顶板控制及监测01

1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级*中国矿业大学China University of Mining & Technology采场顶板控制及监测技术能源与安全工程学院万志军 副教授课程的有关说明1.课程意义煤矿安全生产需要专业主干课程2.课程内容3.课程安排课堂讲授实验4.考试闭卷，平时30，考试70平时：作业，提问（3 ），点名（3 ）参考文献1.陈炎光、钱鸣高，中国煤矿采场围岩控制，徐州：中国矿业大学出版社，19942.钱鸣高、石平五，矿山压力与岩层控制，徐州：中国矿业大学出版社，20043.岑传鸿、窦林名，采场顶板控制与监测技术（第二版），徐州：中国

2、矿业大学出版社，20044.刘长友、曹胜根、方新秋，采场支架围岩关系及其监测控制，徐州：中国矿业大学出版社，20035.中国矿业大学，采矿与安全工程学报（矿山压力与顶板管理）6.中国矿业大学，中国矿业大学学报7.中国煤炭学会，煤炭学报绪论-1工作面顶板事故：一、19831984年，鹤岗局发生6次顶板事故，每次死亡46人；二、上世纪八十年代顶板事故百万吨死亡率占全部的45%左右。绪论-21984年开始，顶板事故调查。1988年，支护质量与顶板动态监测。1992年，顶板控制设计。19851996年，全国顶板管理工作会议。1989、1991年全国统配煤矿九次支护质量与顶板动态监测新技术培训班。绪论-

3、3工作面安全生产的保证：一、工作面生产前的合理控顶设计；二、开始回采及以后的日常支护质量与顶板动态监测。第一章 采场的围岩一、顶板：煤层上方的岩层。1 顶板与底板采场？围岩？1. 顶板运动方式采煤后，顶板岩层按“分层”由下而上依次逐个下沉、断裂、冒落。“分层”可能是：-同一岩性的整体岩层；-同一岩性中较厚岩层中的一部分岩层；-由下硬上软不同岩性岩层组成的岩层，此时软岩层为硬岩层的附加岩层。 2. 分层的硬(强度大)与软(强度小)分层的硬与软，不仅与岩性的强度有关，而且与分层的厚度有关。分层厚度小的岩层，分层强度较小。分层厚度大的岩层，分层强度较大。3. 老顶与直接顶顶板：煤层上方的岩层。老顶(

4、牢顶)：厚度大于1.52.0m，较坚硬的分层，岩性多为砂岩、砂砾岩、石灰岩等。直接顶：直接在煤层上面，厚度小于1.52.0m，较软弱、下面又无老顶的分层，岩性多为页岩、砂页岩等。底板：直接在煤层下面的岩层。2 垮落带与裂隙带工作面工作空间与采空区；采空区处理方法：全部垮落法与充填法1. 垮落带与裂隙带的涵义垮落带岩层(直接顶和老顶)：不支撑就会垮落的那部分岩层；裂隙带岩层(主要是老顶)：在其断裂、旋转、下沉及触矸过程中，岩块间能够互相挤紧，从而形成能够承受载荷的平衡结构，并把自身及附加岩层的重量加到采空空间周围的煤体及冒矸之上。2. 直接顶、老顶与垮落带、裂隙带的关系当直接顶厚度大于或等于23

5、倍采高时，垮落带岩层为23倍采高的直接顶，其上的直接顶为不垮落的直接顶，老顶进入裂隙带。 h充填满采空区所需直接顶厚度; M采高; Kz岩层的碎胀系数，1.331.5。2）当直接顶厚度不足23倍采高时，其上老顶有三种情况：(1)当老顶分层厚度大于56m时为厚层难冒顶板，需悬露几千、几万、甚至几十万m2才垮落。(2)当老顶分层厚度小于56m，在其断裂、旋转、下沉及触矸过程中，岩块间能够互相挤紧，从而形成能够承受载荷、并把自身及上位岩层的重量加到采空空间周围的煤体及垮落矸石之上的平衡结构者为裂隙带老顶。(3)当老顶分层厚度小于56m，在其断裂、旋转、下沉及触矸过程中，断块间会失去水平力的联系，从而

6、不能形成平衡结构者为垮落带老顶。3）当直接顶厚度小于23倍采高，而上面老顶分层厚度又小于56m时，判断老顶分层带别的方法： (1)原则：老顶分层厚度大于其下自由空间高度2m时，该老顶分层已进入裂隙带。 (2)公式：判断进入裂隙带老顶分层的公式Hi-由下而上第i层老顶的厚度(右边包括附加岩层，左边不包括)；M-煤层采高；K1-老顶及附加岩层的碎胀系数，1.151.33；h-直接顶厚度；Kz-直接顶岩层的碎胀系数，1.331.5。* 急倾斜煤层长壁面工作面上部垮落带厚度较大。工作面支护上下部一样。控顶设计应以工作面上部为准。上部多了0.5倍采高的自由空间。煤厚按1.5M计算。当直接顶厚度大于3.5

7、5倍采高时，直接顶充满采空空间，老顶进入裂隙带。当直接顶厚度小于3.55倍采高时，老顶是否进入裂隙带的判断： (1) 当h0.5M： (2) 当h0.5M:*综采放顶煤2)注意：M包括采与放的高度； Kl应为1.331.5； Kz应为1.51.7。3)急倾斜综放水平分层法 垮落带垂高=2倍分层高(采与放)。1)判断老顶进入裂隙带分层的公式：第二章 采场顶板事故及预防顶板事故分类压垮型冒顶的机理及预防措施漏冒型冒顶的机理及预防措施推垮型冒顶的机理及预防措施综合类型冒顶的机理及预防措施对采场支架的基本要求1 顶板事故分类按冒顶的力源进行分类压垮型：由垂直于层面方向的顶板力压坏采场支架而导致冒顶。漏

8、冒型：因已破碎的顶板没有得到有效防护受重力作用冒落而导致的冒顶。推垮型：由平行于层面方向的顶板力推倒采场支架而导致的冒顶。综合型：三种类型都可能出现。1）压垮型冒顶老顶来压时的压垮型冒顶（1）垮落带老顶岩块压坏采场支架。（2）垮落带老顶岩块冲击压坏采场支架。（3）裂隙带老顶岩块压坏采场支架。2）漏冒型冒顶（1）大面积漏垮型冒顶 （2）靠煤壁附近的局部冒顶。（3）单体支柱工作面两端的局部冒顶，包括机头、机尾处的局部冒顶，工作面与巷道交接处的局部冒顶。（4）放顶线附近的局部冒顶。（1）金属网下的推垮型冒顶。（2）采空区冒矸冲入采场的推垮型冒顶。3）推垮型冒顶4）综合类型的冒顶（1）厚层难冒顶板导致

9、的大面积冒顶。（2）地质破坏（断层）带附近的冒顶。（3）大块游离顶板导致的冒顶，包括复合顶板推垮型冒顶，冲击推垮型冒顶，大块游离顶板旋转推垮型冒顶，及直接顶导致的压垮型冒顶。 2 压垮型冒顶的机理及预防措施-老顶来压时的压垮型冒顶1）采动后顶板活动的一般规律：（1）直接顶的初次垮落垮落厚度在1.0m以上，垮落长度达工作面长度的一半以上。（2）垮落步距一般为620m。（2）老顶初次来压工作面回采以来的第一次老顶大规模来压。初次来压步距一般2035m。 如果直接顶厚度大于或等于23倍的采高，则能填满采空区，采面无老顶活动威胁。但老顶还是要弯曲、下沉和断裂的。如果直接顶厚度小于23倍的采高，开始时老

10、顶呈双固支梁状态，它把自身及上部岩层的重量都加到了工作面周围的煤体上，工作面无老顶压力感觉。当老顶岩梁达到极限跨距时，老顶弯曲、下沉、断裂。工作面顶板下沉加快、煤壁片帮、支架受力增加，甚至出现顶板台阶等老顶来压现象。（3）老顶周期来压老顶初次来压后，周期性的断裂、下沉，工作面内周期性出现顶板下沉加快、煤壁片帮、支架受力增加，以及出现顶板台阶等老顶来压现象。 周期来压步距一般为初次来压步距的1/21/4。（4）老顶来压的两个问题 老顶断裂点当初撑力较低时，老顶往往断裂在煤壁之内。 老顶，可能是垮落带岩层悬臂梁， 裂隙带岩层砌体梁结构。老顶往往断裂在煤壁之内。-剪切力为零点在煤壁内，对应弯矩最大点

11、。老顶在采空区受剪力时；老顶上位岩层对老顶施加力时；老顶的断裂性质不变，而且位置更深入煤体内。冒顶机理及预防措施50年代木支柱可缩量小、支护密度小，来压时易被折断，导致压垮型冒顶。6080年代摩擦支柱工作阻力大，可缩量大，适应顶板下沉，来压事故大大降低。90年代液压支柱-工作阻力大，可缩量大，适应顶板下沉，阻力能与顶板抗衡，压垮型事故很少。1）压垮型冒顶的顶板条件（1）直接顶薄，厚度小于采高的23倍。（2）直接顶上面老顶分层厚度小于56m。2）冒顶的前兆这种冒顶只有来压时发生，故老顶来压预兆就是冒顶征兆。（1）煤壁片帮。（2）顶板下沉速度急剧增加。（3）支柱载荷急剧增加。（4）靠煤壁顶板断裂。

12、（5）靠煤壁顶板掉渣。（6）摩擦支柱放炮。3）冒顶的机理（1）垮落带老顶岩块压坏支架导致冒顶。垮落带老顶岩块全部重量均由采场支架承受，若支架支撑力不够，就会压坏支架而冒顶。（2）垮落带老顶岩块冲击压坏支架导致冒顶。初撑力不足，垮落带离层老顶岩块冲击采场支架，冲击压坏支架而冒顶。（3）裂隙带老顶压坏采场支架导致冒顶。裂隙带老顶断裂、下沉、旋转、触矸时，若支架的可缩量不足，可能压坏支架导致冒顶。当存在平行煤壁的断层、长度大于5m时，因下位裂隙带老顶分层转化为垮落带，故有较大的垮落带老顶来压。4）预防冒顶的措施预防来压的压垮型冒顶措施：（1）采场支架的支撑力应能平衡垮落带直接顶及老顶岩层的重量。（2

13、）采场支架的初撑力应能保证直接顶与老顶之间不离层。（3）采场支架的可缩量应能满足裂隙带老顶下沉的要求。注意： 超前工作面20m范围内的两端巷道，因受工作面前方支承压力的作用，受压大。为防止压坏支架，应加强支护。（1）超前10m内，用双中心柱。（2）超前1020m内，用单中心柱。3 漏冒型冒顶的机理及预防措施1）发生的条件：直接顶板软弱破碎。2）防治对策：护采用各种方法将顶板护好。综采面：选用掩护式或支撑掩护式支架。单体面：支柱加顶梁，顶梁上加背板，甚至背严。支柱柱距小于0.7m。漏冒型冒顶包括：大面积漏垮型冒顶，靠煤壁附近局部冒顶，采场两端局部冒顶，以及放顶线附近局部冒顶。1. 大面积漏垮型冒

14、顶条件：直接顶异常破碎；煤层倾角较大。冒顶机理：支护系统中若某处失效发生局部冒顶，破碎顶板就可能从该处沿工作面向上全部漏空，使支架失稳，漏垮工作面。3）预防措施使支护系统有足够的支撑力与可缩量。顶板必须背严背实、梁头顶紧煤壁，采煤后及时支护、甚至要掏梁窝。严防放炮、移溜等工序弄倒支架发生冒顶。2.靠煤壁附近局部冒顶1) 原因： I.顶板由于被裂隙切割，存在镶嵌型游离岩块。 II. 端面距过大。 III. 放炮崩倒支柱。2)预防措施控制端面距综采面： 及时支护，端面距不大于340mm； 采高大于2.53.0m时，加护帮装置，必要时，固结碎顶。单体面： 端面距不超过200mm； 采用正悬臂交错顶梁

15、，正倒悬臂错梁直线柱支护。I.控制端面距单体面：基本顶梁加短顶梁。I.控制端面距单体面：铰接顶梁加长钢梁抬棚， 金属网下用II型长钢梁对棚迈步支架等。II. 严防放炮崩倒靠煤帮的支柱。. 提高支柱初撑力，使端面冒高不超过200mm。3.采场两端局部冒顶（单体面）1）机头机尾处原因：因移溜时支护操作不当（先拆后支），导致碎顶冒落。措施：用“四对八梁”支护 或用双楔铰接顶梁支护2）采场两端局部冒顶工作面与巷道交接处原因：交接处需去掉原巷道支架一个腿，如果支护操作不当，可导致碎顶冒落。措施：交接处宜用一对迈步抬棚。说明：有的采场利用“四对八梁”中的一对。综采面未用端头支架时，也应如此。4.放顶线附近

16、的局部冒顶（单体面）原因：人工回柱时，顶板冒落伤人。特别是分段回柱回最后一棵柱时。措施： 应在有支护的地点远距离操作后采用墩柱支护。4 推垮型冒顶的机理及预防措施1. 发生条件： 1）煤层倾角在20以上。 2）网上是悬浮顶板。上下分层切眼垂直布置时，开切眼附近，松散冒矸上有三角形空隙存在。一、金属网下推垮型冒顶倾斜分层下行垮落金属网假顶走向长壁法当下分层切眼内错布置，或垂直布置，但工作面已过三角形空隙区。松散顶板因支柱初撑力小，没有顶紧，转化为悬浮顶板。2. 冒顶机理：专门的实验研究表明，网下推垮分两个阶段。1）形成网兜。原因是工作面内某位置的支护失效。当支架稳定性好时，不会推垮。2）推垮工作

17、面原因是网上碎矸与上位岩层之间有空隙，支架不稳定，网兜向下拉力拉倒支架，造成推垮型冒顶。3 . 预防措施： 提高初撑力，增加支架稳定性。1）单体液压支柱工作面采用内错式布置切眼，提高支柱的初撑力，避免形成网上空隙，严防支护失效。当垂直布置切眼时，初放阶段用“整体支架”（沿走向与倾斜将单体支柱联成整体）。2）摩擦支柱工作面采用“整体支架”支护。3）内错式布置切眼时，初放前要剪网，保证将金属网放到底板。二、采空区冒矸冲入采场的推垮型冒顶1. 发生条件：煤层之上直接就是石灰岩等坚硬岩层。2. 发生机理：当顶板呈大块在采空区垮落时，可能顺着已垮落的矸石堆冲入采场，推倒采场支架（从柱根推倒），导致事故。

18、3. 预防措施 （1）用切断墩柱的初撑力切断顶板（减小冒落顶板的块度），并将冒矸挡在采空区。（2）当顶板分层过厚切不断时，用挑顶法，使冒矸超过采高。4. 急倾斜工作面，如密集支柱初撑力不足，稳定性不好，采空区矸石也可能冲倒支架，造成事故。5 综合类型冒顶的机理及预防措施一、厚层难冒顶板1. 发生条件：1）顶板为整体厚层硬岩层。2）悬露几千、几万、甚至十几万平方米才冒落。2. 冒顶机理：顶板大面积悬顶，形成大面积冒顶。认为1）岩体在自重作用下，拉断形成小裂缝，然后裂缝贯穿，发生大断裂，导致冒顶。2）煤柱上的顶板岩层内产生强大的切应力，顶板被切断，导致冒顶。3. 预防措施：1）用挑（钻爆法或高压注

19、水）松散碎裂23倍采高顶板（包括直接顶在内）。把“挑”的部分看成是垮落带岩层，即可按常规法防压、漏、推。综采面：一般应超前工作面碎裂。单体面：可超前，亦可在采空区进行。考虑到冒矸块度大，放顶线上支柱应有足够的支撑力与稳定性，条件允许时用墩柱。2）若有可能（即厚层顶板分层不太厚），挑顶一部分，令剩余部分（剩余厚度小于56m）转变为裂隙带老顶。开采煤层群时，下层煤顶板软而上层煤顶板是厚层难冒顶板时，先采下层煤。二、地质破坏（断层）带附近1. 单体支柱工作面1）断层附近顶板压力大，（垮落带范围扩大），破碎、支护不好时，易发生压垮或漏冒型冒顶。2）当碎顶沿倾斜断层面移动时，易推倒支架，导致推垮型冒顶。

20、3）因而，在断层带附近应增大支护密度，提高支柱初撑力（甚至用木垛），以加强支护，护好碎顶，并用戗棚、戗柱，增加支架稳定性。2. 综采面1）支架若有较大富裕阻力，可照常推进。2）若无，应让工作面与断层斜交、或挑顶。三、大块游离顶板导致的冒顶 由于地质构造（如断层、裂隙、层理、尖灭等）、旧巷、以及采动等原因，造成煤层直接顶板中存在大块游离顶板。它们上面与再上岩层粘结力很小或不粘结甚至离层、四周与原岩层断开、下面为采空空间。大块游离顶板尺寸有大有小，岩性有硬有软，在一定条件下会导致或大或小的冒顶事故。 大块游离顶板导致的冒顶事故包括：复合顶板推垮型冒顶，冲击推垮型冒顶，大块游离顶板旋转推垮型冒顶，以及直接顶导致的压垮型冒顶。三、大块游离顶板导致的冒顶1. 原因 1）地质构造：断层（超过5m 长的平行工作面的断层，往往会出现游离岩块）。 2）旧巷：其上直接顶往往已断碎。 3）采动：支架初撑力小，导致直接顶板沿煤壁断裂。2. 可能导致的顶板事故1）当游离岩块处在工作面中，厚0.53.0m，而沿岩块倾斜下方又有让岩块向下运动的空间时，岩块可能推倒单体支架，导致“复合顶板”推垮型冒顶。在综采面可能导致倒架。2）当游离岩块又与上位岩层离层，在上位岩层向下活动时，可能导致冲击推垮型冒顶。3）当游离岩块移向放顶线，