采場(chǎng)冒頂原因及控頂技術(shù)探討

采場(chǎng)冒頂原因及控頂

技術(shù)探討匯報(bào)提綱

一、采場(chǎng)冒頂原因分析

1、地質(zhì)構(gòu)造弱面造成冒落2、應(yīng)力集中造成冒頂3、能量釋放造成冒落4、“關(guān)鍵塊體”造成冒落

5、地下水造成冒頂二、控頂技術(shù)探討

1、礦柱控頂2、錨桿控頂

3、人工假頂控頂

4、超前切頂控頂

5、頂板光面爆破、水平壓頂

6、強(qiáng)采、強(qiáng)充、快速作業(yè)

由于地質(zhì)構(gòu)造因素，礦巖層在形成的中、后期地質(zhì)變化形成的弱面，對(duì)頂板穩(wěn)定性有很大影響。有的弱面使頂板組合結(jié)構(gòu)、巖性發(fā)生變化,有的弱面破壞頂板完整性，導(dǎo)致頂板強(qiáng)度降低，造成冒落。如層理、裂隙等構(gòu)造發(fā)育時(shí)，小規(guī)模冒頂較頻繁，極端情況下采場(chǎng)頂板會(huì)大面積冒落。由此形成的層理弱面，使頂板組合結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其對(duì)巖體的破壞主要表現(xiàn)為巖石容易沿層理出現(xiàn)離層裂隙，使巖層與母體分離，造成頂板巖體強(qiáng)度降低，失去穩(wěn)定性而離層冒落。

1地質(zhì)構(gòu)造弱面造成冒落一、采場(chǎng)冒頂原因分析

而且，水平層理比斜交波狀層理頂板穩(wěn)定性差；層理面平整光滑較粗糙不平的頂板穩(wěn)定性差；巖石抗壓強(qiáng)度相同時(shí)，巖層厚度越小的層理弱面，頂板越易失穩(wěn)。裂隙形成的弱面，對(duì)頂板穩(wěn)定影響也較明顯。雖然頂板結(jié)構(gòu)、巖性都沒有改變，但頂板完整性受到破壞，強(qiáng)度與穩(wěn)定性大大降低。節(jié)理裂隙形成的弱面尤其突出，在節(jié)理裂隙發(fā)育地帶，頂板抗壓強(qiáng)度較低，受壓后極易破碎，若支護(hù)不當(dāng)，常引起局部冒頂。1地質(zhì)構(gòu)造弱面造成冒落一、采場(chǎng)冒頂原因分析

地下采場(chǎng)開挖前，原巖應(yīng)力處于自然平衡狀態(tài)；開挖后，原巖自然平衡狀態(tài)被擾動(dòng)，使一定范圍內(nèi)的原巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,產(chǎn)生應(yīng)力重分布。隨著工作面的推進(jìn)，每步回采都會(huì)使原巖應(yīng)力改變其原有的分布狀態(tài)而產(chǎn)生新應(yīng)力場(chǎng)，其結(jié)果在采場(chǎng)頂板中產(chǎn)生應(yīng)力集中。根據(jù)“自然平衡拱學(xué)說”,回采空間形成后，由于應(yīng)力集中，頂板冒落拱范圍內(nèi)巖體的力系將失去原有平衡，頂板巖層必然出現(xiàn)彎曲、下沉，采場(chǎng)中央部位出現(xiàn)拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過巖石抗拉強(qiáng)度時(shí)，頂板巖層將產(chǎn)生拉裂縫，加上時(shí)間效應(yīng)，拉裂縫延伸擴(kuò)大導(dǎo)致頂板冒落。2應(yīng)力集中造成冒頂一、寶山現(xiàn)狀簡(jiǎn)介一、采場(chǎng)冒頂原因分析一、采場(chǎng)冒頂原因分析在強(qiáng)大的自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力作用下，礦巖體的體積和形狀均會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了彈性能聚積。俄國學(xué)者阿維爾申教授認(rèn)為,礦巖體內(nèi)的彈性能是由體積變化產(chǎn)生的體變彈性能Uv、形狀變化產(chǎn)生的形變彈性能Uf和頂板彎曲下沉產(chǎn)生彎曲彈性能Uw組成,即式中:μ,E為巖層泊松比和彈性模量：γ,H為巖層容重及采深;q為作用在巖梁上的均布載荷;J為巖梁慣性矩;L為巖梁長(zhǎng)度。從上式可見,能量的聚積是隨采深、采空區(qū)面積,即懸頂長(zhǎng)度的增加而增大。當(dāng)圍巖中的能量積聚到足夠大時(shí),所產(chǎn)生的應(yīng)力超過了頂板礦巖體本身強(qiáng)度,則彈性能突然釋放,使礦巖體猛烈破壞,或產(chǎn)生礦巖的彈射和突出等沖擊礦壓現(xiàn)象,在工作面或巷道中造成災(zāi)害。1.1礦區(qū)地質(zhì)特征3能量釋放造成冒頂U(kuò)=Uv+Uf+Uw

(1)(1-2μ)(1+μ)222Uv=-μ)2γH

6E(1

(1+μ)(1-2μ)222Uf=-μ)2γH

3E(1

一、采場(chǎng)冒頂原因分析

堅(jiān)硬和半堅(jiān)硬地層中，巖體被結(jié)構(gòu)面切割成各種類型的空間鑲嵌塊體。在自然狀態(tài)下，這些空間塊體處于靜力平衡狀態(tài)。工程開挖后，塊體失去了原有的支承，使得臨空面上的某些塊體首先失去平衡，沿著結(jié)構(gòu)面滑移、失穩(wěn)。我們稱之為“關(guān)鍵塊體”?！瓣P(guān)鍵塊體”是采場(chǎng)頂板的薄弱環(huán)節(jié)，也是保持采場(chǎng)頂板整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵部分。當(dāng)采場(chǎng)頂板某“關(guān)鍵塊體”冒滑后，相鄰塊體得到了釋放的機(jī)會(huì),引起連鎖反應(yīng)產(chǎn)生一系列的冒滑，最終導(dǎo)致采場(chǎng)頂板失穩(wěn)、冒落。4

“關(guān)鍵塊體”造成冒落一、采場(chǎng)冒頂原因分析

當(dāng)?shù)V體圍巖大部分為可溶性巖體時(shí),受構(gòu)造裂隙水和井下充填富余水的影響,圍巖的物理力學(xué)性能減弱,導(dǎo)致采場(chǎng)頂板礦巖體的相互作用力下降,造成頂板冒落。5地下水造成冒頂一、采場(chǎng)冒頂原因分析1、礦柱控頂2、錨桿控頂3、人工假頂控頂4、超前切頂控頂5、頂板光面爆破、水平壓頂6、強(qiáng)采、強(qiáng)充、快速作業(yè)二、控頂技術(shù)探討

在采場(chǎng)中留適當(dāng)?shù)V柱,是房柱法和全面法采場(chǎng)控頂常用的方法。礦柱控頂作用分成拱形假說和覆巖總重假說。拱形假說是以松散體力學(xué)為理論基礎(chǔ),認(rèn)為在上部覆巖的壓力作用下,松散的巖石從開采的頂板向下冒落,形成自然平衡拱。作用在礦柱上的載荷,僅是冒落拱內(nèi)巖塊的重量,與開采空間埋藏深度無關(guān)。

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礦柱控頂二、控頂技術(shù)探討覆巖總重假說認(rèn)為,在水平和緩傾斜礦體中,開采空間承受的載荷P,是開采空間上部直達(dá)地表全部覆巖重量的總和(如圖1),即:P=SHγ=bLHγ(2)式中,γ為覆巖容重。1-水平開采空間;2-圓形礦柱;H-開采深度;S2礦柱支撐的覆巖面積;P2作用在一個(gè)礦柱上的荷載圖1覆巖總重假說示意圖

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礦柱控頂二、采礦方法現(xiàn)狀二、控頂技術(shù)探討利用礦柱控頂時(shí),必須根據(jù)采場(chǎng)跨度、面積、頂板安全狀況,選擇礦柱位置、數(shù)量及尺寸;其次,起爆礦柱周圍礦石時(shí),應(yīng)注意保護(hù)礦柱。研究表明,為了礦柱不受破壞,其寬、高比至少應(yīng)為20∶1;為了避免“基礎(chǔ)破壞”,平均礦柱應(yīng)力不應(yīng)超過周圍巖體單軸抗壓強(qiáng)度的三倍。

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礦柱控頂二、控頂技術(shù)探討在實(shí)際生產(chǎn)中,礦柱的主要作用是阻止礦柱上方危險(xiǎn)巖塊的冒落。對(duì)于那些頂板特別不穩(wěn)固的地段留有適當(dāng)?shù)牡V柱,可在一定程度上起理想控頂?shù)淖饔谩５?由于礦柱自身也存在弱面構(gòu)造,特別是開采深部礦體,地應(yīng)力大,礦柱在拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用下,將逐步進(jìn)入塑性破壞階段,給后期回采礦柱帶來極大困難；且僅靠預(yù)留礦柱難以有效改善圍巖的應(yīng)力、位移、安全率和塑性區(qū)的分布狀況,也就不能從根本上保證礦房頂板的安全；同時(shí),大量預(yù)留礦柱還會(huì)造成資源的浪費(fèi)。

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礦柱控頂二、控頂技術(shù)探討

錨桿的作用是在采場(chǎng)頂板尚未發(fā)生較大離層之前施行錨固,使頂板形成具有較大剛度的整體,增加頂板抗剪作用,阻止和減少離層進(jìn)一步發(fā)展,拉應(yīng)力區(qū)的范圍也有所減小,且能將拉應(yīng)力從采場(chǎng)中央向采場(chǎng)兩端轉(zhuǎn)移,從而達(dá)到延緩采場(chǎng)頂板冒落的目的。在采場(chǎng)頂板上按一定網(wǎng)度布設(shè)錨桿形成錨桿群,其作用原理、可分為以下三點(diǎn)：2錨桿控頂二、控頂技術(shù)探討

①懸吊作用(如圖2a):在塊裂結(jié)構(gòu)巖體中,頂板往往會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)關(guān)鍵塊體,可用錨桿群將其“懸吊”在穩(wěn)固巖層上;②組合作用(如圖2b):在層狀巖體中，錨桿及連接螺栓,將薄巖層組成厚梁,增大其抗彎剛度和承壓能力;③擠壓加固作用(如圖2c):在碎裂結(jié)構(gòu)巖體中,以一定方式布置預(yù)應(yīng)力錨桿群,各錨桿的預(yù)應(yīng)力在錨桿兩端產(chǎn)生一個(gè)錐形壓縮區(qū),并互相連接起來,兩端錐形壓縮區(qū)之間巖體受到擠壓,形成一個(gè)擠壓加固帶,這個(gè)帶內(nèi)的巖體強(qiáng)度得以提高,整體性加強(qiáng),好似一個(gè)承壓拱,充分發(fā)揮圍巖的自承作用。2錨桿控頂(a)懸吊作用(b)組合作用(c)擠壓加固作用圖2錨桿群的作用原理二、控頂技術(shù)探討使用過程中，必須選擇合理的錨桿長(zhǎng)度，使錨固端錨固在穩(wěn)固圍巖上；確定合理的錨桿網(wǎng)度，達(dá)到最佳錨固效果；測(cè)定設(shè)計(jì)錨桿的錨固力，確保錨桿能夠達(dá)到要求強(qiáng)度；同時(shí)，錨桿眼鉆鑿與錨桿安裝也至關(guān)重要，直接影響到錨固的質(zhì)量。對(duì)于角礫狀破碎不穩(wěn)固的礦體,錨桿支護(hù)可以通過合理的網(wǎng)度或與金屬網(wǎng)聯(lián)合作用達(dá)到提高頂板安全性的目的。但是,隨頂板暴露面積的增大,錨桿支護(hù)效果隨之減弱。對(duì)于破碎帶厚度不大的采場(chǎng)頂板,錨桿支護(hù)是一項(xiàng)整體效果良好的控頂措施。但如果破碎帶出現(xiàn)的厚度超過錨桿有效支護(hù)深度,錨桿支護(hù)也不能保證上盤頂板的穩(wěn)定性。2錨桿控頂二、控頂技術(shù)探討人工假頂是在暴露的頂板下人工構(gòu)筑一個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu),假頂穩(wěn)定性是假頂2支架系統(tǒng)的共同作用且與時(shí)空相關(guān)的復(fù)雜過程。人工假頂實(shí)質(zhì)上是傳統(tǒng)的支護(hù)形式,支架和假頂被動(dòng)承受頂板上覆巖層的壓力,對(duì)圍巖無主動(dòng)加固作用。3

人工假頂護(hù)頂二、采礦方法現(xiàn)狀如果假頂與頂板圍巖緊密接觸,不允許頂板圍巖發(fā)生自由變形,并且支護(hù)及時(shí),則支架與假頂將承受頂板圍巖變形所產(chǎn)生的變形壓力,起到極積的控頂作用;如果假頂與頂板圍巖之間有足夠間隙,允許頂板自由變形,直至發(fā)生離層松脫,或支護(hù)不及時(shí),圍巖已發(fā)生離層松脫,支架將承受冒落頂板圍巖產(chǎn)生的松脫壓力,無法有效控制頂板變形。因此,使用人工假頂控頂時(shí),必須保證采場(chǎng)頂板平整,以便假頂與頂板緊密接觸;同時(shí),假頂支護(hù)應(yīng)及時(shí),在頂板圍巖發(fā)生大變形前應(yīng)將其趨勢(shì)遏止。3

人工假頂護(hù)頂二、控頂技術(shù)探討在支架特性不破壞的前提下,假頂下沉可以控制在一定的限度內(nèi)。假頂暴露后,在一定的時(shí)空范圍內(nèi)是穩(wěn)定的;但隨著時(shí)空的延伸,穩(wěn)定性隨之下降。因此,大空間、暴露時(shí)間的采空區(qū)頂板,不宜用假頂形式支護(hù)。同時(shí),人工假頂運(yùn)料困難,耗費(fèi)金屬及木材量大,構(gòu)筑難度大,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,成本極高,難于推廣應(yīng)用。3

人工假頂護(hù)頂二、控頂技術(shù)探討

當(dāng)直接頂板礦化層的厚度接近或大于錨桿錨固的有效長(zhǎng)度時(shí),則錨桿完全處在軟弱的礦化層中,而沒有錨固在堅(jiān)硬的老頂上,錨桿的錨固作用無法得到充分發(fā)揮。在這種情況下,可以考慮超前切去軟弱的直接頂,而暴露出堅(jiān)硬的老頂。然后,再對(duì)暴露的老頂進(jìn)行相應(yīng)支護(hù)。4

超前切頂控頂二、控頂技術(shù)探討

當(dāng)回采緩傾斜中厚至厚大礦體時(shí),由于控頂高度過大,采場(chǎng)頂板難以管理、安全隱患嚴(yán)重。這時(shí),亦考慮采用超前切頂?shù)姆绞竭M(jìn)行控頂。在回采過程中,超前于落礦分段以切割槽、切割井等為自由面進(jìn)行切頂,在采場(chǎng)的前方形成一個(gè)切頂平臺(tái)。切頂過程中，留有一定數(shù)量的礦柱支撐頂板;有必要時(shí),增加錨桿等護(hù)頂。

超前切頂措施不僅為清理頂板和護(hù)頂作業(yè)提供了一個(gè)安全的工作平臺(tái),也為落礦創(chuàng)造自由面,且實(shí)現(xiàn)探、采結(jié)合,有利于控制礦石回采的貧化率;但切頂會(huì)增加回采工序,提高采礦成本,降低生產(chǎn)能力。4

超前切頂控頂二、控頂技術(shù)探討

為減小爆破對(duì)采場(chǎng)頂板的破壞，爆破上采用光面爆破和水平壓頂技術(shù)，提高采場(chǎng)頂板的穩(wěn)固性。光面爆破技術(shù)要求作業(yè)人員多打眼、打淺眼、少裝藥，合理確定炮眼的布置排列方式，炮眼間距為40~80cm，斷層較發(fā)育處控制在40~60cm，盡量減少裝藥量，裝藥后用炮泥對(duì)炮眼口進(jìn)行堵塞。達(dá)到采場(chǎng)頂板沒有吊肚子、四壁沒有危險(xiǎn)滑板，頂板平整略帶一定的弧度，使采場(chǎng)應(yīng)力平均分布，同時(shí)在回采過程中要隨時(shí)注意用淺眼、短眼、密眼維修采場(chǎng)頂板，減少松石工作量和危險(xiǎn)。5

頂板光面爆破、水平壓頂二、控頂技術(shù)探討

采空區(qū)頂板的變形一般都是蠕變的，從變形到破壞、垮落、冒頂具有一定的時(shí)間性。在頂板垮落前的一段時(shí)間內(nèi)，加快回采、充填速度，在限定時(shí)間內(nèi)完成各項(xiàng)作業(yè)，不僅降低了支護(hù)費(fèi)用，也有利于安全生產(chǎn)。要求采場(chǎng)三班作業(yè)，嚴(yán)格控制采礦量，鑿巖爆破、出礦作業(yè)、采場(chǎng)充填必須在限期內(nèi)完成，在地壓全部釋放前完成充填作業(yè)，避免或減少頂板冒頂事故的發(fā)生。6

強(qiáng)采、強(qiáng)出、強(qiáng)充快速作業(yè)二、控頂技術(shù)探討結(jié)語：采場(chǎng)頂板穩(wěn)定、安全,是保證采場(chǎng)正常有效回采的前提。頂板失穩(wěn)、冒落的原因是多方面的,復(fù)雜交錯(cuò)的。在回采過程中,必須根據(jù)礦巖性質(zhì)、采準(zhǔn)布置及其它因素,選擇合理的控頂措施。對(duì)于一些頂板支護(hù)難度大、單一措施無法有效控頂?shù)那闆r,應(yīng)考慮采用多種控頂措施聯(lián)合作用的方式,達(dá)到控制頂板變形,提高頂板穩(wěn)定性的目的。

圍巖壓力及其影響因素一、圍巖壓力巷道掘進(jìn)后，破壞了原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，引起了一定范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力的重新分布和巖體彈性潛能的釋放，形成應(yīng)力集中，造成一定范圍內(nèi)圍巖的變形位移，形成塑性松弛區(qū)，惡化了圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)。有的甚至引起較大位移，使圍巖由塑性轉(zhuǎn)化為松動(dòng)破裂，產(chǎn)生松動(dòng)壓力，導(dǎo)致圍巖局部破壞和整體失穩(wěn)，塌方冒頂。為避免出現(xiàn)巷道失穩(wěn)現(xiàn)象，需采取相應(yīng)的加強(qiáng)支護(hù)措施，防止圍巖冒落。圍巖壓力是指巷道周邊巖石抵抗圍巖變形的能力，即支承物所承受的松動(dòng)破碎圈范圍內(nèi)巖石的形變壓力。從狹義上講，圍巖壓力也稱為支承壓力。從巷道圍巖空間狀態(tài)而言，巷道是由頂板、底板和兩幫組成的一個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)的各部分在井巷地壓作用下的受力狀態(tài)不同，其圍巖性質(zhì)也往往存在著很大的差異，因而巷道側(cè)壓和底壓三種類型。

圍巖壓力及其影響因素巷道開掘以后，暴露出來的頂板巖石，類似雙支梁一樣支承上部巖石的壓力。受力后的頂板梁將向下彎曲，靠近巷道頂板線的巖石承受拉力而裂開，如圖2-13(a)所示，隨著裂隙的增多、擴(kuò)大，巖石就開始冒落，它的壓力也將逐漸降低，而作用在巷道兩幫巖石上的壓力卻逐漸增加，如圖2-13(b)、(c)所示。當(dāng)頂板破碎巖石冒落到一定范圍而形成自然平衡拱時(shí)，就停止冒落，如圖2-13(d)所示，這時(shí)頂板又處于新的平衡狀態(tài)，巷道上部的壓力，通過拱頂傳到巷道兩幫巖石上。頂板冒落的巖石作用在支承物上的壓力稱為頂壓。

圍巖壓力及其影響因素當(dāng)頂板結(jié)構(gòu)為較弱的頁巖，其他部位為砂巖時(shí)，巷道頂板巖層發(fā)生明顯的彎