第二章礦井圍巖控制與監(jiān)測

第二章礦井圍巖控制與監(jiān)測第1頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)頂板事故分類按冒頂?shù)牧υ催M行分類：

（1）壓垮型：由垂直于層面方向的頂板力壓壞采場支架而導(dǎo)致冒頂。（2）漏冒型：因已破碎的頂板沒有得到有效防護受重力作用冒落而導(dǎo)致的冒頂。（3）推垮型：由平行于層面方向的頂板力推倒采場支架而導(dǎo)致的冒頂。（4）綜合型：兩種或三種綜合出現(xiàn)。2023/9/162第2頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月1.壓垮型冒頂（1）垮落帶老頂巖塊壓壞采場支架；（2）垮落帶老頂巖塊沖擊壓壞采場支架；（3）裂隙帶老頂巖塊壓壞采場支架。（主要發(fā)生在老頂來壓時）2023/9/163第3頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.漏冒型冒頂（1）大面積漏垮型冒頂；（2）靠煤壁附近的局部冒頂；（3）采場兩端（機頭、機尾）的局部冒頂；（4）放頂線附近的局部冒頂。2023/9/164第4頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）金屬網(wǎng)下的推垮型冒頂；（2）采空區(qū)冒矸沖入采場的推垮型冒頂。3.推垮型冒頂2023/9/165第5頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月4.綜合類型的冒頂（1）厚層難冒頂板導(dǎo)致的大面積冒頂。（2）地質(zhì)破壞（斷層）帶附近的冒頂。（3）大塊游離頂板導(dǎo)致的冒頂，包括復(fù)合頂板推垮型冒頂，沖擊推垮型冒頂，大塊游離頂板旋轉(zhuǎn)推垮型冒頂，以及直接頂導(dǎo)致的壓垮型冒頂。2023/9/166第6頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月預(yù)備知識：采動后頂板活動

的一般規(guī)律1.直接頂?shù)某醮慰迓洌嚎迓浜穸仍?.0m以上，垮落長度達(dá)工作面長度的一半以上。垮落步距一般為6~20m。2023/9/167第7頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月如果直接頂厚度大于或等于2~3倍的采高，則能填滿采空區(qū)，采面無老頂活動威脅。但老頂還是要彎曲、下沉和斷裂的。但老頂活動不明顯。2023/9/168第8頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月如果直接頂厚度小于2~3倍的采高，開始時老頂呈雙固支梁狀態(tài)，它把自身及上部巖層的重量都加到了工作面周圍的煤體上，工作面無老頂壓力感覺。2023/9/169第9頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)老頂巖梁達(dá)到極限跨距時，彎曲、下沉、斷裂。工作面頂板下沉加快、煤壁片幫、支架受力增加，甚至出現(xiàn)頂板臺階等老頂來壓現(xiàn)象。2.老頂初次來壓：工作面回采以來的第一次老頂大規(guī)模來壓。初次來壓步距一般20~35m。2023/9/1610第10頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月3.老頂周期來壓：老頂初次來壓后，周期性的斷裂、下沉，工作面內(nèi)周期性出現(xiàn)頂板下沉加快、煤壁片幫、支架受力增加，以及出現(xiàn)頂板臺階等老頂來壓現(xiàn)象。周期來壓步距一般為初次來壓步距的1/2~1/4。4.老頂來壓的兩個問題：2023/9/1611第11頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）當(dāng)初撐力較低時，老頂往往斷裂在煤壁之內(nèi)。（剪切力為零點在煤壁內(nèi)，對應(yīng)彎矩最大點。）2023/9/1612第12頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)老頂在采空區(qū)受剪力時；當(dāng)老頂上位巖層對老頂施加力時；老頂?shù)臄嗔研再|(zhì)不變，而且位置更深入煤體內(nèi)。（2）老頂，若位于垮落帶中，則在采空區(qū)中多以懸臂梁狀態(tài)存在；若在裂隙帶中，則以砌體梁結(jié)構(gòu)存在。2023/9/1613第13頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月1.冒頂機理及預(yù)防措施①上世紀(jì)50年代木支柱—可縮量小、支護密度小，來壓時易被折斷，導(dǎo)致壓垮型冒頂。②上世紀(jì)60~80年代摩擦支柱—工作阻力大，可縮量大，適應(yīng)頂板下沉，來壓事故大大降低。③上世紀(jì)90年代液壓支柱—工作阻力大，可縮量大，適應(yīng)頂板下沉，阻力能與頂板抗衡，壓垮型事故很少。采場支護與壓垮型冒頂關(guān)系：第二節(jié)壓垮型冒頂?shù)臋C理及預(yù)防措施2023/9/1614第14頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）直接頂薄，厚度小于采高的2~3倍。（2）直接頂上面老頂分層厚度小于5~6m。壓垮型冒頂?shù)捻敯鍡l件：冒頂?shù)那罢祝海?）煤壁片幫。（2）頂板下沉速度急劇增加。（3）支柱載荷急劇增加。（4）靠煤壁頂板斷裂。（5）靠煤壁頂板掉渣。（6）摩擦支柱放炮。2023/9/1615第15頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月冒頂?shù)臋C理垮落帶老頂巖塊全部重量均由采場支架承受，若支架支撐力不夠，就會壓壞而冒頂。（1）垮落帶老頂巖塊壓壞支架導(dǎo)致冒頂。2023/9/1616第16頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）垮落帶老頂巖塊沖擊壓壞支架導(dǎo)致冒頂。初撐力不足，垮落帶離層老頂巖塊沖擊采場支架，沖擊壓壞而冒頂。2023/9/1617第17頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）裂隙帶老頂壓壞采場支架導(dǎo)致冒頂。裂隙帶老頂斷裂、下沉、旋轉(zhuǎn)、觸矸時，若支架的可縮量不足，可能壓壞導(dǎo)致冒頂。2023/9/1618第18頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.預(yù)防冒頂?shù)拇胧?（1）支架支撐力應(yīng)能平衡垮落帶直接頂及老頂巖層重量。（2）采場支架的初撐力應(yīng)能保證直接頂與老頂之間不離層。（3）采場支架的可縮量應(yīng)能滿足裂隙帶老頂下沉的要求。2023/9/1619第19頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：超前工作面20m范圍內(nèi)的兩端巷道，因受工作面前方支承壓力的作用，受壓大。為防止壓壞支架，應(yīng)加強支護。（1）超前10m內(nèi)，用雙中心柱。（2）超前10~20m內(nèi)，用單中心柱。2023/9/1620第20頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)漏冒型冒頂?shù)臋C理及預(yù)防措施發(fā)生的條件：直接頂板軟弱破碎。防治對策：護.采用各種方法將頂板護好。綜采面：選用掩護式或支撐掩護式支架。單體面：支柱加頂梁，頂梁上加背板，甚至背嚴(yán)。支柱柱距小于0.7m。2023/9/1621第21頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月漏冒型冒頂包括：（1）大面積漏垮型冒頂，（2）靠煤壁附近局部冒頂，（3）采場兩端局部冒頂，（4）放頂線附近局部冒頂。2023/9/1622第22頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月1.大面積漏垮型冒頂條件：①直接頂異常破碎；②煤層傾角較大。冒頂機理：支護系統(tǒng)中若某處失效發(fā)生局部冒頂，破碎頂板就可能從該處沿工作面向上全部漏空，使支架失穩(wěn)，漏垮工作面。2023/9/1623第23頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月預(yù)防措施（1）使支護系統(tǒng)有足夠的支撐力與可縮量。（2）頂板必須背嚴(yán)背實、梁頭頂緊煤壁，采煤后及時支護、甚至要掏梁窩。（3）嚴(yán)防放炮、移溜等工序弄倒支架發(fā)生冒頂。2023/9/1624第24頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.靠煤壁附近局部冒頂（1）頂板由于被裂隙切割，存在鑲嵌型游離巖塊。（2）端面距過大。（3）放炮崩倒支柱。原因：2023/9/1625第25頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月預(yù)防措施：（控制端面距）（1）綜采面：提高初撐力控制端面冒高；及時支護方式，控制端面距；采高大于2.5~3.0m時，加護幫裝置，避免端面距擴大；控制頂板（如固結(jié)碎頂）。2023/9/1626第26頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月預(yù)防措施：（控制端面距）（2）單體面：及時支護，端面距不超過200mm。采用正懸臂交錯頂梁，正倒懸臂錯梁直線柱支護。2023/9/1627第27頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月控制端面距單體面：基本頂梁加短頂梁。2023/9/1628第28頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月I.控制端面距單體面：鉸接頂梁加長鋼梁，金屬網(wǎng)下用∏型長鋼梁對棚邁步支架等。II.嚴(yán)防放炮崩倒靠煤幫的支柱2023/9/1629第29頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月3.采場兩端局部冒頂（單體面）（1）機頭機尾處：原因：因移溜時支護操作不當(dāng)（先拆后支），導(dǎo)致碎頂冒落。措施：用“四對八梁”支護，或用雙楔鉸接頂梁支護2023/9/1630第30頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月措施：交接處宜用一對邁步抬棚。說明：①有的采場利用“四對八梁”中的一對。②綜采面未用端頭支架時，也應(yīng)如此。①工作面與巷道交接處原因：交接處需去掉原巷道支架一個腿，如果支護操作不當(dāng)，可導(dǎo)致碎頂冒落。（2）工作面與巷道交叉處2023/9/1631第31頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月4.放頂線附近的局部冒頂（單體面）原因：人工回柱時，頂板冒落傷人。特別是分段回柱回最后一棵柱時。措施：應(yīng)在有支護的地點遠(yuǎn)距離操作后采用墩柱支護。2023/9/1632第32頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)推垮型冒頂?shù)臋C理及預(yù)防措施1）煤層傾角在20°以上。2）網(wǎng)上是懸浮頂板。巖層間有空1.金屬網(wǎng)下推垮型冒頂發(fā)生條件：2023/9/1633第33頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月①上下分層切眼垂直布置時，開切眼附近，松散冒矸上有三角形空隙存在。2023/9/1634第34頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月②當(dāng)下分層切眼內(nèi)錯布置，或垂直布置，但工作面已過三角形空隙區(qū)。松散頂板因支柱初撐力小，沒有頂緊，轉(zhuǎn)化為懸浮頂板。2023/9/1635第35頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月冒頂特點：多數(shù)發(fā)生在初次放頂前后；多數(shù)是無征兆的；推垮前支柱受力一般不大；推垮后支柱沒有折損，多數(shù)沿傾斜方向倒；推垮后上位斷裂了的硬巖大塊大面積懸露；速度快；容易在回柱時發(fā)生；多數(shù)工作面采用摩擦支柱。2023/9/1636第36頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月冒頂機理：專門的實驗研究表明，網(wǎng)下推垮分兩個階段。1）形成網(wǎng)兜。原因是工作面內(nèi)某位置的支護失效。當(dāng)支架穩(wěn)定性好時，不會推垮。2023/9/1637第37頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2）推垮工作面。原因是網(wǎng)上碎矸與上位巖層之間有空隙，支架不穩(wěn)定，網(wǎng)兜向下拉力拉倒支架，造成推垮型冒頂。2023/9/1638第38頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月1）單體液壓支柱工作面。①采用內(nèi)錯式布置切眼，提高支柱的初撐力，避免形成網(wǎng)上空隙，嚴(yán)防支護失效。②當(dāng)垂直布置切眼時，初放階段用“整體支架”（沿走向與傾斜將單體支柱聯(lián)成整體）。2）摩擦支柱工作面。采用“整體支架”支護。3）內(nèi)錯式布置切眼時，初放前要剪網(wǎng)，保證將金屬網(wǎng)放到底板。4）采用偽斜布置工作面。預(yù)防措施：提高初撐力，增加支架穩(wěn)定性。2023/9/1639第39頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.采空區(qū)冒矸沖入采場的推垮型冒頂煤層之上直接就是石灰?guī)r等堅硬巖層。發(fā)生條件：2023/9/1640第40頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)頂板呈大塊在采空區(qū)垮落時，可能順著已垮落的矸石堆沖入采場，推倒采場支架（從柱根推倒），導(dǎo)致事故。發(fā)生機理：2023/9/1641第41頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）用切斷墩柱的初撐力切斷頂板（減小冒落頂板的塊度），并將冒矸擋在采空區(qū)。（2）當(dāng)頂板分層過厚切不斷時，用挑頂法，使冒矸超過采高。預(yù)防措施急傾斜工作面：如密集支柱初撐力不足，穩(wěn)定性不好，采空區(qū)矸石也可能沖倒支架，造成事故。2023/9/1642第42頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)綜合類型冒頂?shù)臋C理及預(yù)防措施1）頂板為整體厚層硬巖層。2）懸露幾千、幾萬、甚至十幾萬平方米才冒落。1.厚層難冒頂板發(fā)生條件：2023/9/1643第43頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月兩種觀點：1）巖體在自重作用下，拉斷形成小裂縫，然后裂縫貫穿，發(fā)生大斷裂，導(dǎo)致冒頂。切斷2）煤柱上的頂板巖層內(nèi)產(chǎn)生強大的切應(yīng)力，頂板被切斷，導(dǎo)致冒頂。剪斷冒頂機理：2023/9/1644第44頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月預(yù)防措施：1）用挑（鉆爆法或高壓注水）松散碎裂2~3倍采高頂板（包括直接頂在內(nèi)）。把“挑”的部分看成是垮落帶巖層，即可按常規(guī)法防壓、漏、推。綜采面：一般應(yīng)超前工作面碎裂。單體面：考慮到冒矸塊度大，放頂線上支柱應(yīng)有足夠的支撐力與穩(wěn)定性，條件允許時用墩柱。2）若有可能（即厚層頂板分層不太厚），挑頂一部分，令剩余部分轉(zhuǎn)變?yōu)榱严稁Ю享敗?023/9/1645第45頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.地質(zhì)破壞（斷層）帶附近斷層褶皺2023/9/1646第46頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月

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3H地表地層應(yīng)力狀態(tài)2023/9/1647第47頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月水平應(yīng)力與巷道2023/9/1648第48頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月垂直應(yīng)力(Brown&Hoek,1978)開采深度巖層因自重引起的垂直應(yīng)力隨深度增加呈線性增大。2023/9/1649第49頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月水平應(yīng)力水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比(Brown&Hoek,1978)開采深度埋深≤1000m，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值大約為1.5-5.0埋深≥1000m，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值逐漸趨于集中，約為0.5-2.02023/9/1650第50頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月開采深度平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比我國地應(yīng)力測量結(jié)果2023/9/1651第51頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）單體支柱工作面：斷層附近頂板壓力大，（垮落帶范圍擴大），破碎、支護不好時，易發(fā)生壓或漏冒型冒頂。當(dāng)碎頂沿傾斜斷層面移動時，易推倒支架，導(dǎo)致推垮型冒頂。因而，在斷層帶附近應(yīng)增大支護密度，提高支柱初撐力（甚至用木垛），以加強支護，護好碎頂，并用戧棚、戧柱，增加支架穩(wěn)定性。2023/9/1652第52頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）綜采面：1）支架若有較大富裕阻力，可照常推進。2）若無，應(yīng)讓工作面與斷層斜交、或挑頂。2023/9/1653第53頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月3.大塊游離頂板導(dǎo)致的冒頂1）地質(zhì)構(gòu)造：斷層（超過5m長的平行工作面的斷層，往往會出現(xiàn)游離巖塊。2）舊巷：其上直接頂往往已斷碎。3）采動：支架初撐力小，導(dǎo)致直接頂板沿煤壁斷裂。原因：2023/9/1654第54頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合頂板推垮型冒頂，沖擊推垮型冒頂，大塊游離頂板旋轉(zhuǎn)推垮型冒頂，以及直接頂導(dǎo)致的壓垮型冒頂?？赡軐?dǎo)致的頂板事故2023/9/1655第55頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月離層型頂板下軟上硬厚度在0.5-3.0m之間。復(fù)合頂板的概念2023/9/1656第56頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）當(dāng)游離巖塊處在工作面中，厚0.5~3.0m，而沿巖塊傾斜下方又有讓巖塊向下運動的空間時，巖塊可能推倒單體支架，導(dǎo)致“復(fù)合頂板”推垮型冒頂。在綜采面可能導(dǎo)致倒架。機理：離層（支柱初撐力?。?、斷裂、去路和傾角、推力大于阻力。2023/9/1657第57頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）當(dāng)游離巖塊又與上位巖層離層，在上位巖層向下活動時，可能導(dǎo)致沖擊推垮型冒頂。2023/9/1658第58頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）當(dāng)游離巖塊移向放頂線，在回柱放頂時，可能導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)推垮型冒頂2023/9/1659第59頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）當(dāng)在工作面中部游離巖塊厚度很大時（超過2~3倍采高），可能發(fā)生直接頂導(dǎo)致的壓垮型冒頂。2023/9/1660第60頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月預(yù)防措施：（1）盡量避免出現(xiàn)游離巖塊①提高支架或支柱的初撐力，使下位頂板不離層，并不沿煤壁斷裂。②不在計劃的工作面范圍內(nèi)開巷道。2023/9/16