煤矿顶板管理与应用

1、煤矿顶板管理与应用一、矿山压力与顶板管理基本理论1、 岩石的物理性质 岩石的空隙性、碎胀性、软化性。2、岩石的力学性质a、岩石的变形性质岩石受力后同时出现弹性变形和塑性变形。（有“记忆材料”之说）脆性岩石、塑性岩石。b.岩石的强度 试验研究结果表明： 三向等压抗压强度三向不等压抗压强度双向抗压强度单向抗压强度抗剪强度抗弯强度单向抗拉强度。RC=5- 38倍Rt ； RC=2-15倍岩石的抗破坏能力与受力状态有关。3.岩体的概念地下工程空间周围地层围岩的总体称为岩体。 岩体的强度取决于其内部结构面（或弱面）的分布和强度。岩体的强度总体上低于岩石 (岩块)的强度。工程上将岩体视为由结构体和结构面组

2、成。二、 开采后引起的采场矿山压力1、原岩应力a.自重应力式中: = Hb.构造应力 水平力为主;力的方向变化大.c、地下水压力d、气体压力e、地温引起的压力 矿山压力：由开采工作所引起的，在巷道和回采工作面周围岩体内和支架上的力。 围岩压力：由围岩变形引起的作用于巷道及回采工作空间内支护物上的力，有时称为围岩压力。 2、矿山压力 矿山压力显现：由于矿山压力的作用，引起了一系列的自然现象。三、采场矿山压力的一般规律1、直接顶初次垮落直接顶初次垮落时的跨距叫初次垮落步距。2、老顶初次来压 老顶(基本顶)岩层第一次失稳垮落引起的采面压力的变化-老顶初次来压3、 周期来压 开采引起的由于老顶岩层周期

3、性失稳而引起的矿山压力现象称为工作面顶板的周期来压。5、 上覆岩层的运动破坏 初次来压后，采空区上方的岩层一般都产生移动，形成冒落带、裂隙带及弯曲下沉带。 沿工作面推进方向分为煤璧支撑影响区、离层区及重新压实区。三、回答问题: 如何防止回采工作面顶板事故?结合本矿实际,如何防止回采工作面顶板事故?结合本矿实际,简述如何防止煤矿顶板事故?1、本矿实际：矿井巷道和回采工作面顶板顶板情况、支护材料、支护方式、来压情况等；2、采面3个大面积顶板事故发生时期的规律。提前采取加强支护的有效措施；3、针对不同类型的顶板条件进行有效的支护设计4、科学的支护设计 支护材料、支护方式、支护强度5、提高支护设计的有

4、效性 加强现场管理、严格执行作业规程； 确保每根支柱的支设质量，提高支柱工作的初撑力，减小顶板大量下沉，确保支护效果； 按照标准化建设，加强班组在支护工序质量的监督管理。6、结合不同类型的顶板事故发生的原因，有目的和有针对性的采取加强支护的措施。四、采面顶板分类、直接顶分类 按稳定性不同，将直接顶分为四类： 不稳定顶板、中等稳定顶板、稳定顶板、坚硬顶板 分类指标： (1)强度指标D=10*Rc *C1* C2 。 (2)直接顶初次垮落步距分类指标： Km=直接顶厚度/采高 初次来压步距L通常情况： Km越大，则来压越不明显； Km越小，则来压越明显； 初次来压步距越小，来压越不明显；初次来压步

5、距越大，来压越明显。级：来压不明显 级：来压明显 级：来压强烈 级：来压极强烈 、老顶分级、底板岩层分类主要根据底板岩层的软硬和易破坏程度，将底板岩层分为五类： 类（极软类） 类（松软类 ） 类（较软类） 类（中硬类） 类（坚硬类）四川煤矿区所采煤层的底板岩层相对较软。上覆岩层运动的基本理论-“关键层理论” 冒落带岩层以上的裂隙带下位岩层中存在着对回采工作面支护有重大影响的关键层岩层，由于不同的岩层条件，还将在其上部存在次关键层、第二次关键层岩层。次关键层的运动则对于整个裂隙带岩层的运动破坏以及地表沉陷程度等，在时间、空间上都有一定的控制作用。 不同的埋藏条件、开采条件和采煤方法等，都直接影响

6、关键层和各个的次关键层的位置和运动状态。、回采工作面采空区处理方法：五、顶板管理5.1 支护材料 采面：木材、金属（刚性、可缩性 ）、液压（单体液压柱、自移式支架）。 巷道：木棚子、砼棚子、金属棚子（可缩、刚性）、锚杆支护、锚喷支护、“锚网索”支护等。5.2 支柱工作特性 刚性、急增阻式、微增阻式、恒阻式5.3 回采工作面对采场支架的基本要求：要有足够的支撑力；支架要有一定的可缩量，以适应顶板的下沉规律；支架要维护直接顶的完整稳定性支架有较好的结构稳定性，以适应顶板压力的方向变化。支架布置方式 单体支柱采面支柱布置 目前普采面支架布置方式主要有齐梁直线柱和错梁直线柱两种： 工作面的特种支架形式

7、不同顶板条件下的支护方式 a、不稳定类的直接顶板 支护工作重点为“护顶”、及时支护、控顶距不宜大；b、稳定类以及坚硬顶板支护工作重点为“支撑”、及时支护、控顶距不宜太小；5.6 支护强度设计a、估算法：单位面积的支护强度为48倍采高的岩石重量。 P=（ 48）M 为岩石容重b、实测法： 在现有回采工作面上进行矿压实测，测定出开采同一煤层时的初次来压和周期来压的规律以及来压时期的支柱最大压力、平均压力等，作为新工作面的支护设计依据。5.7 极薄煤层开采要求 1） 工作面采用壁式采煤方法，采面支护后空间净高不得低于； 2）采区同一翼的同一煤层内，禁止布置两个以上回采工作面； 3）炮采工作面长度不得

8、大于80m；机采工作面长度不得大于100m；六、 顶板事故防治6.1 采场顶板事故分类 采场顶板事故按原因可分为压垮型、漏冒型与推垮型三大类。 压垮型冒顶是支架支撑阻力不够导致的冒顶； 漏垮型冒顶是护顶效果差导致的冒顶； 推垮型冒顶是采场支架稳定性差导致的冒顶。 此外，还可能出现综合类型的冒顶。压垮型冒顶：原因 条件：顶板、底板 主要时间：来压、非来压漏垮型冒顶：原因 条件：顶板、底板 主要时间：来压、非来压推垮型冒顶：原因 条件：顶板、底板 主要时间：来压、非来压6.2 工作面冒顶事故的基本规律工作冒顶基本规律有以下几点。1）顶板类型 发生冒顶工作面的顶板类型往往是两头大，中间小，较软的(破

9、碎或不稳定顶板)和硬的(坚硬顶板和部分稳定顶板)顶板事故多，约占全部工作面顶板事故的70 80%。 破碎顶板事故特点是“零打碎敲”，一次事故伤亡人数虽少，但频繁发生，较难预防。它约占工作面顶板事故65%75%， 坚硬顶板事故特点是大面积冒落，往往造成一次死亡3人以上的重大恶性事故 2）冒顶地点 发生冒顶地点来看，煤壁线、切顶线和工作面端头的事故较多。 煤壁线附近，即在无支柱空间内的事故约占40%70%； 放顶线附近事故约占1530%； 放顶线附近事故约占1530%。 3）支护形式与支护机械化程度 从木支柱和金属支柱的支护形式看，木柱帽的事故最多。 以木支柱工作面每采百万吨煤死亡率为100%计算

10、，则摩擦支柱，木柱帽工作面为90%,摩擦支柱铰接顶梁工作面为40%。支护机械化程度，与顶板事故关系极大。 摩擦支柱工作面顶板事故比综采工作面高69倍，比单体液压支柱工作面高24倍。 采面顶板事故率随支护形式的改进和支护机械化程度的提高而降低。 4）矿压 冒顶事故多发生在顶板来压期间，约占顶板事故总数的60%70%，尤其是直接顶相老顶初次垮落时事故较多。 据实测资料整理，大多数工作面老顶来压时的动载系数为，坚硬顶板条件下高达23。 来压时煤壁片帮，顶板拉槽，无支柱空间局部漏顶和冒顶增多，顶板坚硬时往往大面积断裂台阶下沉骤增，从而多数造成推垮型事故。 5） 煤层条件 煤层倾角超过25后，支架(柱)

11、的稳定性差，顶板事故多。 煤层厚度或采高大于时。容易发生片帮冒顶。 具有复合顶板结构的煤层顶板事故较多，且预兆不明显。 厚煤层全部陷落法的下分层开采和单一煤层的仰斜推进开采也具有顶板事故较多的趋向。 6）回采工序 在工作面各项工序中，回柱放顶时发生的事故较多，约占30%50%。 7） 地质构造 地质构造如断层、褶曲、无炭柱等往往使顶板变得破碎。 地质构造区内顶、底板起伏变化容易使煤璧片帮或采空区冒落肝石推倒支架，有时断层带附近也可能整块顶板失稳而推倒支架造成冒顶。顶板十分坚硬难冒，但也会造成事故发生。 6.3.复合顶板的概念 由软、硬薄岩层互层的直接顶就是复合顶板。 这里的软岩层与硬岩层只是一

12、个形象的说法，实际是指:采动后下部岩层或因岩石强度低，或因分层薄，其挠度比上部岩层大，向下弯曲得多，而上下岩层间又没有多大的粘结力，因此下部岩层与上部岩层形成离层；从外表看，似平下部岩层较软，上部岩层较硬。6.4 压垮型冒顶的机理及预防1) 老顶来压时的压垮型冒顶a.顶板条件： 当煤层上面有老顶、直接顶厚度又较小时，会因老顶来压时可能发生压垮型冒顶。 老顶来压分为断裂下沉和台阶下沉两个阶段，这两个阶段都有可能发生压垮型冒顶。b. 预防措施 合理设计采场支柱，使支柱具有足够的支撑力和可缩量。 要进行顶板断层情况的预测预报。 当老顶来压比较强烈时，要选用可缩量较大的支柱，并加强后排支柱的支撑强度。

13、 遇断层时，要加强该段工作面的支护，不得正常回柱，并扩大该段工作面的控顶距；如果工作面用的是金属支柱，还要用木支柱替换金属支柱，待断层进入采空区后再用绞车回柱。 2)直接顶导致的压垮型冒顶a.顶板条件 由于构造、采动等原因，使采场工作空间上方某部分直接顶与其周围岩体产生断裂，当这部分直接顶整体向下运动时，有可能造成压垮型冒顶事故。b.机理 这种类型压垮型冒顶的机理很简单，就是当与岩体脱离的直接顶垂直层面方向向下运动时，采场支架的支撑力不足，因而导致压垮型冒顶。 c.预防措施 a)采场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就能平衡直接顶或垮落带的岩重

14、，以避免直接顶或垮落带离层； b)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； c)在构造或采动破坏严重的区域进行工作面收作时，除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。6.6 漏垮型冒顶的机理及预防1）大面积漏垮型冒顶a.顶板条件当直接顶异常破碎，而煤层倾角又比较大时，可能发生大面积漏垮型冒顶。c.预防措施 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)严防放炮、移输送机等工序推倒支架，防止出现局部冒顶。2）局部漏冒型冒顶局部漏冒型冒顶主要有以下几种。a.靠煤帮附近的

15、漏冒预防靠煤帮附近局部漏冒的主要措施有:1)提高第一排支柱的初撑力，以减小机道上方直接顶板的下沉量； 2)采用能及时支护悬露顶板并能减小端面距的支架，例如采用错梁直线柱支架、沿工作面铰接顶梁与盯型长钢梁交替配合支架、n型长钢梁对栅迈步支架，以及铰接顶梁在机道上方配合短顶梁支架； 3)炮采时，炮眼布置及装药量应合理，尽量避免崩倒支架； 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。b.工作面两端的漏冒 工作面两端的漏冒，包括输送机机头机尾处局部漏冒，也包括与工作面相接的一段巷道中的局部漏冒。 工作面两端，经常要进行机头机尾的移置工作。机头机尾处一般是架

16、设抬棚支护，移置机头机尾时需拆除抬栅下的支柱，如果造成直接顶下沉，就可能导致破碎顶板或孤立岩块冒落。 为预防与工作面相接的这一段巷道发生漏冒事故: 1)巷道与工作面出口相接的一侧要架设一对长梁抬棚，托住原巷道支架的梁头，这一对抬棚也是迈步前移；而且与工作面第一架抬栅梁距不应超过； 2)距工作面煤壁lOm范围内的巷道，要对巷道支架加设双中柱；距工作面煤壁102Om范围内的巷道，要对巷道支架加设单中心柱。这类措施，当然也包含用于预防压垮型冒顶。c.放顶线附近的漏冒 放顶线上支柱受力不是均匀的，人工回拆受力较大的柱子时，往往柱子一倒下，顶板随即垮落，如果回柱工人来不及退到安全地点躲避，就可能造成人身

17、事故。这种情况在分段回柱回拆最后一两根支柱时尤其容易发生。 预防放顶线附近的漏冒，不在于护住顶板不让垮落，而在于保证回柱工人不因放顶工作而造成人身事故。如果工作面用的是摩擦支柱，可以在这些柱子的上下各支一根木支柱作为替柱，然后回拆摩擦支柱，最后用绞车回木替柱。 d.地质破坏带附近的漏冒 地质破坏带顶板往往较破碎，容易造成漏冒，因此要特别加强支护。不仅该地段的支柱密度要增大，而且要视顶板破碎的程度加强护顶工作。 三、复合顶板推垮型冒顶的机理及预防 1.复合顶板的概念由软、硬薄岩层互层的直接顶就是复合顶板。 这里的软岩层与硬岩层只是一个形象的说法，实际是指:采动后下部岩层或因岩石强度低，或因分层薄

18、，其挠度比上部岩层大，向下弯曲得多，而上下岩层间又没有多大的粘结力，因此下部岩层与上部岩层形成离层；从外表看，似平下部岩层较软，上部岩层较硬。 3.复合顶板推垮型冒顶的特点 1)冒顶前采场顶板压力不大，支架没有压缩变形及损坏； 2)多数情况下，冒顶前采场顶板已沿煤帮断裂； 3)冒顶后支柱只是倾倒，多数是沿煤层倾斜方向向下倾倒，也有向采空区倾倒的； 4)冒顶后上部硬岩层大面积悬露不垮，个别情况是垮落几个大块；阶冒顶在任何工序都可能发生，但多数是发生在回柱放顶过程；6)冒顶多发生在开切眼附近；7)多数情况是冒顶前没有明显征兆，推垮发生时速度快来势猛，有时推垮前有征兆，能发现靠采空区支柱向下倾斜，沿

19、煤帮及采空区边顶板掉碴，因而来得及撤人。 4.采场中容易发生复合顶板推垮型冒顶的地点 1)开切眼附近。在这个区域，顶板上部硬岩层两侧都有煤体支撑，不容易下沉，这就给下部软岩层的下沉离层创造了有利条件。 2)地质破坏带 (断层，裂隙等)附近。在这些地点，顶板下部软岩层容易形成六面体。 3)尖灭构造附近。采场顶板存在尖灭构造，既容易形成六面体，又可能给六面体以去路。 4)旧巷 (走向的或倾斜的)附近。由于旧巷顶板已破坏，增加了在顶板岩层中形成六面体的可能性。 5)掘进工作面上下平巷时破坏了复合顶板的地点。 6)局部漏冒区附近。这些地点也存在增加形成六面体的可能性与提供去路等问题。 7)倾角大的地段

20、。在这些地段，由重力作用而令六面体沿倾斜下推的力增大。 8)顶板淋水地段。这些地段因有水导致岩块间摩擦系数减小，总阻力将大为减小。 9)煤底或软底地段。这些地段支柱容易钻底，导致软硬岩层离层。 5.预防复合顶板推垮型冒顶的措施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 (1)有条件时，用掩护式或支撑掩护式支架代替单体支架。 (2)采用“整体支架”3)消除形成复合顶板推垮的条件(1)应用俯斜长壁工作面或应用伪俯斜工作面 ;(2)掘进上下平巷及开切眼时尽可能不破坏复合顶板;(3)工作面初采时不要反推。在反推范围初次放顶时，极容易在原开切眼处诱发推垮型冒顶。(4)控制采高，使

21、软岩层垮落后能超过采高。 (5)灵活地应用戗柱戗棚，使它们迎着六面体可能推移的方向。(6)在开切眼附近控顶区内，系统地布置树脂锚杆。这个措施是把下位软岩层与上位硬岩层锚在一起而预防推垮型冒顶。4、其他类型推垮型冒顶的机理及预防(1)大块孤立直接顶板旋转推垮型冒顶预防大范围孤立顶板或孤立岩块旋转推垮型冒顶的措施有:1)提高工作面支架的初撑力和稳定性，尤其是后排支架的初撑力和稳定性；2)加强地质及采场观测工作，判断孤立顶板或孤立岩块的范围； 3)在切顶线应用墩柱或特种支柱切顶。 （2）冲击推垮型冒顶冲击推垮型冒顶又叫砸垮型冒顶。当煤层顶板的下位岩层容易离层时，可能发生冲击推垮型冒顶 预防冲击推垮型

22、冒顶的主要措施有下列两点:1)提高支柱的初撑力及支护系统刚度，避免下位岩层离层；2)提高支护系统的稳定性，尤其是后排支护的稳定性，避免被推垮；在放顶线应用墩柱或特种支柱就是一个很好的办法 （三）采空区冒矸冲入采场推垮型冒顶 如果煤层之上直接就是石灰岩等较坚硬岩层，当其呈大块在采空区垮落时，可能顺着己垮落的矸石堆，冲入采场，推倒采场支架(从根部推倒支柱而不是从顶部)，从而导致推垮型冒顶。预防这种类型冒顶事故的主要措施有如下:1)用挑顶等办法使采空区小块冒矸超过采高，从而使大块冒矸无法冲入采场；2)提高墩柱或特种支柱的初撑力及稳定性；3)用墩柱或特种支柱切断顶板，一方面减小冒矸面积，一方面阻挡冒矸

23、使其不得冲入采场。 急斜煤层工作面应用走向密集支柱时，如果支柱初撑力不足、稳定性不好，采空区冒矸也可能冲倒密集支柱及采场支架，冲入采场，造成顶板事故 。七、采场顶板事故的处理1、顶板事故处理的一般原则 处理顶板事故的首要任务，是抢救遇难人员及恢复通风等。 其次，在抢救中，必须时刻注意救护人员的安全。如果觉察到有再次冒顶危险时，应首先加强支护，准备好安全退路。 在冒落区工作时，要派专人观察周围顶板变化，注意检查瓦斯及其它有害气体情况。 再根据岩层冒落高度、冒落岩块、冒顶位置相范围大小以及围岩破碎相矿压等情况，采取不同的抢救方法。 2、采场冒顶事故的处理 采煤工作面冒顶的处理方法应根据冒顶区岩层冒

24、落的高度、冒落岩石的块度、冒顶的位置和冒顶影响范围的大小来决定。同时，还要根据煤层厚度、采煤方法等，采取相应的处理措施。 （1）采场局部小冒顶的处理方法 （2）采场局部局顶范围较大的处理方法1.伪顶冒落，直接顶没有冒落 2.直接顶冒落（3）采场大冒顶的处理方法1.恢复工作面的方法处理冒顶2.开补巷绕过冒顶区 3.分层假顶下冒顶处理方法八、巷道冒顶事故的预防及处理1、影响巷道冒顶事故的主要因素影响巷道冒顶的因素很多；概括起来可分为两类:自然因素和开采技术因素。（一）自然因素1）.巷道围岩性质及其构造 一般说来；软弱岩石的强度低，巷道掘进时容易产生变形和破坏，如果支护形式和维护方法选用不当，就容易发生冒顶，但一般规模较小。 巷道围岩的构造特征也能影响巷道变形破坏性质及其规模的大小。 2）.开采深度 随着开采深度的增大，港道上覆岩层重量也增大。 随着开采深度增加岩石的温度也随之增加，温度升高促使岩石从脆性向塑性转化，易使巷道产生塑性变形。 3）.煤层