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2019/11/16,1,采场顶板事故及预防,教 师：曹胜根 教授 E-mail：caoshenggen gpsc Tel：83885761，13805214480,2019/11/16,2,2019/11/16,3,第一节 前言 第二节 顶板事故分类 第三节 压垮型冒顶的机理及预防措施 第四节 漏冒型冒顶的机理及预防措施 第五节 推垮型冒顶的机理及预防措施 第六节 综合类型冒顶的机理及预防措施 第七节 对采场支架的基本要求,2019/11/16,4,2002年事故107万起，死亡139393人。 在2006年的事故构成中，按死亡人数统计，第一位是道路交通,占79.3%，铁路交通占5.1%，煤矿占4.2%，建筑施工占2.2%,非煤矿山2%。按一次死亡10人以上事故起数统计，第一位煤矿、占41.1%，道路交通占40，火灾占3.2%，非煤矿山和危化品各占2.1%。 20032006年，煤矿事故平均每年减少350起、562人，年均降幅8%。2006年发生煤矿事故2945起、死亡4746人，比上年分别下降10.9和 20.1%。与2002年相比，2006年全国煤炭产量增长约9亿吨，达到23.3亿吨，煤矿事故死亡减少2249人，下降32.2%。,前言1我国的安全现状,2019/11/16,5,2006年全国煤矿事故死亡人数统计,2019/11/16,6,2007年数据 原煤产量。2007年，全国原煤产量累计完成25.23亿吨，同比增加1.92亿吨，增长8.2%。其中：国有重点煤矿原煤产量完成12.4亿吨，同比增加1.21亿吨，增长10.8%；国有地方煤矿原煤产量完成3.24亿吨，同比增加400万吨，增长1.3%，乡镇煤矿原煤产量完成9.59亿吨，同比增加6700万吨，增长7.5%。三大类煤矿累计原煤产量占全国的比重分别为49%、13%、38%。,前言1我国的安全现状,2019/11/16,7,2007年全国煤炭产量25.23亿吨 其中95以上为井工开采,2019/11/16,8,2007年数据 煤矿安全生产。2007年，全国煤矿事故死亡人数为3786人，煤炭百万吨死亡率为1.485。2007年，我国国有重点煤矿煤炭百万吨死亡率预计为0.38，与波兰、印度的煤炭百万吨死亡率基本相当。,前言1我国的安全现状,2019/11/16,9,1977年以来全国煤炭产量与死亡人数,2019/11/16,10,重特大事故多发。“十五”时期，全国煤矿共发生一次死亡39人重大事故1398起，平均每年发生280起，占全国各类重大事故起数的11%；发生一次死亡1029人特大事故214起，平均每年发生43起，占全国各类特大事故起数的36%；发生一次死亡30人以上特别重大事故42起，平均每年发生8起，占全国各类特别重大事故起数的58%。,前言2十五期间煤矿安全状况,2019/11/16,11,煤矿职业危害严重。据不完全统计，全国煤矿尘肺病患者达30万人，占全国尘肺病患者50%左右。仅国有重点煤矿每年新增尘肺病患者近5000例，平均每年死亡2500人以上。煤矿尘肺病每年造成直接经济损失数十亿元。 与世界主要采煤国家安全生产水平相比差距大。“十五”时期，煤矿百万吨死亡率由2001年的5.07下降到2005年的2.81，下降了45%，但与先进采煤国家相比差距还很大。2005年，我国煤炭产量约占全球的37%，事故死亡人数则占近80%，煤矿百万吨死亡率约为美国的70倍、南非的17倍、波兰的10倍、俄罗斯和印度的7倍。,2019/11/16,12,乡镇煤矿事故多发。2005年，全国乡镇煤矿共发生事故2480起、死亡4384人，事故起数和死亡人数分别占全国煤矿事故总起数和死亡人数的75%、73%。乡镇煤矿百万吨死亡率5.53，分别是国有重点煤矿的5.8倍和地方国有煤矿的2.8倍。 国有重点煤矿事故伤亡程度大。国有重点煤矿特大事故所占比重大。2005年，国有重点煤矿发生一次死亡10人以上特大及特别重大事故9起、死亡527人，占国有重点煤矿总死亡人数的53.6%，平均每起死亡59人。20042005年，在全国煤矿发生的6起一次死亡100人以上的事故中，国有重点煤矿4起，平均每起死亡175人；乡镇煤矿2起，平均每起死亡115人。,前言3煤矿事故特征,2019/11/16,13,瓦斯、水害重特大事故比例高。2005年，在全国煤矿一次死亡3人以上的事故中，瓦斯事故158起，占58.9%，居第一位；水害事故46起，占17.2%，居第二位。在全国煤矿一次死亡10人以上的事故中，瓦斯事故40起，占69.0%，水害事故13起，占22.4%。 顶板事故总量大。2005年，全国煤矿共发生顶板事故1805起，占全国煤矿事故起数的55%，居第一位；死亡2058人，占全国煤矿总死亡人数的34.7%，仅次于瓦斯灾害，居第二位。 非法与违法矿井、基建与技改矿井和改制矿井特大事故多。2005年，非法与违法矿井发生特大事故18起，占特大事故总数的31.0%；基建与技改矿井发生特大事故15起，占特大事故总数的25.9%；改制矿井发生特大事故13起，占特大事故总数的22.4%。,2019/11/16,14,地质条件。在国有重点煤矿中，地质构造复杂或极其复杂的煤矿占36%，地质构造简单的煤矿占23%。据调查，大中型煤矿平均开采深度456米，采深大于600米的矿井产量占28.5%。小煤矿平均采深196米，采深超过300米的矿井产量占14.5%。 瓦斯灾害。国有重点煤矿中，高瓦斯矿井占21.0%；煤与瓦斯突出矿井占21.3%；低瓦斯矿井占57.7%。地方国有煤矿和乡镇煤矿中，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占15%。随着开采深度的增加，瓦斯涌出量的增大，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井的比例还会增加。,前言4煤矿地质条件及自然灾害状况,2019/11/16,15,水害。我国煤矿水文地质条件较为复杂。国有重点煤矿中，水文地质条件属于复杂或极复杂的矿井占27%，属于简单的矿井占34%。地方国有煤矿和乡镇煤矿中，水文地质条件属于复杂或极复杂的矿井占8.5%。我国煤矿水害普遍存在，大中型煤矿有500多个工作面受水害威胁。在近2万处小煤矿中，有突水危险的矿井900多处，占总数的4.6%。 自然发火危害。我国具有自然发火危险的煤矿所占比例大、覆盖面广。大中型煤矿中，自然发火危险程度严重或较严重(、II、III、级)的煤矿占72.9%。国有重点煤矿中，具有自然发火危险的矿井占47.3%。小煤矿中，具有自然发火危险的矿井占85.3%。由于煤层自燃，我国每年损失煤炭资源2亿吨左右。,2019/11/16,16,煤尘灾害。我国煤矿具有煤尘爆炸危险的矿井普遍存在。全国煤矿中，具有煤尘爆炸危险的矿井占煤矿总数的60%以上，煤尘爆炸指数在45%以上的煤矿占16.3%。国有重点煤矿中具有煤尘爆炸危险性的煤矿占87.4%，其中具有强爆炸性的占60%以上。 顶板灾害。我国煤矿顶板条件差异较大。多数大中型煤矿顶板属于、类，类顶板约占11%，、类顶板约占5%。 冲击地压。中国是世界上除德国、波兰以外煤矿冲击地压危害最严重的国家之一。大中型煤矿中具有冲击地压危险的煤矿47处,占5.16%。随着开采深度的增加，现有冲击地压矿井冲击频率和强度在不断增加。 热害。热害已成为我国矿井的新灾害。国有重点煤矿中有70多处矿井采掘工作面温度超过26，其中30多处矿井采掘工作面温度超过30，最高达37。,2019/11/16,17,顶板 回采工作面冒顶事故 2/33/4 事故 巷道冒顶事故 1/41/3,煤矿顶板事故态势,2019/11/16,18,图1 19972006年我国煤矿顶板事故死亡人数,煤矿顶板事故态势,2019/11/16,19,图2 19972006年我国煤矿顶板事故死亡人数所占比例,煤矿顶板事故态势,2019/11/16,20,图3 2005年煤矿不同类型事故死亡人数的比例,煤矿顶板事故态势,2019/11/16,21,图4 2005年煤矿不同类型事故起数的比例,煤矿顶板事故态势,2019/11/16,22,图5 19982004年我国煤矿顶板事故起数,煤矿顶板事故态势,2019/11/16,23,图6 19972004年我国煤矿顶板事故死亡人数,煤矿顶板事故态势,2019/11/16,24,图7 19982005年我国不同类型煤矿顶板事故,煤矿顶板事故态势,2019/11/16,25,第二节 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。,2019/11/16,26,1.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）,2019/11/16,27,2.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。,2019/11/16,28,（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,2019/11/16,29,4.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。,2019/11/16,30,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620m。,2019/11/16,31,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。但老顶活动不明显。,2019/11/16,32,如果直接顶厚度小于23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。,2019/11/16,33,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2035m。,2019/11/16,34,3.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：,2019/11/16,35,（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。）,2019/11/16,36,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。,2019/11/16,37,1.冒顶机理及预防措施, 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。 上世纪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。 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：,第三节 压垮型冒顶的机理及预防措施,2019/11/16,38,（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。,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。,2019/11/16,39,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。,2019/11/16,40,（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。,2019/11/16,41,（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。,2019/11/16,42,2.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。,2019/11/16,43,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。,2019/11/16,44,第四节 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。,2019/11/16,45,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。,2019/11/16,46,1.大面积漏垮型冒顶,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。,2019/11/16,47,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。,2019/11/16,48,2.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：,2019/11/16,49,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2.53.0m时，加护帮装置，避免端面距扩大； 控制顶板（如固结碎顶）。,2019/11/16,50,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。,2019/11/16,51,控制端面距,单体面：基本顶梁加短顶梁。,2019/11/16,52,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,2019/11/16,53,3.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,2019/11/16,54,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。,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,2019/11/16,55,4.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。,2019/11/16,56,第五节 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：,2019/11/16,57,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。,2019/11/16,58,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。,2019/11/16,59,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。,2019/11/16,60,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。,2019/11/16,61,2）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。,2019/11/16,62,1）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。 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。,2019/11/16,63,2.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：,2019/11/16,64,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：,2019/11/16,65,（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。,2019/11/16,66,第六节 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：,2019/11/16,67,两种观点： 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：,2019/11/16,68,预防措施：,1）用挑（钻爆法或高压注水）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：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。,2019/11/16,69,2.地质破坏（断层）带附近,断层 褶皱,2019/11/16,70,地层应力状态,2019/11/16,71,水平应力与巷道,2019/11/16,72,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。,2019/11/16,73,水平应力,水平应力与垂直应力之比,(Brown & Hoek, 1978),开采深度,2019/11/16,74,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,2019/11/16,75,（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。,2019/11/16,76,（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。,2019/11/16,77,3.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：,2019/11/16,78,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,2019/11/16,79,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,2019/11/16,80,（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。,机理：离层（支柱初撑力小）、断裂、去路和倾角、推力大于阻力。,2019/11/16,81,（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。,2019/11/16,82,（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,2019/11/16,83,（4）当在工作面中部游离岩块厚度很大时（超过23倍采高），可能发生直接顶导致的压垮型冒顶。,2019/11/16,84,预防措施：,（1）尽量避免出现游离岩块 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。 不在计划的工作面范围内开巷道。,2019/11/16,85,（2）已出现游离岩块时 在游离岩块范围内不正常回柱，加强支护，用木支柱替换金属支柱，当游离岩块都进入采空区时，再用绞车回柱。 （3）当游离岩块可能发生“复合顶板”推垮型冒顶时应使用支架或支柱的初撑力防推。 （4）当工作面使用初撑力极低的摩擦支柱时，只能用“整体支架”防“复合顶板”推垮型冒顶 （5）采用伪斜工作面布置。,2019/11/16,86,第七节 对采场支架的基本要求,1）根据上述分析，采场冒顶又压、漏、推事故。 2）则要求支架又支、护、稳来治理冒顶。,压垮型,推垮型,漏垮型,支,护,稳,2019/11/16,87,预防冒顶事故控顶设计的原则,工作阻力支撑住垮落带的直接顶与老顶。 初撑力使直接顶（下位岩层）不离层，不沿煤壁断裂。 可缩量适应裂隙带老顶下沉。 超前巷道加中心柱。,（1）防压,2019/11/16,88,综采面 对软弱顶板选用掩护式或支撑掩护式支架。用及时支护方式，端面距小于340mm。采高大时，应又护帮装置。必要时固结顶板 单体面 对软弱顶板支柱上应又顶梁、背板、甚至背严及掏梁窝，柱距小于0.7m，端面距小于200mm。工作面两端用“四对八梁”或双楔交接顶梁。 单体面或不用端头支架的综采面，面巷交接处用一对迈步抬棚。,（2）防漏,2019/11/16,89,切断下位23m左右顶板，切不断时，应挑顶。 “复合顶板”下用初撑力防推。 摩擦支柱用“整体支架”放推。,（3）防推,
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