煤層頂板冒落原因分析及支護(hù)技術(shù)研究

1、    煤層頂板冒落原因分析及支護(hù)技術(shù)研究    張燕飛摘 要：在煤炭地下開采活動(dòng)中，受煤層地質(zhì)條件和鉆采工藝等因素的影響，常常會(huì)發(fā)生煤層頂板冒落事故，給礦山的生產(chǎn)和安全帶來重大的損失。在分析頂板冒落原因的基礎(chǔ)上，提出了頂板冒落的支護(hù)技術(shù)，并分析各項(xiàng)技術(shù)的原理和應(yīng)用特點(diǎn)，為礦山的頂板管理提供建議，以保障礦區(qū)的安全生產(chǎn)。關(guān)鍵詞：煤層；頂板冒落；原因；支護(hù)技術(shù)：td327.2 ：a ：2095-6835（2014）15-0027-02在煤炭地下開采過程中，維持頂板穩(wěn)定是保障礦山正常生產(chǎn)必不可少的工作之一。一旦發(fā)生采場頂板冒落事故，不僅會(huì)使生產(chǎn)被迫停止，影響工

2、作面的進(jìn)行，增加生產(chǎn)成本，還會(huì)威脅到工作人員的生命安全，嚴(yán)重影響礦區(qū)的正常運(yùn)行。1 頂板冒落機(jī)理當(dāng)煤層采空以后，頂板的自重要靠頂板本身和煤柱來支撐，而頂板的自重是分布在幾個(gè)點(diǎn)上的。當(dāng)頂板的自重超過頂板的抗拉能力和煤柱的抗壓能力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)頂板冒落的情況。頂板自重產(chǎn)生微破裂，層理、節(jié)理發(fā)育的部位加速破裂會(huì)使頂板局部冒落，頂板本身的抗壓強(qiáng)度不斷削弱，最終會(huì)發(fā)生大面積冒落。在頂板冒落前，支架并沒有明顯的變形，只是偶爾支柱會(huì)有傾斜。冒落高度雖然不大，但面積很廣，具有突發(fā)性，速度快，沒有明顯的征兆。1.1 地質(zhì)構(gòu)造弱面造成冒落位于煤層頂板的巖石大多為沉積巖，因?yàn)榈刭|(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，巖體中存在著豐富的不連續(xù)面，

3、比如較為典型的裂隙、層理、斷層等，使巖體成為不連續(xù)、非均質(zhì)的結(jié)構(gòu)體，不僅破壞了巖體原本的完整性，還會(huì)削弱巖體的力學(xué)性質(zhì)，而這些對維護(hù)頂板的穩(wěn)定性都是極其不利的。裂隙是頂板巖體常見的構(gòu)造弱面，在巖層裂隙發(fā)育地帶，頂板受壓易使裂隙末端應(yīng)力集中，裂隙繼續(xù)擴(kuò)展致巖體壓碎，巖塊容易垮落，常發(fā)生局部冒頂?shù)那闆r。弱巖體中層理發(fā)育，則該段巖層之間結(jié)合力較弱，受人工震動(dòng)巖石容易產(chǎn)生離層裂隙而脫離母巖。斷層的存在不僅僅是某部分地層的缺失，在斷層附近的巖石上原生裂隙發(fā)育，頂?shù)装鍘r體結(jié)構(gòu)破碎，巖層面的黏聚力大大降低，巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在采動(dòng)過程中，斷層將改變巖體的初始應(yīng)力，直接影響巖層的變形破壞規(guī)律，使頂板巖層的穩(wěn)

4、定性會(huì)變差。1.2 應(yīng)力集中造成冒落在煤炭開采前，礦區(qū)的巖體受原始地應(yīng)力的作用，處于自然平衡的狀態(tài)，隨著采礦工作的進(jìn)行，這種平衡被破壞了，就會(huì)使應(yīng)力重新分布。在新應(yīng)力場的應(yīng)力集中作用下，巖體被破壞發(fā)生變形，自身黏合力和摩擦力降低，因此，頂板巖體穩(wěn)定性降低，最終發(fā)生頂板冒落。1.3 開采因素在煤炭開采過程中，爆破產(chǎn)生的沖擊波和膨脹壓力會(huì)破壞附近巖體的原生結(jié)構(gòu)，使其向碎裂結(jié)構(gòu)變化，成為不連續(xù)性的介質(zhì)，同時(shí)，它也降低了巖體的力學(xué)強(qiáng)度。對巖體中的結(jié)構(gòu)弱面來說，在爆破的作用下，裂隙會(huì)大幅擴(kuò)展，最終形成貫通的破壞面，使巖體承載力下降，巖體受壓破碎，隨之就會(huì)發(fā)生頂板冒落。2 影響頂板穩(wěn)定性的主要因素2.1

5、頂板厚度頂板厚度在很大程度上會(huì)影響小斷層的發(fā)育小斷層發(fā)育，巖層強(qiáng)度會(huì)降低，這極大地削弱了頂板的穩(wěn)定性。對厚度大的頂板來說，其穩(wěn)定性較好。2.2 頂板分層層數(shù)如果頂板巖體在垂直方向有不同分層，巖性存在明顯差異，則說明該區(qū)域內(nèi)頂板的整體性較差。因?yàn)閹r石容易沿著層理面發(fā)生離層，尤其是在煤層以上一定范圍內(nèi)的巖層，它對頂板穩(wěn)定性的影響會(huì)更大。2.3 主采煤層與薄煤層間距當(dāng)薄煤層與主采煤層距離較近時(shí)，頂板錨桿不能貫穿上部薄煤層，錨桿對該段巖層起不到固定的作用。在煤層開采后，薄煤層往往會(huì)成為軟弱面，其黏結(jié)力差，易引發(fā)巖塊塌落，從而發(fā)生頂板冒落。3 支護(hù)技術(shù)根據(jù)煤層頂板地質(zhì)特征和冒落機(jī)理可知，只有選用適宜的支

6、護(hù)方法才能有效地維護(hù)頂板的穩(wěn)定。對于那些松軟破碎、巖性復(fù)雜、穩(wěn)定性差的頂板，鑒于其支護(hù)難度較大，在設(shè)計(jì)支護(hù)方案時(shí)，不應(yīng)該局限于其中某一種單一技術(shù)，而應(yīng)該根據(jù)不同支護(hù)技術(shù)各自的特點(diǎn)，考慮多種措施聯(lián)合加固，使其加固效果更佳。下面介紹幾種應(yīng)用較為廣泛的支護(hù)技術(shù)。3.1 錨桿支護(hù)錨桿加固頂板，不僅在很大程度上提高了頂板的整體剛度，而且頂板抗剪強(qiáng)度也有所增強(qiáng)，在采場頂板上布置的預(yù)應(yīng)力錨桿群能對周圍巖體起到擠壓加固的作用。錨桿加金屬網(wǎng)支護(hù)不僅能夠充分發(fā)揮錨桿的主動(dòng)支護(hù)作用，同時(shí)，還能利用金屬網(wǎng)把錨桿之間的巖層負(fù)荷傳遞給錨桿，為已經(jīng)碎裂的巖石提供保護(hù)，將巖體變形控制在合理范圍內(nèi)，防止碎巖掉落，起到加固頂板的

7、作用。使用錨桿加固時(shí)，必須測定錨桿的錨固力是否達(dá)到了穩(wěn)定頂板所需的強(qiáng)度，合理選擇錨桿的長度，規(guī)范其施工。對于破碎帶不厚的頂板，運(yùn)用錨桿加固能起到良好的穩(wěn)定效果，但是，對于頂板厚度較大，超過錨桿能夠作用的范圍時(shí)，則不能保證錨桿會(huì)對頂板起到預(yù)定的加固作用，因?yàn)樵擁敯宓姆€(wěn)定性是存在一定隱患的。3.2 錨索支護(hù)利用長錨索對礦體頂板進(jìn)行錨固，布置方式有兩種，即下向扇形（如圖1a）、上向扇形（如圖1b）布置。兩種鉆孔形式分別為下向扇形和上向扇形，長錨索固段長度不同，前者全孔段放入鋼絲繩，后者部分孔段作為錨固段，錨固段灌入砂漿，待砂漿凝固后，即形成了長錨索預(yù)錨固結(jié)構(gòu)。長錨索能夠限制巖塊位移、調(diào)整巖層應(yīng)力場、

8、及時(shí)穩(wěn)固巖體，但是，它的工藝煩雜，如果其中某一道工序操作不當(dāng)，錨固效果就會(huì)受到影響，甚至?xí)o頂板的支護(hù)工作帶來嚴(yán)重的后果。因此，這項(xiàng)措施對施工人員的要求比較高，要保證每道工序都能按照操作流程完成。也正是因?yàn)樗牧鞒虩╇s，所以工程完成時(shí)間也會(huì)延長。 摘 要：在煤炭地下開采活動(dòng)中，受煤層地質(zhì)條件和鉆采工藝等因素的影響，常常會(huì)發(fā)生煤層頂板冒落事故，給礦山的生產(chǎn)和安全帶來重大的損失。在分析頂板冒落原因的基礎(chǔ)上，提出了頂板冒落的支護(hù)技術(shù)，并分析各項(xiàng)技術(shù)的原理和應(yīng)用特點(diǎn)，為礦山的頂板管理提供建議，以保障礦區(qū)的安全生產(chǎn)。關(guān)鍵詞：煤層；頂板冒落；原因；支護(hù)技術(shù)：td327.2 ：a ：2095-6835（20

9、14）15-0027-02在煤炭地下開采過程中，維持頂板穩(wěn)定是保障礦山正常生產(chǎn)必不可少的工作之一。一旦發(fā)生采場頂板冒落事故，不僅會(huì)使生產(chǎn)被迫停止，影響工作面的進(jìn)行，增加生產(chǎn)成本，還會(huì)威脅到工作人員的生命安全，嚴(yán)重影響礦區(qū)的正常運(yùn)行。1 頂板冒落機(jī)理當(dāng)煤層采空以后，頂板的自重要靠頂板本身和煤柱來支撐，而頂板的自重是分布在幾個(gè)點(diǎn)上的。當(dāng)頂板的自重超過頂板的抗拉能力和煤柱的抗壓能力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)頂板冒落的情況。頂板自重產(chǎn)生微破裂，層理、節(jié)理發(fā)育的部位加速破裂會(huì)使頂板局部冒落，頂板本身的抗壓強(qiáng)度不斷削弱，最終會(huì)發(fā)生大面積冒落。在頂板冒落前，支架并沒有明顯的變形，只是偶爾支柱會(huì)有傾斜。冒落高度雖然不大，但

10、面積很廣，具有突發(fā)性，速度快，沒有明顯的征兆。1.1 地質(zhì)構(gòu)造弱面造成冒落位于煤層頂板的巖石大多為沉積巖，因?yàn)榈刭|(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，巖體中存在著豐富的不連續(xù)面，比如較為典型的裂隙、層理、斷層等，使巖體成為不連續(xù)、非均質(zhì)的結(jié)構(gòu)體，不僅破壞了巖體原本的完整性，還會(huì)削弱巖體的力學(xué)性質(zhì)，而這些對維護(hù)頂板的穩(wěn)定性都是極其不利的。裂隙是頂板巖體常見的構(gòu)造弱面，在巖層裂隙發(fā)育地帶，頂板受壓易使裂隙末端應(yīng)力集中，裂隙繼續(xù)擴(kuò)展致巖體壓碎，巖塊容易垮落，常發(fā)生局部冒頂?shù)那闆r。弱巖體中層理發(fā)育，則該段巖層之間結(jié)合力較弱，受人工震動(dòng)巖石容易產(chǎn)生離層裂隙而脫離母巖。斷層的存在不僅僅是某部分地層的缺失，在斷層附近的巖石上原生裂隙

11、發(fā)育，頂?shù)装鍘r體結(jié)構(gòu)破碎，巖層面的黏聚力大大降低，巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在采動(dòng)過程中，斷層將改變巖體的初始應(yīng)力，直接影響巖層的變形破壞規(guī)律，使頂板巖層的穩(wěn)定性會(huì)變差。1.2 應(yīng)力集中造成冒落在煤炭開采前，礦區(qū)的巖體受原始地應(yīng)力的作用，處于自然平衡的狀態(tài)，隨著采礦工作的進(jìn)行，這種平衡被破壞了，就會(huì)使應(yīng)力重新分布。在新應(yīng)力場的應(yīng)力集中作用下，巖體被破壞發(fā)生變形，自身黏合力和摩擦力降低，因此，頂板巖體穩(wěn)定性降低，最終發(fā)生頂板冒落。1.3 開采因素在煤炭開采過程中，爆破產(chǎn)生的沖擊波和膨脹壓力會(huì)破壞附近巖體的原生結(jié)構(gòu)，使其向碎裂結(jié)構(gòu)變化，成為不連續(xù)性的介質(zhì)，同時(shí)，它也降低了巖體的力學(xué)強(qiáng)度。對巖體中的結(jié)構(gòu)弱

12、面來說，在爆破的作用下，裂隙會(huì)大幅擴(kuò)展，最終形成貫通的破壞面，使巖體承載力下降，巖體受壓破碎，隨之就會(huì)發(fā)生頂板冒落。2 影響頂板穩(wěn)定性的主要因素2.1 頂板厚度頂板厚度在很大程度上會(huì)影響小斷層的發(fā)育小斷層發(fā)育，巖層強(qiáng)度會(huì)降低，這極大地削弱了頂板的穩(wěn)定性。對厚度大的頂板來說，其穩(wěn)定性較好。2.2 頂板分層層數(shù)如果頂板巖體在垂直方向有不同分層，巖性存在明顯差異，則說明該區(qū)域內(nèi)頂板的整體性較差。因?yàn)閹r石容易沿著層理面發(fā)生離層，尤其是在煤層以上一定范圍內(nèi)的巖層，它對頂板穩(wěn)定性的影響會(huì)更大。2.3 主采煤層與薄煤層間距當(dāng)薄煤層與主采煤層距離較近時(shí)，頂板錨桿不能貫穿上部薄煤層，錨桿對該段巖層起不到固定的作

13、用。在煤層開采后，薄煤層往往會(huì)成為軟弱面，其黏結(jié)力差，易引發(fā)巖塊塌落，從而發(fā)生頂板冒落。3 支護(hù)技術(shù)根據(jù)煤層頂板地質(zhì)特征和冒落機(jī)理可知，只有選用適宜的支護(hù)方法才能有效地維護(hù)頂板的穩(wěn)定。對于那些松軟破碎、巖性復(fù)雜、穩(wěn)定性差的頂板，鑒于其支護(hù)難度較大，在設(shè)計(jì)支護(hù)方案時(shí)，不應(yīng)該局限于其中某一種單一技術(shù)，而應(yīng)該根據(jù)不同支護(hù)技術(shù)各自的特點(diǎn)，考慮多種措施聯(lián)合加固，使其加固效果更佳。下面介紹幾種應(yīng)用較為廣泛的支護(hù)技術(shù)。3.1 錨桿支護(hù)錨桿加固頂板，不僅在很大程度上提高了頂板的整體剛度，而且頂板抗剪強(qiáng)度也有所增強(qiáng)，在采場頂板上布置的預(yù)應(yīng)力錨桿群能對周圍巖體起到擠壓加固的作用。錨桿加金屬網(wǎng)支護(hù)不僅能夠充分發(fā)揮錨

14、桿的主動(dòng)支護(hù)作用，同時(shí)，還能利用金屬網(wǎng)把錨桿之間的巖層負(fù)荷傳遞給錨桿，為已經(jīng)碎裂的巖石提供保護(hù)，將巖體變形控制在合理范圍內(nèi)，防止碎巖掉落，起到加固頂板的作用。使用錨桿加固時(shí)，必須測定錨桿的錨固力是否達(dá)到了穩(wěn)定頂板所需的強(qiáng)度，合理選擇錨桿的長度，規(guī)范其施工。對于破碎帶不厚的頂板，運(yùn)用錨桿加固能起到良好的穩(wěn)定效果，但是，對于頂板厚度較大，超過錨桿能夠作用的范圍時(shí)，則不能保證錨桿會(huì)對頂板起到預(yù)定的加固作用，因?yàn)樵擁敯宓姆€(wěn)定性是存在一定隱患的。3.2 錨索支護(hù)利用長錨索對礦體頂板進(jìn)行錨固，布置方式有兩種，即下向扇形（如圖1a）、上向扇形（如圖1b）布置。兩種鉆孔形式分別為下向扇形和上向扇形，長錨索固段

15、長度不同，前者全孔段放入鋼絲繩，后者部分孔段作為錨固段，錨固段灌入砂漿，待砂漿凝固后，即形成了長錨索預(yù)錨固結(jié)構(gòu)。長錨索能夠限制巖塊位移、調(diào)整巖層應(yīng)力場、及時(shí)穩(wěn)固巖體，但是，它的工藝煩雜，如果其中某一道工序操作不當(dāng)，錨固效果就會(huì)受到影響，甚至?xí)o頂板的支護(hù)工作帶來嚴(yán)重的后果。因此，這項(xiàng)措施對施工人員的要求比較高，要保證每道工序都能按照操作流程完成。也正是因?yàn)樗牧鞒虩╇s，所以工程完成時(shí)間也會(huì)延長。 摘 要：在煤炭地下開采活動(dòng)中，受煤層地質(zhì)條件和鉆采工藝等因素的影響，常常會(huì)發(fā)生煤層頂板冒落事故，給礦山的生產(chǎn)和安全帶來重大的損失。在分析頂板冒落原因的基礎(chǔ)上，提出了頂板冒落的支護(hù)技術(shù)，并分析各項(xiàng)技術(shù)的

16、原理和應(yīng)用特點(diǎn)，為礦山的頂板管理提供建議，以保障礦區(qū)的安全生產(chǎn)。關(guān)鍵詞：煤層；頂板冒落；原因；支護(hù)技術(shù)：td327.2 ：a ：2095-6835（2014）15-0027-02在煤炭地下開采過程中，維持頂板穩(wěn)定是保障礦山正常生產(chǎn)必不可少的工作之一。一旦發(fā)生采場頂板冒落事故，不僅會(huì)使生產(chǎn)被迫停止，影響工作面的進(jìn)行，增加生產(chǎn)成本，還會(huì)威脅到工作人員的生命安全，嚴(yán)重影響礦區(qū)的正常運(yùn)行。1 頂板冒落機(jī)理當(dāng)煤層采空以后，頂板的自重要靠頂板本身和煤柱來支撐，而頂板的自重是分布在幾個(gè)點(diǎn)上的。當(dāng)頂板的自重超過頂板的抗拉能力和煤柱的抗壓能力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)頂板冒落的情況。頂板自重產(chǎn)生微破裂，層理、節(jié)理發(fā)育的部位加

17、速破裂會(huì)使頂板局部冒落，頂板本身的抗壓強(qiáng)度不斷削弱，最終會(huì)發(fā)生大面積冒落。在頂板冒落前，支架并沒有明顯的變形，只是偶爾支柱會(huì)有傾斜。冒落高度雖然不大，但面積很廣，具有突發(fā)性，速度快，沒有明顯的征兆。1.1 地質(zhì)構(gòu)造弱面造成冒落位于煤層頂板的巖石大多為沉積巖，因?yàn)榈刭|(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，巖體中存在著豐富的不連續(xù)面，比如較為典型的裂隙、層理、斷層等，使巖體成為不連續(xù)、非均質(zhì)的結(jié)構(gòu)體，不僅破壞了巖體原本的完整性，還會(huì)削弱巖體的力學(xué)性質(zhì)，而這些對維護(hù)頂板的穩(wěn)定性都是極其不利的。裂隙是頂板巖體常見的構(gòu)造弱面，在巖層裂隙發(fā)育地帶，頂板受壓易使裂隙末端應(yīng)力集中，裂隙繼續(xù)擴(kuò)展致巖體壓碎，巖塊容易垮落，常發(fā)生局部冒頂?shù)那?/p>

18、況。弱巖體中層理發(fā)育，則該段巖層之間結(jié)合力較弱，受人工震動(dòng)巖石容易產(chǎn)生離層裂隙而脫離母巖。斷層的存在不僅僅是某部分地層的缺失，在斷層附近的巖石上原生裂隙發(fā)育，頂?shù)装鍘r體結(jié)構(gòu)破碎，巖層面的黏聚力大大降低，巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在采動(dòng)過程中，斷層將改變巖體的初始應(yīng)力，直接影響巖層的變形破壞規(guī)律，使頂板巖層的穩(wěn)定性會(huì)變差。1.2 應(yīng)力集中造成冒落在煤炭開采前，礦區(qū)的巖體受原始地應(yīng)力的作用，處于自然平衡的狀態(tài)，隨著采礦工作的進(jìn)行，這種平衡被破壞了，就會(huì)使應(yīng)力重新分布。在新應(yīng)力場的應(yīng)力集中作用下，巖體被破壞發(fā)生變形，自身黏合力和摩擦力降低，因此，頂板巖體穩(wěn)定性降低，最終發(fā)生頂板冒落。1.3 開采因素在煤炭

19、開采過程中，爆破產(chǎn)生的沖擊波和膨脹壓力會(huì)破壞附近巖體的原生結(jié)構(gòu)，使其向碎裂結(jié)構(gòu)變化，成為不連續(xù)性的介質(zhì)，同時(shí)，它也降低了巖體的力學(xué)強(qiáng)度。對巖體中的結(jié)構(gòu)弱面來說，在爆破的作用下，裂隙會(huì)大幅擴(kuò)展，最終形成貫通的破壞面，使巖體承載力下降，巖體受壓破碎，隨之就會(huì)發(fā)生頂板冒落。2 影響頂板穩(wěn)定性的主要因素2.1 頂板厚度頂板厚度在很大程度上會(huì)影響小斷層的發(fā)育小斷層發(fā)育，巖層強(qiáng)度會(huì)降低，這極大地削弱了頂板的穩(wěn)定性。對厚度大的頂板來說，其穩(wěn)定性較好。2.2 頂板分層層數(shù)如果頂板巖體在垂直方向有不同分層，巖性存在明顯差異，則說明該區(qū)域內(nèi)頂板的整體性較差。因?yàn)閹r石容易沿著層理面發(fā)生離層，尤其是在煤層以上一定范圍內(nèi)的巖層，它對頂板穩(wěn)定性的影響會(huì)更大。2.3 主采煤層與薄煤層間距當(dāng)薄煤層與主采煤層距離較近時(shí)，頂板錨桿不能貫穿上部薄煤層，錨桿對該段巖層起不到固定的作用。在煤層開采后，薄煤層往往會(huì)成為軟弱面，其黏結(jié)力差，易引發(fā)巖塊塌落，從而發(fā)生頂板冒落。3 支護(hù)技術(shù)根據(jù)煤層頂板地質(zhì)特征和冒落機(jī)理可知，只有選用適宜的支護(hù)方法才能有效地維護(hù)頂板的穩(wěn)定。對于那些松軟破碎、巖性復(fù)雜、穩(wěn)定性差的頂板，鑒于其支護(hù)難度較大，在設(shè)計(jì)支護(hù)方案時(shí)，不應(yīng)該局限于其中某一種單一技術(shù)，而應(yīng)該根據(jù)