礦山頂板事故防治-太原理工大學(xué)張百勝-第十章采煤工作面礦山壓力控制

1、第十章第十章 采煤工作面礦山壓力控制采煤工作面礦山壓力控制第一節(jié)第一節(jié) 頂板分類(lèi)頂板分類(lèi) 一、直接頂?shù)姆诸?lèi)一、直接頂?shù)姆诸?lèi) 類(lèi)別類(lèi)別1 1類(lèi)類(lèi)( (不穩(wěn)定不穩(wěn)定) )2 2類(lèi)類(lèi)( (中等穩(wěn)定中等穩(wěn)定) )3 3類(lèi)類(lèi)( (穩(wěn)定穩(wěn)定) )4 4類(lèi)類(lèi)( (非常穩(wěn)定非常穩(wěn)定) )1a(1a(極不穩(wěn)定極不穩(wěn)定) ) 1b(1b(較不穩(wěn)定較不穩(wěn)定) )2a(2a(中下穩(wěn)定中下穩(wěn)定) )2b(2b(中上穩(wěn)定中上穩(wěn)定) )指標(biāo)指標(biāo)L Lz0z04444L Lz0z08888L Lz0z012121212L Lz0z018181818L Lz0z028282828L Lz0z05050巖性巖性描述描述泥巖，泥泥

2、巖，泥頁(yè)巖，節(jié)頁(yè)巖，節(jié)理裂隙發(fā)理裂隙發(fā)育，或松育，或松軟。軟。泥巖，碳泥巖，碳質(zhì)泥巖，質(zhì)泥巖，節(jié)理較發(fā)節(jié)理較發(fā)育。育。致密泥巖，粉砂巖，砂致密泥巖，粉砂巖，砂泥巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育。泥巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育。砂巖，石砂巖，石灰?guī)r，節(jié)灰?guī)r，節(jié)理裂隙很理裂隙很少。少。致密砂巖，致密砂巖，石灰?guī)r，節(jié)石灰?guī)r，節(jié)理裂隙極理裂隙極 少。少。直接頂分類(lèi)指標(biāo)及參考要素直接頂分類(lèi)指標(biāo)及參考要素 據(jù)緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類(lèi)（中華人民共和國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)據(jù)緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類(lèi)（中華人民共和國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT5541996） 二、老頂（基本頂）的分級(jí)二、老頂（基本頂）的分級(jí)基本頂?shù)V壓顯現(xiàn)強(qiáng)度分為四級(jí)，基本頂?shù)V壓顯

3、現(xiàn)強(qiáng)度分為四級(jí)，DL為基本頂初次來(lái)壓當(dāng)量，為基本頂初次來(lái)壓當(dāng)量，計(jì)算公式為：計(jì)算公式為： MNLLDLfn6 .525 .15)(3 .241fLNMhNhM基本頂初次來(lái)壓步距；基本頂初次來(lái)壓步距；直接頂充填系數(shù)，直接頂充填系數(shù)，直接頂厚度，直接頂厚度，m，煤層采高，煤層采高，m 。老頂分級(jí)老頂分級(jí)老頂來(lái)老頂來(lái)壓顯現(xiàn)壓顯現(xiàn)不明顯不明顯明顯明顯強(qiáng)烈強(qiáng)烈非常強(qiáng)烈非常強(qiáng)烈a ab b分級(jí)指標(biāo)分級(jí)指標(biāo)DL895895895DL975975975975DL107510751075107511451145老頂分級(jí)指標(biāo)老頂分級(jí)指標(biāo) 據(jù)緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類(lèi)（中華人民共和國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)據(jù)緩傾斜煤層采煤工

4、作面頂板分類(lèi)（中華人民共和國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT5541996） 第二節(jié)第二節(jié) 采煤工作面頂板控制設(shè)計(jì)采煤工作面頂板控制設(shè)計(jì) (一一)頂板控制方式選擇的原則頂板控制方式選擇的原則 隨著采煤工作面的不斷推進(jìn)，頂板懸露面積不斷擴(kuò)大，為了保證采煤工作的順利進(jìn)行，采煤工作面只需控制有限工作空間。為此，必須及時(shí)地對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理。采空區(qū)處理應(yīng)遵循安全性、經(jīng)濟(jì)性和可操作性的原則。根據(jù)不同的煤層賦存條件及頂?shù)装鍘r石性質(zhì)、地面的特殊要求(水體、鐵路、建筑物下采煤)等因素，采取不同的采空區(qū)處理方法。 (二二)頂板控制方法分類(lèi)頂板控制方法分類(lèi) 1全部垮落法全部垮落法 2全部充填法全部充填法3局部充填法局部充填法 4煤

5、往支撐法煤往支撐法 5緩慢下沉法緩慢下沉法 堅(jiān)硬難垮落頂板的控制技術(shù)堅(jiān)硬難垮落頂板的控制技術(shù)堅(jiān)硬難垮落頂板是指頂板巖石強(qiáng)度和彈性模數(shù)高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚堅(jiān)硬難垮落頂板是指頂板巖石強(qiáng)度和彈性模數(shù)高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大、整體性強(qiáng)、自承能力強(qiáng)、煤層開(kāi)采后大面積懸露而在采空區(qū)短期度大、整體性強(qiáng)、自承能力強(qiáng)、煤層開(kāi)采后大面積懸露而在采空區(qū)短期內(nèi)不垮落的頂板。內(nèi)不垮落的頂板。堅(jiān)硬難垮落頂板工作面與普通工作面礦壓顯現(xiàn)的主要區(qū)別是一次垮落的面積大，堅(jiān)硬難垮落頂板工作面與普通工作面礦壓顯現(xiàn)的主要區(qū)別是一次垮落的面積大，高度大；有強(qiáng)烈的周期性來(lái)壓，來(lái)壓時(shí)有明顯的動(dòng)壓沖擊現(xiàn)象，常造成支護(hù)設(shè)高度大；有強(qiáng)烈的周期

6、性來(lái)壓，來(lái)壓時(shí)有明顯的動(dòng)壓沖擊現(xiàn)象，常造成支護(hù)設(shè)備損壞，人身傷亡等惡性事故。備損壞，人身傷亡等惡性事故。 我國(guó)的大同、晉城、鶴崗、棗莊、通化、神東、烏魯木齊等礦區(qū)都有堅(jiān)硬難垮我國(guó)的大同、晉城、鶴崗、棗莊、通化、神東、烏魯木齊等礦區(qū)都有堅(jiān)硬難垮落頂板，也都存在著對(duì)該類(lèi)頂板控制的技術(shù)和工藝。我國(guó)從落頂板，也都存在著對(duì)該類(lèi)頂板控制的技術(shù)和工藝。我國(guó)從20世紀(jì)世紀(jì)50年代起開(kāi)年代起開(kāi)始研究堅(jiān)硬難垮落頂板的控制始研究堅(jiān)硬難垮落頂板的控制 。為解決此問(wèn)題，多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了采煤方法的改進(jìn)試驗(yàn)和頂板弱化處理為解決此問(wèn)題，多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了采煤方法的改進(jìn)試驗(yàn)和頂板弱化處理試驗(yàn)研究，將難垮落頂板改變?yōu)檩^

7、易垮落的頂板，從而實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壁機(jī)械化開(kāi)采。試驗(yàn)研究，將難垮落頂板改變?yōu)檩^易垮落的頂板，從而實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壁機(jī)械化開(kāi)采。與此相適應(yīng)，與此相適應(yīng)，需采用強(qiáng)力液壓支架，并配以特殊結(jié)構(gòu)，包括大流量安全閥。需采用強(qiáng)力液壓支架，并配以特殊結(jié)構(gòu)，包括大流量安全閥。 因此，為了達(dá)到工作面安全、高效生產(chǎn)，必須對(duì)頂板進(jìn)行處理，改變頂板巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，以減小頂板懸露面積，防止或減弱這種大面積頂板來(lái)壓。經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)踐，發(fā)展了以下幾種主要處理堅(jiān)硬頂板的措施：（1）注水弱化（軟化）堅(jiān)硬頂板）注水弱化（軟化）堅(jiān)硬頂板頂板高壓注水頂板高壓注水是從工作面順槽或?qū)Ｓ孟锏溃üに囅铮┫蝽敯宕蛏羁?，進(jìn)行高壓注水。利用高壓水對(duì)頂板進(jìn)行

8、壓裂，其作用是增加和擴(kuò)展頂板原始裂隙，高壓水在巖體中形成壓力坡降，使水更好地在巖體中透過(guò)裂隙、節(jié)理、層理及其他弱面而滲流，從而在巖體中產(chǎn)生水力的、機(jī)械的、物理和化學(xué)的作用。高壓注水的壓力變化，可引起巖體內(nèi)應(yīng)力的重新分布，也可使巖體產(chǎn)生塑化作用。這種方法目前在國(guó)內(nèi)處于試驗(yàn)階段，在波蘭、澳大利亞已經(jīng)成為堅(jiān)硬頂板處理的主要手段。頂板靜壓注水頂板靜壓注水是使頂板含水率提高，降低頂板的強(qiáng)度，使頂板垮落距離縮小，避免頂板來(lái)壓過(guò)于強(qiáng)烈。但該方法應(yīng)用的前提必須是頂板巖石吸水性強(qiáng)，且吸水后其強(qiáng)度明顯降低，否則不能應(yīng)用。 （2）爆破弱化堅(jiān)硬頂板）爆破弱化堅(jiān)硬頂板爆破弱化是用爆破的方法人為將頂板切斷，使一定厚度的頂

9、板冒落形成矸石墊層。切斷頂板可以減小頂板冒落面積，減弱頂板冒落時(shí)產(chǎn)生的沖擊力；形成的矸石墊層則可以緩和頂板冒落時(shí)產(chǎn)生的沖擊波及風(fēng)暴。目前爆破弱化的方法有以下幾種：循環(huán)式淺孔放頂循環(huán)式淺孔放頂循環(huán)式淺孔放頂主要作用是，爆破后破壞了頂板的完整性，形成矸石墊層，緩和頂板冒落時(shí)產(chǎn)生的沖擊。具體做法是，每12個(gè)循環(huán)，在工作面切頂線處打一定深度的淺孔，裝藥進(jìn)行爆破。缺點(diǎn)是對(duì)生產(chǎn)的影響較嚴(yán)重，對(duì)高推進(jìn)速度的綜采工作面不適合。步距式深孔爆破步距式深孔爆破步距式深孔爆破主要作用是，切斷頂板，避免頂板大面積冒落。具體做法是，在頂板周期來(lái)壓前，沿工作面向頂板偏向采空區(qū)方向打23排深孔，裝藥爆破，爆破后使在頂板內(nèi)形成

10、一道一定高度的溝槽，堅(jiān)硬頂板就沿這條溝槽折斷。超前深孔預(yù)裂爆破超前深孔預(yù)裂爆破超前深孔松動(dòng)爆破主要作用是，切斷堅(jiān)硬頂板，減小頂板冒落面積。具體做法是在上、下順槽或特殊巷道(工藝巷)向頂板打深孔，在工作面前方一定距離進(jìn)行爆破，預(yù)先破壞頂板的完整性。地面深孔放頂?shù)孛嫔羁追彭數(shù)孛嫔羁追彭數(shù)闹饕饔檬菑牡孛娲蜚@孔爆破，在采空區(qū)后方切斷堅(jiān)硬頂板，避免頂板大面積冒落，具體做法是在采空區(qū)上方的地面打垂直鉆孔，達(dá)到已采區(qū)頂板的適當(dāng)位置，然后裝藥進(jìn)行爆破，將大面積懸露的頂板崩落。 循環(huán)式淺孔爆破循環(huán)式淺孔爆破要在切頂線處從支架后部向頂板打眼，打孔與裝藥存在很大的困難，嚴(yán)重影響生產(chǎn)；步距式深孔爆破步距式深孔爆破需

11、沿工作面向頂板偏向采空區(qū)方向打孔、裝藥進(jìn)行頂板處理也存在較大困難，同時(shí)，工作面打孔與裝藥影響生產(chǎn)，即生產(chǎn)與頂板處理不能平行作業(yè)。這兩種方法都存在較大的安全隱患，煤礦煤礦安全規(guī)程安全規(guī)程已禁止采用這兩種方法已禁止采用這兩種方法，因此循環(huán)式淺孔架后強(qiáng)制放頂和步距式深孔爆破的方案不可取。 地面深孔爆破地面深孔爆破從地面垂直向下打孔至采區(qū)頂板位置，其鉆孔深度較大，打孔工程量大，同時(shí)，由于地面打孔，鉆孔經(jīng)過(guò)地面表土層，因此鉆孔成孔率相對(duì)較低（甚至無(wú)法成孔），孔易變形，影響裝藥質(zhì)量，可能出現(xiàn)裝藥不連續(xù)，甚至無(wú)法爆破到煤層頂板。超前深孔預(yù)裂爆破超前深孔預(yù)裂爆破在上、下順槽或?qū)Ｓ孟锏溃üに囅铮┻M(jìn)行施工，實(shí)現(xiàn)了

12、生產(chǎn)與頂板處理平行作業(yè)，不影響工作面正常生產(chǎn)，有利于工作面生產(chǎn)能力的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，在專(zhuān)用巷道進(jìn)行施工具有方便、簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。循環(huán)式淺孔放頂（循環(huán)式淺孔放頂（1.52m）步距式深孔爆破步距式深孔爆破 （59m甚至更長(zhǎng)）甚至更長(zhǎng)）開(kāi)切眼切槽處理 、順槽超前預(yù)爆破方案 切眼炮孔布置圖 炮眼與順槽及工作面關(guān)系 (三三)采煤工作面支護(hù)方式的選擇采煤工作面支護(hù)方式的選擇5特殊支護(hù)特殊支護(hù)三、采煤工作面頂板控制設(shè)計(jì)三、采煤工作面頂板控制設(shè)計(jì) 采煤工作面頂板控制設(shè)計(jì)一般應(yīng)遵循以下原則：采煤工作面頂板控制設(shè)計(jì)一般應(yīng)遵循以下原則： (1)盡可能保證工作面頂板的完整性。 (2)應(yīng)避免采煤工作面發(fā)生大面積切頂事故，支架的

13、支撐能力應(yīng)足以阻止直接頂和老頂之間的離層。 (3)頂板的最大下沉量控制在活柱可縮量的范圍內(nèi)。 (4)選擇合理的采空區(qū)處理方法和控頂距，使堅(jiān)硬的直接頂在控頂區(qū)后方進(jìn)行周期性垮落，以防止直接頂在控頂區(qū)上方斷裂時(shí)摧垮工作面支架。 (5)要有合理的初撐力和采用合理的支護(hù)方式，防止直接頂運(yùn)動(dòng)時(shí)支架失穩(wěn)。 綜采工作面頂板控制設(shè)計(jì)綜采工作面頂板控制設(shè)計(jì) 一、自移式液壓支架的類(lèi)別 1根據(jù)支架與圍巖的相互作用力分類(lèi) (1)支撐式液壓支架。如圖1046(a)，支架對(duì)頂板只起支撐作用而不起掩護(hù)作用適用于支撐穩(wěn)定和堅(jiān)硬的頂板。 (2)支撐掩護(hù)式液壓支架。如圖1046(b)，支架頂部對(duì)頂板的支撐部分長(zhǎng)度大于掩護(hù)部分的長(zhǎng)

14、度，支架對(duì)頂板兼有支撐和掩護(hù)兩種作用，適用于較穩(wěn)定的頂板。 (3)掩護(hù)支撐式液壓支架。如圖10叫6(c)，支架對(duì)頂板的掩護(hù)部分大于支撐部分，支架頂梁較短、支撐能力較弱，支撐力集中靠近煤幫附近，主要起掩護(hù)作用，適用于松軟頂板的采煤工作面。 (4)掩護(hù)式液壓支架。如圖1046(d)，支架沒(méi)有頂梁，只有掩護(hù)梁，起掩護(hù)作用，適用于松軟頂板的采煤工作面。 2按支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)按支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)按支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，各種類(lèi)型液壓支架的基本結(jié)構(gòu)如圖1047所示。液壓支架命名方法既考慮了支架的支撐特點(diǎn)，又考慮了支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具體如下：1影響架型選擇的因素影響架型選擇的因素 (1)頂板條件。直接頂?shù)姆謱雍穸?/p>

15、大小，節(jié)理、裂隙間距大小，發(fā)育程度，將決定支架合力作用點(diǎn)位置和支撐力的分布狀態(tài)。老頂?shù)膱?jiān)硬程度、巖梁厚度和所處狀態(tài)，格決定頂板運(yùn)動(dòng)時(shí)給支架的作用力大小，以及支架所必須具有的支撐力和可縮量。根據(jù)綜采的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，支架選型的一般原則為：在直接頂中等穩(wěn)定以下、老頂來(lái)壓不明顯的頂板條件下，宜選用掩護(hù)式支架，確定支架頂梁長(zhǎng)短；在直接頂中等穩(wěn)定、老頂來(lái)壓較明顯的頂板條件下，宜選用支撐掩護(hù)式支架，確定支架工作阻力；在老頂來(lái)壓強(qiáng)度大、有動(dòng)壓沖擊危險(xiǎn)的頂板條件下，宜選用支撐式支架，確定支架工作阻力；在堅(jiān)硬的巖梁直接位于煤層之上的頂板條件下，宜選用支撐式或支撐掩護(hù)式支架，支架后方如出現(xiàn)大面積的懸頂，必須采取深孔爆破

16、人工強(qiáng)制放頂、高壓注水弱化頂板和放震動(dòng)炮等措施。 (2)底板條件。底板堅(jiān)硬，抗壓強(qiáng)度大，支架與圍巖力學(xué)系統(tǒng)中的總剛度就大，支架的設(shè)計(jì)性能發(fā)揮就越好。 (3)煤層傾角。當(dāng)煤層傾角大于12。時(shí)，支架必須裝有防倒、防滑裝置，并要求端頭支架有足夠的錨固力以防支架下滑、傾倒以及發(fā)生偏心載荷等。工作面全長(zhǎng)中傾角變化幅度不能太大，否則將會(huì)因傾角變化帶來(lái)工作面長(zhǎng)度的變化，造成支架在排列上時(shí)擠時(shí)松，影響正常生產(chǎn)。除上述因素外，還應(yīng)考慮到煤層厚度變化、地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯涌出量等影響因素。 2液壓支架規(guī)格的選擇液壓支架規(guī)格的選擇 3液壓支架初撐力的確定液壓支架初撐力是由泵站壓力提供的。提高支架初撐力可迅速地壓縮浮煤、浮

17、矸等中間介質(zhì)，增加支架與圍巖系統(tǒng)的總體剛度，使支架的工作阻力盡快地發(fā)揮作用，減少頂?shù)装逡平浚纳浦苯禹攷r層內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)，抑制直接頂?shù)膿锨x層。一般情況下，把初撐力定為額定工作阻力的50以上是比較適宜的。確定支架初撐力的大小通常有兩種方法： (1)按防止直接頂與老頂之間離層的要求確定初撐力。支架初撐力強(qiáng)度Po(kNm2)應(yīng)能支撐直接頂?shù)闹亓Γ?一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于不穩(wěn)定的直接頂，為了防止直接頂與老頂之間的離層，初撐力可設(shè)計(jì)為額定工作阻力的70一80，對(duì)于中等穩(wěn)定頂板，初撐力設(shè)計(jì)為額定工作阻力的70，對(duì)于穩(wěn)定的頂板，設(shè)計(jì)初撐力為額定工作阻力的60一70。 (2)根據(jù)Po與PH之間有合理比值的觀點(diǎn)

18、確定支架的初撐力。初撐力強(qiáng)度go與額定工作阻力強(qiáng)度gH的比值6的合理范圍為60一85。支架架型、頂板條件不同，額定工作阻力的合理值略有不同。 5液壓支架架型選擇和額定支護(hù)強(qiáng)度的確定 (二二)液壓支架工作方式液壓支架工作方式液壓支架的工作方式包括支護(hù)方式和移步方式兩個(gè)方面。液壓支架的工作方式包括支護(hù)方式和移步方式兩個(gè)方面。 1液壓支架的支護(hù)方式液壓支架的支護(hù)方式 (1)及時(shí)支護(hù)方式。在采煤機(jī)割煤后，先移支架，再移輸送機(jī)，使暴露的頂板得到及時(shí)支護(hù)，如圖1050(a)。 特點(diǎn)是：在移架前，必須在底座與輸送機(jī)之間保持一個(gè)截深的距離，待采煤機(jī)割煤后及時(shí)移架；支架具有較長(zhǎng)的頂梁，一般超過(guò)輸送機(jī)寬度與支架移動(dòng)步距之和3采煤機(jī)割煤以后，可立即支護(hù)新暴露的頂板。空頂時(shí)間縮短，因而減少頂板的沉降量；采煤機(jī)割煤所引起的頂板下沉與移架過(guò)程產(chǎn)生的頂板下沉相互作用，使頂板巖層活動(dòng)較為劇烈。 (2)滯后支護(hù)方式。在采煤機(jī)割煤以后，先推移輸送機(jī)，然后再移支架的支護(hù)方式，如圖1050(b)。特點(diǎn)是：采煤機(jī)割煤以后，先移輸送機(jī)再移支架，因而空頂時(shí)間較長(zhǎng)，空頂面積較大，可能引起頂板大量下沉，割煤移架引起的頂板下沉相互作用較弱；頂梁長(zhǎng)度相對(duì)較短。 2移步方式 (1)單架順序移步方式。如圖105l(a