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1、 顶板灾害 教案 江开尧 一、矿山压力分布规律 煤矿开采必然破坏原来的应力平衡状态，并导致应力再分布，从而形成了应力增高区与应力降低区。（一）基本概念 1.矿山压力及矿压显现 矿山压力是矿山开采时引起的岩层压力，一般解释为：由于矿山开采活动的影响，在开采巷道（工作面）围岩中所形成的力。由于矿山压力的作用，表现出的有形现象，称为矿压显现。2.围岩 围岩是顶底板岩层的总称，它一般由以下几种岩层组成：（1）.伪顶：紧贴煤层之上，极易垮落的较薄岩层。它由炭质页岩等软弱岩层组成，厚度小于 0.5m，特征是随采煤而垮落。（2）.直接顶：位于伪顶或煤层（无伪顶时）之上的一层或几层相同或不同的岩层。具有随回柱
2、放顶而垮落的特征。（3）.老顶：位于直接顶之上的岩层，由砂岩、石灰岩、砂质岩等坚硬岩石所组成。其厚度大于 2m，整体性较强,采空后能悬露较大面积。（4）.直接底:直接底位于开采层下面的岩层。3.原岩应力场 天然存在于原岩内与任何人为原因无关的应力场称为原岩应力场。在一般情况下垂直应力是普遍存在的，构造应力则决定于该地区的地壳运动形态。4.矿压控制 凡是减轻、调节、改变和利用矿山应力作用等方法，均称为矿压控制。5.采煤工作面的初次来压和周期来压 当老顶悬露达到极限跨距时，老顶断裂，同时发生已破裂的岩块失稳，从而导致工作面的顶板急剧下沉，此时，工作面支架呈现受力普遍加大现象，即称为老顶的初次来压。
3、随着采煤工作面的推进，老顶在初次断裂以后，裂隙带岩层将始终经历“稳定失稳再稳定”的变化，在失稳时会导致工作面顶板来压。这种来压是随着工作面的推进呈周期性出现，故称为周期来压。（二）掘进巷道引起的围岩垂直应力变化（三）采场周围应力分布及支撑压力 1.采场周围应力分布 2.采煤工作面前后支撑压力 二、常见冒顶事故及预防（一）掘进巷道冒顶事故与防治 1.巷道发生冒顶事故的原因 大致包括自然地质因素、工程质量因素、采掘工程因素、未严格执行顶板安全制度等几个方面：1）自然地质因素（1）岩层层理影响。（2）岩层节理裂隙及破碎带影响。（3）地下水影响。2）工程质量因素。（1）支架支设质量差。支架设在浮矸上，
4、金属可缩支架卡揽拧紧力不足，支架与围岩间没有背景等，可导致支架阻力不能及时发挥作用，使围岩松动破坏圈扩大，容易发生巷道冒顶事故。（2）支架稳定性较差。支架间连接不好，横向稳定性差，尤其在倾斜巷道，易造成多支架倾倒得大面积冒顶事故。（3）掘进打眼爆破参数掌握不好。炮眼角度不当，或装药量过大，放炮时易崩倒支架，且使掘进作业面增大围岩破坏圈范围，易造成冒顶及片帮事故。（4）锚杆支护失效。锚杆参数选择不当，或锚杆得锚固力失效时，都会造成巷道冒顶事故发生。（5）工程质量低劣。掘进工程中，没有严格按操作规程施工，力增高区与应力降低区一基本概念矿山压力及矿压显现矿山压力是矿山开采时引起的岩层压力一般解释为由
5、于矿山开采活动的影响在开采巷道工作面围岩中所形成的力由于矿山压力的作用表现出的有形现象称为矿压显现围岩围岩是成厚度小于特征是随采煤而垮落直接顶位于伪顶或煤层无伪顶时之上的一层或几层相同或不同的岩层具有随回柱放顶而垮落的特征老顶位于直接顶之上的岩层由砂岩石灰岩砂质岩等坚岩石所组成其厚度大于整体性较强采空后能悬露岩应力场在一般情况下垂直应力是普遍存在的构造应力则决定于该地区的地壳运动形态矿压控制凡是减轻调节改变和利用矿山应力作用等方法均称为矿压控制采煤工作面的初次来压和周期来压当老顶悬露达到极限跨距时老顶断裂同工程质量的检查制度不严，发现问题不能及时处理，也是引发冒顶事故得原因。3）采掘影响。4）
6、未严格执行顶板安全制度。2.巷道顶板事故的防治措施 1）掌握地质资料及开采条件。2）严格顶板安全检查制度。3)加强支护质量管理。（1）检查支架规格尺寸。（2）提高支设质量和保证支护阻力。（3）搞好支架与围岩之间的充填。（4）提高支架的稳定性。（5）及时支护。（6）加强锚杆支护的质量检查。4）进行临时支护：。（1）预喷混凝土支护。（2）前探梁临时支架。（3）机械化临时支架。目前大致有 ZJD 型掘进头临时支架、机械掘进工作面的临时支架、支架机、PQZ型前探支架等。（二）采煤工作面顶板事故及预防 采煤工作面顶板事故按力学原因分类，有压垮型、漏冒型与推垮型。1、老顶来压时压垮型冒顶及预防 预防措施如
7、下：（1）合理设计采场支护，使支护具有足够的支撑力和可缩量。（2）要进行顶板断层情况的预测预报。2、厚层难垮顶板大面积冒顶及预防 预防措施如下：（1）采用煤柱支撑法时，如果煤柱上方顶板悬露大面积采垮落，力增高区与应力降低区一基本概念矿山压力及矿压显现矿山压力是矿山开采时引起的岩层压力一般解释为由于矿山开采活动的影响在开采巷道工作面围岩中所形成的力由于矿山压力的作用表现出的有形现象称为矿压显现围岩围岩是成厚度小于特征是随采煤而垮落直接顶位于伪顶或煤层无伪顶时之上的一层或几层相同或不同的岩层具有随回柱放顶而垮落的特征老顶位于直接顶之上的岩层由砂岩石灰岩砂质岩等坚岩石所组成其厚度大于整体性较强采空后
8、能悬露岩应力场在一般情况下垂直应力是普遍存在的构造应力则决定于该地区的地壳运动形态矿压控制凡是减轻调节改变和利用矿山应力作用等方法均称为矿压控制采煤工作面的初次来压和周期来压当老顶悬露达到极限跨距时老顶断裂同则应在刀柱之间的采空区内用钻孔爆破法强制放顶；（2）采用长壁法采煤时，或超前工作面用钻孔爆破法、高压注水法预先松动，或在采空区用循环浅孔及步距式深孔法崩落顶板。3、直接顶导致的压垮型冒顶及预防 由于构造、采动等原因，使采煤工作面空间上方某部分直接顶与其周围岩体产生断裂，当这部分直接顶真题向下移动时，有可能造成压垮型冒顶事故。预防措施如下：（1）采煤支护强度要能自始至终平衡直接顶或垮落带岩层
9、的重量。底软时必须穿鞋，力求以支柱的初撑力平衡直接顶或垮落带的严重，以防直接顶或垮落带离层。（2）开采下分层时不要留煤皮，以免增加支架的载荷，如因条件限制非留煤皮不可，要相应增加支柱的初撑力或支柱密度。（3）在构造或采动破坏严重的区域，除相应缩小控顶距及加强放顶支柱的初撑强度外，应采用绞车远距离回柱。4、大面积漏垮型冒顶及预防 预防措施主要有：（1）选用合适的支护，使工作面支护系统有足够的支撑力和可缩量。（2）顶板必须背严接实。（3）严防爆破、移输送机等工序推倒支架，防止出现局部冒顶。5.局部漏冒型冒顶 局部漏冒型冒顶主要有：靠煤帮附近的漏冒、工作面两端的漏冒、放顶线附近的漏冒和地质破坏带附近
10、的漏冒。预防这一类局部漏冒的措施主要有：（1）对每一工作面进行实地观测，根据统计规律分析影响端面顶板冒落稳定性指标，对支护质量与地板动态进行监测，使顶板在形成冒顶事故前消除其隐患。力增高区与应力降低区一基本概念矿山压力及矿压显现矿山压力是矿山开采时引起的岩层压力一般解释为由于矿山开采活动的影响在开采巷道工作面围岩中所形成的力由于矿山压力的作用表现出的有形现象称为矿压显现围岩围岩是成厚度小于特征是随采煤而垮落直接顶位于伪顶或煤层无伪顶时之上的一层或几层相同或不同的岩层具有随回柱放顶而垮落的特征老顶位于直接顶之上的岩层由砂岩石灰岩砂质岩等坚岩石所组成其厚度大于整体性较强采空后能悬露岩应力场在一般情
11、况下垂直应力是普遍存在的构造应力则决定于该地区的地壳运动形态矿压控制凡是减轻调节改变和利用矿山应力作用等方法均称为矿压控制采煤工作面的初次来压和周期来压当老顶悬露达到极限跨距时老顶断裂同（2）采用能及时支护悬露顶板并能减少端面距的支架；要使支架处于良好的工作状态，（3）爆破采煤时，炮眼布置及装药量应合理，避免崩倒支架。（4）尽量使工作面与煤层的主节理方向垂直或斜交，避免煤壁片帮，一旦片帮应超前支护，防止冒顶。（5）尽可能保证工作面具有较快的推进速度。（6）机头机尾处应各采用四对八梁支护；巷道与工作面出口相连的一侧要架设一对长钢梁抬棚，托住原巷道支架的梁头；距工作面煤壁 20m范围内的巷道必须加
12、强支护。（7）在工作面的地质破坏带要特别加强支护。6、复合顶板推垮型冒顶及预防 复合顶板由下软上硬岩层构成。当煤层有伪顶时，如果采用托伪顶开采，则煤层的顶板就是复合顶板。应用留煤皮方法采煤时，煤皮与顶板有易分离或煤层有伪顶，这时回采工作面也处在复合顶板之下。煤层具有复合顶板，同时还必须具备下列四个条件，才会发生推垮型冒顶：1.因支柱初撑力小导致软硬岩层间离层；2.因构造、旧巷、支柱初撑小等原因导致顶板下部软岩层中断裂出 1 个六面体；3.六面体的相邻部分已冒空或为采空区，而且有一定的倾角；4.六面体因自重向自由空间的推力大于总阻力。预防措施为：（1）提高单体支柱的初撑力。（2）选用稳定性能好的
13、支架或加强支架的稳定性。（3）消除形成复合顶板推垮的条件。7、金属网下推垮型冒顶及预防 预防的主要措施为：力增高区与应力降低区一基本概念矿山压力及矿压显现矿山压力是矿山开采时引起的岩层压力一般解释为由于矿山开采活动的影响在开采巷道工作面围岩中所形成的力由于矿山压力的作用表现出的有形现象称为矿压显现围岩围岩是成厚度小于特征是随采煤而垮落直接顶位于伪顶或煤层无伪顶时之上的一层或几层相同或不同的岩层具有随回柱放顶而垮落的特征老顶位于直接顶之上的岩层由砂岩石灰岩砂质岩等坚岩石所组成其厚度大于整体性较强采空后能悬露岩应力场在一般情况下垂直应力是普遍存在的构造应力则决定于该地区的地壳运动形态矿压控制凡是减
14、轻调节改变和利用矿山应力作用等方法均称为矿压控制采煤工作面的初次来压和周期来压当老顶悬露达到极限跨距时老顶断裂同（1）控制柱距，提高支柱初撑力，避免形成网兜，并防止各个工序碰到支架。（2）用“整体支架”增加支架的稳定性。（3）采用伪俯斜工作面，目的主要在于增加抵抗下推的阻力。三、冲击地压发生的机理及防治措施 冲击地压发生机理极为复杂，发生条件多种多样。但有两个基本条件取得了共识:一是冲击地压是“矿体围岩”系统平衡状态失稳破坏的结果；二是多发生在采掘活动形成的应力集中区，当压力增加超过极限应力，并引起变形速度超过一定极限时即发生冲击地压。常用的冲击地压防治措施有 2 大类，即区域性的防治措施行和
15、局部性的防护解危。一般要求采取综合性防治措施，但必须优先考虑区域性防治措施。（一）冲击地压现象 冲击地压是煤岩体突然破坏的动力现象，是矿井巷道和采场周围煤岩体由于变形能的释放而产生以突然、急剧、猛烈破坏为特征的特殊的矿山压力现象，是煤矿重大灾害之一。煤矿冲击地压的主要特征：一是突发性，发生前一般无明显前兆，冲击过程短暂，持续时间几秒到几十秒;二是多样性，一般表现为煤爆、浅部冲击和深部冲击，三是破坏性，往往造成煤帮片帮、顶板下沉和低鼓，支架折损、巷道堵塞，人员伤亡；四是复杂性，在自然地质条件上，除褐煤以外的各种煤种都记录到冲击现象，采力增高区与应力降低区一基本概念矿山压力及矿压显现矿山压力是矿山
16、开采时引起的岩层压力一般解释为由于矿山开采活动的影响在开采巷道工作面围岩中所形成的力由于矿山压力的作用表现出的有形现象称为矿压显现围岩围岩是成厚度小于特征是随采煤而垮落直接顶位于伪顶或煤层无伪顶时之上的一层或几层相同或不同的岩层具有随回柱放顶而垮落的特征老顶位于直接顶之上的岩层由砂岩石灰岩砂质岩等坚岩石所组成其厚度大于整体性较强采空后能悬露岩应力场在一般情况下垂直应力是普遍存在的构造应力则决定于该地区的地壳运动形态矿压控制凡是减轻调节改变和利用矿山应力作用等方法均称为矿压控制采煤工作面的初次来压和周期来压当老顶悬露达到极限跨距时老顶断裂同深从 2001000m，地质构造从简单到复杂，煤层从薄层
17、到特厚层，倾角从水平到急斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等都发生过冲击地压。在生产技术条件上，不论水采、炮采、机采或是综采，全部垮落或是水力充填等各种采煤工艺，不论是长壁、短壁、房柱式或是煤柱式，分层开采还是倒台阶开采等各种采煤方法都出现了冲击地压。（二）冲击地压的防治措施 由于冲击地压问题的复杂性和我国煤矿生产地质条件的多样性，增加了冲击地压防治工作的困难。为了有效地防治冲击地压的发生，应当根据具体条件因地制宜地采取综合治理措施。1.采用合理的开拓布置和开采方式 其主要原则是：（1）开采煤层群时，开拓布置应有利于保护层开采。首先开采无冲击危险或冲击危险下的煤层作为保护层。且优先开采上保护层。
18、（2）划分井田或采区时，应保证合理的开采顺序，最大限度地避免形成煤柱等应力集中区。（3）采区或盘区的采煤工作面工作面一个方向推进，避免相向开采，以避免应力叠加。（4）在地质构造等特殊部位，应采取能避免或减缓应力集中和叠加的开采程序。（5）有冲击危险的煤层的开拓或准备巷道、永久硐室、主要上力增高区与应力降低区一基本概念矿山压力及矿压显现矿山压力是矿山开采时引起的岩层压力一般解释为由于矿山开采活动的影响在开采巷道工作面围岩中所形成的力由于矿山压力的作用表现出的有形现象称为矿压显现围岩围岩是成厚度小于特征是随采煤而垮落直接顶位于伪顶或煤层无伪顶时之上的一层或几层相同或不同的岩层具有随回柱放顶而垮落的
19、特征老顶位于直接顶之上的岩层由砂岩石灰岩砂质岩等坚岩石所组成其厚度大于整体性较强采空后能悬露岩应力场在一般情况下垂直应力是普遍存在的构造应力则决定于该地区的地壳运动形态矿压控制凡是减轻调节改变和利用矿山应力作用等方法均称为矿压控制采煤工作面的初次来压和周期来压当老顶悬露达到极限跨距时老顶断裂同（下）山、主要溜煤巷和回风巷应布置在地板岩层或无冲击危险煤层中，以利于维护和减少冲击危险。采煤巷道应尽可能避免开支承压力峰值范围，采用宽巷掘进，少用或不用双巷或多巷同时平行掘进。对于水采区的采煤枪眼应躲开高应力集中区，选在采空区附近的压力降低区为好。（6）开采有冲击危险的煤层，应采用不留煤柱垮落法管理顶板
20、的长壁开采法。采煤线尽量是直线且有规律地按正确的开采速度推进。（7）顶板管理尽量采用全部垮落法，工作面支架应采用具有整体性和防护能力的可缩性支架，并加大支护强度。2.开采保护层 开采保护层是防治冲击地压的有效和带有根本性的区域防范措施。3.煤层预注水 煤层注水一般采用长钻孔施工工艺。注水孔根据具体条件可以沿走向或沿倾斜方向布置，也可以穿层布置，但是注水孔必须远离断层破碎带。对于顶板起伏较大的煤层，应采取相对布孔，使孔长减小。孔口应布置在煤层中较坚硬的分层中，以利于封孔和防止漏水。注水孔直径一般为 5060mm，注水孔长度 2050m。一般是按待注水煤体尺寸减 15m来计算。注水孔倾角应考虑钻杆
21、下沉的影响，使成孔倾角与煤层倾角一致，不致穿入顶地板。注水孔间距取决于湿润半径，一般为 1020m。力增高区与应力降低区一基本概念矿山压力及矿压显现矿山压力是矿山开采时引起的岩层压力一般解释为由于矿山开采活动的影响在开采巷道工作面围岩中所形成的力由于矿山压力的作用表现出的有形现象称为矿压显现围岩围岩是成厚度小于特征是随采煤而垮落直接顶位于伪顶或煤层无伪顶时之上的一层或几层相同或不同的岩层具有随回柱放顶而垮落的特征老顶位于直接顶之上的岩层由砂岩石灰岩砂质岩等坚岩石所组成其厚度大于整体性较强采空后能悬露岩应力场在一般情况下垂直应力是普遍存在的构造应力则决定于该地区的地壳运动形态矿压控制凡是减轻调节
22、改变和利用矿山应力作用等方法均称为矿压控制采煤工作面的初次来压和周期来压当老顶悬露达到极限跨距时老顶断裂同4.厚层坚硬顶板的预处理 1）顶板注水软化。2）爆破断顶。(三)冲击地压的解危措施 1.爆破卸压 该法适用于顶板比较完整的条件下或作为煤层注水时的辅助措施。2 钻孔卸压 其实质是利用煤层中积聚的弹性能来破坏钻孔周围的煤体，使煤层卸压释放能量，消除冲击危险。钻孔卸压作为解危措施是可行的，其优点在于：能把钻孔深入到高压带、卸压效果好、灵活可靠；而且压力愈高，卸压效果越好；能在恶劣的薄煤层条件下应用；此外，钻孔排除的煤粉量还可作为评价冲击危险程度和卸压效果的指标。3 诱发爆破 诱发爆破是在监测到
23、有冲击地压危险的情况下，利用较多药量进行爆破，人为地诱发冲击地压，使冲击地压发生在一定的时间和地点，从而避免更大损害的一种解危措施。实施诱发爆破必须慎重行事，要有限度地使用。作为辅助手段，其效果是有限的，且不能保证按时诱发，只有当存在严重冲击危险，其它方法无效或无法实施时应用。力增高区与应力降低区一基本概念矿山压力及矿压显现矿山压力是矿山开采时引起的岩层压力一般解释为由于矿山开采活动的影响在开采巷道工作面围岩中所形成的力由于矿山压力的作用表现出的有形现象称为矿压显现围岩围岩是成厚度小于特征是随采煤而垮落直接顶位于伪顶或煤层无伪顶时之上的一层或几层相同或不同的岩层具有随回柱放顶而垮落的特征老顶位
24、于直接顶之上的岩层由砂岩石灰岩砂质岩等坚岩石所组成其厚度大于整体性较强采空后能悬露岩应力场在一般情况下垂直应力是普遍存在的构造应力则决定于该地区的地壳运动形态矿压控制凡是减轻调节改变和利用矿山应力作用等方法均称为矿压控制采煤工作面的初次来压和周期来压当老顶悬露达到极限跨距时老顶断裂同 力增高区与应力降低区一基本概念矿山压力及矿压显现矿山压力是矿山开采时引起的岩层压力一般解释为由于矿山开采活动的影响在开采巷道工作面围岩中所形成的力由于矿山压力的作用表现出的有形现象称为矿压显现围岩围岩是成厚度小于特征是随采煤而垮落直接顶位于伪顶或煤层无伪顶时之上的一层或几层相同或不同的岩层具有随回柱放顶而垮落的特征老顶位于直接顶之上的岩层由砂岩石灰岩砂质岩等坚岩石所组成其厚度大于整体性较强采空后能悬露岩应力场在一般情况下垂直应力是普遍存在的构造应力则决定于该地区的地壳运动形态矿压控制凡是减轻调节改变和利用矿山应力作用等方法均称为矿压控制采煤工作面的初次来压和周期来压当老顶悬露达到极限跨距时老顶断裂同