礦山頂板事故防治-太原理工大學張百勝-第十章采煤工作面礦山壓力控制

第十章采煤工作面礦山壓力控制第一節(jié)頂板分類一、直接頂?shù)姆诸愵悇e1類(不穩(wěn)定)2類(中等穩(wěn)定)3類(穩(wěn)定)4類(非常穩(wěn)定)1a(極不穩(wěn)定)1b(較不穩(wěn)定)2a(中下穩(wěn)定)2b(中上穩(wěn)定)指標Lz0≤44<Lz0≤88<Lz0≤1212<Lz0≤1818<Lz0≤2828<Lz0≤50巖性描述泥巖，泥頁巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，或松軟。泥巖，碳質(zhì)泥巖，節(jié)理較發(fā)育。致密泥巖，粉砂巖，砂泥巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育。砂巖，石灰?guī)r，節(jié)理裂隙很少。致密砂巖，石灰?guī)r，節(jié)理裂隙極少。直接頂分類指標及參考要素據(jù)緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類（中華人民共和國煤炭行業(yè)標準MT554—1996）

二、老頂（基本頂）的分級基本頂?shù)V壓顯現(xiàn)強度分為四級，DL為基本頂初次來壓當量，計算公式為：—基本頂初次來壓步距；—直接頂充填系數(shù)，，—直接頂厚度，m，—煤層采高，m。老頂分級ⅠⅡⅢⅣ老頂來壓顯現(xiàn)不明顯明顯強烈非常強烈ⅣaⅣb分級指標DL≤895895<DL≤975975<DL≤10751075<DL≤1145DL>1145老頂分級指標據(jù)緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類（中華人民共和國煤炭行業(yè)標準MT554—1996）

第二節(jié)采煤工作面頂板控制設(shè)計(一)頂板控制方式選擇的原則隨著采煤工作面的不斷推進，頂板懸露面積不斷擴大，為了保證采煤工作的順利進行，采煤工作面只需控制有限工作空間。為此，必須及時地對采空區(qū)進行處理。采空區(qū)處理應(yīng)遵循安全性、經(jīng)濟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)頂板控制方法分類1．全部垮落法2．全部充填法3．局部充填法4．煤往支撐法5．緩慢下沉法

堅硬難垮落頂板的控制技術(shù)堅硬難垮落頂板是指頂板巖石強度和彈性模數(shù)高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大、整體性強、自承能力強、煤層開采后大面積懸露而在采空區(qū)短期內(nèi)不垮落的頂板。堅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；有強烈的周期性來壓，來壓時有明顯的動壓沖擊現(xiàn)象，常造成支護設(shè)備損壞，人身傷亡等惡性事故。

我國的大同、晉城、鶴崗、棗莊、通化、神東、烏魯木齊等礦區(qū)都有堅硬難垮落頂板，也都存在著對該類頂板控制的技術(shù)和工藝。我國從20世紀50年代起開始研究堅硬難垮落頂板的控制。為解決此問題，多年來，國內(nèi)外都進行了采煤方法的改進試驗和頂板弱化處理試驗研究，將難垮落頂板改變?yōu)檩^易垮落的頂板，從而實現(xiàn)了長壁機械化開采。與此相適應(yīng)，需采用強力液壓支架，并配以特殊結(jié)構(gòu)，包括大流量安全閥。

因此，為了達到工作面安全、高效生產(chǎn)，必須對頂板進行處理，改變頂板巖體的物理力學性質(zhì)，以減小頂板懸露面積，防止或減弱這種大面積頂板來壓。經(jīng)過多年的研究和實踐，發(fā)展了以下幾種主要處理堅硬頂板的措施：（1）注水弱化（軟化）堅硬頂板①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?，進行高壓注水。利用高壓水對頂板進行壓裂，其作用是增加和擴展頂板原始裂隙，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、機械的、物理和化學的作用。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。這種方法目前在國內(nèi)處于試驗階段，在波蘭、澳大利亞已經(jīng)成為堅硬頂板處理的主要手段。②頂板靜壓注水頂板靜壓注水是使頂板含水率提高，降低頂板的強度，使頂板垮落距離縮小，避免頂板來壓過于強烈。但該方法應(yīng)用的前提必須是頂板巖石吸水性強，且吸水后其強度明顯降低，否則不能應(yīng)用。（2）爆破弱化堅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，減弱頂板冒落時產(chǎn)生的沖擊力；形成的矸石墊層則可以緩和頂板冒落時產(chǎn)生的沖擊波及風暴。目前爆破弱化的方法有以下幾種：①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，緩和頂板冒落時產(chǎn)生的沖擊。具體做法是，每1～2個循環(huán)，在工作面切頂線處打一定深度的淺孔，裝藥進行爆破。缺點是對生產(chǎn)的影響較嚴重，對高推進速度的綜采工作面不適合。②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，在頂板周期來壓前，沿工作面向頂板偏向采空區(qū)方向打2～3排深孔，裝藥爆破，爆破后使在頂板內(nèi)形成一道一定高度的溝槽，堅硬頂板就沿這條溝槽折斷。③超前深孔預裂爆破超前深孔松動爆破主要作用是，切斷堅硬頂板，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行爆破，預先破壞頂板的完整性。④地面深孔放頂?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，達到已采區(qū)頂板的適當位置，然后裝藥進行爆破，將大面積懸露的頂板崩落。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，嚴重影響生產(chǎn)；步距式深孔爆破需沿工作面向頂板偏向采空區(qū)方向打孔、裝藥進行頂板處理也存在較大困難，同時，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，《煤礦安全規(guī)程》已禁止采用這兩種方法，因此循環(huán)式淺孔架后強制放頂和步距式深孔爆破的方案不可取。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，由于地面打孔，鉆孔經(jīng)過地面表土層，因此鉆孔成孔率相對較低（甚至無法成孔），孔易變形，影響裝藥質(zhì)量，可能出現(xiàn)裝藥不連續(xù)，甚至無法爆破到煤層頂板。超前深孔預裂爆破在上、下順槽或?qū)Ｓ孟锏溃üに囅铮┻M行施工，實現(xiàn)了生產(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)能力的實現(xiàn)。同時，在專用巷道進行施工具有方便、簡單等優(yōu)點。循環(huán)式淺孔放頂（1.5—2m）②步距式深孔爆破（5—9m甚至更長）開切眼切槽處理、順槽超前預爆破方案切眼炮孔布置圖炮眼與順槽及工作面關(guān)系(三)采煤工作面支護方式的選擇5．特殊支護三、采煤工作面頂板控制設(shè)計采煤工作面頂板控制設(shè)計一般應(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，使堅硬的直接頂在控頂區(qū)后方進行周期性垮落，以防止直接頂在控頂區(qū)上方斷裂時摧垮工作面支架。(5)要有合理的初撐力和采用合理的支護方式，防止直接頂運動時支架失穩(wěn)。綜采工作面頂板控制設(shè)計一、自移式液壓支架的類別1．根據(jù)支架與圍巖的相互作用力分類(1)支撐式液壓支架。如圖10—46(a)，支架對頂板只起支撐作用而不起掩護作用適用于支撐穩(wěn)定和堅硬的頂板。(2)支撐掩護式液壓支架。如圖10—46(b)，支架頂部對頂板的支撐部分長度大于掩護部分的長度，支架對頂板兼有支撐和掩護兩種作用，適用于較穩(wěn)定的頂板。(3)掩護支撐式液壓支架。如圖10叫6(c)，支架對頂板的掩護部分大于支撐部分，支架頂梁較短、支撐能力較弱，支撐力集中靠近煤幫附近，主要起掩護作用，適用于松軟頂板的采煤工作面。(4)掩護式液壓支架。如圖10—46(d)，支架沒有頂梁，只有掩護梁，起掩護作用，適用于松軟頂板的采煤工作面。2．按支架結(jié)構(gòu)特點進行分類按支架結(jié)構(gòu)特點，各種類型液壓支架的基本結(jié)構(gòu)如圖10—47所示。液壓支架命名方法既考慮了支架的支撐特點，又考慮了支架的結(jié)構(gòu)特點，具體如下：1．影響架型選擇的因素

(1)頂板條件。直接頂?shù)姆謱雍穸却笮?，?jié)理、裂隙間距大小，發(fā)育程度，將決定支架合力作用點位置和支撐力的分布狀態(tài)。老頂?shù)膱杂渤潭?、巖梁厚度和所處狀態(tài)，格決定頂板運動時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)綜采的實踐經(jīng)驗，支架選型的一般原則為：在直接頂中等穩(wěn)定以下、老頂來壓不明顯的頂板條件下，宜選用掩護式支架，確定支架頂梁長短；在直接頂中等穩(wěn)定、老頂來壓較明顯的頂板條件下，宜選用支撐掩護式支架，確定支架工作阻力；在老頂來壓強度大、有動壓沖擊危險的頂板條件下，宜選用支撐式支架，確定支架工作阻力；在堅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，必須采取深孔爆破人工強制放頂、高壓注水弱化頂板和放震動炮等措施。(2)底板條件。底板堅硬，抗壓強度大，支架與圍巖力學系統(tǒng)中的總剛度就大，支架的設(shè)計性能發(fā)揮就越好。(3)煤層傾角。當煤層傾角大于12°。時，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。工作面全長中傾角變化幅度不能太大，否則將會因傾角變化帶來工作面長度的變化，造成支架在排列上時擠時松，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?，改善直接頂巖層內(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。支架初撐力強度Po(kN／m2)應(yīng)能支撐直接頂?shù)闹亓?，即一般來說，對于不穩(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)計為額定工作阻力的70％一80％，對于中等穩(wěn)定頂板，初撐力設(shè)計為額定工作阻力的70％，對于穩(wěn)定的頂板，設(shè)計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確定支架的初撐力。初撐力強度go與額定工作阻力強度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強度的確定(二)液壓支架工作方式液壓支架的工作方式包括支護方式和移步方式兩個方面。

1．液壓支架的支護方式(1)及時支護方式。在采煤機割煤后，先移支架，再移輸送機，使暴露的頂板得到及時支護，如圖10—50(a)。特點是：在移架前，必須在底座與輸送機之間保持一個截深的距離，待采煤機割煤后及時移架；支架具有較長的頂梁，一般超過輸送機寬度與支架移動步距之和3采煤機割煤以后，可立即支護新暴露的頂板?？枕敃r間縮短，因而減少頂板的沉降量；采煤機割煤所引起的頂板下沉與移架過程產(chǎn)生的頂板下沉相互作用，使頂板巖層活動較為劇烈。(2)滯后支護方式。在采煤機割煤以后，先推移輸送機，然后再移支架的支護方式，如圖10—50(b)。特點是：采煤機割煤以后，先移輸送機再移支架，因而空頂時間較長，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；頂梁長度相對較短。2．移步方式(1)單架順序移步方式。如圖10—5l(a)，為隨采隨支，一般采用單架順序移步。支架在采煤機割煤后依次前移，移動步距等于截深。這種移步方