煤矿安全生产培训—煤矿顶板事故防治.ppt

第一章 掘进巷道支护,安全第一是煤矿生产的一项基本方针，搞好顶板管理工作是贯彻执行这一方针的重要环节。但是，一些煤矿特别是煤矿仍然存在采掘机械化程度低、支护方式落后、支护设计不合理、违章空顶作业等突出问题，顶板事故多发。2004年2008年我市有证及无证煤矿共发生各类事故109起，死亡人数331人，顶板事故42起，死亡71人，顶板事故占事故总数的38.5%，死亡人数占死亡总人数的21.5%。这充分说明了在我市煤矿中，顶板事故没有得到有效的控制，要确保煤矿生产安全，加强顶板管理是杜绝安全生产事故发生的关键。,一、矿山压力的概念 煤矿在开采生产中必然要开挖一系列的井筒、巷道、硐室及采掘工作面等地下空间，它们的开凿破坏了原始岩体内的应力平衡状态，引起岩体内部应力重新分布，直至重新形成新的平衡状态为止。矿山压力正是由于地下采掘活动的影响而引起的岩层作用在井巷、硐室和采掘工作面周围煤岩体中以及支护物上的各种力的总称，简称矿压，也称地压。,第一节 矿山压力基础知识,在矿山压力作用下，会引起许多外在的力学现象，如顶板下沉、底板鼓起、巷道变形、岩体破坏甚至大面积冒落、煤壁片帮或突然抛出、支架变形或损坏、以及大量岩层移动、地表塌陷等。这些在矿山压力作用下，围岩或各种人工支护物呈现的各种力学现象，统称为矿山压力显现，简称矿压显现。,二、矿山压力分布规律 岩煤体没受到采动影响以前，岩煤体内的压力处于平衡状态，岩煤体上所受的是上覆岩层的重量，也称为原岩应力。当在岩煤体内形成采掘空间时，原岩应力的平衡状态被破坏，引起了应力的重新分布，使采掘空间被原采掘物承受的载荷转移到周围支撑体上而形成的压力称为支撑压力。它是工作面附近的岩煤体、煤柱、充填物或冒落的矸石上产生的应力集中现象。,（一）掘进工作面巷道围岩应力分布 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，开始弯曲下沉，出现一些逐渐扩大、增多的纵横交错的裂缝，导致原来的整体顶板岩石破坏、冒落。这样由,下往上、由低到高，不断地破坏与冒落，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，如图：1-1自然平衡拱。,自然平衡拱形成以后，支架上只承受拱内岩石的重力，并达到稳定，其大小随拱的形状和大小而变，称为拱形压力。拱外岩石重量由拱承担，拱内形成压力降低区，这时拱上部的压力由巷道两侧的岩石来支承，因而在巷道两侧形成了压力升高区。这时把巷道两侧所承担的压力叫支承压力。 经采动影响使应力重新分布后，作用在井巷周围岩体中及支护物上的力叫做巷道矿山压力，简称巷道矿压。巷道矿压的大小主要受巷道所处深度、巷道断面大小、地质构造、围岩性质等因素的影响：,（1）深度的影响。一般巷道围岩中原岩应力的大小与上覆岩层重量成正比，造成浅部巷道的压力较小主要表现在顶板，深部巷道的压力较大，并作用于巷道四周，容易出现底臌现象。 （2）巷道断面大小的影响。巷道越宽，所形成的自然越大，产生的巷道矿压也越大。 （3）地质构造的影响。在向斜轴、背斜轴、断层附近等构造应力集中处，矿压也越大。 （4）围岩性质的影响。围岩强度的大小及稳定程度是影响巷道矿压的主要因素：岩石坚硬、稳定，则产生的矿压小；岩石松软破碎、不稳定，则产生的矿压大。,（二）巷道矿压 1顶 压 掘进巷道后，暴露出来的顶板必然向下弯曲，并在巷道中间弯曲较大，在巷道两帮弯曲较小；顶板以及距顶板较近的上部岩层弯曲大，距顶板较远的上部岩层弯曲小。在弯曲大的部分上下岩层之间就会出现裂隙，叫做离层。此时，如巷道无支架支撑，裂隙和离层继续发展，最后顶板就会冒落，最后形成自然平衡拱。如果巷道开掘后立即支护，支架就能阻止或减小岩石弯曲变形和移动。顶板弯曲变形和移动的岩石压在支架上的力叫顶压。 顶压的大小决定于冒落拱的形状和大小，而拱的大小同顶板岩石性质和巷道宽度有关。在松软岩层中，平衡拱一般为抛物线形；在坚硬有层理岩石中，平衡拱一般近似三角形；在中硬岩石中，平衡拱介于上述二者之间。,2侧 压 侧压是指巷道两帮岩体对支架的压力。巷道侧压是由于两帮岩石或煤向巷道内挤压而形成的，其大小与两帮岩石性质及所承受的支承压力的大小有关。巷道所处深度越大，在巷道两帮所产生的支承压力就越大，两帮岩石破坏就越严重，作用在支架上的压力也就越大。而两帮岩石较软或稳定性较差时，遭受破坏就较严重，作用在支架上的压力也就越大。 一般巷道开掘后，在巷道的两帮形成支承压力，两帮岩石承受的支承压力超过本身强度时，就会向巷道中间挤出。这种变形使巷道两帮逐渐移近，如果巷道两帮不支护或支护壁后的充填不密实，变形得不到控制，继续发展下去就会造成片帮。片帮后，新暴露出来的两帮会继续向巷道中间挤出，即继续片帮，此时巷道压力会急速增加。,3底 压 在侧压的作用下，巷道底板将会产生向上的压力，称为底压。底压会使底板岩层弯曲鼓起、离层或破裂。一般巷道往往不设支架底梁阻止底鼓，仅是靠底板岩层本身的强度和重量阻止底压，所以有时底板向上鼓起要比顶板下沉、两帮移近容易得多，也严重得多。 巷道底鼓的破坏作用很大，主要表现在减少巷道的实际断面，造成通风、行人和运输困难，以致影响安全。底鼓破坏了底板的完整性，挤碎了底板，使支架两帮的柱腿容易插入底板，减少了支架支撑能力，使顶板下沉、破碎，从而给巷道维护带来困难。底鼓会圾坏轨道、输送机、水沟等巷道设施，影响生产。,第二节 掘进巷道支护 在地下开掘巷道后，破坏了周围岩体的应力平衡，岩体就会向巷道空间挤压，出现矿山压力，使井巷发生变形甚至坍塌。为了维持巷道必要的断面规格，防止围岩发生危险的变形和垮落，保证施工人员的安全，必须设置支撑结构物对井下井筒、巷道和硐室的巷道压力进行支撑。为抵抗巷道压力而支撑巷道岩壁的结构物称为支架。设置巷道支架的施工方法和施工过程称为支护。 巷道支护形式和支护材料的选择应综合考虑巷道的用途，巷道服务年限，巷道断面形状及围岩压力的大小等因素。常用的巷道支护形式有架棚支护、砌碹支护和锚喷支护等。,一、架棚支护 棚式支架俗称棚子，由一梁(顶梁)两柱(柱腿)组成。常用于巷道围岩十分破碎不稳定，不适宜采用锚喷支护，而且巷道服务年限不长(81 0年)，砌碹又不合算的梯形断面的巷道。棚式支架按构成材料可分为木支架、金属支架和装配式钢筋混凝土支架三种；按巷道断面形状可分为梯形支架和拱形支架等；按支架结构可分为刚性支架和可缩性支架。 （一）梯形支架 一般梯形支架由一梁两柱组成，可采用木支架、金属支架及装配式钢筋混凝土支架。架设梯形支架，应用四个角楔把梁腿接口处（肩窝）与顶板围岩之间楔紧。该处不仅受力集中，并且要通过它使支架构件相互传递作用力。因此，此处接合得是否紧密，肩窝处处理是否得当，会直接影响整个支架的稳定性。,1.木支架 木支架按照顶梁与柱腿的连接形式有亲口棚子和鸭嘴棚子两种。亲口棚子顶梁和柱腿的联接为相互咬合的亲口接合形式，这种方法最简单，可以在各种地压条件下使用。鸭嘴棚子顶梁和柱腿的连接是采用相互搭接的鸭嘴式接合形式，只能承受来自顶板方向的压力，而且柱腿容易劈裂，很少使用。 2金属支架 金属支架具有坚固、耐用、防火、架设方便，可制成各种构件，可回收复用等优点。金属梯形支架有梯形刚性支架和梯形可缩性支架两种类型，一般多用梯形刚性支架。 3装配式混凝土支架 装配式混凝土支架简称钢筋混凝土支架，适应于地压稳定、断面小于12m的巷道，但应避免用于受采动影响的巷道。钢筋混凝土支架可分为普通混凝土支架和预应力混凝土支架现两类。,(二) 拱形支架 金属拱形支架可分为两类，即普通金属拱形支架和U型钢拱形支架。普通金属拱形支架多采用工字钢、矿用工字钢或轻型钢轨制造，没有可缩性，一般仅作巷道临时支护或与锚喷支护巷道联合支护用。U型钢拱形支架采用U型钢制造，具有可缩性，多用于地压大，受采动影响显著的采区巷道。 二、砌碹支护 砌碹支护是以料石、砌块为主要原料，以水泥砂浆胶结，或以混凝土现场浇灌而成的连续体支护。砌碹支护对围岩能够起到防止风化的作用，具有坚固、耐久、防火、阻水、通风阻力小、材料来源广、便于就地取材等优点。缺点是施工复杂，劳动强度大，成本高，进度慢。一般使用在巷道服务年限超过10年以上，围岩十分破碎同时很不稳定，且有大面积淋水和部分淋水，及水质有化学腐蚀的地段。,三、锚喷支护 锚喷支护是锚杆支护、锚杆与喷浆以及喷射混凝土联合支护的总称。锚喷支护适用于除围岩很破碎、地压极不稳定的地段之外的所有井筒和巷道中。 （一）锚杆支护 锚杆支护就是在巷道掘进后，先向围岩打眼，在眼孔内锚入锚杆，把巷道围岩予以加固，充分利用围岩自身的强度，从而达到支护巷道的目的。 锚杆不同于一般的支架，它不只是消极地承受巷道围岩所产生的地压和阻止破碎岩石的冒落，而是通过锚入围岩内的锚杆来改变围岩本身的力学状态，在巷道周围形成一个整体而稳定的岩石带，使锚杆与围岩共同作用而达到支护巷道的目的。,（二）喷射混凝土支护 喷射混凝土是将水泥、砂、石按一定比例混合搅拌后，送入混凝土喷射机中，用压缩空气将干拌合料送到喷头处，在喷头的水环处加水后，高速喷射到巷道围岩表面，从而起到支护作用的一种支护形式和施工方法。这是一种不用模板，没有浇注和捣固工序的快速、高效的混凝土施工工艺，具有及时、密贴、早强、封闭的特点。 根据使用机具或施工方法的不同，喷射混凝土大致可分为干式喷射法、半湿式喷射法和湿式喷射法。,(三)锚喷联合支护 1锚杆喷射混凝土支护 对比较破碎的、节理裂隙发育比较明显的岩层，巷道掘进后围岩稳定性较差，容易出现局部或大面积冒落，一般应采用锚杆喷射混凝土支护。这种支护方式既能充分发挥锚杆的作用，又能充分发挥喷射混凝土的作用。两种作用相结合，有效地改进了支护的效能，因而得到广泛应用。 一般情况下，爆破后应首先及时初喷混凝土封闭围岩，紧接着打注锚杆，随后在一定距离内复喷到设计厚度。,2锚杆喷射混凝土金属网联合支护 对于特别松软破碎的断层带，或围岩稳定性差，或受爆破震动较大的巷道，宜选用锚、喷、网联合支护。设置金属网的主要作用是防止收缩而产生裂隙，抵抗震动，使混凝土应力均匀分布，避免局部应力集中，提高喷射混凝土支护能力。金属网用托板固定或绑扎在锚杆端头，为便于施工和避免喷射混凝土时金属网背后出现空洞，金属网格不应小于200mm200mm。喷射厚度一般不应小于100mm，以便将金属网全部覆盖住，并使金属网至少有20mm厚的保护层。,3钢架喷射混凝土联合支护 在软岩巷道中，掘进后先架设钢架，允许围岩收敛变形，基本稳定后再进行喷射混凝土支护，把钢架喷在里面，有时也打一些锚杆，控制围岩变形。这样，钢架自身仍保持相当的支护能力，同时，被喷射混凝土裹住后又起到了“钢筋加固”的作用，而喷射混凝土层具有一定的柔性，对围岩基本稳定后的变形量也可以适应。,一、掘进工作面顶板管理的主要内容 (1)掌握巷道开掘后围岩体的范围及围岩应力分布情况。根据影响巷道围岩应力的因素：围岩的性质、巷道所处的深度、巷道周围的地质构造、水文变化、巷道的断面形状尺寸等，了解围岩应力分布情及在此应力作用下围岩的变形和位移后，才能选择合适的支护材料、支护形式，达到维护巷道的目的。 (2)从有利于巷道围岩的稳定性出发，合理选择巷道的施工方法，减少各工序对顶板管理的影响。 (3)按作业规程规定控制工作面空顶距离和临时支护的长度，尽可能缩短工作面空顶时间和临时支护巷道的长度。 (4)施工中，做好基础资料的积累和隐蔽工程的记录工作。,第三节 掘进工作面顶板管理,二、巷道掘进期间日常顶板管理工作 (1)敲帮问顶。上班进入工作面，打眼放炮前均应敲帮问顶，处理隐患，排除不安全因素后再作业。 (2)控制工作面空顶距离，超过规定的空顶距应先支护后掘进。 (3)单孔长距离掘进，要经常检查工作面后方支架的情况，发现断梁折腿或变形严重的支架，应加固修复。修复巷道时，修复地点以里的人员应全部撤出，预防冒顶堵人。工作面因放炮崩倒的棚子应由外向里逐架扶棚复位。 (4)熟悉掘进巷道出现冒顶事故的原因，加强日常检查，采用针对性措施，预防冒顶片帮事故的发生。,三、顶板管理的针对性措施 1新掘巷道应制定的开口安全措施 (1)开掘地点要选在顶板稳定，支护完好的地段,并且避开地质构造区、压力集中区、顶板冒落区。 (2)新掘巷道与原有巷道的方位要保持较大的夹角(最好大于45 )。 (3)必须加固好开掘处及其附近的巷道支架，若近处有空顶空帮情况，小范围的可加密支架，背好帮顶；大范围的应用木垛接顶处理，同样用背板背好打紧。 (4)新巷开掘施工，要浅打眼、少装药、放小炮，或用手镐挖掘的方法，尽量避免震动围岩或因放炮引起冒顶。 (5)新巷开掘处要及时进行支护，尽量缩短顶板暴露时间和减小暴露面积。,2沿空掘巷顶板破碎时的顶板管理措施 (1)避开动压影响，巷道施工必须在上区段回采工作结束，待岩层活动完全稳定后再进行。 (2)尽量减小掘进时的空顶面积。放炮前支架紧跟到工作面，放炮后及时架设支架。要减少装药量，避免对顶板的震动。如果放炮难以控制和管理顶板，改用手镐方法掘进。 (3)巷道支架要加密，同时将下帮腿与底板的夹角缩小，将顶帮用木板等背严接实。 (4)擦边掘进时，如遇上区段巷道的棚腿外露时，其下帮棚腿不要抽掉，可以捆上木板或笆片，起到挡矸帘的作用。,3有淋水的工作面顶板管理措施 掘进工作面有淋水时，要通过水文地质工作，弄清水的来源，掌握水量的变化，再根据实际条件分别采用预注浆封水、快硬砂浆堵水、截水槽或截水棚截水等方法将水引离工作面。有淋水的地段，要加大支架密度，背严帮顶，提高支架的稳定性，防止冒顶事故的发生。 4过断层、裂隙地质构造带的顶板管理措施 (1)采用架棚支护时，棚距要缩小，提高支护应变能力。 (2)棚梁方向尽量正交节理面架设，增大支架密度，减少空顶距离，永久支架要紧跟工作面，背帮背顶要严实。 (3)采用砌碹支护时，每次掘砌长度不大于1 m。 (4)顶板特别破碎时需采用超前支护的办法管理顶板。,第四节 巷道顶板事故的预防与处理 巷道顶板事故形式多种多样，发生的条件也各不相同，但它们在某些方面存在着共同点。根据这些事故发生的原因与条件，可以制定出防范顶板事故发生的相应措施。 一、巷道顶板事故的发生原因及预防措施 根据巷道顶板事故发生的力学原因，可以把巷道顶板事故分为压垮型冒顶、漏垮型冒顶和推垮型冒顶三个类型。巷道顶板事故多发生在掘进工作面及巷道交叉点，巷道顶板死亡事故80以上是发生在这些地点。,1、掘进工作面冒顶事故的原因及预防措施 掘进工作面冒顶的原因有两类：第一，掘进破岩后，顶部存在将与岩体失去联接的岩块，如果支护不及时，该岩块可能与岩体完全失却联接而冒落；第二，掘进工作面附近已支护部分的顶部存在与岩体完全失去联接的岩块，一旦支护失效，就会冒落造成事故。 在断层、褶曲等地质构造破碎带掘进巷道时顶部浮石的冒落，在层理裂隙发育的岩层中掘进巷道时顶板冒落等，都属于第一类型的冒顶。因放炮不慎崩倒附近支架而导致的冒顶，因接顶不严实而导致岩块砸坏支架的冒顶则属于第二种类型的冒顶。此外，两种类型的冒顶可能同时发生，如掘进工作面无支护部分片帮冒顶推倒附近支架导致更大范围的冒顶。,预防掘进工作面冒顶事故的措施如下： (1)掘进工作面严禁空顶作业，严格控制空顶距。当掘进工作面遇到断层、褶曲等地质构造带或层理裂隙发育的岩层时，棚子应紧靠掘进工作面。 (2)严格执行敲帮问顶制度，危石必须挑下，无法挑下时应采取临时支撑措施，严禁空顶作业。 (3)采用前探梁金属支架等临时支护措施，使工人在有顶板有防护的条件下作业，防止冒顶伤人。 (4)根据顶板条件变化，采取相应的支护形式，并应保证支护质量。架棚支护冒顶区及破碎带必须背严接实，必要时要挂网防止漏空。,2巷道交岔点处冒顶事故的原因及预防措施 巷道交岔点冒顶事故往往发生在巷道开口的时候。因为交岔点位置处在原巷道应力重新分布后的支承应力区，受力复杂，同时，如果开口处顶部存在与岩体失去联接的岩块，则可能在掘进时就发生冒顶。 预防交岔点冒顶的措施如下： (1)开口应避开原来巷道冒顶的范围。 (2)交岔点抬棚的架设应有足够的强度，并与邻近支架联接成一个整体。 (3)交岔点锚喷支护时，使用加长或全锚式锚杆。 (4)全锚支护的采区巷道交岔点应缩小锚杆间距，并使用小孔径锚索补强。,3压垮型冒顶的原因及预防措施 压垮型冒顶是因巷道顶板或围岩施加给支架的压力过大，损坏了支架，导致巷道顶部的岩块冒落，从而形成事故。 根据压垮型冒顶的原因，可以采取以下防治措施： (1)巷道应布置在稳定的岩体中，并尽量避免采动的不利影响。 (2)巷道支架应有足够的支撑强度以抵抗围岩压力。 (3)巷道支架所能承受的变形量，应与巷道使用期间围岩可能的变形量相适应。 (4)尽可能做到支架与围岩共同承载。支架施工时，要严格按工程质量要求进行，并特别注意顶与帮的背严背实问题，杜绝支架与围岩间的空顶与空帮现象。,4漏垮型冒顶的原因及预防措施 漏垮型冒顶是因无支护巷道或支护失效巷道顶部存在游离岩块，这些岩块在重力作用下冒落，形成事故。 预防漏垮型冒顶的措施如下： (1)掘进工作面放炮后应立即进行临时支护，严禁空顶作业。 (2)凡因支护失效而空顶的地点，重新支护时应先护顶，再施工。 (3)巷道替换支架时，必须先支新支架，再拆旧支架。 (4)锚杆支护巷道应及时施工；施工前应先清除危石，成巷后要定期检查危石并及时处理。,5推垮型冒顶的原因及预防措施 推垮型冒顶是因为巷道顶帮岩体破碎，在其运动过程中存在平行巷道轴线的分力，如果这部分巷道支架的稳定性不够，可能被推倒冒顶，从而形成事故。 预防推垮型冒顶的主要措施是提高支架的稳定性，可以在巷道的支架之间用撑木或拉杆连接固定，增加支架的稳定性，以防推倒。在倾斜巷道中架设支架应有一定的迎山角，以抵抗重力在巷道辅线方向的分力。,二、巷道顶板事故原因分析及防治措施 近年来，随着高档普采和综采的逐步发展，回采工作面顶板事故率逐步下降，而巷道顶板事故则相对上升，因此探讨巷道顶板事故的成因和相应的防治措施，减少巷道顶板事故已成为当务之急。 1、巷道顶板事故的种类 巷道顶板事故按围岩结构及冒落特征分为以下几类：镶嵌型围岩坠矸事故；离层型围岩片帮冒顶事故；松散破碎围岩塌漏抽冒事故；块状围岩断裂冒顶事故；软岩膨胀变形毁巷事故。,2 、巷道顶板事故的原因分析 1）镶嵌型围岩坠矸事故原因分析 （1）开工前或放炮后，在无支护空顶区，敲帮问顶和找掉不及时、不彻底或违章操作，对隐性镶嵌型顶板未发现或未采取有效措施。 （2）空顶范围大，空顶距离超过作业规程规定。当工作面节理裂隙发育时，未采取有效措施。 （3）在炮掘工作面，尤其在大断面巷道或交叉点，炮眼布置不合理，装药量过大，崩倒或崩歪迎头支架。 （4）在机掘工作面，由于断面大，进度快，空顶面积迅速增大，受采动支撑压力和冲击地压等外力影响，大型镶嵌型坠矸在空顶区失稳坠落，甚至推垮不稳定的迎头支架。,2） 离层型围岩片帮冒顶事故原因分析 （1） 工作面出现“伞檐”离层断裂向下方自由空间滑移导致劈帮。 （2） 锚喷巷道封闭锚喷不及时或质量不符合要求，巷道受淋水、放炮震动等外在因素影响，围岩风化剥落。 （3）空顶面积大，无超前支护，迎头支架不及时或架设质量差；拱型金属支架卡缆螺母扭矩小，支撑力不足，整体性差。,3） 松散破碎围岩塌漏抽冒事故原因分析 （1）在空顶区，由于空顶范围大，破碎围岩悬露时间长，支护未跟到迎头，造成迎头塌漏抽冒。 （2）在迎头支护区，由于放炮崩倒迎头支架而塌冒，或支架未插严背实，造成空顶虚帮。 （3）在地质作用破碎带