礦山壓力與頂板災(zāi)害

礦山壓力與頂板災(zāi)害華北科技學院安全工程學院副院長王玉懷教授第一頁，共四十三頁。主要內(nèi)容一、頂板活動及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律二、頂板事故類型及控制原則第二頁，共四十三頁。概述科學管理頂板：“合理頂板控制設(shè)計”和“支護質(zhì)量與頂板動態(tài)監(jiān)測”。管好頂板、最大限度地消除冒頂事故，必須：合理頂板控制設(shè)計；支護質(zhì)量與頂板動態(tài)監(jiān)測（礦壓觀測）。支護質(zhì)量監(jiān)測：支護參數(shù)是否符合合理頂板控制設(shè)計的要求。頂板動態(tài)監(jiān)測：保證頂板處于良好狀態(tài)，保證采場正常而安全的生產(chǎn)。第三頁，共四十三頁。頂板活動及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律(一)、采場頂板活動一般規(guī)律(二)、巷道周圍礦壓顯現(xiàn)規(guī)律(三)、采場周圍應(yīng)力分布規(guī)律第四頁，共四十三頁。(一)、采場頂板活動的一般規(guī)律1、頂板：煤層上方的巖層。第五頁，共四十三頁。2.頂板運動方式采煤后，頂板巖層按“分層”由下而上依次逐個下沉、斷裂、冒落。“分層”可能是：--同一巖性的整體巖層--同一巖性中較厚巖層中的一部分巖層--由下硬上軟不同巖性巖層組成的巖層，此時軟巖層為硬巖層的附加巖層。第六頁，共四十三頁。3.分層的硬(強度大)與軟(強度小)分層的硬與軟，不僅與巖性和強度有關(guān)，而且與分層的厚度有關(guān)。分層厚度小的巖層，分層強度較小。分層厚度大的巖層，分層強度較大。第七頁，共四十三頁。4.老頂與直接頂頂板：煤層上方的巖層。老頂(牢頂)：厚度大于1.5~2.0m，較堅硬的分層，巖性多為砂巖、砂礫巖、石灰?guī)r等。直接頂：直接在煤層上面，厚度小于1.5~2.0m，較軟弱、下面又無老頂?shù)姆謱?，巖性多為頁巖、砂頁巖等。底板：直接在煤層下面的巖層。第八頁，共四十三頁。5.垮落帶與裂隙帶工作面工作空間與采空區(qū)；采空區(qū)處理方法：全部垮落法與充填法第九頁，共四十三頁?？迓鋷r層(直接頂和老頂)：不支撐就會垮落的那部分巖層；裂隙帶巖層(主要是老頂)：在其斷裂、旋轉(zhuǎn)、下沉及觸矸過程中，巖塊間能夠互相擠緊，從而形成能夠承受載荷的平衡結(jié)構(gòu)，并把自身及附加巖層的重量加到采空空間周圍的煤體及冒矸之上。第十頁，共四十三頁。6.采動后頂板活動的一般規(guī)律(1)直接頂?shù)某醮慰迓洹迓浜穸仍?.0m以上，垮落長度達工作面長度的一半以上?？迓洳骄嘁话銥?~20m。第十一頁，共四十三頁。(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。①如果直接頂厚度大于或等于2~4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。第十二頁，共四十三頁。②如果直接頂厚度小于2~4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。③當老頂巖梁達到極限跨距時，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。第十三頁，共四十三頁。(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①當初撐力較低時，老頂往往斷裂在煤壁之內(nèi)。②老頂，可能是垮落帶巖層—懸臂梁，裂隙帶巖層—砌體梁結(jié)構(gòu)。第十四頁，共四十三頁。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。第十五頁，共四十三頁。①老頂在采空區(qū)受剪力時；②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)。第十六頁，共四十三頁。(二)、采區(qū)平巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律礦山壓力顯現(xiàn)就是由于礦山壓力作用，使圍巖煤體和各種人工支承物產(chǎn)生種種力學現(xiàn)象。本區(qū)段工作面采完后留下供下區(qū)段工作面復(fù)用的下部運輸順槽，從巷道開始掘進到開采工作完全結(jié)束巷道被廢棄的全過程中，礦壓顯現(xiàn)要經(jīng)歷五個階段，或分為5個不同的礦壓顯現(xiàn)帶五個階段：巷道掘進階段(Ⅰ)、無采掘影響階段(Ⅱ)、采動影響階段(Ⅲ)、采動影響穩(wěn)定階段(Ⅳ)、二次采動影響階段(Ⅴ)。

第十七頁，共四十三頁。工作面下部順槽頂?shù)装逡平康娜^程曲線1——移動速度曲線；2——移近量曲線

第十八頁，共四十三頁。巷道掘進階段(Ⅰ)在煤層或巖體內(nèi)開掘巷道，破壞了原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，就會引起圍巖應(yīng)力重新分布，表現(xiàn)為巷道一旦掘出，其圍巖立即產(chǎn)生移動和變形。隨著巷道掘出時間的延長，圍巖應(yīng)力分布較快趨向平衡，移動速度也由劇烈、衰減而趨向穩(wěn)定。隨巷道圍巖性質(zhì)，采深，掘巷方法等不同，掘進階段礦壓顯現(xiàn)由劇烈轉(zhuǎn)向穩(wěn)定所經(jīng)時間差別較大，短者只有幾天，而長者可達1~2月，相應(yīng)地掘進階段引起的頂?shù)装逡平坎顒e也較大。第十九頁，共四十三頁。無采掘影響階段(Ⅱ)這個階段的圍巖移動主要是由于流變所引起，即變形量是時間的函數(shù)。由于隨時間增長變形的增量極為微小，這個階段的頂?shù)装逡平俣缺染蛳锲陂g要小得多，故巷道基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)。第二十頁，共四十三頁。采動影響階段(Ⅲ)因巖層運動規(guī)模大，這階段中礦壓顯現(xiàn)最強烈。超前影響距離由10~20m至40~50m不等，峰值區(qū)位于工作面后方5~20m范圍內(nèi)。該處頂?shù)装逡平俣群艽螅锏罃嗝婕眲】s小，支架變形折損常很嚴重，是巷道維護最困難的地段。工作面后方40~60m處，采空區(qū)上方巖層運動即逐漸趨于穩(wěn)定，采動影響明顯變小，從而進入采動影響衰減區(qū)。第二十一頁，共四十三頁。采動影響穩(wěn)定階段(Ⅳ)這是巷道圍巖經(jīng)受一次采動影響后重新進入相對穩(wěn)定階段，故其圍巖移動基本特征上與無采動影響階段類似，這個階段中的圍巖平均移動速度一般還比無采動影響階段稍大一些。進入采動影響穩(wěn)定階段的距離，少者從工作面后方50~60m處開始，但多數(shù)情況是在100~120m以外。第二十二頁，共四十三頁。二次采動影響階段(Ⅴ)處于采動影響穩(wěn)定階段的巷道，在下區(qū)段回采時，由于開采面積進一步擴大，重新引起頂板巖層失穩(wěn)和運動，將再次受到采動影響。二次采動影響的時間和空間規(guī)律與一次采動影響類似，由于這種情況下巷道受到下區(qū)段工作面超前支承壓力和巷道煤體一側(cè)殘余支承壓力的疊加作用，二次采動影響的劇烈程度和影響范圍都會比一次采動影響稍大。

第二十三頁，共四十三頁。(三)、采場周圍應(yīng)力分布規(guī)律工作面前方形成的移動超前支承壓力。其余三邊形成殘余支承壓力。

1—工作面前方超前支承壓力；2、3、4—沿傾斜、仰斜及工作面后方殘余支承壓力

第二十四頁，共四十三頁。1.采場周圍應(yīng)力分布一般規(guī)律對于移動性支承壓力，其峰值大小可能比原巖應(yīng)力γH增高1~3倍，即應(yīng)力集中系數(shù)K=2~4，對于固定性支承壓力一般K=2~3。在離工作面一定距離的后方采空區(qū)內(nèi)，也可能出現(xiàn)峰值較小（Ｋ＝１~1.3）的支承壓力，稱為采空區(qū)支承壓力。上區(qū)段采空區(qū)的殘余支承壓力與下區(qū)段工作面的超前支承壓力疊加，形成峰值很高的疊合支承壓力。

疊合支承壓力的峰值可能比原巖應(yīng)力增高4~6倍（即Ｋ＝5~7），有時甚至更高。第二十五頁，共四十三頁。煤層凸出角處的疊合支承壓力

第二十六頁，共四十三頁。2.支承壓力的影響范圍超前支承壓力峰值位置深入煤體內(nèi)的距離約為2~10，其影響范圍視具體情況不同，可達工作面前方20~30至90~100。

第二十七頁，共四十三頁。留區(qū)段煤柱時回采空間垂直應(yīng)力等值線分布第二十八頁，共四十三頁。1—采動影響帶邊界；2—支承壓力區(qū)；3—卸載區(qū)邊界

第二十九頁，共四十三頁。3.煤柱及停采線下方底板巖體內(nèi)的礦壓顯現(xiàn)煤柱下方底板垂直應(yīng)力等值線分布。煤柱載荷均布，應(yīng)力集中系數(shù)為3。第三十頁，共四十三頁。煤體與采空區(qū)交界處底板垂直應(yīng)力等值線分布γ－上覆巖層容重；H－埋藏深度：φ－底板巖石應(yīng)力升高區(qū)的擴展影響角；Z－被跨巷道與上部回采煤層間的法線距；X-被跨巷道與上部回采煤柱邊緣的水平距第三十一頁，共四十三頁。主要內(nèi)容一、頂板活動及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律二、頂板事故類型及控制原則第三十二頁，共四十三頁。(一)、頂板事故類型按冒頂?shù)牧υ催M行分類壓垮型：由垂直于層面方向的頂板力壓壞采場支架而導致冒頂。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致的冒頂。推垮型：由平行于層面方向的頂板力推倒采場支架而導致的冒頂。綜合型：兩種或三種綜合出現(xiàn)。第三十三頁，共四十三頁。1、壓垮型冒頂老頂來壓時的壓垮型冒頂（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。難冒頂板的壓垮型冒頂直接頂?shù)膲嚎逍兔绊數(shù)谌捻摚菜氖摗?）漏冒型冒頂(1)靠煤壁附近的局部冒頂。(2)單體支柱工作面兩端的局部冒頂，包括機頭、機尾處的局部冒頂，工作面與巷道交接處的局部冒頂。(3)放頂線附近的局部冒頂。（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?shù)谌屙摚菜氖摗?）其他類型的冒頂（1）厚層難冒頂板導致的大面積冒頂。（2）斷層帶附近的冒頂。（3）直接頂中出現(xiàn)游離巖塊導致的冒頂，包括復(fù)合頂板推垮型冒頂、旋轉(zhuǎn)推垮型冒頂、游離巖塊的壓垮型冒頂?shù)?。第三十六頁，共四十三頁?二)、對采場支架的基本要求1）根據(jù)上述分析，采場冒頂又壓、漏、推事故。2）則要求支架又支、護、穩(wěn)來治理冒頂。壓垮型推垮型漏垮型支護穩(wěn)第三十七頁，共四十三頁。(三)、頂板控制原則采場控頂設(shè)計的目標：一、能最大限度地消除壓、漏、推冒頂隱患，防止發(fā)生各種類型的冒頂事故；二、所需費用最少。第三十八頁，共四十三頁?？仨斣瓌t之一—預(yù)防壓垮型冒頂采場支架或支柱的工作阻力應(yīng)能支撐住工作空間及采空區(qū)上方垮落帶巖層的重量（支）。采場支架或支柱的初撐力應(yīng)能保持直接頂與老頂或下位2~3m巖層與上位巖層之間不離層（切）。采場支架或支柱的可縮量應(yīng)能適應(yīng)裂隙帶巖層的下沉（讓）。對厚層難冒頂板，應(yīng)松動碎裂2~3倍采高頂板巖層，或在工作面前方有鉆眼爆破，高壓注水松動碎裂頂板，或在采空區(qū)挑頂（挑）。第三十九頁，共四十三頁?？仨斣瓌t之二—預(yù)防漏冒型冒頂綜采時，如果直接頂比較軟弱，液壓支架應(yīng)在掩護式或支撐掩護式中選用，且端面距不宜超過340mm。單體支柱工作面，如果直接頂比較軟弱，支柱必須帶頂梁，頂梁上還須背板，甚至背嚴。柱距小于0.7m，同時端面距小于200mm。綜采支架的初撐力應(yīng)保證端面冒高不超過300mm；單體支柱的初撐力應(yīng)保證端面冒高不超過200mm。工作面推進過程中，若遇較大斷層帶，應(yīng)考慮采用固結(jié)法處理碎頂。第四十頁，共四十三頁?？仨斣瓌t之三—預(yù)防推垮型冒頂支架能夠保證煤層上方2~3m巖層與上位巖層不離層，并能沿切頂線主動切斷下位2~3m巖層。單體支柱工作面，金屬網(wǎng)下采煤時，初撐力應(yīng)保證網(wǎng)兜高度不超過150mm。復(fù)合頂板下，初撐力應(yīng)能把下位軟巖層頂緊到上位硬巖層，并使其間的摩擦力足以防推。摩擦支柱面，采用“整體支架”防推。第四十一頁，共四十三頁。(四)、預(yù)防冒頂事故的控頂設(shè)計—特點1.要求支架（支柱）有一定（較高）的初撐力來防壓、防漏、防推。--工作阻力是壓出來的，而初撐力是主動支撐頂板的2.均按最不利的條件，確定支護參數(shù)。--因為對于頂板事故是不允許有半點差錯的。第四十二頁，共四十三頁。內(nèi)容總結(jié)礦山壓力與頂板災(zāi)害。支護質(zhì)量監(jiān)測：支護參數(shù)是否符合合理頂板控制設(shè)計的要求。分層厚度大的巖層，分層強度較大。礦