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顶板事故分析与点评教案

作者:煤矿安全网 来源:煤矿安全网 发布时间:2014-06-04

本次课课题:矿井顶板灾害概念、危害、防治及避灾方法和顶板尘事故案例教育学时数:

教学目的及要求: 通过本次课程的学习要使学员掌握顶板灾害和事故防治及避灾方法等。

教学重点:顶板灾害隐患识别和事故防治。

教学难点:顶板灾害防治。

顶板事故分析与点评

第一节 矿山压力

一、矿山压力基本知识

地壳中没有受到人类工程活动影响的岩体称为原岩,天然存在于原岩内与任何人为原因无关的应力场称为原岩应力场。当开掘巷道或进行回采工作时,破坏了原来的应力平衡状态,就会引起岩体内部应力的重新分布。宦表现为巷道和采煤工作面周围煤、岩体产生移动、变形甚至破坏,直到煤、岩体内部形成一个新的应力平衡状态为止。

由于矿山开采活动的影响,在采掘巷道、工作面围岩中所形成的力称为矿山压力,简称矿压。由于矿山压力的作用,5@起岩体的变形、破坏、冒落以及支撑物的变形、破坏与折损,并会在岩体中产生一系列动力现象,称为矿山压力显现,简称矿压显现。

为使矿压显现不致影响正常的开采和保证生产安全,就必须采取各种技术措施使矿压显现控制在一定的范围内,凡减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的方法,均称为矿压控制。

(一)煤层顶、底板

1、伪顶:直接位于煤层之上,极易垮落的较薄岩层。它由泥岩、页岩等软弱岩层组成,厚度小于0.5m,常随采随落。

2、直接顶:位于伪顶或煤层之上的一层或儿层相同或不同的岩层。它由泥质页岩、页岩、砂质页岩等不稳定岩层组成,具有随回柱放顶而垮落的特征。其厚度是指回柱放顶后能在采空区自行垮落的岩层厚度。

根据顶板的坚硬程度、稳定程度以及对工作面矿压影响程度,直接顶可分为四类:不稳定顶板、中等稳定顶板、稳定顶板和坚硬顶板。

3、老顶:位于直接顶之上的岩层。由砂岩、石灰岩、砂砾岩等坚硬岩石所组成。其厚度大于2m,自然分层厚度较大,整体性较强,采空后能悬露较大面积。

按老顶来压强烈程度不同,老顶可分为四级:1级顶板,周期来压不明显;D级顶板,周期来压明显;皿级顶板,周期来压强烈;w级顶板,周期来压极强烈。

4、直接底:位于开采层下面的岩层。当它为坚硬岩石时,可作为采煤工作面支柱的底座;如果是泥质页岩等松软岩层时,则常造成底鼓和支柱插人底板等现象;在开采急倾斜煤层时,直接底还可能出现沿倾斜滑动的现象。

5、老底:位于直接底之下,一般由砂岩、石灰岩等坚固的岩层所组成。

(二)巷道围岩压力及影响因素

1、巷道围岩压力

在岩体内开掘巷道后,原有岩体应力平衡状态受到破坏,巷道围岩应力情况出现部分区域升高,部分区域降低。这种巷道围岩应力的集中和重新分布,使巷道周边岩体自稳能力显降低,导致向巷道空间移动。为了防止围岩变形和破坏,需要对围岩进行支护。这种围岩变形受阻而作用在支护结构物上的挤压力或塌落岩石的重力,统称为巷道围岩压力。主要由松动围岩压力、变形围岩压力、膨胀围岩压力以及撞击围岩压力组成。

由于巷道开挖而松动或塌落的岩体,以重力的形式直接作用于支架结构物上的压力,表现为松动围岩压力载荷形式。如支护不能有效地控制围岩变形的发展,围岩形成松动垮塌圈时,将导致松动围岩压力出现,通常顶压显现严重。

支护能控制围岩变形的发展时,围岩位移挤压支架而产生的压力,称为变形围岩压力,简称变形压力。在"围岩一支护"力学体系中,只要围岩与支架相互作用,围岩就会对支架施加变形压力。弹性变形压力是围岩弹性变形时作用于支架上的压力,弹性变形产生速度极快,变形量很小,对于围岩、支护相互作用过程而言,实际意义不大。塑性变形压力是由于围岩的塑性变形和破裂,围岩向巷道空间位移,使支护结构受到的压力,是变形围岩压力的'主要形式。

围岩膨胀、崩解体积增大而施加于支护上的压力,称为膨胀压力。膨胀压力与变形压力的基本区别于它是由吸水膨胀而引起的。从现象上看,属于变形压力范畴,但两者的变形机制截然不同,前者是指与水发生物理化学反应,后者主要是围岩应力与结构效应。

撞击围岩压力指围岩积累了大量弹性变形能之后,突然释放出来所产生的压力;撞击围岩压力是回采工作面上覆岩层剧烈运动时对巷道支护体所产生的压力。

2、影响巷道围岩压力的地质因素

影响围岩压力的因素很多,通常可分为地质、开采和支护等类,影响围岩压力的地质因素有:原岩应力状态、围岩力学性质及岩体结构等。

(1)原岩应力状态。原岩应力是引起围岩变形、破坏的基本作用力。原岩应力随开来深度的增加而增长。所以,随开采深度的增加,巷道围岩压力会明显增长。原岩体中主应力的大小和方向不同,对巷道的影响作用不同,也直接影响到围岩压力。

(2)围岩力学性质。围岩力学性质是指它的强度(包括抗压、抗拉、抗剪等各种强度和黏聚力、内摩擦角等值)和变形性质及其他力学属性。

(3)岩体结构。当结构面强度远小于结构体强度时,结构对围岩压力的影响极大。通常岩体破坏首先从弱面开始,这是围岩压力在节理和层理等弱面发育区、破坏带、断层和摺皱区显现强烈的重要原因。 3、膨胀压力的影响因素

影响膨胀压力的因素主要有岩石的组成与胶结状态,物理化学性质,围岩中水分的补给状况,水与岩石的接触条件,支护和充填层的可塑性等。

(三)采煤工作面顶板活动的一般规律

1、支承压力

1)支承压力的形成

在煤体未来动前,煤钵上所受的原始应力为单位面积上所受岩体的重量,煤体中开掘巷道(如开切眼)后,原始应力状态受到破坏,应力将重新分布。这时在开切眼上部顶板内形成了自然平衡"压力拱"。开切眼上方岩体重量由两侧煤体平均分担。因此,在两侧煤体中产生了应力集中现象,这种集中应力称为支承压力。

2)影响文承压力大小、分布的因素

支承压力的大小及其分布与顶板悬露的面积和时间、开来深度、采空区充填程度、顶底

板岩性、煤质软硬有关。采空区顶板悬露面积越大、时间越长,顶板压力就越大,而支承压力的分布范围和集中程度也就越大。开采深度越大,悬露顶板的重量越大,支承压力也越大。 顶板岩层越坚硬,顶板压力分布越均匀,支承压力的集中程度就比较小。 若顶板的裂隙发育,则支承压力比较集中,影响范围也较小。 底板岩层坚硬,支承压力影响范围大,但集中程度小。煤质坚硬,支承压力比较集中,影响范围较小;反之,煤质松软,变形和破坏程度越大,则支承压力分布范围越大,其集中程度越低。

3)支承压力显现

由于文承压力的作用,可导致顶板预先下沉、煤壁破碎片帮、产生冲击地压、煤和瓦斯突出等现象。 当顶、底板均为厚而坚硬的岩层且煤质很坚硬、开采深度又较大、形成很大的支承压力时,就可能产生冲击地压。冲击地压是矿山压力显现中最猛烈的形式。冲击地压是煤和岩层在矿压作用下急剧地破碎和被抛出的现象。

为了避免冲击地压发生而造成重大事故,必须采取措施降低支承压力的集中程度。例如,采用充填法处理采空区,采空区内不留煤柱,避免两个工作面相向回采,以防止形成文承压力的重叠。支承压力集中程度高,不仅可能产生煤层突出,还可能伴随大量瓦斯突出,造成煤和瓦斯突出事故

综上所述,生产中必须重视支承压力的作用和影响,在开采自然条件不能改变的情况下,开采技术上应尽量设法减轻支承压力集中程度。

2、工作面初次来压

1)直接顶初次垮落

一个长壁工作面从开切眼开始采煤后,直接顶的跨度不断增加,其弯曲下沉也不断地增加。一般在直接顶跨距达6-20m后,直接顶开始垮落。一般认为:当直接顶垮落厚度达1m以上、垮落长度达回来工作面长度一半以上时,就叫直接顶初次垮落。直接顶初次垮落时的跨距叫做初次垮落步距。

2)老顶初次垮落与工作面初次来压

直接顶初次垮落后、回采工作面继续向前推进,随着每次回柱放顶,采空区上方的直接顶也就随着垮落下来。

随着回采工作面的推进,梁的跨度愈来愈大,老顶就逐渐弯曲、下沉;当老顶双支点梁达到极限时,它就断裂、下沉。这时,回采工作面内顶板下沉加快、煤壁片帮严重、支架受力增大、甚至发生顶板台阶下沉等老顶来压现象。

工作面回采以来老顶第一次大视模来压,叫做老顶的初次来压。由开切眼到初次来压时工作面推进的距离叫做老顶的初次来压步距。一般为20-35m。

3).工作面周期来压

老顶初次来压后,随着回采工作面的继续推进,老顶岩梁周期性断裂、下沉,工作面内周期性地出现顶板下沉加,岩、煤壁严重片帮、支架受载增大、以及顶板台阶下沉等老顶来压现象,叫做老顶的周期来压。

老顶岩梁周期断裂的距离叫做老顶周期来压步距,一般为老顶初次来压步距的

1/2-1/4。

二、巷道掘进顶板控制技术

(一)巷道顶板控制包括以下三类方法及途径

第一类:巷道保护是指,为了使围岩应力与岩体强度保持适应的关系,以便预防巷道失

稳或有效的减轻矿压危害而采取的各种技术措施,如选用有利于保持巷道稳定的断面形状,在巷道设计和掘进时就为预期的巷道缩小量预留备用断面,在巷道旁留护巷煤柱或砌筑人工保护带,将巷道布置在坚硬岩层中或应力降低区等等;

第二类:巷道支护,一般指借助于安设各种支架去预防巷道围岩产生过度变形和防止巷道冒顶、片帮,以保持巷道正常使用;

第三类:巷道维护(维修),是指对已进行过支护的巷道,为了改善己恶化的维护状况和恢复其稳定性所采取的一些措施,如巷道补棚、补柱、扩帮、起底、更换己损坏的支架构件甚至重新支护等。

目前,采用的各种顶板控制方法,从其对付矿压的原理来看,有"抗压"、"让压。、"躲压"、"移压"等几种。

(二)巷道支护及其材料 "

支护形式及支护材料的选择取决于巷道围岩性质、压力大小、巷道的服务年限、用途及巷道的断面形状等因素。

传统的巷道支护有木支护,料石及混凝土砌喧、矿用工字钢支护、U型钢支护。目前广泛采用的有锚杆支护以及喷射混凝土支护。

1、木材支架木材支架常用的结构主要是梯形棚子,棚子间距通常在0.5-1.Om之间。木材支架的优点是重量轻,加工容易,对巷道条件的变化适应性大,并有一定的支撑力。一般不作为主要支护形式,只在局部地段使用,木支架的缺点明显,强度低,易于腐烂,使用期短,维修费用高,通风阻力大,不防火,对围岩移动的适应性差,因此,采准巷道应尽量不用或少用木支架。

2、料石和混凝土砌碹

石材支护是以天然石材及人工石材为主要原料,并以水泥砂浆胶结而成的支护。它和混凝土砌碹支护,主要用在服务时间较长,且地压较大的井筒及主要巷道中作为永久支护。

3、金属支架

金属支架主要用U型钢和矿用工字钢制造,U型钢是为制造可缩性支架而设计的,矿用工字钢多用于制造刚性支架。 金属支架的优点是具有承载能力大,可多次复用,储运方便,架设容易、迅速等优点,是


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