礦山頂板事故防治第一二三章.ppt

煤礦頂板事故防治技術,太原理工大學礦業(yè)工程學院,第一章煤礦事故概況,第一節(jié)綜述 瓦斯煤塵爆炸事故次數(shù)占事故總數(shù)的29.5%，傷亡人數(shù)占總數(shù)的52.31%，居各類事故之首； 其次是頂板事故，發(fā)生次數(shù)占總次數(shù)的23.5%，傷亡人數(shù)占總數(shù)的8.81%,如果統(tǒng)計死亡1-2人的頂板事故，頂板事故占總數(shù)的49.86%，死亡人數(shù)占總數(shù)的35.67%，可見頂板事故對煤礦安全生產(chǎn)的影響之大。,1950-2003年煤礦各類事故發(fā)生起數(shù)及死亡人員統(tǒng)計,第二節(jié) 頂板事故發(fā)展趨勢 1954-1985年 頂板事故死亡人數(shù)占總數(shù)的45%，其中工作面頂板事故占75%，巷道頂板事故占25%； 1986-1992年頂板事故死亡人數(shù)占總數(shù)的40%，其中工作面頂板事故占66%，巷道頂板事故占34%； 頂板事故總體呈下降趨勢，其中工作面頂板事故亦呈下降趨勢，而巷道頂板事故呈上升趨勢。,第二章礦山壓力及其顯現(xiàn)概述,第一節(jié) 礦山壓力及其在圍巖中的分布 一、礦山壓力的概念 原巖體：地下巖體在受到人類工程活動影響前稱為原巖體 。 原巖體在地殼內(nèi)各種力的作用下處于平衡狀態(tài)。 礦山壓力： 由于在地下進行采掘活動而在井巷、硐室及回采工作面周圍煤、巖體中和支護物上所引起的力，就叫做礦山壓力,二、礦山壓力的來源,（1）上覆巖層的重力(自重應力) 由于上覆巖層的重量所應起的力成為自重應力。 自重應力可以通過計算得出：,如在深部，巖層呈現(xiàn)塑海姆法則，即,（金尼克假設）,(2)構造運動的作用力(構造應力),由于地質構造運動而在巖體內(nèi)積存的應力稱為構造應力。特點： 一般情況下地殼運動以水平運動為主，構造應力主要也是水平應力，而且地殼運動總的來說是以擠壓運動為主，所以水平應力以壓應力占絕對優(yōu)勢。 構造應力分布很不均勻，主應力的大小和方向往往有很大變化。 巖體中的構造應力具有明顯的方向性，通常兩個方向的水平應力值是不相等的。 根據(jù)測定，巖體中的構造應力普遍存在以下規(guī)律： 最大水平應力最小水平應力垂直應力 在堅硬巖層中，出現(xiàn)構造應力一般比較普通；在軟巖中，儲存構造應力很少。,(3)巖體膨脹的作用力(膨脹應力) 包括巖體因溫度升高或遇水膨脹而產(chǎn)生的應力。 溫度主要與開采深度有關。在一般深度條件下，由于溫度應力與自重應力及構造應力相比很小，因此，只是在開采深度比較大的條件下才需要考慮。 泥質巖石特別是含有蒙脫石等吸水很強成分的情況下，遇水膨脹可以產(chǎn)生很高的膨脹應力，是巷道礦山壓力的一個重要來源。（鋁土巖）,第二節(jié) 礦山壓力顯現(xiàn),一、概念及基本形式 礦山壓力顯現(xiàn)：礦山壓力顯現(xiàn)是指在礦山壓力作用下所引起的一系列力學現(xiàn)象。 基本形式： 如圍巖變形、頂板下沉、巖體離層、破壞和冒落、煤體壓酥、片幫和突出、支架受載、變形、折斷以至大規(guī)模巖層移動、“放炮”等現(xiàn)象，均稱之為“礦山壓力顯現(xiàn)”。所以，礦山壓力顯現(xiàn)是礦山壓力作用的結果和外部表現(xiàn)。,圖2.1 礦山壓力顯現(xiàn)的基本形式,頂板下沉與支架承載,頂?shù)装逡平?兩幫鼓出,冒頂、片幫,礦山壓力顯現(xiàn),圍 巖 運 動,支 架 受 力,兩 幫 運 動,頂 板 運 動,底 板 運 動,載 荷 增 減,支 架 壓 折,支 架 變 形,概念？,采動后表現(xiàn)出的礦山壓力現(xiàn)象,礦山壓力控制： 人為減輕、調(diào)節(jié)、改變和利用礦山壓力作用的各種方法，叫做“礦山壓力控制”，簡稱礦壓控制。 把礦山壓力顯現(xiàn)控制在合理的范圍，這是礦山壓力控制的根本目的。,二、礦山壓力與礦山壓力顯現(xiàn)間的關系 礦山壓力的存在是客觀的、絕對的，它存在于采動空間的周圍巖體中。但礦山壓力的顯現(xiàn)則是相對的、有條件的，它是礦山壓力作用的結果。然而，圍巖中有礦山壓力存在卻不一定有明顯的礦山壓力顯現(xiàn)。因為圍巖的明顯運動本身是有條件的，只有當應力達到其變形強度后才會發(fā)生。支架受力也是如此，它不僅取決于圍巖的明顯運動，而且還取決于支架對圍巖運動的抵抗程度。 壓力顯現(xiàn)強烈的部位不一定是壓力高峰的位置。研究表明，在巖層運動發(fā)展過程中，礦山壓力與礦山壓力顯現(xiàn)之間存在一定的對應關系，根據(jù)兩者間的關系，可以通過礦山壓力的顯現(xiàn)來推斷壓力高峰的位置。 就某一點而言，壓力顯現(xiàn)的變化幅度與該點壓力的增減幅度是相關的、對應的，但不一定成正比。,三、影響礦山壓力顯現(xiàn)的因素 1深度越大，巷道越難維護，但維護費用的增加并不與深度成正比。淺部巷道的礦壓主要表現(xiàn)在頂部，深部巷道 的礦壓則來自四周，并有沖擊地壓現(xiàn)象。 2巖層性質的影響 巖體內(nèi)摩擦角小，結構面發(fā)育，則礦壓顯現(xiàn)顯著。在緩傾斜巖層中礦山壓力主要來自頂板；急傾斜巖層中礦山壓力來自頂?shù)装?，在巷道中表現(xiàn)為兩幫壓力較大。在強度較大的巖體中，頂壓較明顯；在強度低的巖體中，四周壓力較明顯，底鼓影響嚴重。遇水膨脹的巖體最難維護。 3地質構造的影響 在向斜軸、背斜軸、壓應力斷層或剪應力斷層附近等應力集中區(qū)，礦山壓力較大。因為構造應力的最大主應力垂直于巷道軸向，平行于這些構造走向的巷道更難維護。,4巷道尺寸和形狀的影響 巷道的礦山壓力與巷道尺寸成正變關系。巷道的形狀對彈性狀態(tài)的周邊應力影響較大，對塑性區(qū)的大小影響較小，巷道形狀對支架的受力情況有較大的影響，曲線形巷道斷面易于維護。 5時間影響 由于巖石不斷移動，塑性區(qū)將不斷擴大，巖體強度又逐漸削弱，礦山壓力也將隨時間而增加。如果維護措施得當，強度較大的巖體將在短時間內(nèi)趨于穩(wěn)定，軟弱巖體則將持續(xù)很長時間。 6. 其它采掘工程的影響 采掘工程將引起周圍巖體中應力重新分布及巖體移動。凡處于這一影響范圍的巷道，礦壓顯現(xiàn)將加劇。,礦山壓力的來源,礦山壓力,根源？,采動前的原巖應力,隨采深的增加而 增加是不確切的,來源？,1.巖層重力 2.構造運動作用力 3巖體膨脹作用力,各點主應力的大小、方向、垂直應力與水平應力之間的比值等決定了采動后圍巖應力重新分布的規(guī)律,第三章 采煤工作面上覆巖層移動規(guī)律,第一節(jié) 概 述 一、煤層頂?shù)装鍘r層的構成 采煤工作面上方的巖層頂板 下方的巖層底板 回采工作面或采場： 直接進行采煤或采有用礦物的工作空間。,1、基本頂；2、直接頂；3、偽頂；4、煤層；5、底板巖層,煤層頂?shù)装鍘r層,偽頂：在煤層與直接頂之間有時存在厚度小于0.30.5m、極易垮落的軟弱巖層。隨采隨冒，一般炭質頁巖、泥質頁巖等。 ； 直接頂：直接位于煤層上方的一層或幾層性質相近的巖層。通常由具有一定穩(wěn)定性且易于隨工作面回柱放頂而垮落的頁巖、砂頁巖或粉砂巖等巖層組成。 基本頂(老頂)：位于直接頂 (有時直接位于煤層)之上對采場礦山壓力直接造成影響的厚而硬的巖層。一般是由砂巖、石灰?guī)r及砂礫巖等巖層組成。 直接底：直接位于煤層下面的巖層。,二、采煤工作面上覆巖層移動及其破壞,在采用長壁采煤法時，隨著采煤工作面的不斷向前推進，暴露出來的上覆巖層在礦山壓力的作用下，將產(chǎn)生變形、移動和破壞。根據(jù)破壞狀態(tài)不同，上覆巖層可劃分為圖31所示的三個帶：,冒落帶。指采用全部垮落法管理頂扳時，采煤工作面放頂后引起的煤層直接頂?shù)钠茐姆秶?圖中)。該部分巖層在采空區(qū)內(nèi)已經(jīng)垮落，而且越靠近煤層的巖石就越紊亂、破碎。在采煤工作面內(nèi)這部分巖層由支架暫時支撐。 裂隙（縫）帶。指位于冒落帶之上的巖層。這部分巖層的特點是巖層產(chǎn)生垂直于層面的裂縫或斷開，但仍能整齊排列(圖中)。 彎曲下沉帶。一般是指位于裂隙帶之上的巖層，向上可發(fā)展到地表。此帶內(nèi)的巖層將保持其整體性和層狀結構(圖中)。,冒落帶和裂隙帶的總厚度，一般為采高的6倍8倍。,裂隙帶巖層在水平方向上可以分為3個區(qū)：煤壁支撐區(qū)、離層區(qū)和重新壓實區(qū)，如圖所示。 (1)煤壁支撐影響區(qū)：它是由于工作面煤壁支撐而使頂板呈拉伸變形形成的。范圍從工作面前方3040 m一直到工作面后方48m，該區(qū)內(nèi)頂板水平移動較為劇烈，垂直移動則甚微，在有些場合垂直位移還會出現(xiàn)負值（即巖層上升現(xiàn)象）。 (2)離層區(qū)：范圍從工作面后方48m至30m左右，該區(qū)內(nèi)頂板急劇下沉、斷裂，且各層下沉的速度由下向上逐漸減少，并且層間的離層現(xiàn)象隨著距煤層距離的增加而愈多。 (3)重新壓實區(qū)：位于工作面后方30 m以外，該區(qū)內(nèi)已斷裂的巖層又重新被采空區(qū)冒落的殲石支撐，由下向上各巖層的下沉速度逐漸增大，層間進入相互壓實的過程。,采煤工作面上覆懸露巖層破壞的運動形式?jīng)Q定著礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律及對控制的要求。 上覆巖層自懸露發(fā)展到破壞，基本上有兩種運動形式，即拉破壞和剪斷破壞。 1拉破壞,(a)-隨工作面的推進，上覆巖層懸露； (b)在重力作用下彎曲； (c)巖層彎曲沉降到一定程度后，伸人煤體的端部裂開； (d)中部開裂； (e)巖層冒落。,2剪斷破壞 巖層懸露后只產(chǎn)生較小彎曲下沉，懸露巖層端部即開裂，見圖(a)； 在巖層中部末開裂(或開裂很少)的情況下，巖層大面積整體塌垮，見圖(b)。 運動范圍大、速度快，工作面有明顯的動壓沖擊。極易發(fā)生頂板沿煤壁切下的重大冒頂事故。 有時也會發(fā)生臺階下沉，使支柱回撤工作非常困難。 控制這類頂板破壞，工作面支架必須有較高的初撐力。,產(chǎn)生懸露巖層剪斷破壞的條件： 當工作面煤壁推進至巖梁端部開裂位置附近時，斷裂面上的剪應力超過一定限度，雖然其中部尚未開裂，但只要下部有少量運動空間，巖層即可能被剪斷而整體塌垮。,3兩種破壞形成的轉化 巖層的兩種破壞形式隨地質及開采條件的變化而相互轉化。 (1)當工作面推至巖層端部開裂位置附近，提高推進速度可能會使原來呈彎拉破壞的巖層轉變?yōu)榧羟衅茐牡倪\動形式。在日常來壓比較均勻的工作面，高產(chǎn)后往往會出現(xiàn)切頂事故，破壞形式的轉化就是其原因。 (2)強制放頂改變堅硬巖層的厚度，可以排除整體塌垮的威脅，從而使剪切破壞形式轉化為彎拉破壞形式。 (3)分層開采的厚煤層，若采用上行式開采程序，通過下部幾個分層的開采，使堅硬(可能發(fā)生剪切破壞)的頂板巖層受到重復的采動影響，產(chǎn)生裂縫，可減小突然剪斷的可能性，從而可轉化為彎拉破壞的運動形式。 (4)在工作面推進方向上遇到與煤壁平行的斷層，使原來彎拉破壞的巖層可能向整體切斷的運動形式轉化。這是因為斷層破壞了巖層的連續(xù)性，當工作面推到斷層部位時，巖層懸露尚未達到中部裂斷所必須的跨度，可能出現(xiàn)整體切斷危險。,第二節(jié) 直接頂?shù)囊苿右?guī)律,直接頂?shù)某醮慰迓洌翰擅汗ぷ髅孀蚤_切眼開始推進后，直接頂巖層一般并不立即垮落。待推進一定距離后，直接頂懸露面積超過其允許值，才會大面積垮落下來，稱為直接頂?shù)某醮慰迓?初次放頂) 。 初次垮落距：工作面自開切眼推過一段距離后，直接頂懸露達到一定跨度，采空區(qū)進行初次放頂，直接頂開始垮落，此時直接頂?shù)目缇喑蔀槌醮慰迓渚唷?直接頂結構特點：在推進方向上不能保持水平力的傳遞。 控制直接頂?shù)幕疽笫牵褐Ъ軕艹袚淙恐亓俊?一、直接頂厚度(冒高)的確定,一般，K=1.251.35,1不考慮巖層本身沉降的推斷方法,2考慮巖層本身沉降的推斷方法,二、影響直接頂厚度(冒高)的主要因素 1采高的影響 冒落高度與采高近似成正比 2巖梁允計沉降值So及巖梁實際沉降值SA的影響 S0的大小主要由巖層的厚度、強度及在推進方向上裂隙發(fā)育情況等因素決定。 3巖梁觸矸處已冒巖層碎脹系數(shù)的影響 已冒巖層的碎脹系數(shù)巖層的巖石力學性質及結構情況、頂板處理方法有關 。 強度高、節(jié)理裂隙發(fā)育的砂巖或堅硬砂巖強制放頂時，K13135；強度較低的一般巖層(粉砂巖、頁巖等)時，K125128。 K愈大，則冒高值(hZ)愈小。當巖層堅硬，產(chǎn)生整體切斷時： K1、hz。表明上部軟巖隨其下部堅硬巖層整體塌落時，上覆巖層將冒到上部堅硬巖層為止，甚至達到地表。,4采空區(qū)頂板處理方法的影響 (1)采用充填法可以減小冒高值 (2)采用強制放頂可以將可能整體垮落的采場向一般采場轉化。此時冒高值即為強制放頂?shù)膸r層厚度。 5開采程序的影響 在有整體垮落危險的堅硬頂板巖層條件下，實行反程序開采，可避免切落危險。,第三節(jié) 老頂?shù)囊苿右?guī)律,老頂?shù)倪\動一般有兩種形式。 1老頂?shù)木徛鲁?若采高較小，直接頂厚度較大，直接頂巖層可能呈不規(guī)則垮落而充滿采空區(qū)。 老頂巖層緩慢下沉時，破斷的巖塊之間互相嚙合餃接，這時，老頂巖層將其自身和上部巖層的部分重量傳遞到前方煤壁和后方冒落矸石上，采煤工作面內(nèi)的礦山壓力顯現(xiàn)不明顯，對頂板管理有利。 2老頂呈長巖梁斷裂 當直接頂厚度較小或工作面采高較大時，直接頂冒落后將不能充滿采空區(qū),這時老頂?shù)倪\動情況如下： (1)老頂?shù)某醮慰迓?極限跨距：老頂巖梁達到斷裂時的跨距稱為極限跨距。 拉破壞： 按固定梁計算 ： 按簡支梁計算 ：,剪斷破壞：,式中：L-極限跨距；h-老頂巖梁厚度； q-老頂上的載荷；RT-老頂巖梁抗拉強度； RS-老頂巖梁抗剪強度,同樣條件下，按簡支梁計算比固定梁計算 小；剪切應力時最大。,老頂巖層達到極限懸跨度形成斷裂后，并不一定立即垮落，（老頂由開始破壞直至垮落常需要一定的時間，甚至在老頂垮落前的2d一3d即出現(xiàn)頂板斷裂的響聲等來壓預兆。在垮落前1h一2h，采空區(qū)可能發(fā)生隆隆巨響，通常煤壁片幫嚴重，頂板產(chǎn)生裂縫或掉渣，其下沉量及下沉速度明顯增加。支架載荷迅速增高。）巖塊間由于互相咬合關系也可能形成平衡，如圖4-l所示。由于巖層抗拉強度較小，因而在斷裂時很可能在梁的中間底部及兩側支座的上部裂開。隨巖塊的轉動，可能形成強大的水平擠壓力，從而形成三鉸拱式的平衡結構。,三鉸拱形成的條件是： (1)咬和點處形成的應力應小于巖塊的抗壓強度。若超過該處的抗壓強度極限，就會咬合不住，從而導致巖層的垮落。 (2)在擠壓過程中巖層有一定的厚度，從而保證中間的鉸接點b在兩端鉸接點a、c連線之上，形成三鉸拱式的平衡。但巖層厚度也不能過大，否則也可能咬合不住。 (3)三鉸拱兩端支座處巖塊與煤壁的摩擦力要大于支座反力。 老頂初次來壓時，老頂跨度較大，影響范圍也較廣，工作面易出現(xiàn)事故，因此在生產(chǎn)過程中應嚴加注意。在來壓期間，必須注意采煤工作面的支護質量，加強支架的支撐力，增強支架的穩(wěn)定性。一般可以采用木垛、戧柱等加強支護。,老頂?shù)某醮蝸韷海河捎诶享數(shù)谝淮问Х€(wěn)而產(chǎn)生的工作面頂板壓力突然增大的現(xiàn)象稱為老頂?shù)某醮蝸韷骸?老頂?shù)某醮慰迓洌▉韷海┎骄啵河砷_切眼到老頂初次垮落（來壓）時工作面推進的距離稱為老頂?shù)某醮慰迓洳骄唷?初次垮落步距取決于老頂巖層的巖性、厚度和裂隙發(fā)育程度。一般情況下老頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?0m35m。有的礦區(qū)可達50m一70m，甚至更大。 特點：頂板下沉量和下沉速度增加、支架載荷增大、煤壁片幫、頂板產(chǎn)生裂縫或掉渣、出現(xiàn)頂板斷裂的響聲等 。,(2)老頂?shù)闹芷谛钥迓?老頂初次垮落后，隨著采煤工作面繼續(xù)推進，工作面上方的老頂巖層將呈懸露狀態(tài)。此時，上覆巖層的重量將由老頂?shù)膽冶壑苯觽鬟f給煤壁，部分上覆巖層及已折斷的老頂重量將直接加在已垮落的矸石上，采煤工作空間處于老頂懸梁的保護之下。 當采煤工作面繼續(xù)推進，老頂懸露跨度達到一定長度時，老頂在其自重及上覆巖層載荷作用下，將沿煤壁甚至在煤壁內(nèi)發(fā)生折斷和垮落 。 老頂?shù)闹芷趤韷海豪享數(shù)某醮蝸韷阂院?，隨工作面推進老頂巖層形成的裂隙體梁結構由穩(wěn)定到失穩(wěn)而導致回采工作面頂板壓力周期性增大的現(xiàn)象。 周期來壓（垮落）步距：相鄰兩次周期來壓（垮落）之間回采工作面推進的距離。,周期來壓步距取決于老頂?shù)膸r性、厚度、老頂上方巖層的組成情況等因素。 老頂?shù)闹芷趤韷翰骄喑３Ｊ前蠢享數(shù)膽冶凼秸蹟鄟泶_定。,式中：L-極限跨距；h-老頂巖梁厚度； q-老頂上的載荷；RT-老頂巖梁抗拉強度；,老頂初次斷裂的極限跨距（按固定梁計算 ）,則周期來壓步距相當于初次的1/2.45,周期來壓的礦壓顯現(xiàn)有： 頂板下沉速度急劇