采场冒顶原因及控顶技术探讨

采场冒顶原因及控顶

技术探讨汇报提纲

一、采场冒顶原因分析

1、地质构造弱面造成冒落2、应力集中造成冒顶3、能量释放造成冒落4、“关键块体”造成冒落

5、地下水造成冒顶二、控顶技术探讨

1、矿柱控顶2、锚杆控顶

3、人工假顶控顶

4、超前切顶控顶

5、顶板光面爆破、水平压顶

6、强采、强充、快速作业

由于地质构造因素，矿岩层在形成的中、后期地质变化形成的弱面，对顶板稳定性有很大影响。有的弱面使顶板组合结构、岩性发生变化,有的弱面破坏顶板完整性，导致顶板强度降低，造成冒落。如层理、裂隙等构造发育时，小规模冒顶较频繁，极端情况下采场顶板会大面积冒落。由此形成的层理弱面，使顶板组合结构发生变化，其对岩体的破坏主要表现为岩石容易沿层理出现离层裂隙，使岩层与母体分离，造成顶板岩体强度降低，失去稳定性而离层冒落。

1地质构造弱面造成冒落一、采场冒顶原因分析

而且，水平层理比斜交波状层理顶板稳定性差；层理面平整光滑较粗糙不平的顶板稳定性差；岩石抗压强度相同时，岩层厚度越小的层理弱面，顶板越易失稳。裂隙形成的弱面，对顶板稳定影响也较明显。虽然顶板结构、岩性都没有改变，但顶板完整性受到破坏，强度与稳定性大大降低。节理裂隙形成的弱面尤其突出，在节理裂隙发育地带，顶板抗压强度较低，受压后极易破碎，若支护不当，常引起局部冒顶。1地质构造弱面造成冒落一、采场冒顶原因分析

地下采场开挖前，原岩应力处于自然平衡状态；开挖后，原岩自然平衡状态被扰动，使一定范围内的原岩应力状态发生变化,产生应力重分布。随着工作面的推进，每步回采都会使原岩应力改变其原有的分布状态而产生新应力场，其结果在采场顶板中产生应力集中。根据“自然平衡拱学说”,回采空间形成后，由于应力集中，顶板冒落拱范围内岩体的力系将失去原有平衡，顶板岩层必然出现弯曲、下沉，采场中央部位出现拉应力。当拉应力超过岩石抗拉强度时，顶板岩层将产生拉裂缝，加上时间效应，拉裂缝延伸扩大导致顶板冒落。2应力集中造成冒顶一、宝山现状简介一、采场冒顶原因分析一、采场冒顶原因分析在强大的自重应力和构造应力作用下，矿岩体的体积和形状均会发生变化，从而产生了弹性能聚积。俄国学者阿维尔申教授认为,矿岩体内的弹性能是由体积变化产生的体变弹性能Uv、形状变化产生的形变弹性能Uf和顶板弯曲下沉产生弯曲弹性能Uw组成,即式中:μ,E为岩层泊松比和弹性模量：γ,H为岩层容重及采深;q为作用在岩梁上的均布载荷;J为岩梁惯性矩;L为岩梁长度。从上式可见,能量的聚积是随采深、采空区面积,即悬顶长度的增加而增大。当围岩中的能量积聚到足够大时,所产生的应力超过了顶板矿岩体本身强度,则弹性能突然释放,使矿岩体猛烈破坏,或产生矿岩的弹射和突出等冲击矿压现象,在工作面或巷道中造成灾害。1.1矿区地质特征3能量释放造成冒顶U=Uv+Uf+Uw

(1)(1-2μ)(1+μ)222Uv=-μ)2γH

6E(1

(1+μ)(1-2μ)222Uf=-μ)2γH

3E(1

一、采场冒顶原因分析

坚硬和半坚硬地层中，岩体被结构面切割成各种类型的空间镶嵌块体。在自然状态下，这些空间块体处于静力平衡状态。工程开挖后，块体失去了原有的支承，使得临空面上的某些块体首先失去平衡，沿着结构面滑移、失稳。我们称之为“关键块体”。“关键块体”是采场顶板的薄弱环节，也是保持采场顶板整体稳定性的关键部分。当采场顶板某“关键块体”冒滑后，相邻块体得到了释放的机会,引起连锁反应产生一系列的冒滑，最终导致采场顶板失稳、冒落。4

“关键块体”造成冒落一、采场冒顶原因分析

当矿体围岩大部分为可溶性岩体时,受构造裂隙水和井下充填富余水的影响,围岩的物理力学性能减弱,导致采场顶板矿岩体的相互作用力下降,造成顶板冒落。5地下水造成冒顶一、采场冒顶原因分析1、矿柱控顶2、锚杆控顶3、人工假顶控顶4、超前切顶控顶5、顶板光面爆破、水平压顶6、强采、强充、快速作业二、控顶技术探讨

在采场中留适当矿柱,是房柱法和全面法采场控顶常用的方法。矿柱控顶作用分成拱形假说和覆岩总重假说。拱形假说是以松散体力学为理论基础,认为在上部覆岩的压力作用下,松散的岩石从开采的顶板向下冒落,形成自然平衡拱。作用在矿柱上的载荷,仅是冒落拱内岩块的重量,与开采空间埋藏深度无关。

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矿柱控顶二、控顶技术探讨覆岩总重假说认为,在水平和缓倾斜矿体中,开采空间承受的载荷P,是开采空间上部直达地表全部覆岩重量的总和(如图1),即:P=SHγ=bLHγ(2)式中,γ为覆岩容重。1-水平开采空间;2-圆形矿柱;H-开采深度;S2矿柱支撑的覆岩面积;P2作用在一个矿柱上的荷载图1覆岩总重假说示意图

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矿柱控顶二、采矿方法现状二、控顶技术探讨利用矿柱控顶时,必须根据采场跨度、面积、顶板安全状况,选择矿柱位置、数量及尺寸;其次,起爆矿柱周围矿石时,应注意保护矿柱。研究表明,为了矿柱不受破坏,其宽、高比至少应为20∶1;为了避免“基础破坏”,平均矿柱应力不应超过周围岩体单轴抗压强度的三倍。

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矿柱控顶二、控顶技术探讨在实际生产中,矿柱的主要作用是阻止矿柱上方危险岩块的冒落。对于那些顶板特别不稳固的地段留有适当的矿柱,可在一定程度上起理想控顶的作用。但是,由于矿柱自身也存在弱面构造,特别是开采深部矿体,地应力大,矿柱在拉应力和剪应力的共同作用下,将逐步进入塑性破坏阶段,给后期回采矿柱带来极大困难；且仅靠预留矿柱难以有效改善围岩的应力、位移、安全率和塑性区的分布状况,也就不能从根本上保证矿房顶板的安全；同时,大量预留矿柱还会造成资源的浪费。

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矿柱控顶二、控顶技术探讨

锚杆的作用是在采场顶板尚未发生较大离层之前施行锚固,使顶板形成具有较大刚度的整体,增加顶板抗剪作用,阻止和减少离层进一步发展,拉应力区的范围也有所减小,且能将拉应力从采场中央向采场两端转移,从而达到延缓采场顶板冒落的目的。在采场顶板上按一定网度布设锚杆形成锚杆群,其作用原理、可分为以下三点：2锚杆控顶二、控顶技术探讨

①悬吊作用(如图2a):在块裂结构岩体中,顶板往往会出现危险关键块体,可用锚杆群将其“悬吊”在稳固岩层上;②组合作用(如图2b):在层状岩体中，锚杆及连接螺栓,将薄岩层组成厚梁,增大其抗弯刚度和承压能力;③挤压加固作用(如图2c):在碎裂结构岩体中,以一定方式布置预应力锚杆群,各锚杆的预应力在锚杆两端产生一个锥形压缩区,并互相连接起来,两端锥形压缩区之间岩体受到挤压,形成一个挤压加固带,这个带内的岩体强度得以提高,整体性加强,好似一个承压拱,充分发挥围岩的自承作用。2锚杆控顶(a)悬吊作用(b)组合作用(c)挤压加固作用图2锚杆群的作用原理二、控顶技术探讨使用过程中，必须选择合理的锚杆长度，使锚固端锚固在稳固围岩上；确定合理的锚杆网度，达到最佳锚固效果；测定设计锚杆的锚固力，确保锚杆能够达到要求强度；同时，锚杆眼钻凿与锚杆安装也至关重要，直接影响到锚固的质量。对于角砾状破碎不稳固的矿体,锚杆支护可以通过合理的网度或与金属网联合作用达到提高顶板安全性的目的。但是,随顶板暴露面积的增大,锚杆支护效果随之减弱。对于破碎带厚度不大的采场顶板,锚杆支护是一项整体效果良好的控顶措施。但如果破碎带出现的厚度超过锚杆有效支护深度,锚杆支护也不能保证上盘顶板的稳定性。2锚杆控顶二、控顶技术探讨人工假顶是在暴露的顶板下人工构筑一个支护结构,假顶稳定性是假顶2支架系统的共同作用且与时空相关的复杂过程。人工假顶实质上是传统的支护形式,支架和假顶被动承受顶板上覆岩层的压力,对围岩无主动加固作用。3

人工假顶护顶二、采矿方法现状如果假顶与顶板围岩紧密接触,不允许顶板围岩发生自由变形,并且支护及时,则支架与假顶将承受顶板围岩变形所产生的变形压力,起到极积的控顶作用;如果假顶与顶板围岩之间有足够间隙,允许顶板自由变形,直至发生离层松脱,或支护不及时,围岩已发生离层松脱,支架将承受冒落顶板围岩产生的松脱压力,无法有效控制顶板变形。因此,使用人工假顶控顶时,必须保证采场顶板平整,以便假顶与顶板紧密接触;同时,假顶支护应及时,在顶板围岩发生大变形前应将其趋势遏止。3

人工假顶护顶二、控顶技术探讨在支架特性不破坏的前提下,假顶下沉可以控制在一定的限度内。假顶暴露后,在一定的时空范围内是稳定的;但随着时空的延伸,稳定性随之下降。因此,大空间、暴露时间的采空区顶板,不宜用假顶形式支护。同时,人工假顶运料困难,耗费金属及木材量大,构筑难度大,工人劳动强度大,成本极高,难于推广应用。3

人工假顶护顶二、控顶技术探讨

当直接顶板矿化层的厚度接近或大于锚杆锚固的有效长度时,则锚杆完全处在软弱的矿化层中,而没有锚固在坚硬的老顶上,锚杆的锚固作用无法得到充分发挥。在这种情况下,可以考虑超前切去软弱的直接顶,而暴露出坚硬的老顶。然后,再对暴露的老顶进行相应支护。4

超前切顶控顶二、控顶技术探讨

当回采缓倾斜中厚至厚大矿体时,由于控顶高度过大,采场顶板难以管理、安全隐患严重。这时,亦考虑采用超前切顶的方式进行控顶。在回采过程中,超前于落矿分段以切割槽、切割井等为自由面进行切顶,在采场的前方形成一个切顶平台。切顶过程中，留有一定数量的矿柱支撑顶板;有必要时,增加锚杆等护顶。

超前切顶措施不仅为清理顶板和护顶作业提供了一个安全的工作平台,也为落矿创造自由面,且实现探、采结合,有利于控制矿石回采的贫化率;但切顶会增加回采工序,提高采矿成本,降低生产能力。4

超前切顶控顶二、控顶技术探讨

为减小爆破对采场顶板的破坏，爆破上采用光面爆破和水平压顶技术，提高采场顶板的稳固性。光面爆破技术要求作业人员多打眼、打浅眼、少装药，合理确定炮眼的布置排列方式，炮眼间距为40~80cm，断层较发育处控制在40~60cm，尽量减少装药量，装药后用炮泥对炮眼口进行堵塞。达到采场顶板没有吊肚子、四壁没有危险滑板，顶板平整略带一定的弧度，使采场应力平均分布，同时在回采过程中要随时注意用浅眼、短眼、密眼维修采场顶板，减少松石工作量和危险。5

顶板光面爆破、水平压顶二、控顶技术探讨

采空区顶板的变形一般都是蠕变的，从变形到破坏、垮落、冒顶具有一定的时间性。在顶板垮落前的一段时间内，加快回采、充填速度，在限定时间内完成各项作业，不仅降低了支护费用，也有利于安全生产。要求采场三班作业，严格控制采矿量，凿岩爆破、出矿作业、采场充填必须在限期内完成，在地压全部释放前完成充填作业，避免或减少顶板冒顶事故的发生。6

强采、强出、强充快速作业二、控顶技术探讨结语：采场顶板稳定、安全,是保证采场正常有效回采的前提。顶板失稳、冒落的原因是多方面的,复杂交错的。在回采过程中,必须根据矿岩性质、采准布置及其它因素,选择合理的控顶措施。对于一些顶板支护难度大、单一措施无法有效控顶的情况,应考虑采用多种控顶措施联合作用的方式,达到控制顶板变形,提高顶板稳定性的目的。

围岩压力及其影响因素一、围岩压力巷道掘进后，破坏了原岩应力的平衡状态，引起了一定范围内围岩应力的重新分布和岩体弹性潜能的释放，形成应力集中，造成一定范围内围岩的变形位移，形成塑性松弛区，恶化了围岩的物理力学性质。有的甚至引起较大位移，使围岩由塑性转化为松动破裂，产生松动压力，导致围岩局部破坏和整体失稳，塌方冒顶。为避免出现巷道失稳现象，需采取相应的加强支护措施，防止围岩冒落。围岩压力是指巷道周边岩石抵抗围岩变形的能力，即支承物所承受的松动破碎圈范围内岩石的形变压力。从狭义上讲，围岩压力也称为支承压力。从巷道围岩空间状态而言，巷道是由顶板、底板和两帮组成的一个复合结构体，结构的各部分在井巷地压作用下的受力状态不同，其围岩性质也往往存在着很大的差异，因而巷道侧压和底压三种类型。

围岩压力及其影响因素巷道开掘以后，暴露出来的顶板岩石，类似双支梁一样支承上部岩石的压力。受力后的顶板梁将向下弯曲，靠近巷道顶板线的岩石承受拉力而裂开，如图2-13(a)所示，随着裂隙的增多、扩大，岩石就开始冒落，它的压力也将逐渐降低，而作用在巷道两帮岩石上的压力却逐渐增加，如图2-13(b)、(c)所示。当顶板破碎岩石冒落到一定范围而形成自然平衡拱时，就停止冒落，如图2-13(d)所示，这时顶板又处于新的平衡状态，巷道上部的压力，通过拱顶传到巷道两帮岩石上。顶板冒落的岩石作用在支承物上的压力称为顶压。

围岩压力及其影响因素当顶板结构为较弱的页岩，其他部位为砂岩时，巷道顶板岩层发生明显的弯