頂板事故防治講義

頂板事故防治許廠煤礦安培中心頂板事故是煤礦五大災(zāi)難之一，其中冒頂事故發(fā)生頻繁，危害特別嚴(yán)峻。頂板管理是煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理的主要內(nèi)容之一，頂板管理的好壞對(duì)于促進(jìn)煤礦生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展和保證職工生命平安具有特別重要的意義。在井下頂板事故中，采煤工作面冒頂事故最多，約占冒頂事故總數(shù)的70%以上，其次是掘進(jìn)工作面。為了愛護(hù)礦工的身心健康，做到平安生產(chǎn)，我們要主動(dòng)實(shí)行措，加強(qiáng)頂板管理，防治頂板事故。二、頂板相關(guān)學(xué)問頂板可分為偽頂，干脆頂，基本頂偽頂：是指干脆緊貼煤層上面、厚度在0.5m以下的一層松軟巖層。隨采隨垮。其巖性一般為粘土頁巖和層狀砂頁巖。干脆頂：是指位于偽頂之上的巖層，無偽頂時(shí)干脆緊貼煤層。通常由泥巖、頁巖、粉砂巖等比較簡(jiǎn)潔跨落的巖層組成，但均具有確定的穩(wěn)定性。所以當(dāng)工作面煤層被采落時(shí)，干脆頂不會(huì)馬上跨落。多數(shù)干脆頂在回柱放頂時(shí)會(huì)跨落，有的則須要人工強(qiáng)制放頂。干脆頂是采掘工作面的支護(hù)對(duì)象，假如支護(hù)得不好，就會(huì)造成冒頂事故.圖1-1煤層的總厚度及有益厚度煤層厚度基本頂：是指位于干脆頂之上、有確定厚度的堅(jiān)硬巖層，以前也稱為老頂。它也有可能緊貼煤層之上。基本頂在采空區(qū)上方懸露到確定面積后才能跨落，一般只發(fā)生緩慢下沉。假如工作面支護(hù)不好，往往會(huì)造成大面積冒頂事故。從頂板管理的角度，可以把頂板分為易垮落的松軟頂板、中等跨落性頂板、難垮落的堅(jiān)硬頂板、極難垮落的堅(jiān)硬頂板和可塑性彎曲的頂板等5種類型。針對(duì)以上不同狀況，可實(shí)行不同支護(hù)和采空區(qū)處理方法。老頂干脆頂煤層頂板采礦開挖空洞頂板巖石下沉變形、破壞，產(chǎn)生事故概述采煤作業(yè)時(shí)的頂板管理方式刀柱法充填法緩慢下沉法全部垮落法頂板事故的產(chǎn)生原巖應(yīng)力重新分布掘進(jìn)過程支護(hù)不剛好支架強(qiáng)度不足頂板事故支架不適應(yīng)圍巖的變形與破壞類型變形的時(shí)間效應(yīng)空洞圍巖破壞特殊地質(zhì)條件采礦巖石開挖開挖空洞周邊應(yīng)力集中三、頂板事故預(yù)兆1.響聲：巖層下沉斷裂、頂板壓力急劇加大時(shí)，木支架就會(huì)發(fā)生劈裂聲，緊接著出現(xiàn)折梁斷柱現(xiàn)象；金屬支柱的活柱急劇下縮，也發(fā)生很大聲響，有時(shí)也能聽到采空區(qū)頂板發(fā)生斷裂的悶雷聲。2.掉碴：頂板嚴(yán)峻裂開時(shí)，折梁斷柱增加，隨著出現(xiàn)頂板掉碴現(xiàn)象。掉碴越多，說明頂板壓力越大。在人工頂板下，掉下的碎矸石和煤碴更多，工人叫“煤雨”。這就是發(fā)生冒頂?shù)奈＜毙盘?hào)。3.片幫：冒頂前煤壁所受的壓力增加，變得松軟，片幫煤比平常增多。4.裂縫：頂板的裂縫一種是地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生的自然裂隙，一種是由于采空區(qū)頂板下沉引起的采動(dòng)裂隙。假如裂縫加深加寬，說明頂板接著惡化，人們常常在裂縫中插上木楔子，視察它是不是松動(dòng)或掉下來，推斷裂縫擴(kuò)大了沒有，作出預(yù)報(bào)。5.脫層：頂板快要冒落的時(shí)候，往往出現(xiàn)脫層現(xiàn)象，檢查脫層要用問頂?shù)姆椒?，假如聲音清晰，表明頂板完好，頂板發(fā)出“空空”的響聲，說明上下巖層之間已經(jīng)脫離。6.漏頂：裂開的偽頂或干脆頂，在大面積冒頂之前，有時(shí)因?yàn)楸稠敳粐?yán)或支架不牢出現(xiàn)漏頂現(xiàn)象。漏頂如不剛好處理，會(huì)使棚頂托空，支架松動(dòng)，頂板巖石接著冒落，就會(huì)造成沒有聲響的大冒頂。礦山壓力限制利用礦山壓力活動(dòng)規(guī)律采用合理的開挖順序和過程避開頂板事故，保證采礦作業(yè)平安人工控制與支護(hù)二影響礦山壓力顯現(xiàn)的基本因素?cái)鄬优c褶曲擠壓與裂開帶節(jié)理、裂隙煤層傾角開采深度上部煤層殘留煤柱工作面推動(dòng)速度采高與控頂距其次節(jié)頂板事故的致因及防治一采場(chǎng)頂板事故的致因及防治（一）頂板事故分類按冒頂范圍可將頂板事故分為局部冒頂和大型冒頂兩類。局部冒頂是指范圍不大，有時(shí)僅在3~5支架范圍內(nèi)，傷亡人數(shù)不多(1~2人)的冒頂，常發(fā)生在靠近煤壁旁邊、采場(chǎng)兩端以及放頂線旁邊。實(shí)際煤礦生產(chǎn)中，局部冒頂事故的次數(shù)遠(yuǎn)多于大型冒頂事故，約占采場(chǎng)冒頂事故的70%，總的危害比較大。大型冒頂是指范圍較大，傷亡人數(shù)較多（每次死亡3人以上）的冒頂。（二）局部冒頂事故的致因及防治1．靠煤壁旁邊的局部冒頂局部冒頂?shù)木売梢话阌腥N：一是干脆頂被密集裂隙切割，形成了游離巖塊；二是采高過大，在老頂來壓期間，煤壁片幫，擴(kuò)大了無支護(hù)空間；三是放頂煤開采，頂煤裂開。煤層的干脆頂中，常存在多組相交裂隙時(shí)，這些相交的裂隙簡(jiǎn)潔將干脆頂分割成游離巖塊，極易發(fā)生脫落，在采煤機(jī)采煤或爆破落煤后，假如支護(hù)不剛好，這類游離巖塊可能突然冒落砸人，造成局部冒頂事故?？棵罕谂赃叺木植棵绊斒鹿实念A(yù)防（１）單體支柱工作面：接受能剛好支護(hù)懸露頂板的支架，如正懸臂交織頂梁支架，正倒懸臂錯(cuò)梁直線柱支架等，提高支柱的初撐力。在金屬網(wǎng)下，可以接受長(zhǎng)鋼梁對(duì)棚邁步支架。盡量使工作面與煤層的主要節(jié)理方向垂直或斜交，避開煤層片幫。煤層一旦片幫，應(yīng)掏梁窩超前支護(hù)，防止冒頂。正倒懸臂錯(cuò)梁直線柱支架布置正懸臂交織頂量支架（２）綜采工作面支架設(shè)計(jì)上，接受長(zhǎng)側(cè)護(hù)板，整體頂梁，內(nèi)伸縮式前梁，增大支架向煤壁方向的水平推力，提高支架的初撐力；工藝操作上，采煤機(jī)過后，剛好伸出伸縮梁，剛好擦頂帶壓移架，頂梁的俯視角不超過7°。當(dāng)碎頂范圍較大時(shí)（比如過斷層裂開帶等），則應(yīng)對(duì)裂開干脆頂注入樹脂類粘結(jié)劑使其固化，以防止冒頂。2．采場(chǎng)兩端的局部冒頂（1）單體支柱工作面緣由：兩端機(jī)頭機(jī)尾處，暴露的空間大;支承壓力集中;巷道提前掘進(jìn);引發(fā)了巷道周邊的變形與破壞。常常要進(jìn)行機(jī)頭機(jī)尾的移置工作，拆除老支柱支設(shè)新支柱時(shí)，碎頂可能進(jìn)一步松動(dòng)冒落。隨著回采工作面的推動(dòng)，要拆掉原巷道支架的一個(gè)棚腿，換用抬棚支承棚梁，在這一拆一支之間，碎頂也可能冒落。預(yù)防：在機(jī)頭機(jī)尾處各應(yīng)用四對(duì)一梁三柱的鋼梁抬棚支護(hù)（即四對(duì)八梁支護(hù)），每對(duì)抬棚隨機(jī)頭機(jī)尾的推移邁步前移；或在機(jī)頭機(jī)尾處接受雙楔鉸接頂梁支護(hù)。在工作面巷道相連處，宜用一對(duì)抬棚邁步前移，托住原巷道支架的棚梁。此外，在采場(chǎng)兩端還可以接受十字鉸接頂梁支護(hù)系統(tǒng)以防漏冒。在超前工作面10米以內(nèi)，巷道支架應(yīng)加雙中心柱，超前工作面10~20米，巷道支架應(yīng)加單中心柱以預(yù)防冒頂。（2）綜采工作面假如工作面兩端沒有應(yīng)用端頭支架，則在工作面與巷道相連處，需用一對(duì)邁步抬棚。此外，超前工作面20米內(nèi)的巷道支架也應(yīng)以中心柱加強(qiáng)。4.地質(zhì)破壞帶旁邊的局部冒頂?shù)刭|(zhì)破壞帶及旁邊的頂板裂隙發(fā)育、裂開，斷層面間多充以粉狀或泥狀物；斷層面都比較尖滑,使上、下盤之間的巖石無粘結(jié)力,尤其是斷層面成為導(dǎo)水裂隙時(shí)，更是彼此分別。單體支柱工作面假如遇到垂直于工作面或斜交于工作面的斷層時(shí)，在頂板活動(dòng)過程中，斷層旁邊破斷巖塊可能順斷層面下滑。從而推倒工作面支架，造成局部冒頂。為預(yù)防這類頂板事故，應(yīng)在斷層兩側(cè)加設(shè)木垛加強(qiáng)維護(hù)，并迎著巖塊可能滑下的方向支設(shè)戧棚或戧柱。對(duì)于有些綜采工作面，高檔普采和普采工作面，回采過程中，煤壁的前方頂板和煤層特殊裂開，為保證正常割煤，不漏矸子，可接受全楔式木錨桿。當(dāng)斷層處的頂板特殊裂開，用錨桿錨固的效果不佳時(shí)，可接受注入法，將較多的樹脂注入大量的煤巖裂隙中，進(jìn)行預(yù)加固。(三）大型冒頂事故的致因及防治1.老頂來壓時(shí)的壓垮型冒頂發(fā)生的條件：干脆頂比較薄，其厚度小于煤層采高的2~3倍，冒落后不能充填滿采空區(qū)；干脆頂上面老頂分層厚度小于5~6m，初次來壓步距為20~30m，或更大一些。工作面中，當(dāng)支柱的初撐力較低時(shí)，老頂斷裂在煤壁之內(nèi)。當(dāng)工作面推動(dòng)到老頂斷裂線旁邊時(shí)，頂板出現(xiàn)臺(tái)階下沉，這時(shí)老頂巖塊的重量全部由采場(chǎng)支架擔(dān)當(dāng)。致因：垮落帶老頂巖塊壓壞采場(chǎng)支架垮落帶老頂巖塊沖擊壓壞采場(chǎng)支架離層沖擊壓壞支架預(yù)防措施采場(chǎng)支架的支撐力應(yīng)能平衡垮落帶干脆頂及老頂巖層的重量;采場(chǎng)支架的初撐力應(yīng)能保證干脆頂與老頂之間不離層;采場(chǎng)支架的可縮量應(yīng)能滿足裂隙帶老頂下沉的要求;遇到平行工作面的斷層時(shí)（1）假如工作面支護(hù)是單體支柱，當(dāng)斷層剛露出煤壁時(shí)，在斷層范圍內(nèi)就要?jiǎng)偤眉訌?qiáng)工作面支護(hù)（最好用木垛），不得接受正?；刂?要擴(kuò)大控頂距，并用木支柱替換金屬支柱，待斷層進(jìn)到采空區(qū)后再回柱;（2）假如工作面支護(hù)是液壓自移支架，若支架的工作阻力有較大的富有，則工作面可以正常推動(dòng)，若支架的工作阻力沒有太大的富有，則應(yīng)考慮使工作面與斷層斜交或在采空區(qū)挑頂?shù)拇胧┻^斷層。2.厚層難冒頂板大面積冒頂發(fā)生的條件：整體厚層硬巖層頂板（如砂巖、砂礫巖、礫巖等其分層厚度大于5~6米）時(shí)，它們要懸露幾千平方米、幾萬平方米，甚至十幾萬平方米才冒落。這樣大面積的頂板在極短時(shí)間內(nèi)冒落下來，不僅由于重量的作用會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)峻的沖擊破壞力，而且更嚴(yán)峻的是會(huì)把已采空間的空氣瞬時(shí)擠出，形成巨大的暴風(fēng)，破壞力極強(qiáng)。預(yù)兆：頂板斷裂聲響的頻率和音響增大；煤幫有明顯受壓與片幫現(xiàn)象；底板出現(xiàn)底鼓或沿煤柱旁邊的底板發(fā)生裂縫；上下平巷超前壓力較明顯；工作面中支柱載荷和頂板下沉速度明顯增大；有時(shí)采空區(qū)頂板發(fā)生裂縫或淋水加大。探測(cè)方法：可以用微震儀、地音儀和超聲波地層應(yīng)力儀等進(jìn)行預(yù)料，厚層堅(jiān)硬巖層的破壞過程，長(zhǎng)的在冒頂前幾十天就出現(xiàn)聲響和其他異樣現(xiàn)象，短的在冒頂前幾天，甚至幾小時(shí)也會(huì)出現(xiàn)預(yù)兆，因此，依據(jù)儀器測(cè)量的結(jié)果，再結(jié)合歷次冒頂預(yù)兆的特征，可以對(duì)大面積冒頂進(jìn)行較精確的預(yù)報(bào)，避開造成災(zāi)難。預(yù)防措施：（1）頂板高壓注水（2）強(qiáng)制放頂3.漏垮型冒頂?shù)闹乱蚣胺乐沃乱颍河捎诿簩觾A角較大，干脆頂又異樣裂開，采場(chǎng)支護(hù)系統(tǒng)中假如某個(gè)地點(diǎn)失效發(fā)生局部漏冒，裂開頂板就有可能從這個(gè)地點(diǎn)起先沿工作面往上全部漏空，造成支架失穩(wěn)，導(dǎo)致漏垮工作面。預(yù)防漏垮型冒頂?shù)拇胧哼x用合適的支柱，使工作面支護(hù)系統(tǒng)有足夠的支撐力與可縮量；頂板必需背嚴(yán)實(shí)；嚴(yán)禁放炮、移溜等工序弄倒支架，防止出現(xiàn)局部冒頂。工作面漏垮示意圖4.復(fù)合頂板推垮型冒頂復(fù)合頂板的特征：（1）煤層頂板由下“軟”上“硬”不同巖性的巖層組成；（2）“軟”、“硬”巖層間有煤線或薄層懦弱巖層；（3）0.5m<下部“軟”巖層的厚度<3.0m。復(fù)合頂板推垮型冒頂?shù)臋C(jī)理：(1)支柱的初撐力小，軟硬巖層下沉不同步，軟快而硬慢，從而導(dǎo)致軟巖層與其上部硬巖層離層;(2)下位軟巖斷裂出六面體的緣由:1)地質(zhì)構(gòu)造，即下位軟巖層中存在原生的斷層、裂隙或尖滅構(gòu)造；2)巷道布置緣由，即在工作面開采范圍內(nèi)存在沿走向或沿傾斜的舊巷，下沉、斷裂；3)支柱初撐力低，由于支柱初撐力低，導(dǎo)致下位軟巖層沿煤幫斷裂。下位軟巖層離層斷裂預(yù)防措施應(yīng)用偽俯斜工作面并使垂直工作面方向的向下傾角達(dá)4～6°;掘進(jìn)上下順槽時(shí)不破壞復(fù)合頂板;工作面初采時(shí)不要反推;限制采高，使軟巖層冒落后能超過采高;盡量避開上下順槽與工作面斜交;敏捷地應(yīng)用戧柱戧棚，使它們迎著六面體可能推移的方向支設(shè);在開切眼旁邊于控頂區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)地布置樹脂錨桿;但是，在接受這個(gè)措施時(shí)應(yīng)考慮采場(chǎng)中打錨桿鉆孔的可能性和頂板硬巖層折斷垮落時(shí)，由于沒有已垮落軟巖層作墊層，來壓是否會(huì)過于猛烈。除上述措施外，還有兩條應(yīng)當(dāng)接受的。第一，在運(yùn)用摩擦支柱和金屬鉸接頂梁的回采工作面中，用拉鉤式連接器把每排支柱從工作面上端至工作面下端連接起來，由于在走向上支架已由鉸接頂梁連成一體，這就在采場(chǎng)中組成了一個(gè)穩(wěn)定的可以阻擋六面體下推的“整體支架”。其次，必需提高單體支柱的初撐力，使初撐力不僅能支承住頂板下位軟巖層，而且能把軟巖層貼緊硬巖層，讓其間的摩擦力足夠阻擋軟巖層下滑，從而支架本身也能穩(wěn)定。二巷道冒頂事故的致因及防治發(fā)生地點(diǎn)：巷道頂板死亡事故80%以上發(fā)生在掘進(jìn)工作面及巷道交叉口。（一）掘進(jìn)工作面冒頂事故第一，掘進(jìn)破巖后，頂部存在將與巖體失卻聯(lián)系的巖塊，假如支護(hù)不剛好，該巖塊可能與巖體失去聯(lián)系而冒落；其次，掘進(jìn)工作面旁邊已支護(hù)部分的頂部存在與巖體完全失去聯(lián)系的巖塊，一旦支護(hù)失效，就會(huì)冒落造成事故。緣由：預(yù)防掘進(jìn)工作面冒頂事故的措施:（1）嚴(yán)格限制空頂距。當(dāng)遇到斷層褶曲等地質(zhì)構(gòu)造破壞帶或?qū)永砹严栋l(fā)育的巖層時(shí)，棚子支護(hù)時(shí)應(yīng)緊靠掘進(jìn)工作面，并縮小棚距，在工作面旁邊應(yīng)接受拉條等把棚子連成一體防止棚子被推垮，必要時(shí)還要打中柱；（2）嚴(yán)格執(zhí)行敲幫問頂制度，危石必需挑下，無法挑下進(jìn)應(yīng)實(shí)行臨時(shí)支撐措施，嚴(yán)禁空頂作業(yè)。（3）掘進(jìn)工作面冒頂區(qū)及裂開帶必需背嚴(yán)接實(shí)，必要時(shí)要掛金屬網(wǎng)防止漏空。（4）掘進(jìn)工作面炮眼布置及裝藥量必需與巖石性質(zhì)、支架與掘進(jìn)工作面距離相適應(yīng)，以防止因放炮而崩倒棚子。（5）接受“前探掩護(hù)式支架”，使工人在頂板有防護(hù)的條件下出渣，支棚腿，以防止冒頂傷人。（二）巷道交叉處的冒頂事故緣由：巷道交叉處冒頂事故往往發(fā)生在巷道開岔的時(shí)候，因?yàn)殚_岔口須要架設(shè)抬棚替換原巷道棚子的棚腿，假如開岔處巷道頂部存在與巖體失卻聯(lián)系的巖塊，并且圍巖正向巷道擠壓，而新支設(shè)抬棚的強(qiáng)度不夠，或穩(wěn)定性不夠，就可能造成冒頂事故。預(yù)防巷道開岔處冒頂?shù)拇胧┤缦?。?）開岔口應(yīng)避開原來巷道冒頂?shù)姆秶?；?）必需在開口抬棚支設(shè)穩(wěn)定后再拆除原巷道棚腿，不得過早拆除，切忌先拆棚腿后支護(hù)抬棚；（3）留意選用抬棚材料的質(zhì)量與規(guī)格，保證抬棚有足夠的強(qiáng)度；（4）當(dāng)開口處圍巖尖角被擠壓壞時(shí)，應(yīng)剛好實(shí)行加強(qiáng)抬棚穩(wěn)定性的措施。（三）支架支護(hù)巷道冒頂防治支架支護(hù)巷道的冒頂可分為壓垮型、漏垮型和推垮型。壓垮型冒頂是因巷道頂板或圍巖施加給支架的壓力過大，損壞了支架，導(dǎo)致巷道頂部已裂開的巖塊冒落。漏垮型冒頂是因無支護(hù)巷道或支護(hù)失效（非壓壞）巷道頂部存在游離巖塊，這些巖塊在重力作用下冒落。推垮型冒頂是因巷道頂幫裂開巖石，在其運(yùn)動(dòng)過程中存在平行巷道軸線的分力，假如這部分巷道支架的穩(wěn)定性不夠，可能被推倒而冒頂。掘進(jìn)工作面10m內(nèi)，斷層裂開帶旁邊各10m內(nèi)，巷道交岔點(diǎn)旁邊各10m，冒頂處旁邊各10m內(nèi)，這些都是簡(jiǎn)潔發(fā)生頂板事故的地點(diǎn)，巷道支護(hù)必需適當(dāng)加強(qiáng)。8）在易發(fā)生推垮型冒頂?shù)南锏乐幸岣呦锏乐Ъ艿姆€(wěn)定性，可以在巷道的架棚之間嚴(yán)格地用拉撐件連接固定，增加架棚的穩(wěn)定性，以防推倒。傾斜巷道中架棚被推倒的可能性更大，其架棚間拉撐件的強(qiáng)度要適當(dāng)加大。依據(jù)冒頂?shù)木売桑岢鋈缦聨讞l預(yù)防措施：1）巷道應(yīng)布置在穩(wěn)定的巖體中,盡量避開采動(dòng)的不利影響.2）巷道支架應(yīng)有足夠的支護(hù)強(qiáng)度以抗衡圍巖壓力.3）巷道支架所能承受的變形量，應(yīng)與巷道運(yùn)用期間圍巖可能的變形量相適應(yīng).4）盡可能做到支架與圍巖共同承載。支架選型時(shí)，盡可能接受有初撐力的支架，支架施工時(shí)要嚴(yán)格按工序質(zhì)量要求進(jìn)行，并特殊留意頂與幫的背嚴(yán)背實(shí)問題，杜絕支架與圍巖間的空頂與空幫現(xiàn)象；5）凡因支護(hù)失效而空頂?shù)牡攸c(diǎn)，重新支護(hù)時(shí)應(yīng)先護(hù)頂，再施工6）巷道替換支架時(shí)，必需先支新支架，再拆老支架.7）錨噴巷道成巷后要定期檢查危巖石并剛好處理.（四）錨桿支護(hù)巷道冒頂防治1.應(yīng)用地應(yīng)力為基礎(chǔ)的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法該方法的特點(diǎn)：考慮了實(shí)際地應(yīng)力（尤其是水平地應(yīng)力）和圍巖力學(xué)性質(zhì)對(duì)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的影響；其次運(yùn)用計(jì)算機(jī)和有限差分軟件通過錨桿支護(hù)數(shù)值模擬分析進(jìn)行錨