顶板事故分析与点评教案.docx
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1、顶板事故分析与点评教案本次课课题: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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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,
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、,可多次复用,储运方便,架设容易、迅速等优点,是采准巷道中使用时间最长的一种支护形式。4、锚杆支护锚杆支护是锚固在煤、岩体内维护围岩稳定的杆状结构物,是一种主动支护形式,与被动支护相比,具有支护工艺简单,支护效果好,支护成本低、施工方便等优点。错杆种类繁多,按锚固方式可分为三大类:黏结式、机械式、摩擦式;按锚固长度可分为:全长锚固、端部锚固、加长锚固;按锚杆的工作特性可分为可拉伸锚杆与不可拉伸锚杆;按锚杆强度的大小可分为普通锚杆、高强锚杆、超高强锚杆。5、喷射混凝土支护喷射混凝土支护是用喷射机将混凝土混合物喷射在岩石表面上硬化而成的一种文护。先将砂、石过筛,按配合比和水泥一同送人搅拌机内搅拌,
16、然后用矿车将拌合料运送至工作面,经上料机装人以压缩空气为动力的喷射机,再经输料管吹送到喷头处与水混合后喷射在岩面上。6、锚喷支护锚喷联合支护,使锚杆支护和喷射混凝土支护取长补短、互为补充,是一种性能更好的支护形式。锚杆与其穿过的岩体形成承载加固拱,喷射混凝土的作用则在于封闭围岩,防止风化剥落,和围岩结合在一起,对锚杆间的表面岩石起支护作用。三、巷道顶板事故的防治(一)造成巷道冒顶事故的因素造成巷道冒顶事故的因素包括:自然地质因素、T程质量因素、采掘工程因素和管理工作不到位等四个方面。1、自然地质因素(1)岩层层理影响。岩层内应力经过重新分布,容易造成岩层离层脱落。若有0.5-lm较弱岩层或煤层
17、形成复合顶板时,空顶区顶板更容易发生弯曲、离层、下沉,造成围岩整体稳定性差,发生顶板冒落和片帮的概率增多。(2)镶嵌型围岩结构的影响。镶嵌结构岩体中的岩块与原岩体之间多为光滑结构面,使层面黏聚力极低,导致岩层在无支护空顶区易突然坠落,大块坠岩可能推垮不稳定支架,造成没有预兆的突发性顶板事故。(3)岩层节理裂隙及破碎带影响。岩层节理裂隙发育时破坏了岩体的完整性,尤其是风化带、断层破碎带、层间错动带及稽皱破碎带、挤压破碎带等地带的围岩松散破碎,更易造成巷道顶板冒顶事故。(4)地下水的影响。地下水对岩石具有减小层间摩擦系数,降低岩石的强度,使岩石软化、崩解或体积膨胀,容易促使巷道冒顶事故的形成。2、
18、施工质量因素(1)支架架设质量差。未按操作规程架设支架,导致支架阻力不能及时发挥作用,使围岩松动破坏圈扩大,易造成冒顶事故;支架间连接性不好,使支架的横向稳定性差,易造成多架支架倾倒的大面积冒顶,尤其是在倾斜巷道。(2)掘进打眼爆破参数掌握不好。炮眼角度不当,或装药量过大,爆破时易崩倒支架,且使掘进工作面增大围岩破坏圈的范围,易造成冒顶及片帮事故。3、采掘工程因素当受到来动引起的岩层运动和支承压力的影响时,围岩破坏范围扩大,如果支护质量不好,极易造成片帮与冒顶事故。巷道掘进时,围岩内产生应力重新分布,顶板岩层受到不同程度的破坏,尤其当两巷道贯通时,在交叉点处悬露面积大,顶板破坏更加严重,极易造
19、成冒顶事故。在翻修、维护巷道时,由于围岩内应力二次重新分布,造成顶板破碎范围扩大,也易造成冒顶事故的发生。3、管理因素4、 管理工作不到位造成操作规程不能落实,安全检查没有认真进行,没有及时发现和处理事故隐患,也容易造成冒顶事故。(二)巷道冒顶事故的预防措施巷道顶板事故多发生在掘进工作面及巷道交叉点及巷道贯通处。1、掘进工作面冒顶事故的原因及防治措施1)掘进工作面冒顶的原因掘进破岩后,顶部存在与岩体失去联系的岩块,如果支护不及时,该岩块可能与岩体完全失去联系而冒落。掘进工作面附近已支护部分的顶部存在与岩体完全失去联系的岩块,一且支护失效,就会冒蒋造成事故。2)掘进工作面冒顶事故的防治措施(1)
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