第二章矿井围岩控制与监测

第二章矿井围岩控制与监测第1页，课件共66页，创作于2023年2月第一节顶板事故分类按冒顶的力源进行分类：

（1）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。（2）漏冒型：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。（3）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。（4）综合型：两种或三种综合出现。2023/9/162第2页，课件共66页，创作于2023年2月1.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。（主要发生在老顶来压时）2023/9/163第3页，课件共66页，创作于2023年2月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）采场两端（机头、机尾）的局部冒顶；（4）放顶线附近的局部冒顶。2023/9/164第4页，课件共66页，创作于2023年2月（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2023/9/165第5页，课件共66页，创作于2023年2月4.综合类型的冒顶（1）厚层难冒顶板导致的大面积冒顶。（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，以及直接顶导致的压垮型冒顶。2023/9/166第6页，课件共66页，创作于2023年2月预备知识：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。垮落步距一般为6~20m。2023/9/167第7页，课件共66页，创作于2023年2月如果直接顶厚度大于或等于2~3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。但老顶活动不明显。2023/9/168第8页，课件共66页，创作于2023年2月如果直接顶厚度小于2~3倍的采高，开始时老顶呈双固支梁状态，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。2023/9/169第9页，课件共66页，创作于2023年2月当老顶岩梁达到极限跨距时，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。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20~35m。2023/9/1610第10页，课件共66页，创作于2023年2月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1/2~1/4。4.老顶来压的两个问题：2023/9/1611第11页，课件共66页，创作于2023年2月（1）当初撑力较低时，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。）2023/9/1612第12页，课件共66页，创作于2023年2月当老顶在采空区受剪力时；当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。（2）老顶，若位于垮落带中，则在采空区中多以悬臂梁状态存在；若在裂隙带中，则以砌体梁结构存在。2023/9/1613第13页，课件共66页，创作于2023年2月1.冒顶机理及预防措施①上世纪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。②上世纪60~80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。③上世纪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。采场支护与压垮型冒顶关系：第二节压垮型冒顶的机理及预防措施2023/9/1614第14页，课件共66页，创作于2023年2月（1）直接顶薄，厚度小于采高的2~3倍。（2）直接顶上面老顶分层厚度小于5~6m。压垮型冒顶的顶板条件：冒顶的前兆：（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。（5）靠煤壁顶板掉渣。（6）摩擦支柱放炮。2023/9/1615第15页，课件共66页，创作于2023年2月冒顶的机理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，就会压坏而冒顶。（1）垮落带老顶岩块压坏支架导致冒顶。2023/9/1616第16页，课件共66页，创作于2023年2月（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，冲击压坏而冒顶。2023/9/1617第17页，课件共66页，创作于2023年2月（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，可能压坏导致冒顶。2023/9/1618第18页，课件共66页，创作于2023年2月2.预防冒顶的措施:（1）支架支撑力应能平衡垮落带直接顶及老顶岩层重量。（2）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。2023/9/1619第19页，课件共66页，创作于2023年2月注意：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10~20m内，用单中心柱。2023/9/1620第20页，课件共66页，创作于2023年2月第三节漏冒型冒顶的机理及预防措施发生的条件：直接顶板软弱破碎。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。2023/9/1621第21页，课件共66页，创作于2023年2月漏冒型冒顶包括：（1）大面积漏垮型冒顶，（2）靠煤壁附近局部冒顶，（3）采场两端局部冒顶，（4）放顶线附近局部冒顶。2023/9/1622第22页，课件共66页，创作于2023年2月1.大面积漏垮型冒顶条件：①直接顶异常破碎；②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。2023/9/1623第23页，课件共66页，创作于2023年2月预防措施（1）使支护系统有足够的支撑力与可缩量。（2）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。（3）严防放炮、移溜等工序弄倒支架发生冒顶。2023/9/1624第24页，课件共66页，创作于2023年2月2.靠煤壁附近局部冒顶（1）顶板由于被裂隙切割，存在镶嵌型游离岩块。（2）端面距过大。（3）放炮崩倒支柱。原因：2023/9/1625第25页，课件共66页，创作于2023年2月预防措施：（控制端面距）（1）综采面：提高初撑力控制端面冒高；及时支护方式，控制端面距；采高大于2.5~3.0m时，加护帮装置，避免端面距扩大；控制顶板（如固结碎顶）。2023/9/1626第26页，课件共66页，创作于2023年2月预防措施：（控制端面距）（2）单体面：及时支护，端面距不超过200mm。采用正悬臂交错顶梁，正倒悬臂错梁直线柱支护。2023/9/1627第27页，课件共66页，创作于2023年2月控制端面距单体面：基本顶梁加短顶梁。2023/9/1628第28页，课件共66页，创作于2023年2月I.控制端面距单体面：铰接顶梁加长钢梁，金属网下用∏型长钢梁对棚迈步支架等。II.严防放炮崩倒靠煤帮的支柱2023/9/1629第29页，课件共66页，创作于2023年2月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2023/9/1630第30页，课件共66页，创作于2023年2月措施：交接处宜用一对迈步抬棚。说明：①有的采场利用“四对八梁”中的一对。②综采面未用端头支架时，也应如此。①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。（2）工作面与巷道交叉处2023/9/1631第31页，课件共66页，创作于2023年2月4.放顶线附近的局部冒顶（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。2023/9/1632第32页，课件共66页，创作于2023年2月第四节推垮型冒顶的机理及预防措施1）煤层倾角在20°以上。2）网上是悬浮顶板。岩层间有空1.金属网下推垮型冒顶发生条件：2023/9/1633第33页，课件共66页，创作于2023年2月①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。2023/9/1634第34页，课件共66页，创作于2023年2月②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。2023/9/1635第35页，课件共66页，创作于2023年2月冒顶特点：多数发生在初次放顶前后；多数是无征兆的；推垮前支柱受力一般不大；推垮后支柱没有折损，多数沿倾斜方向倒；推垮后上位断裂了的硬岩大块大面积悬露；速度快；容易在回柱时发生；多数工作面采用摩擦支柱。2023/9/1636第36页，课件共66页，创作于2023年2月冒顶机理：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。2023/9/1637第37页，课件共66页，创作于2023年2月2）推垮工作面。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。2023/9/1638第38页，课件共66页，创作于2023年2月1）单体液压支柱工作面。①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。②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。4）采用伪斜布置工作面。预防措施：提高初撑力，增加支架稳定性。2023/9/1639第39页，课件共66页，创作于2023年2月2.采空区冒矸冲入采场的推垮型冒顶煤层之上直接就是石灰岩等坚硬岩层。发生条件：2023/9/1640第40页，课件共66页，创作于2023年2月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。发生机理：2023/9/1641第41页，课件共66页，创作于2023年2月（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。预防措施急倾斜工作面：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。2023/9/1642第42页，课件共66页，创作于2023年2月第五节综合类型冒顶的机理及预防措施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。1.厚层难冒顶板发生条件：2023/9/1643第43页，课件共66页，创作于2023年2月两种观点：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。切断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。剪断冒顶机理：2023/9/1644第44页，课件共66页，创作于2023年2月预防措施：1）用挑（钻爆法或高压注水）松散碎裂2~3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：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，令剩余部分转变为裂隙带老顶。2023/9/1645第45页，课件共66页，创作于2023年2月2.地质破坏（断层）带附近断层褶皱2023/9/1646第46页，课件共66页，创作于2023年2月

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3H地表地层应力状态2023/9/1647第47页，课件共66页，创作于2023年2月水平应力与巷道2023/9/1648第48页，课件共66页，创作于2023年2月垂直应力(Brown&Hoek,1978)开采深度岩层因自重引起的垂直应力随深度增加呈线性增大。2023/9/1649第49页，课件共66页，创作于2023年2月水平应力水平应力与垂直应力之比(Brown&Hoek,1978)开采深度埋深≤1000m，水平应力与垂直应力的比值大约为1.5-5.0埋深≥1000m，水平应力与垂直应力的比值逐渐趋于集中，约为0.5-2.02023/9/1650第50页，课件共66页，创作于2023年2月开采深度平均水平应力与垂直应力之比我国地应力测量结果2023/9/1651第51页，课件共66页，创作于2023年2月（1）单体支柱工作面：断层附近顶板压力大，（垮落带范围扩大），破碎、支护不好时，易发生压或漏冒型冒顶。当碎顶沿倾斜断层面移动时，易推倒支架，导致推垮型冒顶。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。2023/9/1652第52页，课件共66页，创作于2023年2月（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。2023/9/1653第53页，课件共66页，创作于2023年2月3.大块游离顶板导致的冒顶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。原因：2023/9/1654第54页，课件共66页，创作于2023年2月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。可能导致的顶板事故2023/9/1655第55页，课件共66页，创作于2023年2月离层型顶板下软上硬厚度在0.5-3.0m之间。复合顶板的概念2023/9/1656第56页，课件共66页，创作于2023年2月（1）当游离岩块处在工作面中，厚0.5~3.0m，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。机理：离层（支柱初撑力小）、断裂、去路和倾角、推力大于阻力。2023/9/1657第57页，课件共66页，创作于2023年2月（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。2023/9/1658第58页，课件共66页，创作于2023年2月（3）当游离岩块移向放顶线，在回柱放顶时，可能导致旋转推垮型冒顶2023/9/1659第59页，课件共66页，创作于2023年2月（4）当在工作面中部游离岩块厚度很大时（超过2~3倍采高），可能发生直接顶导致的压垮型冒顶。2023/9/1660第60页，课件共66页，创作于2023年2月预防措施：（1）尽量避免出现游离岩块①提高支架或支柱的初撑力，使下位顶板不离层，并不沿煤壁断裂。②不在计划的工作面范围内开巷道。2023/9/16