（压剪弯拉）、非均质体（各向异性）。 2、采煤工作面围岩移动特征 3、采煤工作面顶板分类直接顶分类、老顶分类。 4、顶板事故的产生与控制,第二节 基本概念,一、矿山压力基本概念（影片1） （一）矿山压力矿山压力就是由于井下采掘工作破坏了岩体中原岩应力平衡状态，引起应力重新分布，我们

3、把存在于采掘空间周围岩体内和作用在支护物上的力称为矿山压力。 （二）矿山压力来源1、自重应力2、构造应力3、膨胀应力,（三）矿山压力显现（影片3）,在矿山压力作用下，围岩和支架所表现出来的力学宏观现象，如围岩变形，离层，破坏和冒落，支架受力变化和折损，煤（岩）突出，充填物产生压缩和地面塌陷等，称为矿山压力显现，简称矿压显现。 采煤工作面矿压显现的主要形式：工作面顶板下沉、支架变形与折损、顶板破碎或大面积冒落、煤壁片帮、支柱插入底板、底板膨胀鼓起等。,二、 采煤工作面围岩移动特征,采煤工作面上方的岩层顶板（影片5 7.2213.03 ） 下方的岩层底板 顶板分类：伪顶：位于煤层之上随采随落的极不

4、稳定岩层，允许悬露的面积很小(一般不超过10m2),允许悬露的时间很短(一般不超过20min),厚度一般0.30.5m以下；直接顶：位于伪顶或直接位于煤层之上，具有一定稳 定性，可悬露一定的面积和时间来支设支架，但随移架或回柱放顶后能自行垮落的岩层；基本顶：位于直接顶或煤层之上，厚而坚硬难垮落的岩层，俗称老顶。,1、基本顶；2、直接顶；3、伪顶；4、煤层；5、底板岩层,煤层顶底板岩层,（一） 直接顶初次垮落,采煤工作面自切眼推进一段距离后，直接顶悬露达到一定跨度，就要对采空区顶板进行初次放顶，使直接顶垮落下来，这一过程称作直接顶的初次垮落。碎胀系数: Kp=V/V 直接顶岩层总厚度 ，则它冒落

5、后堆积高度为 ，其与基本顶间可能留下的空隙：,（二）基本顶的初次垮落,1、基本顶初次垮落前岩层结构若0，随直接顶初次垮落，基本顶在一定范围内呈现悬露状态，可视为“板”；由于基本顶在采煤工作面方向上的长度远大于推进方向长度，可将其视为一端由采煤工作面煤壁支承，一端由煤柱支承的两端支撑的梁结构。2、基本顶初次垮落与初次来压随采煤面继续推进，基本顶悬露跨度逐渐增大，产生弯曲，达到一定跨度时，发生垮落。基本顶第一次垮落称为基本顶初次垮落。,3、基本顶初次垮落步距确定,基本顶初次垮落时，其最大悬露跨度L初称为基本顶初次垮落步距。 （1）一般情况下，视基本顶为两端固定梁,视基本顶为梁时的受力分析图,极限垮

6、距（只考虑按弯距计算） L初：,（2）浅部煤层情况下，近似视基本顶为简支梁 极限垮距L初：,基本顶断裂后的平衡拱结构,基本顶岩梁达到极限跨距断裂后，并不一定立即垮落，断裂岩块间由于回旋形成挤压，能形成平衡拱式的结构。,基本顶断裂后形成的平衡拱,（三）基本顶的周期来压,1、基本顶来压前的状态基本顶初次垮落后，随着采煤工作面继续推进，工作面上方的基本顶岩层由两端固定梁状态转变为悬臂梁状态。如图所示：,当采煤工作面继续推进，基本顶悬挂臂跨度达到极限跨度时，基本顶在其自重及上覆岩层载荷的作用下，将沿采煤工作面煤壁甚至煤壁之内发生折断和垮落。 随着采煤工作面的推进，基本顶这种“稳定失稳再稳定”现象，将周

7、而复始地出现，使采煤工作面矿山压力周期性明显增大。这种基本顶的周期性破断失稳对工作面产生的周期性的来压显现，称为基本顶的周期来压。,2、基本顶周期来压及矿压显现特征,基本顶周期来压及矿压显现特征,1、直接顶；2、支架；3、已断裂基本顶；4、冒落矸石,3、周期来压步距的确定,基本顶两次周期来压间隔时间称为来压周期。 在来压周期内采煤工作面推进的距离称为周期来压步距，用L周表示。比较上式，知L周（0.50.25）L初。,（四）工作面上覆岩层移动规律,根据岩层移动特征，可将煤层的上覆岩层分为冒落带()、裂缝带()、弯曲下沉带()。如图所示：,三、 采煤工作面顶板分类,科学的分类可为顶板控制、支架选型

8、、合理确定支护参数以及为采空区处理方法提供依据。 （一）直接顶分类强度指数 D10RcC1C2 式中 Rc岩石单向抗压强度，MPa；C1节理裂隙影响系数；C2分层厚度影响系数。,直接顶分类表,（二）基本顶分级,基本顶来压强度主要决定于直接顶厚度h与采高m的比值N及基本顶初次来压步距L。根据N和L两个指标，将基本顶分为四级。,老顶,直接顶,煤层,采矿开挖空洞,顶板岩石下沉变形、破坏，产生事故,四、 顶板事故的产生与控制,采煤作业时的顶板管理方式,矿山压力的基本概念,矿山压力显现,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,矿山压力控制,避免顶板事故，保证采矿作业

9、安全,第三节 矿山压力显现规律及影响因素,一、采煤工作面支承压力显现规律 二、支承压力在底板中的传递 三、 矿山压力显现的基本规律 四、 影响矿山压力显现的基本因素,第三节 矿山压力显现规律及影响因素,一、采煤工作面支承压力显现规律支承压力显现特征可用支承压力地、峰值的位置及应力集中系数表示。 （一）采煤工作面前后方支承压力分布采煤工作面前后方支承压力分布与采空区处理方法有关，对于采用全部垮落法管理顶板的采煤工作面，其前后方支承压力分布如下图所示：,采煤工作面前后方支承压力分布,a：应力增高区；b：应力降低区；c：应力稳定区,采煤工作面前后方支承压力分布的特点,1、采煤工作面前方煤壁一端支承着

10、工作面上方裂隙带及其上覆岩层的大部分重量，即工作面前方支承压力远比工作面后方大。 2、由于采煤工作面的推进，煤壁和采空区冒落带是向前移动的，因此工作面前后方支承压力是移动支承压力。 3、由于裂缝带形成了以煤壁和采空区冒落带为前后支承点的半拱式平衡，所以采煤工作面处于减压力范围。,（二）采煤工作面两侧支承压力分布,采煤工作面两侧的支承压力是指工作面两侧煤柱或煤体上的支承压力。,卸载带；支承压力带；原岩应力带；采后应力稳定带；lmax峰值位置,1、采煤工作面两侧的支承压力剧烈影响区并不在煤体的边缘，而是位于煤体边缘有一定距离的地带。 2、采煤工作面两侧煤体边缘处于应力降低区，支承压力低于原岩应力。

11、 3、采煤工作面两侧支承压力从形成到向煤体深部转移要经过一段时间过程，所以要使沿空掘巷保持稳定，必须从时间上避开未稳定的支承压力作用期。,采煤工作面两侧支承压力分布规律,二、支承压力在底板中的传递,采煤工作面采动后，在工作面四周形成的支承压力将向煤层底板进行传递，尤其采煤工作面两侧支承压力的传递，对下部煤层开采巷道布置产生重要影响。 底板岩层内压应力的大小与煤柱上方的支承压力成正比。,底板岩层中的应力分布,1、2支承压力曲线；3原岩应力曲线；4、5应力增高区边界线；6应力降低区边界线,煤层底板巷道位置选择,（1）巷道与煤层底板的垂直距离不小于一定数值h。H与围岩性质的关系见下表。,煤层底板巷道

12、位置选择,（2）巷道布置在煤柱向底板传递力的影响角以外。若巷道布置在煤柱影响角以内，即使巷道位于较稳定的岩层内，也要受到应力升高的影响。 为使巷道布置在煤柱影响角以外，巷道离煤柱边界的水平距离S为：煤层倾角； 的余角； 煤柱影响角，一般在2555间。通常支承压力越大和煤柱尺寸越小，其值越大。,巷道位置选择示意图,煤层底板巷道位置选择,巷道至煤壁边缘水平距离的计算图,三、 矿山压力显现的基本规律 （一)工作面矿压显现的基本规律,图3-3-1 老顶断裂成岩块后的转动,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

13、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。,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。 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。,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。,老顶来压前，回采工作面的顶板压力并不大

14、。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。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。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

15、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。,（二）分层开采时的矿山压力显现的基本规律 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，强度低; 支架载荷变小; 顶板下沉量变大。,图3-3-2 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,（三）放顶煤工作面矿山压力显现特征,放顶煤开采时，一次性采出厚度增

16、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。,