顶板灾害教案

顶板灾害教案

江开尧

一、矿山压力分布规律

煤矿开采必然破坏原来的应力平衡状态，并导致应力再分布，从而形成了应力增高区与应力降低区。

（一）基本概念

1.矿山压力及矿压显现

矿山压力是矿山开采时引起的岩层压力，一般解释为：由于矿山开采活动的影响，在开采巷道（工作面）围岩中所形成的力。由于矿山压力的作用，表现出的有形现象，称为矿压显现。

2.围岩

围岩是顶底板岩层的总称，它一般由以下几种岩层组成：

（1）.伪顶：紧贴煤层之上，极易垮落的较薄岩层。它由炭质页岩等软弱岩层组成，厚度小于0.5m，特征是随采煤而垮落。

（2）.直接顶：位于伪顶或煤层（无伪顶时）之上的一层或几层相同或不同的岩层。具有随回柱放顶而垮落的特征。

（3）.老顶：位于直接顶之上的岩层，由砂岩、石灰岩、砂质岩等坚硬岩石所组成。其厚度大于2m，整体性较强,采空后能悬露较大面积。

（4）.直接底:直接底位于开采层下面的岩层。

3. 原岩应力场

天然存在于原岩内与任何人为原因无关的应力场称为原岩应力场。在一般情况下垂直应力是普遍存在的，构造应力则决定于该地区的地壳运动形态。

4. 矿压控制

凡是减轻、调节、改变和利用矿山应力作用等方法，均称为矿压控制。

5. 采煤工作面的初次来压和周期来压

当老顶悬露达到极限跨距时，老顶断裂，同时发生已破裂的岩块失稳，从而导致工作面的顶板急剧下沉，此时，工作面支架呈现受力

普遍加大现象，即称为老顶的初次来压。

随着采煤工作面的推进，老顶在初次断裂以后，裂隙带岩层将始终经历“稳定——失稳——再稳定”的变化，在失稳时会导致工作面顶板来压。这种来压是随着工作面的推进呈周期性出现，故称为周期来压。

（二）掘进巷道引起的围岩垂直应力变化

（三）采场周围应力分布及支撑压力

1. 采场周围应力分布

2. 采煤工作面前后支撑压力

二、常见冒顶事故及预防

（一）掘进巷道冒顶事故与防治

1. 巷道发生冒顶事故的原因

大致包括自然地质因素、工程质量因素、采掘工程因素、未严格执行顶板安全制度等几个方面：

1）自然地质因素

（1）岩层层理影响。

（2）岩层节理裂隙及破碎带影响。

（3）地下水影响。

2）工程质量因素。

（1）支架支设质量差。支架设在浮矸上，金属可缩支架卡揽拧紧力不足，支架与围岩间没有背景等，可导致支架阻力不能及时发挥作用，使围岩松动破坏圈扩大，容易发生巷道冒顶事故。

（2）支架稳定性较差。支架间连接不好，横向稳定性差，尤其在倾斜巷道，易造成多支架倾倒得大面积冒顶事故。

（3）掘进打眼爆破参数掌握不好。炮眼角度不当，或装药量过大，放炮时易崩倒支架，且使掘进作业面增大围岩破坏圈范围，易造成冒顶及片帮事故。

（4）锚杆支护失效。锚杆参数选择不当，或锚杆得锚固力失效时，都会造成巷道冒顶事故发生。

（5）工程质量低劣。掘进工程中，没有严格按操作规程施工，

工程质量的检查制度不严，发现问题不能及时处理，也是引发冒顶事故得原因。

3）采掘影响。

4）未严格执行顶板安全制度。

2.巷道顶板事故的防治措施

1）掌握地质资料及开采条件。

2）严格顶板安全检查制度。

3)加强支护质量管理。

（1）检查支架规格尺寸。

（2）提高支设质量和保证支护阻力。

（3）搞好支架与围岩之间的充填。

（4）提高支架的稳定性。

（5）及时支护。

（6）加强锚杆支护的质量检查。

4）进行临时支护：。

（1）预喷混凝土支护。

（2）前探梁临时支架。

（3）机械化临时支架。目前大致有ZJD型掘进头临时支架、机械掘进工作面的临时支架、支架机、PQZ型前探支架等。

（二）采煤工作面顶板事故及预防

采煤工作面顶板事故按力学原因分类，有压垮型、漏冒型与推垮型。

1、老顶来压时压垮型冒顶及预防

预防措施如下：

（1）合理设计采场支护，使支护具有足够的支撑力和可缩量。。

（2）要进行顶板断层情况的预测预报。

2、厚层难垮顶板大面积冒顶及预防

预防措施如下：

（1）采用煤柱支撑法时，如果煤柱上方顶板悬露大面积采垮落，

则应在刀柱之间的采空区内用钻孔爆破法强制放顶；（2）采用长壁法采煤时，或超前工作面用钻孔爆破法、高压注水法预先松动，或在采空区用循环浅孔及步距式深孔法崩落顶板。

3、直接顶导致的压垮型冒顶及预防

由于构造、采动等原因，使采煤工作面空间上方某部分直接顶与其周围岩体产生断裂，当这部分直接顶真题向下移动时，有可能造成压垮型冒顶事故。

预防措施如下：

（1）采煤支护强度要能自始至终平衡直接顶或垮落带岩层的重量。底软时必须穿鞋，力求以支柱的初撑力平衡直接

顶或垮落带的严重，以防直接顶或垮落带离层。

（2）开采下分层时不要留煤皮，以免增加支架的载荷，如因条件限制非留煤皮不可，要相应增加支柱的初撑力或支

柱密度。

（3）在构造或采动破坏严重的区域，除相应缩小控顶距及加强放顶支柱的初撑强度外，应采用绞车远距离回柱。4、大面积漏垮型冒顶及预防

预防措施主要有：

（1）选用合适的支护，使工作面支护系统有足够的支撑力和可缩量。

（2）顶板必须背严接实。

（3）严防爆破、移输送机等工序推倒支架，防止出现局部冒顶。

5.局部漏冒型冒顶

局部漏冒型冒顶主要有：靠煤帮附近的漏冒、工作面两端的漏冒、放顶线附近的漏冒和地质破坏带附近的漏冒。

预防这一类局部漏冒的措施主要有：

（1）对每一工作面进行实地观测，根据统计规律分析影响端面顶板冒落稳定性指标，对支护质量与地板动态进行监测，使顶板在形成冒顶事故前消除其隐患。

（2）采用能及时支护悬露顶板并能减少端面距的支架；要使支架处于良好的工作状态，

（3）爆破采煤时，炮眼布置及装药量应合理，避免崩倒支架。

（4）尽量使工作面与煤层的主节理方向垂直或斜交，避免煤壁片帮，一旦片帮应超前支护，防止冒顶。

（5）尽可能保证工作面具有较快的推进速度。

（6）机头机尾处应各采用四对八梁支护；巷道与工作面出口相连的一侧要架设一对长钢梁抬棚，托住原巷道支架的梁头；

距工作面煤壁20m范围内的巷道必须加强支护。

（7）在工作面的地质破坏带要特别加强支护。

6 、复合顶板推垮型冒顶及预防

复合顶板由下软上硬岩层构成。

当煤层有伪顶时，如果采用托伪顶开采，则煤层的顶板就是复合顶板。应用留煤皮方法采煤时，煤皮与顶板有易分离或煤层有伪顶，这时回采工作面也处在复合顶板之下。煤层具有复合顶板，同时还必须具备下列四个条件，才会发生推垮型冒顶：1.因支柱初撑力小导致软硬岩层间离层；2.因构造、旧巷、支柱初撑小等原因导致顶板下部软岩层中断裂出1个六面体；3. 六面体的相邻部分已冒空或为采空区，而且有一定的倾角；4.六面体因自重向自由空间的推力大于总阻力。

预防措施为：

（1）提高单体支柱的初撑力。

（2）选用稳定性能好的支架或加强支架的稳定性。

（3）消除形成复合顶板推垮的条件。

7、金属网下推垮型冒顶及预防

预防的主要措施为：

（1）控制柱距，提高支柱初撑力，避免形成网兜，并防止各个工序碰到支架。

（2）用“整体支架”增加支架的稳定性。

（3）采用伪俯斜工作面，目的主要在于增加抵抗下推的阻力。

三、冲击地压发生的机理及防治措施

冲击地压发生机理极为复杂，发生条件多种多样。但有两个基本条件取得了共识:一是冲击地压是“矿体—围岩”系统平衡状态失稳破坏的结果；二是多发生在采掘活动形成的应力集中区，当压力增加超过极限应力，并引起变形速度超过一定极限时即发生冲击地压。

常用的冲击地压防治措施有2大类，即区域性的防治措施行和局部性的防护解危。一般要求采取综合性防治措施，但必须优先考虑区域性防治措施。

（一）冲击地压现象

冲击地压是煤岩体突然破坏的动力现象，是矿井巷道和采场周围煤岩体由于变形能的释放而产生以突然、急剧、猛烈破坏为特征的特殊的矿山压力现象，是煤矿重大灾害之一。

煤矿冲击地压的主要特征：一是突发性，发生前一般无明显前兆，冲击过程短暂，持续时间几秒到几十秒;二是多样性，一般表现为煤爆、浅部冲击和深部冲击，三是破坏性，往往造成煤帮片帮、顶板下沉和低鼓，支架折损、巷道堵塞，人员伤亡；四是复杂性，在自然地质条件上，除褐煤以外的各种煤种都记录到冲击现象，采

深从200~1000m，地质构造从简单到复杂，煤层从薄层到特厚层，倾角从水平到急斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等都发生过冲击地压。在生产技术条件上，不论水采、炮采、机采或是综采，全部垮落或是水力充填等各种采煤工艺，不论是长壁、短壁、房柱式或是煤柱式，分层开采还是倒台阶开采等各种采煤方法都出现了冲击地压。

（二）冲击地压的防治措施

由于冲击地压问题的复杂性和我国煤矿生产地质条件的多样性，增加了冲击地压防治工作的困难。为了有效地防治冲击地压的发生，应当根据具体条件因地制宜地采取综合治理措施。

1.采用合理的开拓布置和开采方式

其主要原则是：

（1）开采煤层群时，开拓布置应有利于保护层开采。首先开采无冲击危险或冲击危险下的煤层作为保护层。且优先开采上保护层。

（2）划分井田或采区时，应保证合理的开采顺序，最大限度地避免形成煤柱等应力集中区。

（3）采区或盘区的采煤工作面工作面一个方向推进，避免相向开采，以避免应力叠加。

（4）在地质构造等特殊部位，应采取能避免或减缓应力集中和叠加的开采程序。

（5）有冲击危险的煤层的开拓或准备巷道、永久硐室、主要上

（下）山、主要溜煤巷和回风巷应布置在地板岩层或无冲击危险煤层中，以利于维护和减少冲击危险。采煤巷道应尽可能避免开支承压力峰值范围，采用宽巷掘进，少用或不用双巷或多巷同时平行掘进。对于水采区的采煤枪眼应躲开高应力集中区，选在采空区附近的压力降低区为好。

（6）开采有冲击危险的煤层，应采用不留煤柱垮落法管理顶板的长壁开采法。采煤线尽量是直线且有规律地按正确的开采速度推进。

（7）顶板管理尽量采用全部垮落法，工作面支架应采用具有整体性和防护能力的可缩性支架，并加大支护强度。

2. 开采保护层

开采保护层是防治冲击地压的有效和带有根本性的区域防范措施。

3.煤层预注水

煤层注水一般采用长钻孔施工工艺。注水孔根据具体条件可以沿走向或沿倾斜方向布置，也可以穿层布置，但是注水孔必须远离断层破碎带。对于顶板起伏较大的煤层，应采取相对布孔，使孔长减小。孔口应布置在煤层中较坚硬的分层中，以利于封孔和防止漏水。注水孔直径一般为50~60mm，注水孔长度20~50m。一般是按待注水煤体尺寸减15m来计算。注水孔倾角应考虑钻杆下沉的影响，使成孔倾角与煤层倾角一致，不致穿入顶地板。注水孔间距取决于湿润半径，一般为10~20m。

4.厚层坚硬顶板的预处理

1）顶板注水软化。

2）爆破断顶。

(三) 冲击地压的解危措施

1.爆破卸压

该法适用于顶板比较完整的条件下或作为煤层注水时的辅助措施。

2．钻孔卸压

其实质是利用煤层中积聚的弹性能来破坏钻孔周围的煤体，使煤层卸压释放能量，消除冲击危险。

钻孔卸压作为解危措施是可行的，其优点在于：能把钻孔深入到高压带、卸压效果好、灵活可靠；而且压力愈高，卸压效果越好；能在恶劣的薄煤层条件下应用；此外，钻孔排除的煤粉量还可作为评价冲击危险程度和卸压效果的指标。

3．诱发爆破

诱发爆破是在监测到有冲击地压危险的情况下，利用较多药量进行爆破，人为地诱发冲击地压，使冲击地压发生在一定的时间和地点，从而避免更大损害的一种解危措施。

实施诱发爆破必须慎重行事，要有限度地使用。作为辅助手段，其效果是有限的，且不能保证按时诱发，只有当存在严重冲击危险，其它方法无效或无法实施时应用。