煤矿顶板灾害防治.ppt

1、煤矿顶板灾害防治 主讲：钟江南,煤矿顶板灾害致因与预防,一、顶板事故及其危害 二、顶板与矿压规律 三、顶板事故的统计分析 四、顶板灾害致因分析与技术措施 五、顶板事故预防的管理对策,一、顶板事故的危害 顶板事故在煤矿事故中占40%。 （一）我省煤矿近年顶板事故情况 1. 19952001年 （7年） 全省煤矿伤亡事故2802起，死亡5232人。 其中：顶板事故1245起，死亡1474人，平均每年 178起，死亡210人，死亡事故次数和死亡人数分 别占总量的44和28(较2001年全国顶板死亡 人数高出3个百分点）。 瓦斯事故826起，死亡2660人，分别占30 和51,一、顶板事故的危害 2.

2、 20022004年 （3年） 全省煤矿伤亡事故1179起，死亡1921人。 其中：顶板事故653起，死亡751人, 平均每 年218起，死亡250人，死亡事故次数和死亡人数 分别占总量的55和 39。 瓦斯事故237起，死亡733人，分别占20和 38,一、顶板事故的危害 3. 2004年 全省伤亡事故344起，死亡554人。其中 顶板189起，死亡218人，分别占总数的55 和39.4。 瓦斯事故68起，死亡202人，分别占20 和 36.5,一、顶板事故的危害 4. 20012004年顶板重大事故19起，死亡 67人，平均每年4.75起，死亡16.75人，死亡人 数占重大事故死亡人数的1

3、0。 5. 2005全省煤矿发生死亡事故339起,死亡 561人，其中顶板事故189起，占死亡事故总次 数的55.75%；死亡226人，占死亡事故总人数 的43%；较2004年有所上升。 瓦斯事故63起，死亡149人，分别占事故总 次数和事故死亡总人数的19%和29,一、顶板事故的危害 6. 2006全省煤矿发生死亡事故304起, 死亡484人，其中顶板事故146起，占死亡 事故总次数的48.0%，较2005年略有下 降；死亡217人，占死亡事故总人数的 44.8%，较2005年上升1.5%。 瓦斯事故52起，死亡171人，分别占事 故总次数和事故死亡总人数的17.1%和 35.3,一、顶板事

4、故的危害 2007年全省煤矿累计发生伤亡事故248起，死亡390 人。发生顶板事故139起，死亡165人。顶板事故起数占 所有煤矿事故起数的56.0，死亡人数占所有煤矿事故 死亡人数的42.3； 发生瓦斯事故37起，死亡110人。瓦斯事故起数占 所有煤矿事故起数的14.9，死亡人数占所有煤矿事故 死亡人数的28.2。 2007年我省煤矿发生的2起重大事故均为瓦斯事故， 共导致28人死亡。一是3月6日邵阳市邵东县牛马司镇宏 发煤矿发生的瓦斯爆炸事故，导致15人死亡；二是5月24 日郴州市临武县金江镇凤凰岭煤矿发生的瓦斯突出 事故, 导致13人死亡,半个世纪以来中国煤炭工业产量增长情况,全省顶板和

5、瓦斯事故统计表,一、顶板事故的危害 结论： 1. 长期以来，在湖南煤矿伤亡事故中，顶板事故次数总是位居第一。 2 . 近年来，随着“一通三防”管理的加强和瓦斯治理力度的加大，瓦斯事故次数及其死亡人数均有所减少。顶板事故次数约占煤矿事故总次数的一半，死亡人数达到 40以上，均居第一位。 3. 顶板事故一般表现为零打碎敲， 事故严重度1.15人；但也时有较大和重大事故发生 。 4. 顶板事故对于所有的煤矿都有可能发生，但也都有可能避免，关键在于加强顶板管理。铁箕山矿顶板事故案例,二、顶板与矿压规律,1.煤层顶底板概述 煤层顶、底板分别指位于煤层之上和煤层之下一定 范围内(受开采影响的层段)的岩层。

6、 2.顶板分类 按岩性和与煤层的相对位置将顶板划分为： 伪顶厚度小于0.5m，极易垮落，随采随冒，直接 位于煤层之上。 直接顶岩层较稳定，位于煤层或伪顶之上，一般 随放顶可垮落。 基本顶在直接顶之上，岩层厚度在1.5m以上，坚 硬难冒落，有时呈规律性折断。 典型柱状如下图所示,二、煤矿顶板与矿压规律,二、煤矿顶板与矿压规律,二、煤矿顶板与矿压规律 煤层顶、底板岩性，即煤层顶底板的坚硬和 松软破碎程度直接影响到开采时采场支护的安全 性，是开采的重要安全条件。人们据此对煤层顶 板进行分级，作为工作面顶板管理的依据。 3.直接顶的分类 影响直接顶完整性的三个因素(分类依据) 岩层本身的力学性质； 直

7、接顶岩层内层理和节理裂隙的发育程 度； 上覆基本顶来压的影响,二、煤矿顶板与矿压规律,直接顶的分类 综合上述、两个因素，我国将直接顶按稳定性分为三种类 型： 破碎顶板 如页岩、再生顶板和煤顶等，回采时这种顶板 如不及时支护，很容易造成局部冒顶。 中等稳定顶板 此类直接顶的岩层力学强度较大有些岩层 （如砂页岩和粉砂岩）虽受到一系列裂隙所切 割，但局部较完整，仍属中等稳定型。 完整顶板 这种顶板允许悬露面积大，稳定性好不易发生 局部冒顶，如砂岩、坚硬的砂页岩等。 以上是定性划分 定量划分:直接顶初次垮落步距大于1620m的顶板称为稳定 顶板；直接顶初次垮落步距小于8m的顶板称为不稳定(或破碎)顶

8、板；直接顶初次垮落步距介于915m之间的顶板称为中等稳定顶 板,二、煤矿顶板与矿压规律,科学的分类可为顶板控制、支架选型、合理确定支 护参数以及为采空区处理方法提供依据。 3.直接顶分类（见下表） D10RcC1C2 式中 D强度指数； Rc岩石单向抗压强度，MPa； C1节理裂隙影响系数，裂隙间距0.11.2m，C1 为0.30.55； C2分层厚度影响系数，分层厚度0.11.2m，C2 为0.240.42,二、煤矿顶板与矿压规律,二、煤矿顶板与矿压规律,4. 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初。根据N和L初两个指标，将基本顶分为四级,

9、塑性弯曲的顶板 是指赋存在煤层之上随着工作面的推进能缓慢下沉，而后逐渐与煤层底板方向接触。这一般在薄煤层或厚度不大的中厚煤层的石灰岩顶板中才可能出现,二、煤矿顶板与矿压规律 4.基本顶分级 基本顶距煤层越远，采高越小，则基本顶来压越不明显。通 常，把直接顶厚度h与采高M之比N（Nh/M，N又叫直接顶充填 系数）作为基本顶分类指标。据此将基本顶分类如下： 级基本顶 N5，称无周期来压或周期来压不明显的顶 板，这时基本顶的垮落与错动对工作面的支架无多大影响。 级基本顶 2N5，为有周期来压顶板，基本顶的失稳 对工作面支架有较为严重的影响。 级基本顶 N2，甚至没有直接顶，为周期来压严重的 顶板，这

10、时基本顶悬露与垮落都将对工作面支架有严重的影响。 级基本顶 即特别坚硬，且无直接顶，这时常出现采空 区内顶板上万平方米不冒落，当其垮落时，常形成暴风，顶板沿 工作面煤壁切落，造成重大事故。 顶板大面积来压和冒落的预兆和坚硬顶板强制放顶处理措施 (参 见教材P148150)。坚硬难冒顶板的防治 塑性弯曲的顶板 是指赋存在煤层之上随着工作面的推进 能缓慢下沉，而后逐渐与煤层底板方向接触。这一般在薄煤层或 厚度不大的中厚煤层的石灰岩顶板中才可能出现,二、煤矿顶板与矿压规律,4. 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初。根据N和L初两个指标，将基本顶

11、分为四级,塑性弯曲的顶板 是指赋存在煤层之上随着工作面的推进能缓慢下沉，而后逐渐与煤层底板方向接触。这一般在薄煤层或厚度不大的中厚煤层的石灰岩顶板中才可能出现,二、煤矿顶板与矿压规律 5.矿山压力基本知识 原岩应力 在地下某一深处岩层未被开挖前 岩体内所具有的力。包括上覆岩层的自重应力、 构造应力和膨胀应力等。其特点:三向平衡,二、煤矿顶板与矿压规律 矿山压力由开采引起的井巷和工作面 周围岩体内的力。 支承压力围岩应力升高区的压力。 矿山压力显现在矿山压力作用下生产 的一系列力学现象。如：顶板下沉、垮 落，底板隆起，煤壁片帮，支架变形和损 坏、支架钻底等,二、煤矿顶板与矿压规律,6.回采工作面

12、矿压的显现与规律,二、煤矿顶板与矿压规律 （1）工作面初次放顶当工作面自开切眼推 进一段距离后，工作面开始第一次大面积的放顶 叫做初次放顶。 工作面初次放顶需要制定并采取相应的安全 技术措施，以策安全。初次放顶主要安技措施 （2）直接顶初次垮落初次放顶后，随工作 面推进，直接顶首次大面积的垮落称为初次垮落 其标志是：直接顶冒落高度超过1m，冒落长 度达工作面倾斜长度1/2以上。如下图所示,二、煤矿顶板与矿压规律,二、煤矿顶板与矿压规律,3）基本顶初次来压当基本顶悬露达 到极限时，基本顶第一次断裂，同时发生破断 岩块的回转失稳。从而导致工作面顶板急剧下 沉，此时工作面支架显现压力普遍增大现象，

13、即称为基本顶初次来压。 直接顶垮落后，垮落的岩石与基本顶之间 有一个小的空间，这是造成基本顶的弯曲、断 裂、回转，冒落的原因。如下图所示,二、煤矿顶板与矿压规律,二、煤矿顶板与矿压规律,二、煤矿顶板与矿压规律,4）基本顶初次垮落步距基本顶初次垮落 时，工作面煤壁至开切眼的距离叫做基本顶初次 垮落步距。 基本顶初次垮落步距的相关因素有： 基本顶的岩石力学性质 基本顶的厚度 岩块之间的咬合条件等 基本顶初次来压步距：一般为2035m，有 的可达5070m不等，持续时间23天,二、煤矿顶板与矿压规律,5）基本顶周期来压 基本顶初次来压后随工作面的推进， 基本顶呈规律性折断，工作面显现周期 性的来压，

14、称为周期来压。 每一次周期来压，基本顶经历了稳 定失稳再稳定的变化。如下图所示,二、煤矿顶板与矿压规律,二、煤矿顶板与矿压规律,二、煤矿顶板与矿压规律,周期来压时矿压显现： 顶板下沉速度增大 下沉量增大 支柱载荷增加、钻底 煤壁片帮 支柱折损 台阶下沉 周期来压步距工作面推进过程中连续两 次周期来压间的距离。周期来压步距： L周=（1/2-1/4）L初 或 L初 =(24）L周 L初基本顶初次来压步距,二、煤矿顶板与矿压规律 实例： 资兴唐洞煤矿八一井1222工作面矿压观测资料： 1.工作面初次垮落步距为813m（属中等稳定顶 板），垮落前支柱最大工作阻力为84.7KN，活柱最大压 缩量为9m

15、m。 2.基本顶初次来压步距为1922m（前述：一般为 2035m），顶板下沉量为100202mm，下沉速度为 147mm/h，支柱工作阻力为120KN。 3.基本顶周期来压步距为610m，顶板下沉量为 60100mm，下沉速度为55mm/h，支柱工作阻力为 80100KN。 4.工作面超前支承压力影响范围1220m，最强烈的 为812m,二、煤矿顶板与矿压规律,6）三带 回采工作面初次来压后，随着工作面的继推 进，工作面上复岩层的活动将逐渐形成所谓的 “三带”，即： 冒落带（垮落带）岩块不规则垮落和堆 积 Kp（岩石松散系数）=1.3.5，压实后1.03 左右。 裂隙带在冒落带之上，岩块断裂

16、但整齐 排裂。 弯曲下沉带裂隙带之上直到地表，岩层 裂隙较少，但有下沉。如下图所示,二、煤矿顶板与矿压规律,二、煤矿顶板与矿压规律,7）采场围岩应力分布 由于开采，引起工作面附近围岩应力重新分 布，在工作面前方形成了支承压力带，它的影响 范围达3040m或更远,其最大峰值在煤壁前方 710m处(前述唐洞矿为812m)。应力集中系 数K可达23，且随工作面推进向前移动。工作 面后方冒落矸石被压实，一般只恢复到h或比 h稍高一点。如下图所示。 此外，在工作面风、机巷两侧将形成一个固 定支承压力带,二、煤矿顶板与矿压规律,二、煤矿顶板与矿压规律,8）影响矿山压力显现的因素 影响矿山压力显现的因素有地

17、质和开采技术因素 地质因素 断层的影响 顶板失去连续性，容易冒顶 构造应力存在使巷道难以维护 伴有其他灾害因素存在 褶曲的影响 构造应力使顶板难以维护 顶板破碎，易冒顶和底鼓 如下图所示,二、煤矿顶板与矿压规律,二、煤矿顶板与矿压规律,二、煤矿顶板与矿压规律,二、煤矿顶板与矿压规律,节理、裂隙的影响 直接顶被切割，易冒顶 影响基本顶的稳定性 如下图所示,二、煤矿顶板与矿压规律,二、煤矿顶板与矿压规律,开采技术因素采高与控顶距 采高和控顶距越大，顶板下沉量越大采高越大，冒落带越高，上复岩层破坏越严 重 采高越大，煤壁越易片帮 采高越大，老顶越难取得平衡 工作面推进速度 增大顶板下沉量小； 反之顶

18、板下沉量加大,二、煤矿顶板与矿压规律,开采深度（增大） 原岩应力增大，工作面压力增大 支承压力影响范围增大 支柱载荷增大，顶板难维护 矿压显现加剧、片帮、压出 易诱发冲击地压和煤与瓦斯突出,三、煤矿顶板事故的统计分析,常见顶板事故统计分析,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,一）顶板控制 顶板的控制目标：“支”、“护”、“稳”、“让”。 支支柱的工作阻力应能支撑住冒落带岩层的重量。 一般来说，冒落带岩层的厚度约为采高的3倍。支护系统 要支住这部分岩层的重量，防止冒落带与裂隙带之间发 生离层。初撑力(初撑力支架支设时，将活柱升起，托住顶 梁，利用升柱工具使支柱对顶板产生一个主动力。这个主动力称支

19、柱的初撑力。对于液压支柱，即是泵压形成的支柱对顶板的撑力)必 须足够。 护是指防止工作面漏冒型冒顶和防止支柱钻底。 解决钻底的方法是给支柱穿木鞋或辅设地梁,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,稳为防止发生复合顶板推垮型冒顶和冲击 推垮型冒顶，应保证冒落带与裂隙带之间不离 层，保证整个直接顶板的整体性和稳固性。 让就是对工作面基本顶的下沉要采取“让” 的管理原则，支柱的可缩量应能适应裂隙带及冒 落带基本顶岩层的下沉。 要达到上述目的，要求支架既要有一定的支 撑力，同时还要有一定的可缩量,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,二)支护材料与支护形式 1.支护材料 回采工作面支护材料和形式有：木支 柱、金

20、属摩擦支架、铰接顶梁、单体液压 支柱、型梁等、液压支架等。 2.支护形式 戴帽点柱（木支柱或单体支柱）、走 向棚子支护、倾斜棚子支护、特种支架、 液压支架等,戴帽点柱,矩形布置 三角形布置 帽厚50100mm，长0.3m,走向棚子支护,特种支护 加强放顶处对顶板的支撑，回柱前在放顶排处另外架设的支架,a） 丛柱；（b）密集；（c）木垛；（d）斜撑,端头四对八梁,普采工作面支护,高档普采工作面支护,综采工作面,综采工作面,综采工作面,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,三)顶板事故的致因分析 1.采煤工作面顶板事故分类 按冒顶范围可将顶板事故分为局部冒顶和 大面积冒顶；按发生冒顶事故的力学原因可将

21、 顶板事故分为压垮型冒顶、漏垮型冒顶和推垮 型冒顶。 工作面局部冒顶事故 局部冒顶事故发生的次数约占采煤工作面 冒顶事故的70%。局部冒顶造成的人员伤亡占冒 顶事故总人数的6070,四、顶板灾害的致因分析与技术措施 工作面大面积冒顶事故 直接顶、基本顶推垮型冒顶 直接顶、基本顶压垮型冒顶 漏冒型冒顶 综合类型冒顶,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,2.不同采煤方法和工艺条件下的采面冒顶事故 (1)普采一次采全高工作面 1）经常发生冒顶的地点 煤壁附近的冒落 工作面两端的冒落 放顶线附近的冒落 地质破坏带附近的冒落 开切眼附近地

22、带（初次放顶）冒落,四、顶板灾害的致因分析与技术措施 2）发生原因分析 顶板破碎、离层、基本顶作用。 煤层倾角较大，支架稳定性不好，背顶不严 支架阻力不够，工作面支护强度不够。 放炮，移溜等其他工序推倒支架造成局部冒 顶。 放顶无特种支护设计，无密集、戗柱和木垛 等。 多工种同时同地点违章操作等。 工作面推进度太慢等,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,3）防治措施 加强工作面支护，逐渐采用单体压支柱 增加支柱初撑力(50KN/摩擦、60KN/80mm、 90KN/100mm） 缩小控顶距 正确安全回柱放顶，加设必要的特种支护 严禁不同工种同时同地平行作业 加快工作面推进速度 加强矿压观测，摸清

23、顶板活动规律 加强对初次放顶的监控与管理 增加支架的稳定性（支架联锁） 加强安全教育，提高自身安全意识,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,2）普采分层开采工作面 1）冒顶事故的特点 开切眼附近，初次放顶前后 有明显前兆，多数推垮突然 推垮前支柱受力不大 上位岩层大面积悬露，有大块冒下 支柱多数向下向采空区方向倾倒 推垮型速度快，人力无法抗拒 易发生在回柱时 事故多发生在摩擦支柱工作面 如下图所示,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,2）原因分析： 由于支护不到位、不及时或失效而出现网兜 碎矸石与上位断裂硬岩大块岩石产生离层 网兜漏冒造成顶板整体运动，推倒工作面支

24、 架 假顶铺设不严，灌浆注水不充分 工作面支护质量不好，密度不当，稳定性差 对网兜现象处理不及时 其他工序导致冒顶（放炮等,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,3)防治措施 控制控顶距，提高支柱初撑力，防止网兜出现，防止碰倒支架 增加支架的稳定性，十字顶梁 工作面开切眼，内错布置，初次放顶，将网剪断 加强工作面质量管理，机采及时挂梁，缩小截深 灌浆灌水充分 回柱放顶采取严密安全防范措施,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,3）炮采一次采全高工作面 1）复合顶板的概念复合顶板就是离层型 顶板 复合顶板的三个特征： 煤层顶板由下软上硬不同岩性的岩层组成。 软、硬岩层间夹有煤线或软弱岩层。 下部软岩层的

25、厚度通常不小于0.5m，且不大 于3m。 此外当伪顶厚度超过0.5m时，该顶板就是复合 顶板,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,2）炮采工作面冒顶发生地点 开切眼附近 地质破坏带 旧巷附近 上下出口附近 放顶线附近 煤壁炮道附近,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,3）炮采工作面冒顶致因分析 支架支设质量不高，支在浮煤软底上 初撑力不够，稳定性不好 支护密度和支护强度不够 放炮药量大，顶眼距顶板近，震动顶 板，使顶板断裂 放炮后不能及时支护，使顶板下沉量 加大，离层严重 推进度慢，造成顶板情况恶化 控顶距过大 放顶特殊支护不到位，操作工序错误,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,4）炮采工作面防冒

26、顶措施 支柱支在硬底上，勾顶严密 增加初撑力，增加支柱稳定性 合理支护密度和支护强度，排距柱距 放炮严格按设计要求，小炮多茬，分 段，最小抵抗线在两柱之间，而且高于运 输机。 及时拉梁，打临时柱 保持正常推进度 严格按设计作业，控顶距不能过大,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,4）炮采分层开采工作面 基本情况同普采分层开采，但有其特殊性 1）特点及预防措施减少放炮对上分层的破坏及震动，放小炮， 小进度，药量小。 及时支护裸露假顶 选好炮眼方向，防止崩倒支柱，崩翻设备 注意安全躲炮，安全放炮,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,5)残采工作面 A.残采的特点 残采即矿井将要报废，为延长服务年限而开

27、 采原来丢失的或留下的边角煤、煤柱或工作面丢 掉的煤皮，有的地方叫复采等。 残采时条件远不如初始的条件，工作条件复 杂。矿山压力依残留煤炭条件而异，变得复杂， 难以控制。顶板大部分由于采动已断裂。 残采很难形成正规面开采，大部分属非正规 开采，给安全开采带来更大的困难,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,B.残采顶板事故特点 多发生在地质变化带 孤岛采煤，压力大，难控制 残采工艺落后，支护设备陈旧 规程往往审查把关不严，易出漏洞,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,C.残采顶板事故防治 严格作业规程的审批和贯彻，摸清情况，不 准冒险和违章作业。 严格支护质量和支护密度，支护强度，加强 特种支护。

28、建立顶板监测、监控制度。 加强对残采工作面职工的安全教育，完善各 种规章制度。湘潭县谭家山镇棠霞煤矿顶板事 故.doc,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,3.巷道顶板事故致因与防治 巷道冒顶事故在整个冒顶事故中所占比重为20%。巷 道冒顶事故常发生在掘进工作面迎头、巷道维修和巷道 交叉处。 （1）掘进工作面冒顶事故的分类 按事故原因一般分为两大类： 1）巷道支护不及时。掘进巷道岩石破碎后，顶部岩石与岩体失去联系，如果支护不及时，该岩石就可能随时发生冒落。地质变化带的顶板岩石冒落，裂隙发育的巷道抽条都属于此类。 2）巷道支护质量差。已支护的巷道顶部岩石，在支护失效或背顶不严时发生冒落。如放炮崩倒

29、棚子导致冒顶，背顶不严造成冒顶都属于此种类型冒顶,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,2）预防掘进工作面冒顶事故的措施 1）支架应紧跟掘进工作面，严禁空顶作业。 2）严格执行敲帮问顶制度，及时找掉危石，采取有 效的临时支护。如下图所示。 3）地质破碎带应缩小棚距。 4）支架之间打好撑筒，增加拉条以增强棚子的整体 性和稳定性。必要时可打中柱。 5）采空区下、网下和冒顶区施工必须背实背严，增 挂金属网，超前支护，防止漏空和扩大冒高。 6）炮眼布置方向合理，药量适当，防止放炮崩倒棚 子。 7）锚杆支护，注意锚杆眼深度和锚杆密度及质量， 必要时采用加网和喷射混凝土联合支护。 8）在靠近工作面510m范围架设前探梁,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,严禁空顶 作业,四、顶板灾害的致因分析与技术措 及时撤换失效的支架,四、顶板灾害的致因分析与技术措施,及时支护,四、顶板灾害的致因分析