煤矿顶板灾害及防讲座.ppt

1、煤矿顶板灾害及防治,云南煤矿安全技术中心高家礼,第一节 概述,矿井开采过程的采、掘、维修工作面或者是在已掘成的巷道、采空区等所发生的冒顶、片帮、掉矸等人身伤亡和非生产事故，统称顶板事故。 与矿井瓦斯、矿尘、火灾、水灾一起构成了煤矿通常所说的“五大自然灾害”；顶板事故是煤矿中最容易发生的事故，根据资料统计显示，我国煤矿顶板事故起数和死亡人数，分别占煤矿事故总起数和死亡人数的50%、40%，80%的顶板事故发生在回采工作面。因此，认真分析、研究顶板事故的原因及防治措施具有重要意义。,一、矿山压力,地下岩体在采动前，由于自重的作用在其内部引起的应力，通常称为原岩应力。开采前的岩体处于相对静止状态，所

2、以原岩体处于应力平衡状态。 井下采掘活动破坏了原岩应力的平衡状态，引起岩体内部的应力重新分布，在重新分布过程中促使围岩产生运动，从而导致围岩发生变形、断裂、位移、直至垮落。这种由于进行采掘活动而在采掘空间周围岩体中及支护物上产生的压力叫矿山压力，简称矿压,二、矿山压力显现,在矿山压力作用下，围岩及支护物会产生一系列现象，如顶板下沉、冒顶、片帮、底臌、煤与瓦斯突出、冲击地压，支架压缩、变形、折断，地表发生移动、塌陷等。这种在矿山压力作用下围岩和支护物上产生的一系列力学现象叫矿山压力显现，简称矿压显现,矿山压力,三、巷道围岩的应力分布,巷道开掘后，顶板岩石就暴露出来，如不进行支护，巷道顶板岩层便失

3、去支撑，产生拉应力 。导致原来的整体顶板岩石破坏、冒落。与此同时，上部又产生裂缝，这些裂缝又逐渐扩大，最后冒落。 直到巷道形成类似拱的形状以后，顶板岩石才处于稳定状态。这样形成的拱叫做自然平衡拱 。,巷道围岩的应力分布,原始应力区；支承压力区；卸压区 1自然平衡拱；2、岩壁刚露出时的支承压力；3支承压力向深部转移； K应力集中系数；,四、斜巷地压,在平巷里，顶压的方向是重力线方向，是垂直于巷道的顶板的。 在倾斜巷道顶压分解为两个方向的压力，一个是垂直于顶板的垂地压力(N)，另一个是平行于顶板的倾斜压力，即下推力(H),斜巷底板岩石重力分布： Q-重力； H-下滑力； N-对底板压力,斜巷架设支

4、架要求,斜巷的支架既要承受垂直压力，又要承受下推力。因此，斜巷的支架就不能按垂直于巷道顶、底板方向去架设，而必须向上迎一个角度，我们把棚腿中心线与顶底板垂线之间的夹角，叫做迎山角。支架迎山角是为了克服下推力，防止支架向下倾倒的措施之一。 支架的迎山角()是按照巷道倾角()来计算的，一般迎 山角等于倾角的1618，即=(1618)口，例如巷道倾角为30，则迎山角为54。迎山角过大、过小都会降低支架的支撑能力，迎山角过大叫过山，迎山角给反了叫退山，都是不允许的。,顶板分类,煤层的顶板按其与煤层的相对位置不同以及垮落的难易程度不同，分为伪顶、直接顶、老顶，,定板分类,第二节 顶板事故的分类,顶板事故

5、按力源分为漏 垮型、压垮型、推垮型。 漏垮型冒顶：（图 1） 主要由破碎、游离岩石漏冒造成：常发生在靠煤壁附近的局部冒顶、工作面上下出口的局部冒顶、 地质破坏带附近的局部冒顶、放顶线及其附近的局部冒顶,压垮型冒顶：,老顶来压时的压垮型、难冒落的大面积直接顶离层重力导致的压垮型冒顶（图 2）,推垮型冒顶,推垮型冒顶包括： 复合顶板推垮型冒顶（图 3） 大块游离顶板离层旋转推垮型冒顶（图 4） 采空区冒矸冲入采场的推垮型冒顶（图 5）,图3复合顶板冲入采场推倒支柱,图4 冲击推垮型冒顶之一,图5 冲击推垮型冒顶之二,第三节回采工作面顶板灾害防治,一、对采场支架的基本要求 回采工作面支架应具备的基本

6、性能应该有支、护、稳三个方面。即采场支架对顶板应支得起、护得好、稳得住。,二、回采工作面顶板管理,顶板管理概括工作面、端头、支护材料的选型、支护排距、柱距、采空区的顶板管理,工作面顶板支护控顶距,工作面几种特殊支护,3、采空区顶板,一、局部冒顶事故的成因及防治措施,局部冒顶实质上是控制区内已破碎的直接顶失去有效的支护而造成的。常发生地点： （一）靠近煤壁的局部冒顶； （二）上下出口的局部冒顶； （三）放顶线附近的局部冒顶； （四）地质破坏带附近的局部冒顶。,（一） 、靠近煤壁的局部冒顶,这类事故的发生是由于采煤过程中，裸露的破碎顶板得不到及时支护，或支护不当，支护质量不好造成的。 一）直接顶破

7、碎的原因 由于原生构造及采动等原因，在一些煤层的直接顶中，存在着许多原生裂隙，在采煤或爆破落煤后，如果得不到及时支护或支柱打得不紧。这类游离岩块受采动影响后，就会逐渐脱离岩体，无约束的自由下移、冒落，以致造成局部冒顶事故。 当采用爆破法采煤时，如果炮眼布置不恬当或装药量过多，也可能在放炮时崩倒支架导致局部顶板事故。 此外，当老顶来压时，煤壁附近的直接顶可能破碎，如果煤层本身强度较底，则容易片帮，从而扩大了无支护空间。也会造成局部冒顶。,二) 防治措施,1、采取正确的支护办法。对采煤后露出的顶板要采用及时支护、超前支护。在加设支架前，必须敲帮问顶，以防岩块掉落伤人。同时支柱要有足够的初撑力，支得

8、稳，抗得住，力求控制裂隙的发展，岩块的移动、滑落。 2、防止放炮崩倒棚子。放炮时，炮眼布置及装药量要适度、合理，采用小范围放炮方式，尽量避免崩倒支架；支柱的质量牢固有劲，不准打在浮煤浮矸上。 3、对易片帮的煤层，支柱应尽量贴近煤帮。,（二）、上下出口的局部冒顶,一）上下出口冒顶的原因 1、上下出口位于采煤工作面与顺槽的交结处，控顶范围比较大，加之应力迭加，掘进顺槽时由于巷道支护初撑力一般都很小，很难控制直接顶不下沉、不松动、不破碎。 2、在上下出口处经常要进行工作面输送机头，机尾的拆卸工作，这时难免要替换原来的支护，有时还要碰到替换棚子，就在老柱拆下或碰倒而新支柱未支上时，已破碎的直接顶可能局

9、部冒落而造成事故。 3、工作面不断前移，往往要用工作面支护替换原来巷道的支护，出口处始终处于反复支撑状态，在一拆一支间隙中，已破碎的直接顶也可能局部冒落。 4、上下出口处的支护还受到老顶来压的影响，直接顶施给支柱的不仅是垂直压力，还有侧压力，可能推倒部分支柱而造成局部冒顶。 5、顺槽和工作面连接处有时会在顶板和底板出现台阶下沉，使得此处难以支护，造成局部冒顶事故。,二）防治措施,1、合理布置顺槽，尽可能将顺槽布置在受地质影响比较小的地段； 2、合理设计顺槽断面，顺槽断面尽量不破坏顶板，不留顶煤，保持巷道顶板的完整性； 3、适当加大工作面上下出口的支护密度，增加特殊支架，可在机头机尾处使用抬棚支

10、护，每对台棚随机头机尾的推移逐步前移支护；在工作面与巷道相连处，宜用一对抬棚逐步前移，托住原巷道直接的棚架。 4、支架系统必须具有一定的侧抗力，以防老顶来压时推倒支架。推广使用“十字”铰接顶梁端头支架来提高支架的稳定性是防止上下出口局部冒顶比较理想的措施。,（三）、放顶线附近的局部冒顶,一）冒顶原因 这类事故的原因： 1、是回柱操作不合理，由于先回“吃劲”的柱子时，引起周围破碎顶板的冒落。回柱作业人员来不及退到安全地点，就可能被砸着而造成事故； 2、是当顶板中存在由断层、裂隙、层理等切割而成的大块游离岩块时，回柱后游离岩块就会旋转，从而推倒支架导致冒顶； 。,二）防治措施,1、正确的回柱方法，

11、防止顶板压力向局部支柱集中，造成局部顶板破碎及回柱工作的困难。 2、为保证人工回拆吃劲的柱子及分段回拆最后一棵柱子时的安全，如果工作面用的摩擦支柱，可以在这些柱子的上下多支一棵木支柱作替柱，然后回拆金属支柱，最后用铰车回木替柱。如果工作面用的是木支柱，直接用铰车回柱就可以了。 3、为防止直接顶中大块游离岩块时在回柱时旋转推倒采场支架的冒顶事故，应采取下列措施： 第一，加强地质及观察工作，搞清楚大石块的位置及尺寸； 第二，在大石块范围内用木垛等办法加强支护； 第三，当大岩块沿走向的尺寸超过一次放顶距时，在大石块的局部范围要延长控顶距； 第四，如果工作面使用的是单体金属支柱，采用木支柱替换金属支柱

12、； 第五，待大岩块全部都处在放顶线以外的采空区时再用铰车回木支柱。,（四）、地质破坏带附近的局部冒顶,一）冒顶原因 1、客观原因 (1)采煤过程中因围岩应力重新分布、采煤方法选择不当和巷道布置位置不合理，所需支承压力大于支护的支撑力，从而造成顶板垮落冒顶事故。 (2) 作业规程不能适用于突然出现的地质构造，如采煤工作面出现小断层，工作中没注意分析与观察，采取通常的支护方法往往发生冒顶事故。 2、主观原因 (1)采掘工作规格质量低劣。作业时不坚持敲帮问顶，发现隐患不及时排除；控顶距离掌握不当；空顶作业；违章放炮；冒险回柱作业。 (2)管理不善。煤矿生产管理不同于其他行业，井下生产条件随时有所变化

13、，生产管理者不深入现场，不带班作业，不严格按三大规程办事，盲目开采、违章指挥、纪律松弛等，常常会造成事故 二) 防治措施 1、首先要求支护完整，不致出现顶板局部漏洞；若出现局部漏洞，立即加以堵塞，以防其进一步扩大； 2、顶板必须背严背实； 3、严禁放炮、移溜等工序弄倒支架，防止出现局部冒顶。,二、冒顶预兆,1、顶板破裂严重时，出现顶板掉渣。掉渣越多，说明顶板压力越大。 2、煤体压酥，片帮煤增多。 3、发出响声，岩层下沉断裂。顶板压力急剧增大时，木支柱会发出劈裂声，出现折梁断柱现象；金属支柱的活柱急速下缩，也发出很大响声；铰接预梁的楔子被挤；底板松软时，支柱钻底严重；有时能听到采空区顶板断裂垮落

14、时发出的闷雷声 4、裂缝变大，顶板裂隙增多。 5、有淋水的采面，顶板淋水有明显增加。 6、顶板出现离层，用“问顶”方式试探顶板。例如，顶板发出“咚咚”声，说明顶板岩层之间已经离层。 7、在含瓦斯煤层中，瓦斯涌出量会突然增大。 8、破碎的伪顶或直接顶有时会因背顶不严或不牢出现漏顶现象。漏顶后，会造成支架托空而出现松动，引发冒顶,冒顶顶板预兆,三、坚硬顶板压垮型冒顶防治,坚硬顶板压垮型冒顶是指采空区内大面积悬露的坚硬顶板在短时间内突然塌落，将工作面压垮而造成的大型顶板事故。 坚硬顶板压垮型冒顶事故的预防措施是：改变顶板岩层的物理力学性质及减小顶板悬露面积，加强工作面支护。,(1)顶板高压注水。从工

15、作面平巷向顶板打深孔，进行高压注水。通过顶板注水可以弱化顶板和扩大岩体中的裂隙及弱面，使顶板岩石强度显著降低。 (2)强制放顶。采用爆破方法人为地将顶板切断，控制顶板悬露和冒落面积，减弱顶板冒落时对工作面产生的冲击力，爆破时主要在工作面内向放顶线处进行钻孔。 (3)加强支护。在工作面加打木垛、抬棚、戗柱等特殊支护，加密支柱等，或选择工作阻力大的液压自移支架。,四、复合顶板推垮型冒顶防治 所谓复合顶板就是由下软上硬多层岩石组成的顶板。在工作面开采过程中，由于下部软岩下沉，与上部硬岩离层，支架处于失稳状态。一旦遇有外力作用，工作面支架因水平方向的推力而发生倾倒，造成推垮型冒顶事故。,复合顶板推垮型

16、冒顶事故的预防措施是： (1)在工作面上下平巷掘进时不要破坏其复合顶板，应托伪顶施工。 (2)工作面初次推采时不要向采空区侧前进。 (3)避免上下平巷与工作面斜交形成三角形。 (4)严禁仰斜开采。 (5)提高支柱的初撑力。 (6)用拉钩器将工作面支架上下连成一体。 (7)灵活地应用戗柱或抬棚，使它们迎着顶板岩层可能推移的方向支设。,五、大块游离顶板旋转推垮型冒顶,（一）冒顶原因 当煤层顶板存在由断层、裂隙、层理或薄弱岩层切割成大块游离顶板时，这个游离顶板可能旋转而下，把工作面支柱向煤壁推倒，造成推垮型冒顶事故。 （二）防治措施 1、加强地质及观察工作，准确分析顶板破碎、节理裂隙发育程度及地质变

17、化情况，判断游离顶板的范围。 2、在游离顶板范围内加强支护，不要进行回柱作业，特别要注意放炮震动的影响。 3、如果工作面使用的是金属支柱，要用木支架代替金属支架。 4、待游离顶板全部都处在放顶线以外的采空区时，再用铰车回柱。,六、采空区冒矸冲入采场的推垮型冒顶,（一）冒顶原因 在煤层上直接是石灰岩等较硬岩层，当其大块在采场区垮落时，可能顺着已垮落的矸石堆冲入采场，推倒支架，（从根部推倒采场支柱而不是从顶板），从而导致推垮型冒顶。 （二）防治措施 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、用切顶敦柱或特种支护切断顶板，一方面减少冒矸面积，一方面阻挡冒矸使其不能冲

18、入采场。,七、急倾斜煤层顶板事故,急倾斜煤层顶板事故的防治措施 1、预测回采工作面围岩动态 2、确定合理的支护强度 3、加强工作面支护的稳定性，防止底板滑移,第四节掘进工作面顶板灾害防治,巷道顶板事故的分类 巷道顶板事故按事故发生的地点分为为两大类： 掘进工作面冒顶事故； 巷道交岔处的冒顶事故。,一、巷道顶板灾害防治 1、掘进工作面迎头冒顶事故的原因 掘进工作面迎头支架架设时间短，未来压上劲，容易被放炮崩倒；人员作业经常在空顶条件下进行；同时受到地质构造变化影响，所以掘进迎头冒顶事故较多。,(1)根据掘进工作面顶板岩石性质，严格控制空顶距，坚持使用超前支护。 (2)严格执行敲帮问顶。 (3)在

19、地质破碎带或层理裂隙发育区等压力较大处要缩小棚距。 (4)合理布置炮眼和装药量，以防崩倒支架或崩冒顶板。 (5)在掘进迎头往后10m范围内采用金属拉杆或木拉条把棚子连成一体，必要时还须打中柱以抵抗顶板突然来压和放炮冲击。,2、巷道交又处冒顶事故的原因及预防措施 巷道交叉处控顶面积大，支护复杂，是预防巷道冒顶的重点部位。 (1)开岔口应尽量避开原来巷道冒顶范围、废弃巷道和硐室。 (2)必须在开口抬棚支设稳定后，再拆除原巷道棚腿。 (3)注意选用抬棚材料的质量与规格，保证其强度。 (4)当开口处围岩尖角被压坏时，应及时采取加强抬棚稳定性措施。 (5)抬棚上顶空洞必须堵塞严实，空洞高度较大时须用木垛

20、接顶。在码木垛时，作业人员应站在安全地点，并设专人观看。,3、锚杆支护巷道冒顶事故的预防措施 锚杆支护巷道发生冒顶事故，除地质因素外，主要是由于锚杆支护系统的锚固力不足所造成的。提高锚杆的锚固力的措施有： （1）合理选择锚杆间、排距。 （2）科学选择锚杆支护材料。 （3）提高锚杆支护施工质量。,冒顶事故的预防,二、巷道支护 木材 金属材料 支护材料石材 钢筋混凝土 水泥砂浆,各类支护材料的特点：,木材支护 优点：重量轻、加工容易、可报警。 缺点：易燃、易腐、回收复用率低、维护费用高。 金属材料 优点：强度大、使用年限长、可多次复用、体积小、不怕燃烧及加工、安装、修复都比较方便。 缺点：初期投资

21、大、 石材 优点：抗压强度高 缺点：抗拉强度低,巷道掘进及支护形式,木棚子 棚式支护金属棚子 钢筋混凝土棚子 支护形式拱形砌碹支护 锚杆支护 锚喷支护喷浆支护 喷射混凝土支护,锚喷支护是锚杆支护、喷浆支护和喷射混凝土支护的总称。可单一使用，亦可联合使用。 锚杆单一支护 喷浆或喷射混凝土单一支护 锚喷类型锚杆、喷射混凝土或喷浆联合 喷射混凝土、金属网联合支护 锚杆、金属网、喷射混凝土联合,锚杆支护作用的原理 （1）悬吊作用。在层状岩层中，锚杆将下部不稳定的岩层悬吊在上部稳固的岩层上，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层所受重力，如图48所示。 (2)组合梁作用。在没有稳固岩层的薄层状岩层中，锚杆将薄层

22、岩石锚周成一个岩石板梁提高顶板的承载能力，决定组合。,(3)挤压加固作用。在块状围岩中，锚杆可将巷道周围的危石彼此挤紧，对岩石起到挤压加固作用。在围岩周边一定厚度的范围内形成一个不仅能维持自身稳定，而且能阻止其上部围岩松动和变形的加固拱，从而能保持巷道的稳定性，。如图410。 (4)减小跨度作用。巷道顶板打上锚杆，柑当于在该处打上点柱把巷道顶板岩石悬露的跨度缩小了，从而提高了顶板岩层的抗弯曲能力，如图411所示,挤压加固作用 减小跨度作用,第五节巷道维修的一般原则,、先外后里 先外后里是指检查待处理地点前后米范围内支架的完整情况，有问题先处理，必要时可采取临时加固措施，以提高后路和外围支架的支

23、护能力和稳定性，确保后路畅通。 对一段范围巷道维修时,也必须坚持先外后里的原则，由外向里逐渐向前维修，直至该段范围全部维修好，禁止在没有安全山出口的情况下处理。,第五节巷道维修的一般原则,、先支后拆 先支后拆是指更换巷道支护时，在拆除原有支护前，应先加固临时支护，拆除原有支护后，必须及时除掉顶帮活矸和架设永久支护，必要时还需采取临时支护措施。,第五节巷道维修的一般原则,、先上后下 先上后下是指倾斜巷道维修支架时应由上而下进行，尤其当倾角超过度时，必须防止矸石、物料滚落和支架歪倒的安全措施。 、先近后远 先近后远是指当一条巷道有几处需要维修支架的地段时，应先处理好距安全出口近的地段。同由此向前逐

24、段处理，直到各处巷道维修好。,第五节巷道维修的一般原则,、先顶后帮 先顶后帮是指在处理程序上必须注意先维护、支撑住顶板，再维护好两帮。,巷道维修及冒顶处理的主要方法 、更换棚腿 在要替换的折损棚腿旁，架设临时顶柱，支撑棚梁然后更换已折损的棚腿。 、更换棚梁 在顶板完好的情况下，用撑柱将棚腿固定好，钉上拉条，打上撑木，然后更换棚梁。 当顶板较为破碎时，还应从邻近完好支架的顶梁处，向已折断的顶梁上斜交打入撞楔，在撞楔的掩护下更换棚梁。,第五节巷道维修的一般原则,第五节巷道维修的一般原则,、加固支架 对于失修不严重，不影响安全使用的巷道，可采用加固的办法进行维修，方法有打中柱、架套棚、支抬棚等。 、

25、改用砌碹支护 当失修巷道冒落很高、片帮严重，使用架棚修复有困难时，可改用砌碹支护。也可以墙体砌筑，顶梁采用架设钢梁的方式。,第五节巷道维修的一般原则,、下底梁或架设环形支架 当巷道发生底臌时采用下底梁的方式支护，当巷道底臌严重时，采用架设环形支架的方式支护。 、架木垛 当巷道冒落较高，支架上方顶板空隙较大时，应棚梁上方架设木垛接顶，以防止顶板继续冒落。架设木垛处应加强通风工作，以吹淡冒高处的瓦斯。,第五节巷道维修的一般原则,、套棚维修砌碹巷道 当砌碹巷道失修不严重时，若不影响通风与运输安全，可采用在碹体内侧架设木棚或金属棚的方法来加固巷道。 、维修锚喷支护巷道 维修锚支护巷道主要有三种方法：一是先喷浆后补打锚杆，然后再次喷浆；二是改为砌碹支护；三是改用棚式支架。,第五节巷道维修的一般原则,、一次成巷修复法 当巷道冒落范围不大时，新架设的支架与原支架断面基本一致时，称为成巷修复法。 、小断面修复法 巷道冒落后，当需要抢救被堵人员和急于恢复巷道用于运输、行人和通风时，可先架设比原巷道支架小的临时支架，然后再扩大为永久支架，称为小断面修复法,第五节巷道维修的一般原则,、绕道法 当巷道冒落范围和高度都很大，冒顶处