巷道顶板事故及预防措施

1、一、前言 1.煤炭工业是关系国家经济命脉的重要基础产煤炭工业是关系国家经济命脉的重要基础产 业业 2004年，煤炭在中国一次能源生产和消费结 构中的比重分别占75.6%和67.7%。 我国煤炭产量由2002年的14.55亿t增长到 2005年的21.9亿t，年均增加2.45亿t，保证了 经济和社会发展的需要，是国民经济发展的 重要基础。 在未来相当长的时期内，煤炭仍是我国 的主要能源，中国工程院和中国煤炭工业 协会组织有关专家预测结果：2020年煤炭 需求量将达到25.8亿吨，占一次能源消费 总量的60以下； 随着洁净煤技术的发展，煤炭可以成为 比较高效、清洁的能源。 一、前言 二、我国煤矿灾

2、害及现状 1.我国煤矿的灾害事故我国煤矿的灾害事故 我国是世界上煤矿灾害严重、灾害多的国家，常发我国是世界上煤矿灾害严重、灾害多的国家，常发 生的灾害有：生的灾害有： 瓦斯灾害瓦斯灾害 顶板灾害顶板灾害 矿井火灾矿井火灾 水害水害 冲击地压冲击地压 尘害尘害 热害热害 二、我国煤矿灾害及现状二、我国煤矿灾害及现状 2. 我国煤矿灾害事故现状我国煤矿灾害事故现状 煤矿灾害事故近年呈下降趋势，但事故总煤矿灾害事故近年呈下降趋势，但事故总 数仍然偏高数仍然偏高 2005年发生各类灾害事故3306余起，死亡 5938人，百万吨死亡率2.81,首次下降至3以下。 重特大灾害事故有显著减少，但每年仍在重特

3、大灾害事故有显著减少，但每年仍在300 起左右起左右 一次死亡百人以上的特别重大事故的发生频率一次死亡百人以上的特别重大事故的发生频率 加快，加快， 1981年2005年全国煤矿发生一次死亡 百人以上特大事故11起，间隔为10年1起、5年 1起、4年1起、2年1起、1年2起、1年4起。 二、我国煤矿灾害及现状二、我国煤矿灾害及现状 瓦斯、顶板事故是煤矿的主要灾害 20012004我国煤矿事故类别我国煤矿事故类别 二、我国煤矿灾害及现状二、我国煤矿灾害及现状 瓦斯事故危害性最大， 2005年，事故起数占总 起数的12.52%，死亡人数占总人数的36 .56 %， 平均每起事故造成5.24人死亡；

4、 顶板事故发生频率最高， 2005年，占事故总起 数的54.6%，死亡人数占34.66%，一次事故死亡 平均1.14人； 瓦斯与顶板事故起数、死亡人数均占总数的70% 左右。 1.我国煤矿灾害事故原因 煤矿自然条件差，伴生灾害多 中国大陆是由众多小型地块多幕次汇聚形成的， 主要煤田经受了多期次、多方向、强度较大的改 造后，地质构造相当复杂，给煤矿安全生产带来 了高地应力、瓦斯灾害和地温等难题。 大地构造决定了煤矿地质条件复杂，井工矿大地构造决定了煤矿地质条件复杂，井工矿 开采的生产条件增加了安全的复杂性。开采的生产条件增加了安全的复杂性。 地质构造复杂或极其复杂的煤矿占36%，属简单的占23%

5、； 水文地质条件复杂或极其复杂的煤矿占27%，属简单的占 34%； 煤层瓦斯含量高，有自然发火危险，煤尘具有爆炸性的矿井 多； 巷道呈管网式空间布置，多种致灾因素共存于同一环境，容 易发生致灾因子相互作用的耦合，形成大灾难。 四、巷道支护理论四、巷道支护理论 由于巷道开挖及煤体回采的影响，引起周围岩层由于巷道开挖及煤体回采的影响，引起周围岩层 中出现应力重分布，其结果导致应力在岩体中出中出现应力重分布，其结果导致应力在岩体中出 现了局部高应力区。它直接影响着巷道支护方案现了局部高应力区。它直接影响着巷道支护方案 的选择。的选择。 随着煤炭的不断开采，浅部、易开采的煤层已所随着煤炭的不断开采，浅

6、部、易开采的煤层已所 剩无几，目前我国主要产煤矿区中，除神府煤田剩无几，目前我国主要产煤矿区中，除神府煤田 及山西的个别矿区外，大部分地区均已开采深部及山西的个别矿区外，大部分地区均已开采深部 煤层或地质条件较复杂、地应力较大、较难以开煤层或地质条件较复杂、地应力较大、较难以开 采的煤层。这样就给井下巷道维护带来更高的要采的煤层。这样就给井下巷道维护带来更高的要 求，传统的巷道支护如棚式支护、砌碹支护等方求，传统的巷道支护如棚式支护、砌碹支护等方 式已不能满足煤炭安全生产的要求。式已不能满足煤炭安全生产的要求。 巷道围岩应力场的各种形式巷道围岩应力场的各种形式 （一）目前常用的支护方式 由于巷

7、道的开挖形成空洞，破坏了原岩体中的 原有的应力状态，巷道周边由原来的三向应力 状态变成了两向应力状态，从而出现了应力重 分布与应力集中现象，这二者导致了在岩体中 分别出现了较大的剪应力和拉应力的出现，并 使岩体向巷道内移动，若不进行及时的支护， 巷道会产生严重变形，影响到其使用功能，更 为严重的是由于岩体中构造复杂，节理裂隙发 育，当变形量达到一定程度后就会产生冒顶片 帮等事故，严重影响着煤矿的安全生产。 目前巷道支护方式主要有： 1. 棚式支架（木支护，混凝土支架，金属支 架等，其中金属支架又有普通金属支架及可缩 性金属支架。 ）这类支护方式主要用于矩形 及梯形巷道。 2. 砌碹支护：料石砌

8、碹，现浇混凝土 3. 锚喷支护：锚杆支护、喷射砼支护、锚喷 联合支护、锚喷支护（网、钢带、梯子梁等） 联合支护。 4. 上述锚喷支护再加锚索加强支护 锚喷支护 前两类支护方式均属被动支护，锚喷支护则为主动支护方式， 能充分利用围岩自身的承载能力 1. 喷射砼支护原理 （1）封闭围岩，防止围岩风化作用 （2）补强围岩喷射砼具有较高的速度喷射至岩面，其浆 体充入岩体表面裂隙中，使得岩体的整体强度得到提高。 （3）改善围岩应力状态巷道开挖后岩体变形二向应力状 态，而喷射砼支护后由于其具有一定的强度，使围岩由二向应 力状态变为三向应力状态，围岩承载能力得到提高。 （4）组合拱作用 喷射砼与围岩经裂隙而

9、相互咬合而形成组 合拱共同承载。 （5）柔性支护结构喷射砼厚度较小，具有一定的变形能力， 在围岩应力较大时可产生一定的变形，以释放围岩应力，从而 取得较好的支护效果。 锚喷支护 2. 锚杆支护原理 （1）悬吊作用原理 1952年路易斯阿帕内科 (Louis A.panek)等发表了悬吊 理论，悬吊理论认为锚杆支护 的作用就是将巷道顶板较软弱 岩层悬吊在上部稳固的岩层上， 在预加张紧力的作用下，每根 锚杆承担其周围一定范围内岩 体的重量，锚杆的锚固力应大 于其所覆盖的岩体的重力。见 图1-1悬吊作用原理。 锚固力 Q (1.52)W 锚杆工作拉力 Q1=bA 锚杆长度 LKHL1L2 锚杆间排距

10、 Hk Q a （2）组合梁理论 按材料力学理论可知，无锚杆时巷道顶板 岩石为叠合梁结构，在受到其上部围岩的应 力作用后，各层单独变形，层与层之间容易 产生滑移从而导致离层；而顶板采用锚杆支 护时，锚杆穿过各层状岩层形成组合梁，共 同抵抗围岩应力，故变形较小，从而起到支 护的作用。 锚喷支护 锚喷支护 （3）组合拱理论 在沿拱形巷道周边布置锚杆 后，在预紧锚固力的作用下，每 根锚杆都有一定的应力作用范围， 只要取合理的锚杆间距，其应力 作用范围会相互重迭，从而形成 一连续的挤压加固带即厚度 较大的组合拱，该加固带的厚度 是普通砌碹支护厚度的数倍。故 能更为有效地抵抗围岩应力，减 少围岩变形，其

11、支护效果明显好 于普通砌碹支护。 锚喷支护 （4）三铰拱理论 危险岩块在锚杆作用下，岩块相 互搭接，形成一个三铰拱 有效厚度： 式中： 0 3 1 )(105 . 1 f L l xy 3 1 4 2 0 156. 0 El Plk f 锚喷支护 （5）减小跨度作用 在悬吊作用理论及组合梁作 用理论的基础上，提出了减 跨理论，该理论认为：锚杆 末端固定在稳定岩层内，穿 过薄层状顶板，每根锚杆相 当于一个铰支点，将巷道顶 板划分成小跨，从而使顶板 挠度降低。 因此在开采过程中，必须意识到地应力的发展状因此在开采过程中，必须意识到地应力的发展状 态，尤其在多层开采时要防止应力的叠加事实态，尤其在多

12、层开采时要防止应力的叠加事实 上这种应力叠加常常是造成支护困难，甚至发生上这种应力叠加常常是造成支护困难，甚至发生 动力现象的根源这时必须优化开采设计（参数动力现象的根源这时必须优化开采设计（参数 及工作面推进方向等）尽量避免应力的过分集及工作面推进方向等）尽量避免应力的过分集 中由于岩体的非均质和采动影响至使中由于岩体的非均质和采动影响至使 “数值数值 计算计算”很难做到正确定性很难做到正确定性,更不用说定量更不用说定量,因此如因此如 何快速地鉴测到开采过程中岩体应力场是矿山压何快速地鉴测到开采过程中岩体应力场是矿山压 力预报的重要内涵力预报的重要内涵 1, 近几年顶板事故近几年顶板事故(属

13、于易控制不安全因素属于易控制不安全因素)死亡占第一位死亡占第一位;机械机械 化开采能使顶板事故大幅度降低化开采能使顶板事故大幅度降低(我国近我国近6亿吨产量的高产高效矿亿吨产量的高产高效矿 井井,2004年百万吨死亡率为年百万吨死亡率为0.06).我国自我国自1972年使用液压支架年使用液压支架, 至今至今30余年目前也仅仅只有不到余年目前也仅仅只有不到50%的产量在应用的产量在应用. 2, 近几年由于大量发展乡镇煤矿近几年由于大量发展乡镇煤矿(产量占产量占37%),这些煤矿这些煤矿(处于浅处于浅 部部,不受高应力影响不受高应力影响)规模小规模小(23000个矿井生产个矿井生产7亿吨亿吨),大

14、量使用大量使用 单体支柱单体支柱,支护结构不稳定、支护质量难于保证支护结构不稳定、支护质量难于保证,导致冒顶事故频导致冒顶事故频 发发;乡镇煤矿百万吨死亡乡镇煤矿百万吨死亡6人人,事故死亡人数占总数的事故死亡人数占总数的70%. 3, 显然显然,液压支架替代单体支架这是必由之路液压支架替代单体支架这是必由之路,但矿井必须有一但矿井必须有一 定的经济基础和规模定的经济基础和规模. 4, 原来推行的支护质量检测是保证单体支架工作面不原来推行的支护质量检测是保证单体支架工作面不(少少)出现出现 顶板事故的有效手段顶板事故的有效手段;但由于支护质量检测需要应用技术人员但由于支护质量检测需要应用技术人员

15、,而而 且烦琐且烦琐,因此得不到推广因此得不到推广; 5, 应该进一步研究便携式的支护质量检测仪器应该进一步研究便携式的支护质量检测仪器,这样可以使工作这样可以使工作 面顶板事故大量减少面顶板事故大量减少. 单体支架是不稳定结构单体支架是不稳定结构,在在 顶板压力作用下顶板压力作用下 易于推垮易于推垮 而冒顶而冒顶 高度的机械化使神东煤矿年生产高度的机械化使神东煤矿年生产1亿吨煤亿吨煤,而而 百万吨死亡率为百万吨死亡率为0.0098,达到世界最低达到世界最低. 巷道支护是煤矿开采的永恒主题巷道支护是煤矿开采的永恒主题,随着采深增加难随着采深增加难 度越来越大度越来越大. 关于支护原理关于支护原

16、理:鉴于回采巷道都是与采区服务期一鉴于回采巷道都是与采区服务期一 致的临时建筑物致的临时建筑物.而回采巷道又强烈地受采动影响而回采巷道又强烈地受采动影响. 因此认为因此认为:巷道变形不可抗拒巷道变形不可抗拒,支架必须可缩支架必须可缩.由此由此 形成了回采巷道的支护原理与技术形成了回采巷道的支护原理与技术: “预留断面预留断面-可缩性支架可缩性支架-壁后充填壁后充填”支护原支护原 理理 和和“巷道变形预测巷道变形预测U型钢支架型钢支架”支护技术支护技术 应用得到成功应用得到成功. 后来由于后来由于U型钢支架价格影响成本型钢支架价格影响成本,而且影响快速而且影响快速 作业作业,在我国没有得到全面推

17、广在我国没有得到全面推广.而是致力于锚杆而是致力于锚杆 支护支护. 锚杆支护原理显然不同于锚杆支护原理显然不同于U型钢支护型钢支护. 随着开采深度的增加以及多层开采应力的叠加随着开采深度的增加以及多层开采应力的叠加,各各 类巷道的支护将类巷道的支护将“个性化个性化”.而且都将遵循以下原而且都将遵循以下原 则则: “应力场测定应力场测定围岩状态量化描述围岩状态量化描述数值计算数值计算(物物 理模拟理模拟)支护设计支护设计(包括锚索的作用包括锚索的作用)现场检现场检 测测修改设计修改设计” 随着开采深度的增加随着开采深度的增加(或由于开采顺序不合理带来或由于开采顺序不合理带来 的应力集中的应力集中

18、),现有的支护手段已经难于应付现有的支护手段已经难于应付.为了为了 解决深部开采解决深部开采,而又不希望多出矸石而又不希望多出矸石,必须深入研必须深入研 究煤巷在高应力状态下的维护原理究煤巷在高应力状态下的维护原理. 1.我国煤矿灾害事故原因 煤矿自然条件差，伴生灾害多 中国大陆是由众多小型地块多幕次汇聚形成的， 主要煤田经受了多期次、多方向、强度较大的改 造后，地质构造相当复杂，给煤矿安全生产带来 了高地应力、瓦斯灾害和地温等难题。 4 防范措施 （ l ）要加强对职工的安全教育和培训，牢固树立 “安全第一”的思想，正确处理安全与生产的关系， 坚决做到不安全不生产，杜绝违章指挥、违章作业，

19、增强职工自保、互保意识和能力，防止事故发生。 （ 2 ）要深刻吸取此次事故教训，加强安全技术管理 工作，坚决执行上级有关技术规定，根据现场实际， 及时修订、补充、完善作业规程和安全技术措施，强 化现场技术管理，切实做到用规程去指导生产，为生 产服务，实现安全生产。 （ 3 ）要加强对安检队伍的管理，进一步理顺安全管 理体制，落实安检人员责任，加大现场监管力度，使 安全生产得以正规有序进行。 晋城煤业集团成庄煤矿9.1事故 （一）、晋城煤业集团成庄煤矿9.1事故： 1.事故通报 2002 年9 月1 日，成庄矿2229巷工作面 发生了重大冒顶事故，造成8 名矿工遇难， 直接经济损失71. 04

20、万元。 成庄矿9.1顶板事故 2、事故原因 （1）直接原因 2229掘进工作面连续掘进11m，未按作 业规程要求打注锚索(作业规程规定锚索紧 跟工作面安装，每1.6m打注一根锚索）， 致使煤顶与岩层之间离层，导致煤顶整体 垮落是造成此次事故的直接原因。 寺河矿“115”11W巷冒顶事故 2、事故经过 15日早班连采一队为生产班，队安排贯通日早班连采一队为生产班，队安排贯通7# 横川。到工作面接班后，连采机停在横川。到工作面接班后，连采机停在7#横川内，横川内， 锚杆钻机停在锚杆钻机停在11W巷距掌面巷距掌面10m处。约处。约14时开始时开始 割煤，割煤，15时将贯通处的煤出完，还没来得及支护，时将贯通处的煤出完，还没来得及支护， 瓦斯又超限断电，人员全部撤出瓦斯又超限断电，人员全部撤出7#横川。横川。16时时50 分，贯通处顶煤开始垮落，并迅速向分，贯通处顶煤开始垮落，并迅速向11W巷扩散，巷扩散， 锚杆、锚索失去稳固作用，直接顶与煤顶一起冒锚杆、锚索失去稳固作用，直接顶与煤顶一起冒 落下来。冒落面积：落下来。冒落面积：7#横川贯通处横川贯通处35m、11W 巷靠掌面巷靠掌面45m，冒落最高高度达，冒落最高高度达4m，顶部呈马，顶部呈马 鞍型。冒顶后将锚索拉断鞍型。冒顶后将锚索拉断2根，根，2排顶锚杆冒落。排顶锚杆冒落。 寺河矿“115”11W巷冒顶事故 3