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煤矿顶板事故防治技术 华北科技学院副院长中国煤矿安全技术培训中心副主任 段绪华教授 煤矿顶板事故防治技术 第一部分 煤矿顶板事故综述 第二部分 矿山压力的基本知识 第三部分 顶板事故的致因与防治 第四部分 煤矿事故隐患分析 第五部分 冲击地压的基本知识 第六部分 深井矿压知识分析 第一部分 煤矿顶板事故综述 一 顶板事故在煤矿事故中的比重 图1 11950 2003年煤矿各类事故原因分析 第一部分 煤矿顶板事故综述 一 顶板事故在煤矿事故中的比重 图1 21950 2003年煤矿各类事故发生起数及死亡人员统计分析 第一部分 煤矿顶板事故综述 二 回采工作面与巷道顶板事故发展趋势分析 1954 1985年期间 顶板事故的死亡人数占总事故死亡人数的45 其中 采煤工作面顶板事故占75 巷道顶板事故占25 1986 1992年期间顶板事故死亡人数占总死亡人数的40 其中 采煤工作面顶板事故占顶板事故总数的66 巷道顶板事故上升到34 第一部分 煤矿顶板事故综述 三 顶板事故的特点 顶板事故具有四个属性 一 突发性 二 灾难性 三 破坏性 四 继发性 四 对顶板事故的认识和加强顶板管理的重要性 第一部分 煤矿顶板事故综述 思考题 试分析煤矿顶板事故在煤矿事故中的所占的比重 说明了什么 试分析煤矿顶板事故各种原因说明了什么 如何预防 工作面的顶板事故与巷道顶板事故有何变化趋势 为什么 顶板事故具有何特点 如何认识加强顶板管理的重要性 第二部分 矿山压力基本知识 一 开采后上覆岩层的移动特征 四 采煤工作面顶板的控制 二 采煤工作面矿压显现的基本规律 三 采掘工作面周围的矿压显现特点分析 一 开采后上覆岩层的移动特征 1 岩层移动和破坏的影响因素2 上覆岩层移动的破坏特征 一 三带的形成 冒落带裂隙带弯曲下沉带 一 开采后上覆岩层的移动特征 一 三带的形成 图2 1顶板岩层移动和破坏现象 一 开采后上覆岩层的移动特征 一 三带的形成 3 上覆岩层运动规律的研究内容 1 冒落带的高度 2 裂隙带的高度 3 直接顶的发展变化规律 4 基本顶各岩梁的发展变化规律 5 支承压力发生 发展变化规律 6 内外应力场的形成条件及其发展变化规律 一 开采后上覆岩层的移动特征 一 三带的形成 4 上覆岩层运动规律对顶板事故的影响 事故原因 采动诱发顶板运动和破坏 事故形成条件支护不及时支护决策失误 支护方式不合理 没有针对顶板运动破坏等特点 没有满足 合理位态 控制的要求 表现为支护阻力不足或可缩量不够 一 开采后上覆岩层的移动特征 二 上覆岩层的移动特点分析 图2 2上覆岩层移动的实测曲线 一 开采后上覆岩层的移动特征 二 上覆岩层的移动特点分析 图2 3回采工作面上覆岩层沿工作面推进方向的分区 二 采煤工作面矿压显现的基本规律 一 直接顶的初次垮落 初次放顶步距一般为6 20米 步距的大小是根据直接顶的岩石强度 厚度 节理裂隙发育程度等因素确定 初次垮落应注意 在掌握步距或冒落规律的同时 放顶时应采取必要的加固措施 以保证生产安全 二 采煤工作面矿压显现的基本规律 二 老顶的初次来压 初次来压步距大小与老顶厚度 岩性 地质构造有关 一般为20 35米 有时可达50 70米 甚至更大 初次来压的特点 顶板急剧下沉 支架载荷明显增加 顶板出现沿煤壁的裂隙 甚至发生台阶下沉现象 煤壁严重片帮 采空区顶板大面积垮落 形成巨大的声响和风流等 二 采煤工作面矿压显现的基本规律 三 周期来压 周期来压步距 一般比初次来压步距要小 通常为初次来压步距的1 2 1 4倍 一般为5 12米 有时可达20 30米 三 采掘工作面周围的矿压显现特点分析 一 回采工作面周围的矿压规律及特点 1 层面内 图2 4采空区周围应力重新分布的概貌1 工作面前方超前支承压力 2 3 4 沿倾斜 仰斜及工作面后方残余支承压力 三 采掘工作面周围的矿压显现特点分析 一 回采工作面周围的矿压规律及特点 1 层面内 图2 5回采工作面周围支承压力在煤层平面内分布示意图 三 采掘工作面周围的矿压显现特点分析 一 回采工作面周围的矿压规律及特点 2 顶底板方向 图2 6支承压力在被开采煤层顶底板中分布示意图1 采动影响带边界 2 支承压力区 3 卸载区边界 三 采掘工作面周围的矿压显现特点分析 一 回采工作面周围的矿压规律及特点 2 顶底板方向 图2 7煤体与采空区交界处底板岩层中的不同矿压显现区 应力增高区 不应布置巷道应力降低区 受采动影响且距离较远 不宜布置巷道影响轻微区 适合布置巷道未受采动影响区 三 采掘工作面周围的矿压显现特点分析 一 回采工作面周围的矿压规律及特点 3 工作面端头 图2 8煤层凸出角处的叠合支承压力 三 采掘工作面周围的矿压显现特点分析 二 巷道矿压特点分析 1 受采动影响的沿走向方向的平巷 图2 9工作面下顺槽顶底板移动的全过程曲线1 移动速度曲线 2 移近量曲线 巷道掘进阶段每天移近量 从几毫米至几十毫米 稳定期一般小于1毫米 天 无采掘影响阶段每天0 2 0 5毫米 天 采动影响阶段采前几毫米到几十毫米 占总移近量的10 15 采后为20 30毫米 天 少数情况下40 50毫米 天 占50 60 采动影响稳定带 1毫米 天 高达1 2毫米 天 占5 8 二次采动影响带10 30毫米 天 占20 25 从掘进到报废整个服务期间 顶底板移近总量为 U U0 v0t0 U1 v1t1 U2 三 采掘工作面周围的矿压显现特点分析 二 巷道矿压特点分析 1 采动影响区沿倾斜方向的矿压显现分区 图2 10采区斜巷中沿倾斜不同矿压显现带 卸载带 宽为1 3米支撑压力带 宽为12 25米 k 2 3原岩应力带 四 采煤工作面顶板的控制 一 支护对支架的要求 采掘工作面支架的 支 护 稳 与常见的顶板事故有着密切的联系 四 采煤工作面顶板的控制 一 支护对支架的要求 1 要考虑不同的煤层顶板条件和煤层倾角 当基本顶来压比较强烈 直接顶很完整 煤层倾角又比较小时 主要考虑 支得起 问题 对于来压不明显 直接顶比较破碎 煤层倾角又大时 主要考虑 护得好 问题 当基本顶来压强烈 直接顶比较破碎 煤层倾角又不大时 此时 要考虑 支得起 护得好 问题 当煤层倾角较大时 顶板又属覆合顶板类型 或分层开采铺有金属网时 主要考虑 稳得住 问题 当基本顶来压强烈 直接顶又比较破碎 煤层倾角又较大时 支架的 支 护 稳 都要一并考虑 四 采煤工作面顶板的控制 一 支护对支架的要求 2 要考虑不同地点对支护的不同要求 靠近煤壁附近的无支护空间要特别注意 护顶 问题 放顶线附近要特别注意 支和稳 问题 对上下出口处要尤其注意 支 护 稳 问题 四 采煤工作面顶板的控制 一 支护对支架的要求 3 要考虑支架性能 综采支架单体微增阻式支柱和单体液压支柱单体刚性支柱和急增阻式金属摩擦支柱 在选择支架类型和布置时 应充分考虑煤层顶板和倾角等条件要求 性能要和条件要求相匹配 才能把顶板事故减少到最低限度 四 采煤工作面顶板的控制 二 支架与围岩的关系 1 围岩是一种天然的承载结构 图2 11 支架 围岩 相互作用原理示意图 四 采煤工作面顶板的控制 二 支架与围岩的关系 2 支架与围岩共同承载原理的支护方式 二次支护节式结构的巷道支架 符合上述原理的支护方式及支架结构与性能有 第二部分 矿山压力基本知识 思考题 煤层被采后 煤层上方和工作面推进方向的岩体移动有何特点和规律 2 试分析顶板事故的自然原因与事故的形成条件 3 试分析采煤工作面矿压显现的基本规律 如何预防顶板事故的发生 4 采掘工作面周围的矿压显现特点对安全生产有何意义 5 采掘支护工作对支架有何要求 如何实现 第三部分 顶板事故的致因与防治 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 巷道顶板事故的致因及防治 一 采煤工作面顶板事故的防治 一 顶板事故的分类 采场顶板事故按力源可分为压垮型漏冒型推垮型冒顶 一 采煤工作面顶板事故的防治 一 顶板事故的分类 由垂直层面方向的顶板力压坏采场支架而导致的冒顶 又分为 老顶来压时压垮型冒顶 厚层难冒顶板大面积冒顶 直接顶导致的压垮型冒顶 1 压垮型冒顶 一 采煤工作面顶板事故的防治 一 顶板事故的分类 因破碎顶板没有得到有效的防护而冒落导致的冒顶 又分为 2 垮漏型冒顶 大面积漏垮型冒顶局部漏冒型冒顶工作面上下出口的局部冒顶放顶线及其附近的局部冒顶地质破坏带附近的局部冒顶 一 采煤工作面顶板事故的防治 一 顶板事故的分类 由于平行于层面方向的顶板力推倒支架而导致的冒顶 又分为 3 推垮型冒顶 复合顶板推垮型冒顶金属网下推垮型冒顶大块游离顶板旋转推垮型冒顶采空区冒矸冲入采场的推垮型冒顶此外 还可能出现综合类型冒顶 一 采煤工作面顶板事故的防治 一 顶板事故的分类 煤矿中习惯把采场冒顶分为两大类 局部冒顶大型冒顶 一 采煤工作面顶板事故的防治 一 顶板事故的分类 范围不大 伤亡人数不多 每次1 2人 的冒顶 可分为 1 局部冒顶 靠近煤壁附近的局部冒顶放顶线附近的局部冒顶上下出口的局部冒顶地质破坏带附近的局部冒顶 一 采煤工作面顶板事故的防治 一 顶板事故的分类 范围较大 伤亡人数较多 每次3人以上 的冒顶 可分为 2 大型冒顶 两端来压时的压垮型冒顶厚层难冒落大面积冒顶直接导致的压垮型冒顶大面积漏垮型冒顶复合顶板推垮型冒顶金属网下推垮型冒顶大块游离顶板旋转推垮型冒顶 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 原因分析 1 靠近煤壁附近的局部冒顶 节理 裂隙发育 岩石强度低支护质量差 支撑力不足造成离层炮采时 装药量过多 放顶崩倒支架 顶板失控老顶来压时 煤壁附近直接顶破碎新暴露的顶板没有及时支护综采时 端面距过大 案例分析 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 防治措施 1 靠近煤壁附近的局部冒顶 对新暴露的顶板及时支护 如图3 1 3 2 3 3所示炮采时 炮眼布署及装药量要合理煤层的节理方向与工作的推进方向垂直或斜交来压期间 若煤壁片帮 要进行超前支护 减小端面距综采时 对破碎顶板要注入粘结剂进行固化加快工作面推进速度采高大 煤体松软时 加设护帮装置 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 1 靠近煤壁附近的局部冒顶 图3 1正悬臂交错顶梁支护 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 1 靠近煤壁附近的局部冒顶 图3 2错梁直线柱支架布置1 临时柱 2 正式柱 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 1 靠近煤壁附近的局部冒顶 图3 3短顶梁与基本顶梁配合情况 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 原因分析 2 上下出口局部冒顶 此处为应力叠加区域 顶板完整性可能遭到破坏换棚时 破碎顶板冒落移机头机尾 交换抬棚 破碎顶板冒落老顶来压时 支柱侧向力不足 推倒支架造成局部冒落老顶来压时 压坏部分支柱 导致的局部冒顶 案例分析 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 防治措施 2 上下出口局部冒顶 及时架设有足够支撑力和可缩性的支柱支护糸统必须具有一定的侧向力换棚时 要模清顶板情况 采取必要的措施 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 原因分析 3 放顶线附近的局部冒顶 回柱方式不合理 先回 吃劲 柱子 引起周围破碎顶板的冒落顶板存在由断层 裂隙 层理等切割而成的大块游离岩块时 回柱后游离岩块推倒支架 导致冒顶 如图3 4所示在金属网假顶下回柱放顶时 如果网上有大块游离岩 也会发生因游岩块旋转而推倒支架的局部冒顶 案例分析 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 3 放顶线附近的局部冒顶 图3 4顶板中游离岩块旋转推倒支架 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 防治措施 3 放顶线附近的局部冒顶 采用正确的回柱方法 防止顶板压力向局部支柱集中而造成回柱的困难若工作面使用木支柱 可直接用铰车远距离回柱加强地质工作 记载大岩块的位置与尺寸在大岩块下用木垛等加强支护当大岩块尺寸超过一次放顶步距时 在大岩块下延长控顶距 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 原因分析 4 地质破坏带附近的局部冒顶 工作面与断层垂直或斜交在顶板活动过程中 断层附近的破断岩块顺断面下滑 推倒工作面支架局部冒顶 案例分析 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 防治措施 4 地质破坏带附近的局部冒顶 断层破坏带在工作面出现后 加强支护 背好背板在放顶线处 断层两侧架好木垛 加强支护迎着岩块可能滑下的方向支设戗棚或戗柱 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 冒顶特点 5 复合顶板推垮型冒顶 顶板压力不大 支架无变形 无折损多数情况下 直接顶已沿煤壁断裂冒顶后 支柱多数沿煤层向下倾倒多数情况下 发生在回柱放顶过程 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 冒顶机理 5 复合顶板推垮型冒顶 离层 图3 5下位软岩层离层断裂 断裂 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 冒顶地点 5 复合顶板推垮型冒顶 开切眼附近地质破坏带附近旧巷附近掘进破坏复合顶板的地点 倾角大的地段顶板岩层含水的地段局部冒顶区附近尖灭构造地段 案例分析 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 防治措施 5 复合顶板推垮型冒顶 掘进上下顺槽时 不破坏复合顶板应用伪倾斜工作面 以增加阻力控制采高 使软岩冒落后超过采高 增加六面体下推的阻力采用整体支架 用拉钩联接器把每排支柱连起来 与铰接顶梁十字交叉 形成整体结构 如图3 6所示 利用戗棚 戗柱加强支护系统布置树脂锚杆 将开切眼附近和控顶区内的软硬岩层锚在一起 防止冒顶 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 5 复合顶板推垮型冒顶 图3 6拉钩式连接器1 金属支柱 2 拉钩式连接器 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 冒顶特点 6 金属网下推垮型冒顶 发生在初次放顶前后及回柱时推垮前支柱受力一般不大推垮时 支柱无折损推垮速度快 人力无法抵抗煤层倾角一般在20 以上发生支护方式一般为单体金属磨擦支柱 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 冒顶机理 6 金属网下推垮型冒顶 由于支护失效 首先形成网兜由于支柱初撑力小 刚度小 在碎块压力下 支架失稳 如图3 7所示 案例分析 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 6 金属网下推垮型冒顶 图3 7金属网假顶下推垮型冒顶过程 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 防治措施 6 金属网下推垮型冒顶 提高初撑力及刚度 增加稳定性在二分层及以下分层开采时 用内错式布置开切眼 避免网下碎矸之上存在空隙用 整体支架 增加支架的稳定性初次放顶 要把金属网下放到底板 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 冒顶特点 7 大块游离顶板旋转推垮型冒顶 发生在回柱时或放顶后游离岩块的重力与支反力不在同一条作用线上 重力大于支反力 且重力靠老塘侧一般将支柱推向煤壁 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 冒顶机理 7 大块游离顶板旋转推垮型冒顶 顶板由断层 裂隙 层理或薄弱岩层切割成游离大岩块大岩块形成旋转力矩 将支柱推倒 案例分析 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 防治措施 正确判断游离岩块的范围对游离岩块加强支护待游离岩块全部处于采空区时 再用回柱绞车 7 大块游离顶板旋转推垮型冒顶 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 顶板条件 直接顶较薄 厚度小于采高2 3倍直接之上的老顶分层厚度小于5 6米 8 压垮型冒顶 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 冒顶前兆 煤壁片帮顶板下沉速度急剧增加支柱载荷急剧增大靠煤帮顶板掉渣靠煤帮顶板断裂摩擦柱放炮 8 压垮型冒顶 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 冒顶类型 8 压垮型冒顶 图3 8压垮型冒顶类型之一 之二 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 案例分析防治措施 加强地质工作 摸清直接顶与老顶的结构和力学特性进行常规矿压观测 准确掌握来压步距 加强来压预报合理选择支护方式 合理设计工作面支护强度 特别对末排支柱要加大支护强度遇到平行于工作面的断层 要加强维护 不得正常回柱 待断层进入采空区后再回柱 8 压垮型冒顶 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 冒顶原因 煤层之上是厚而坚硬的砂岩 常常大面积悬而不冒 老顶来压步距达50 70 当自身强度承受不了自重和上位岩层重量时 即弯曲应力超过了极限强度时 出现断裂及垮落 回采过程中遇到较发育的原生裂隙或断层 也会导致冒落 9 大面积冒顶 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 冒顶前兆 顶板断裂声响的频率和音响增大有明显片帮现象底板有可能出现底鼓巷道超前压力明显支柱载荷和顶板下沉速度明显增大有时采空区顶板发生裂缝和淋水加大 9 大面积冒顶 案例分析 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 防治措施 顶板高压注水 周期来压步距减少60 70 如图3 9所示强制放顶循环式浅孔放顶 每1 2个循环 打一排钻孔 步距式深孔放顶 周期来压前 沿工作面向顶板打钻孔 如图3 10所示超前深孔松动爆破 在上下顺槽 向顶板打深孔 如图3 11所示地面深孔放顶 地面打钻到放顶位置而后爆破 9 大面积冒顶 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 9 大面积冒顶 图3 9顶板注水钻孔布置方式及其参数a 四老沟矿8205工作面顶板注水钻孔的布置方式b 云岗矿8205工作面顶板注水孔的布置方式 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 9 大面积冒顶 图3 10 步距式 深孔放顶 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 9 大面积冒顶 图3 11超前深孔松动爆破 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 案例分析防治措施 预测回采工作面围岩动态 主要预测顶底板的稳定性 确定合理的支护强度 垂直分力小 倾斜向下分力大 沿层面下滑是控制的主要问题 加强工作面支架不稳定性 防止底板滑移 10 急倾斜煤层顶板事故 一 采煤工作面顶板事故的防治 二 各种顶板事故的原因分析及勘察 防治措施 当煤层倾角超过60 底板开始向下滑动 防止底板滑移的措施有 推广急倾斜煤层工作面液压支架 支撑力大 具有防倒防滑性能及煤矸滚落保护装置 打紧支柱 软底要下底梁 顺山棚梁要对接 适当控制采高 10 急倾斜煤层顶板事故 二 巷道顶板事故的致因及防治 一 巷道顶板事故的分类 1 掘进工作面冒顶事故 2 巷道交岔处的冒顶事故 二 巷道顶板事故的致因及防治 二 掘进工作面的冒顶事故的原因及防治 1 冒顶原因 2 案例分析 掘进破岩后 顶部岩石与岩体失去联系 若支护不及时 随时可能冒落 已支护的顶部岩石 若支护失败 可能造成冒落 二 巷道顶板事故的致因及防治 二 掘进工作面的冒顶事故的原因及防治 3 防治措施 根椐岩性 控制空顶距 当遇到破碎带或层理 裂隙发育时 应紧跟掘进支护 严格敲帮问顶制度 危石必须挑下 无法挑下时应采取临时支撑措施 严禁空顶作业 在破碎带掘进巷道 要缩小支护棚距 用拉条将棚子连成一体 防止推跨 对破碎带有时可超前注速凝剂 固化岩体 掘进头有空顶区和破碎带必须背严结实 必要时要挂网防止漏空 炮眼布置及装药量必须与岩石性质 支架和掘进头距离相适应 防止放炮崩倒棚子 锚杆支护注意眼深和锚杆密度 必要时锚喷网联合支护 二 巷道顶板事故的致因及防治 三 巷道交岔处顶板事故的原因与防治 1 冒顶原因 2 案例分析 交岔处断面大 岩层松动范围大 巷道压力大 可发生冒顶 交岔处支护复杂 有两巷支架 有抬棚 支架稳定性要求高 强度大 支护质量不好可发生冒顶 二 巷道顶板事故的致因及防治 3 防治措施 开岔口应选择岩性较好的位置严格操作规程 先支抬棚 后拆除原棚注意选用抬棚材料的质量与规格 保证抬棚有足够的强度当开口处围岩夹角被压坏 应及时采取加强和稳定措施 三 巷道交岔处顶板事故的原因与防治 第三部分 顶板事故的致因防治 思考题 1 煤矿顶板事故是如何分类的 2 采煤工作面的顶板事故可归纳有几种类型 3 如何分析采煤工作面事故频发的地点及原因 4 巷道顶板事故的主要原因及防治措施是什么 第四部分 煤矿事故隐患分析 1 直接顶初次垮落对安全生产的影响 图4 1直接顶初次垮落形成过程 a b c 第四部分 煤矿事故隐患分析 2 老顶的初次来压与周期来压对工作面顶板管理的影响 图4 2老顶断裂成岩块后的转动 第四部分 煤矿事故隐患分析 2 老顶的初次来压与周期来压对工作面顶板管理的影响 图4 3老顶周期来压的力学模型 第四部分 煤矿事故隐患分析 3 直接顶的完整性对安全生产的影响 节理裂隙按生成原因又分为三类 原生裂隙压裂裂隙构造裂隙 第四部分 煤矿事故隐患分析 3 直接顶的完整性对安全生产的影响 图4 4各类裂隙图 R1 平行于层面R2 垂直于层面R3 向煤壁方向倾斜R4 向老塘方向倾斜R5 楔形裂隙 第四部分 煤矿事故隐患分析 4 回采工作面作业规程的编制是工作面安全生产的重要依据 图4 5工作面实际测定的 S t 曲线1 采煤机距测点15米 2 采煤机距离测点10米 3 放顶过测点S点 4 放顶过测点15米 5 放震动炮后 6 采煤机距测点6米 5 回采工作面推进速度对顶板管理的影响 第四部分 煤矿事故隐患分析 6 回采工序在时间上 空间上的相对位置关系对安全生产的影响 图4 6回采工作面支架调压试验所得 P L 曲线周期来压情况 O 表示最大值 O 表示平均值 A 支架工作稳定区 B 支架工作不稳定区 7 回采工作面支架支撑力的选定应遵循的原则 第四部分 煤矿事故隐患分析 8 回采工作面回柱顺序对安全生产的影响 9 顶底板条件对支护效果的影响 第四部分 煤矿事故隐患分析 10 采煤工作面丢失顶煤和底煤的危害及伞檐煤的有关规定 采煤工作面任意丢失顶煤或底煤 会带来以下三方面的问题 浪费资源 使工作面回采率达不到规定要求 对于有自然发火倾向的煤层 丢失在采空区内的煤炭可导致自然发火 引起内因火灾 会导致 顶板 支架 底板 组成的支护系统的刚度降低 引起单体支柱钻底或液压支架底座下陷 顶板状况进一步恶化 从而导致顶板事故 第四部分 煤矿事故隐患分析 11 新暴露顶板的离层危害及防治 图4 7短顶梁与基本顶梁配合情况 第四部分 煤矿事故隐患分析 12 来压期间与回采期间煤壁片帮的危害及防治 13 回柱放顶时的隐患及防治 14 回采工作面控顶距离对工作面顶板管理造成的影响 15 放炮崩倒工作面支柱的危害及防治 第四部分 煤矿事故隐患分析 16 回采工作面初次放顶及收作应注意以下问题 17 工作面端头支护对安全生产的影响及防治 18 工作面前方两道超前移动支承压力对顶板管理的影响 19 处理工作面冒顶事故应注意的问题 20 开采顺序对安全生产的影响 第四部分 煤矿事故隐患分析 21 底板岩石巷道位置的选择对巷道稳定性的影响 图4 8巷道围岩不同时掘进期间的移动量1 2 围岩比较稳定和中等稳定的岩巷 3 4 围岩中等稳定和不稳定的半稳定岩巷 第四部分 煤矿事故隐患分析 21 底板岩石巷道位置的选择对巷道稳定性的影响 图4 9巷道周围煤 岩的非均质性造成的支架变形和折损 第四部分 煤矿事故隐患分析 21 底板岩石巷道位置的选择对巷道稳定性的影响 图4 10地质构造造成的巷道破坏 第四部分 煤矿事故隐患分析 22 采掘过程中应严禁两个问题 其一 严禁任意扩大和缩小设计规定的煤柱 采空区不得遗留未经设计规定的煤柱 其二 严禁破坏工业广场 矿界 防水和井巷等的安全煤柱 第四部分 煤矿事故隐患分析 23 严禁在控顶区域内提前回柱 主要原因 有利于形成再生顶板 作下分层开采时的顶板用之 一般压实时间为4 6个月 可灭火除尘 可防自然发火 水有很大的吸热能力 1升水汽化成蒸汽时能吸收2256焦耳的热量 使物体冷却后停止自燃 24 采用分层跨落法开采时 必须向采空区注水或注浆 第四部分 煤矿事故隐患分析 25 来压期间与回采期间煤壁片帮的危害及防治 26 深井矿压参数对安全开采的影响 27 巷道过断层或破坏带的隐患排除 28 支护材料的选择及支护质量对巷道稳定性的影响 第四部分 煤矿事故隐患分析 29 锚杆支护对巷道稳定性的影响 图4 11 1 锚杆悬吊作用 第四部分 煤矿事故隐患分析 29 锚杆支护对巷道稳定性的影响 图4 11 2 锚杆组合作用 第四部分 煤矿事故隐患分析 29 锚杆支护对巷道稳定性的影响 图4 11 3 锚杆挤压作用 第四部分 煤矿事故隐患分析 30 巷道岔口位置的选择及支护对巷道稳定性的影响 31 采用锚杆锚喷支护形式应该注意下列问题 32 巷道维护对巷道稳定性的影响 思考题 如何认识煤矿顶板事故隐患的危害 2 试分析与外力量及消除煤矿顶板事故隐患的重要性 3 试分析事故隐患与事故的关系 第四部分 煤矿事故隐患分析 第五部分 冲击地压的基本知识 一 概述 二 冲击矿压的形成和机理 三 影响冲击矿压发生的因素 四 具有冲击地压煤层的开采技术 一 概述 一 国内外冲击地压的发生情况 1 根据冲击地压的物理特征 按发生原因分为三类 压力型冲击地压突发型冲击地压爆炸型冲击地压 二 冲击地压的分类 一 概述 二 冲击地压的分类 2 根据冲击地压的能量特征 按冲击时释放的地震能大小分为五个等级 微冲击弱冲击中等冲击强烈冲击灾害性冲击 一 概述 二 冲击地压的分类 3 根据参与冲击的岩体类别分为两类 煤层冲击 煤爆 岩层冲击 岩爆 一 概述 二 冲击地压的分类 4 根据冲击力源分为3级 重力型构造型中间型 一 概述 二 冲击地压的分类 5 我国对冲击地压的分类 一般冲击地压破坏型冲击地压冲击地压事故 一 概述 三 冲击地压的危害及研究现状 主要成果 冲击地压机理研究煤层冲击倾向试验研究钻屑法的研究地音煤层注水 已推广使用 煤层卸压爆破 已部分推广使用 坚硬顶板处理 注水软化等措施 有效控制了大冒顶等冲击地压现象 四 冲击地压在我国矿区的分布 二 冲击矿压的成因和机理 冲击矿压的成因和机理可用以下准则的原理模型加以说明 强度准则 式中 分别为自重和构造应力 分别由开采引起的附加应力和其他条件 水 温度等 引起的应力 煤体与围岩交界处的应力 煤体和围岩系统强度 二 冲击矿压的成因和机理 能量准则 式中 围岩与煤中贮存的弹性能 消耗于克服煤体与围岩边界处和煤体破坏等阻力的能量 围岩系统和煤体内的能量释放速度 克服围岩边界阻力和煤体破坏时吸收能量的速度 分别为围岩系统和煤体内能量释放的有效系数 二 冲击矿压的成因和机理 冲击倾向准则 式中 煤体 围岩 的冲击倾向度指数 是用来描述冲击地压危险性的指标 试验确定的冲击倾向界限值 三 影响冲击地压发生的因素 1 开采深度 假设煤层中的形变弹性能被塑性变形所吸收 则体变弹性能全消耗于破坏煤体和使其产生运动 若不计应力集中的影响作用时 则有 一 矿山地质因素 三 影响冲击地压发生的因素 1 开采深度 一 矿山地质因素 令 则 三 影响冲击地压发生的因素 1 开采深度 设煤在单向载荷时的抗压强度为 则用于破碎煤块的单位体积所需要的能量为 一 矿山地质因素 故 三 影响冲击地压发生的因素 1 开采深度 若考虑巷道周边的岩块处于双向受力状态 则所需能量要比U1大 现用一般性系数K0 K0 1 来表示 则破坏单位体积的能量U2为 一 矿山地质因素 三 影响冲击地压发生的因素 1 开采深度 按能量准则 一 矿山地质因素 所以 化简得 此处的H即是发生冲击地压的临界深度 国内外资料表明为200米 三 影响冲击地压发生的因素 1 开采深度 释放出来的动能应为 一 矿山地质因素 由于矿井条件的复杂性 上式只能说明达到一定开采深度是形成冲击矿压的一个基本条件 并非达到这一深度必有冲击发生 而是发生冲击地压的基本条件必须为H深度以上 实际资料表明 多数矿井的开采深度达到200米以上时才发生冲击地压 三 影响冲击地压发生的因素 1 开采深度 表5 1我国部分矿井发生冲击地压的临界深度 一 矿山地质因素 三 影响冲击地压发生的因素 1 开采深度 表5 2发生冲击地压的强度和频次与开采深度的关系 一 矿山地质因素 三 影响冲击地压发生的因素 1 开采深度 表5 3波兰发生冲击地压的频次与开采深度的关系 一 矿山地质因素 三 影响冲击地压发生的因素 煤层和顶板岩石性质及特征 一 矿山地质因素 地质构造 三 影响冲击地压发生的因素 煤柱 二 开采技术因素 放炮 采煤方法 图5 1易形成冲击条件的特例 四 具有冲击地压煤层的开采技术 预防原则 二是改变煤岩体的物理力学性能 以减弱弹性能的能力 一方面降低应力 能量 的集中程度 四 具有冲击地压煤层的开采技术 一 超前开采解放层 图5 2超前开采解放层1 危险层 2 保护层 3 保护区 4 缷载区 四 具有冲击地压煤层的开采技术 二 无煤柱开采 完全沿空掘巷留小煤柱的沿空掘巷保留老巷部分断面的沿空掘巷 应用沿空巷道 沿空掘巷 四 具有冲击地压煤层的开采技术 二 无煤柱开采 图5 3完全沿空掘巷 应用沿空巷道 1 沿空掘巷 四 具有冲击地压煤层的开采技术 二 无煤柱开采 图5 留小煤柱的沿空掘巷 应用沿空巷道 1 沿空掘巷 四 具有冲击地压煤层的开采技术 二 无煤柱开采 图5 5沿空留巷 应用沿空巷道 2 沿空留巷 四 具有冲击地压煤层的开采技术 二 无煤柱开采 图5 6沿空掘开切眼的方式 应用沿空巷道 2 沿空留巷 四 具有冲击地压煤层的开采技术 二 无煤柱开采 图5 7倾斜长壁沿空留巷 应用沿空巷道 2 沿空留巷 四 具有冲击地压煤层的开采技术 二 无煤柱开采 图5 8底板岩石平巷上部留有煤柱时应力集中情况 2 进行跨巷回采 1 跨越平巷回采 四 具有冲击地压煤层的开采技术 二 无煤柱开采 图5 9跨越平巷回采方式及平巷内压力变化情况 2 进行跨巷回采 1 跨越平巷回采 四 具有冲击地压煤层的开采技术 二 无煤柱开采 图5 10跨上山回采时区段煤柱对冲击的影响 2 进行跨巷回采 2 跨上山回采 不留区段煤柱 四 具有冲击地压煤层的开采技术 三 合理安排开采顺序 禁止工作面对采和追采 图5 11上下层采煤工作面的超前关系 由图可知上下层工作面的安全错距可采用下式计算 式中 安全错距 米 M 层间距离 米 层间距离 米 L 两工作面间的备用距离 一般为35 50米 即一个月的推进度 b 最大控顶距 避免跳区段回采避免对采追采的安全距离背离采空区回采 四 具有冲击地压煤层的开采技术 四 避免在高应力区掘进巷道 前已述 五 采用长壁式工作面开采具有冲击危险的煤层 六 改变煤岩体的物理力学性质 四 具有冲击地压煤层的开采技术 七 设置冲击地压监测系统 图5 12所示的冲击地压综合防治方案 可供相关人员参考 思考题 试分析冲击地压的机理及冲击条件 试分析采深与冲击地压的关系 从开采技术上应如何预防冲击地压的发生 第五部分 冲击地压的基本知识 第六部分 深井矿压知识分析 一 研究深井矿山压力的重要性及其意义 二 深井开采极限深度的确定 三 深井巷道的矿压显现特点分析 四 深井采场的矿压显现特点分析 五 深井与冲击地压的关系 六 深井巷道 采场的支护措施与研究方向 一 研究深井矿山压力的重要性及其意义 随着采深的增加 工作面前方支承压力带中巷道顶底板移近量也相应增加 其梯度为 围岩强度为30MPa移近量212mm 100m 采深 围岩强度为50MPa移近量115mm 100m 采深 围岩强度为90MPa移近量35mm 100m 采深 煤体内支承压力带总宽度增加37 平均增量为6m 100m 支承压力带内最大压力增加一倍 平均增量为2 4MPa 100m 沿煤层法线方向 顶板强烈破坏带的高度增加77 平均增量为4 6m 100m 一 国外煤矿巷道极限深度的确定 原苏联 表达式为 二 深井开采极限深度的确定 即 式中 覆岩重量 t m3 H 极限深度 m Rc 单向抗压强度 kg cm2 极限深度确定为 H 800m 注 不同的岩性有不同的容重及单向抗压强度 为不稳定状态时的极限深度 一 国外煤矿巷道极限深度的确定 2 德国 结合实测数据及实验室实验 计算所得的极限压力值与极限深度值为 二 深井开采极限深度的确定 式中 极限压力MN m2 底板岩层强度MN m2 岩性不同 值也不相同 H 极限深度 m 为此得出德国煤矿的极限深度为800 1200m 1200m为超深度或大深度开采 一 国外煤矿巷道极限深度的确定 3 英国 极限深度为750m 二 深井开采极限深度的确定 根据国外有关资料介绍 波兰煤矿的极限深度为750m日本煤矿的极限深度为600m 二 我国煤矿极限深度的确定 当岩层处于塑性变形阶段时 1 确定侧压系数 值 侧压系数 值是水平压力与垂直压力之比 二 深井开采极限深度的确定 即认为 0 5 二 我国煤矿极限深度的确定 2 确定巷道周边围岩压力集中系数k 表6 1不同巷道断面压力集中系数一览表 二 深井开采极限深度的确定 二 我国煤矿极限深度的确定 3 时间效应 岩石强度常随时间而变化 一般认为长时强度为瞬时强度的0 7 0 75倍 即长时载荷影响系数 0 7 0 75 二 深井开采极限深度的确定 表6 2长时载荷影响系数 二 我国煤矿极限深度的确定 4 岩体强度Rc 二 深井开采极限深度的确定 Rc为岩体单向抗压强度 由实验室得出 5 回采影响系数 不受相邻矿区回采影响时 取KH 0 77受相邻矿区回采影响时 KH 0 5 0 4 二 我国煤矿极限深度的确定 二 深井开采极限深度的确定 所以 当巷道周边围岩压力超过巷道周边岩体单向抗压强度时 巷道变形剧烈 可认为此时的巷道即为极限深度 表达式为 即 如果考虑构造因素的影响 应乘以构造系数Kg Kg的取值范围一般按经验取0 67 即 二 我国煤矿极限深度的确定 二 深井开采极限深度的确定 围岩性质不同 极限深度也是不同的 根据我国矿情 在非软岩类围岩中 不稳定的围岩极限深度为300 400m 中等稳定的围岩极限深度为650 750m 稳定的围岩极限深度为1000m以上 超过各类围岩的极限深度后 埋深每增加100m 其围岩移近量的增量如表6 3所示 二 我国煤矿极限深度的确定 二 深井开采极限深度的确定 表6 3不同围岩不同深度移近量增量一览表 二 我国煤矿极限深度的确定 二 深井开采极限深度的确定 在各类围岩条件下 埋深与巷道围岩移近量的关系如图6 1所示 图6 1埋深与巷道围岩变形量的关系 三 深井巷道的矿压显现特点分析 表6 4中硬岩石两帮压力 煤岩平均抗压强度与采深的关系 煤岩体抗压强度与采深的关系如表6 4所示 三 深井巷道的矿压显现特点分析 对表中数据进行回归分析后 求得砂岩 泥岩 硬煤随着深度增加而增加的平均抗压强度梯度为 砂岩 Rcs 380 6 6H泥岩 Rcn 2000 3 5H硬煤 Rcm 1940 0 6H 三 深井巷道的矿压显现特点分析 图6 2巷帮最大压力与煤岩平均抗压强度关系图 四 深井采场的矿压显现特点分析 一 回采工作面前方压力峰值距煤壁距离与采深的关系 表6 5回采工作面前方压力峰值随采深采厚变化表 四 深井采场的矿压显现特点分析 二 被采煤层上方垮落高度随采深的变化 表6 6被采煤层上方垮落高度的变化 四 深井采场的矿压显现特点分析 三 支承压力带内支架载荷与巷宽 单向抗压强度与采深的关系 表6 7支承压力带内 支架载荷与巷宽 单向抗压强度与采深的关系 四 深井采场的矿压显现特点分析 四 不同深度能保持巷道稳定状态的最小煤柱宽度 表6 8不同深度能保持巷道稳定状态的最小煤柱宽度 四 深井采场的矿压显现特点分析 五 采深与支护形式 工作面日产量的关系 图6 3采深与支护形式 工作面日产量的关系白色柱 支撑式支架的日产量 黑色柱 掩护式支架的日产量 五 深井与冲击地压的关系 煤岩体强度与采深的关系 如表6 9 图6 4所示 表6 9煤岩体强度与采深关系表 五 深井与冲击地压的关系 图6 4煤岩体强度与采深关系表 五 深井与冲击地压的关系 从煤的强度看 当 15MPa时 H 450m 煤体强度将遭到破坏 当 20MPa时 H 610m 煤体强度将遭到破坏 当 25MPa时 H 750m 煤体强度将遭到破坏 当 30MPa时 H 880m 煤体强度将遭到破坏 六 深井巷道 采场的支护措施与研究方向 1 深井巷道的支护2 工作面的支护3 深井矿压的研究方向 五 深井与冲击地压的关系 由此可见 煤矿中出现的冲击地压多为煤体突出 归纳起来 当 会形成强冲击地压当会形成冲击地压当 有冲击倾向当 无冲击倾向式中 某一深度的原岩应力 围岩应力 煤的抗压强度 思考题 研究深井矿山压力有何现实意义 我国深井极限是如何确定的 考虑了哪些因素 深井矿山压力有何特点 深井回采工作面对支护工作面有何要求 为什么 深井巷道支护应研究哪些内容 第六部分 深井矿压知识分析