1、采場(chǎng)頂板控制及監(jiān)測(cè)技術(shù) 曹勝根 博 士 教 授12緒論-1工作面頂板事故：一、19831984年，鶴崗局發(fā)生6次頂板事故，每次死亡46人；二、當(dāng)時(shí)，頂板事故百萬(wàn)噸死亡率占全部的45%左右。3緒論-21984年開(kāi)始，頂板事故調(diào)查。1988年，支護(hù)質(zhì)量與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。1992年，頂板控制設(shè)計(jì)。19851996年，全國(guó)頂板管理工作會(huì)議。1989、1991年全國(guó)統(tǒng)配煤礦九次支護(hù)質(zhì)量與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)新技術(shù)培訓(xùn)班。4緒論-3工作面安全生產(chǎn)的保證：一、工作面生產(chǎn)前的合理控頂設(shè)計(jì)；二、開(kāi)始回采及以后的日常支護(hù)質(zhì)量與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。5第一章 采場(chǎng)的圍巖一、頂板：煤層上方的巖層。第一節(jié) 頂板與底板6 1. 頂板運(yùn)動(dòng)方

2、式采煤后，頂板巖層按“分層”由下而上依次逐個(gè)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(shí)軟巖層為硬巖層的附加巖層。7 2. 分層的硬(強(qiáng)度大)與軟(強(qiáng)度小)分層的硬與軟，不僅與巖性和強(qiáng)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(qiáng)度較小。分層厚度大的巖層，分層強(qiáng)度較大。83. 老頂與直接頂頂板：煤層上方的巖層。老頂(牢頂)：厚度大于1.52.0m，較堅(jiān)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1.52.0m，較軟弱、下面又無(wú)老頂?shù)姆謱樱瑤r性多為頁(yè)巖、砂頁(yè)巖等。底板：直接在

3、煤層下面的巖層。9第二節(jié) 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101. 垮落帶與裂隙帶的涵義垮落帶巖層(直接頂和老頂)：不支撐就會(huì)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(guò)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?chē)拿后w及冒矸之上。112. 直接頂、老頂與垮落帶、裂隙帶的關(guān)系當(dāng)直接頂厚度大于或等于23倍采高時(shí)，垮落帶巖層為23倍采高的直接頂，其上的直接頂為不垮落的直接頂。 h充填滿采空區(qū)所需直接頂厚度 M采高 Kz巖層的碎脹系數(shù)122）當(dāng)直接頂厚度不足23倍采高時(shí)，其上老頂

4、有三種情況：(1)當(dāng)老頂分層厚度大于56m時(shí)為厚層難冒頂板，需懸露幾千、幾萬(wàn)、甚至幾十萬(wàn)平方米才垮落。(2)當(dāng)老頂分層厚度小于56m，在其斷裂、旋轉(zhuǎn)、下沉及觸矸過(guò)程中，巖塊間能夠互相擠緊，從而形成能夠承受載荷、并把自身及上位巖層的重量加到采空空間周?chē)拿后w及垮落矸石之上的平衡結(jié)構(gòu)者為裂隙帶老頂。(3)當(dāng)老頂分層厚度小于56m，在其斷裂、旋轉(zhuǎn)、下沉及觸矸過(guò)程中，斷塊間會(huì)失去水平力的聯(lián)系，從而不能形成平衡結(jié)構(gòu)者為垮落帶老頂。133）當(dāng)直接頂厚度小于23倍采高，而上面老頂分層厚度又小于56m時(shí)，判斷老頂分層帶別的方法：(1)老頂分層厚度大于其下自由空間高度2m時(shí)，該老頂分層已進(jìn)入裂隙帶。(2)判斷進(jìn)

5、入裂隙帶老頂分層的公式Hi-由下而上第I層老頂?shù)暮穸?右邊包括附加巖層，左邊不包括)M-煤層采高K1-老頂及附加巖層的碎脹系數(shù)，1.151.33h-直接頂厚度Kz-直接頂巖層的碎脹系數(shù)，1.331.514* 急傾斜煤層長(zhǎng)壁面工作面上部垮落帶厚度較大。工作面支護(hù)上下部一樣。控頂設(shè)計(jì)應(yīng)以工作面上部為準(zhǔn)。上部多了0.5倍采高的自由空間。煤厚按1.5M計(jì)算。15當(dāng)直接頂厚度大于3.55倍采高時(shí)，垮落帶厚度：當(dāng)直接頂厚度小于3.55倍采高時(shí)，老頂是否進(jìn)入裂隙帶的判斷：(1) 當(dāng)h0.5M：(2) 當(dāng)h0.5M:16*綜采放頂煤判斷老頂進(jìn)入裂隙帶分層的公式2)注意： M包括采與放的高度 K1應(yīng)為1.331

6、.5 Kz應(yīng)為1.51.73)急傾斜水平分層法 垮落帶垂高=2倍分層高(采與放)17第二章 采場(chǎng)頂板事故及預(yù)防頂板事故分類(lèi)壓垮型冒頂?shù)臋C(jī)理及預(yù)防措施漏冒型冒頂?shù)臋C(jī)理及預(yù)防措施推垮型冒頂?shù)臋C(jī)理及預(yù)防措施綜合類(lèi)型冒頂?shù)臋C(jī)理及預(yù)防措施對(duì)采場(chǎng)支架的基本要求18第一節(jié) 頂板事故分類(lèi)按冒頂?shù)牧υ催M(jìn)行分類(lèi)壓垮型：由垂直于層面方向的頂板力壓壞采場(chǎng)支架而導(dǎo)致冒頂。漏冒型：因已破碎的頂板沒(méi)有得到有效防護(hù)受重力作用冒落而導(dǎo)致的冒頂。推垮型：由平行于層面方向的頂板力推倒采場(chǎng)支架而導(dǎo)致的冒頂。綜合型：兩種或三種綜合出現(xiàn)。191）壓垮型冒頂老頂來(lái)壓時(shí)的壓垮型冒頂（1）垮落帶老頂巖塊壓壞采場(chǎng)支 架。（2）垮落帶老頂巖塊沖擊

7、壓壞采場(chǎng)支架。（3）裂隙帶老頂巖塊壓壞采場(chǎng)支架。202）漏冒型冒頂（1）大面積漏垮型冒頂 （2）靠煤壁附近的局部冒頂。（3）單體支柱工作面兩端的局部冒頂，包括機(jī)頭、機(jī)尾處的局部冒頂，工作面與巷道交接處的局部冒頂。（4）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(chǎng)的推垮型冒頂。3）推垮型冒頂214）綜合類(lèi)型的冒頂（1）厚層難冒頂板導(dǎo)致的大面積冒頂。（2）地質(zhì)破壞（斷層）帶附近的冒頂。（3）大塊游離頂板導(dǎo)致的冒頂，包括復(fù)合頂板推垮型冒頂，沖擊推垮型冒頂，大塊游離頂板旋轉(zhuǎn)推垮型冒頂，以及直接頂導(dǎo)致的壓垮型冒頂。 22第二節(jié) 壓垮型冒頂?shù)臋C(jī)理及預(yù)防措施-老頂來(lái)壓時(shí)的壓垮型

8、冒頂1）采動(dòng)后頂板活動(dòng)的一般規(guī)律：（1）直接頂?shù)某醮慰迓淇迓浜穸仍?.0m以上，垮落長(zhǎng)度達(dá)工作面長(zhǎng)度的一半以上。垮落步距一般為620m。23（2）老頂初次來(lái)壓工作面回采以來(lái)的第一次老頂大規(guī)模來(lái)壓。初次來(lái)壓步距一般2035m。如果直接頂厚度大于或等于24倍的采高，則能填滿采空區(qū)，采面無(wú)老頂活動(dòng)威脅。但老頂還是要彎曲、下沉和斷裂的。24如果直接頂厚度小于24倍的采高，開(kāi)始時(shí)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?chē)拿后w上，工作面無(wú)老頂壓力感覺(jué)。當(dāng)老頂巖梁達(dá)到極限跨距時(shí)，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(tái)階等老頂來(lái)壓現(xiàn)象。25（3）老頂

9、周期來(lái)壓老頂初次來(lái)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(tái)階等老頂來(lái)壓現(xiàn)象。周期來(lái)壓步距一般為初次來(lái)壓步距的1/21/4。（4）老頂來(lái)壓的兩個(gè)問(wèn)題當(dāng)初撐力較低時(shí)，老頂往往斷裂在煤壁之內(nèi)。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)。26老頂往往斷裂在煤壁之內(nèi)。-剪切力為零點(diǎn)在煤壁內(nèi)，對(duì)應(yīng)彎矩最大點(diǎn)。27老頂在采空區(qū)受剪力時(shí)；老頂上位巖層對(duì)老頂施加力時(shí)；老頂?shù)臄嗔研再|(zhì)不變，而且位置更深入煤體內(nèi)。28冒頂機(jī)理及預(yù)防措施50年代木支柱可縮量小、支護(hù)密度小，來(lái)壓時(shí)易被折斷，導(dǎo)致壓垮型冒頂。6080年代摩擦支柱工作阻力大，可縮量大，適應(yīng)頂板

10、下沉，來(lái)壓事故大大降低。90年代液壓支柱-工作阻力大，可縮量大，適應(yīng)頂板下沉，阻力能與頂板抗衡，壓垮型事故很少。1）壓垮型冒頂?shù)捻敯鍡l件（1）直接頂薄，厚度小于采高的23倍。（2）直接頂上面老頂分層厚度小于56m。292）冒頂?shù)那罢走@種冒頂只有來(lái)壓時(shí)發(fā)生，故老頂來(lái)壓預(yù)兆就是冒頂征兆。（1）煤壁片幫。（2）頂板下沉速度急劇增加。（3）支柱載荷急劇增加。（4）靠煤壁頂板斷裂。（5）靠煤壁頂板掉渣。（6）摩擦支柱放炮。303）冒頂?shù)臋C(jī)理（1）垮落帶老頂巖塊壓壞支架導(dǎo)致冒頂。垮落帶老頂巖塊全部重量均由采場(chǎng)支架承受，若支架支撐力不夠，就會(huì)壓壞而冒頂。31（2）垮落帶老頂巖塊沖擊壓壞支架導(dǎo)致冒頂。初撐力不

11、足，垮落帶離層老頂巖塊沖擊采場(chǎng)支架，沖擊壓壞而冒頂。32（3）裂隙帶老頂壓壞采場(chǎng)支架導(dǎo)致冒頂。裂隙帶老頂斷裂、下沉、旋轉(zhuǎn)、觸矸時(shí)，若支架的可縮量不足，可能壓壞導(dǎo)致冒頂。當(dāng)存在平行煤壁的斷層、長(zhǎng)度大于5m時(shí)，因下位裂隙帶老頂分層轉(zhuǎn)化為垮落帶，故有較大的垮落帶老頂來(lái)壓。334）預(yù)防冒頂?shù)拇胧╊A(yù)防來(lái)壓的壓垮型冒頂措施：（1）采場(chǎng)支架的支撐力應(yīng)能平衡垮落帶直接頂及老頂巖層的重量。（2）采場(chǎng)支架的初撐力應(yīng)能保證直接頂與老頂之間不離層。（3）采場(chǎng)支架的可縮量應(yīng)能滿足裂隙帶老頂下沉的要求。34注意： 超前工作面20m范圍內(nèi)的兩端巷道，因受工作面前方支承壓力的作用，受壓大。為防止壓壞支架，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。（1）超

12、前10m內(nèi)，用雙中心柱。（2）超前1020m內(nèi)，用單中心柱。35第三節(jié) 漏冒型冒頂?shù)臋C(jī)理及預(yù)防措施1）發(fā)生的條件：直接頂板軟弱破碎。2）防治對(duì)策：護(hù).采用各種方法將頂板護(hù)好。綜采面：選用掩護(hù)式或支撐掩護(hù)式支架。單體面：支柱加頂梁，頂梁上加背板，甚至背嚴(yán)。支柱柱距小于0.7m。漏冒型冒頂包括：大面積漏垮型冒頂，靠煤壁附近局部冒頂，采場(chǎng)兩端局部冒頂，以及放頂線附近局部冒頂。361. 大面積漏垮型冒頂條件：直接頂異常破碎；煤層傾角較大。冒頂機(jī)理：支護(hù)系統(tǒng)中若某處失效發(fā)生局部冒頂，破碎頂板就可能從該處沿工作面向上全部漏空，使支架失穩(wěn)，漏垮工作面。373）預(yù)防措施使支護(hù)系統(tǒng)有足夠的支撐力與可縮量。頂板必

13、須背嚴(yán)背實(shí)、梁頭頂緊煤壁，采煤后及時(shí)支護(hù)、甚至要掏梁窩。嚴(yán)防放炮、移溜等工序弄倒支架發(fā)生冒頂。382.靠煤壁附近局部冒頂1) 原因：I.頂板由于被裂隙切割，存在鑲嵌型游離巖塊。II. 端面距過(guò)大。III. 放炮崩倒支柱。392)預(yù)防措施控制端面距綜采面：用及時(shí)支護(hù)方式，端面距不大于340mm；采高大于2.53.0m時(shí)，加護(hù)幫裝置，必要時(shí)，固結(jié)碎頂。單體面：端面距不超過(guò)200mm。采用正懸臂交錯(cuò)頂梁，錯(cuò)梁直線柱支護(hù)。40I.控制端面距單體面：基本頂梁加短頂梁。413.采場(chǎng)兩端局部冒頂（單體面）機(jī)頭機(jī)尾處原因：因移溜時(shí)支護(hù)操作不當(dāng)（先拆后支），導(dǎo)致碎頂冒落。措施：用“四對(duì)八梁”支護(hù) 或用雙楔鉸接頂

14、梁支護(hù)42I.控制端面距單體面：鉸接頂梁加長(zhǎng)鋼梁，金屬網(wǎng)下用II型長(zhǎng)鋼梁對(duì)棚邁步支架等。II. 嚴(yán)防放炮崩倒靠煤幫的支柱。432）采場(chǎng)兩端局部冒頂工作面與巷道交接處原因：交接處需去掉原巷道支架一個(gè)腿，如果支護(hù)操作不當(dāng)，可導(dǎo)致碎頂冒落。44措施：交接處宜用一對(duì)邁步抬棚。說(shuō)明：有的采場(chǎng)利用“四對(duì)八梁”中的一對(duì)。綜采面未用端頭支架時(shí)，也應(yīng)如此。454.放頂線附近的局部冒頂（單體面）原因：人工回柱時(shí)，頂板冒落傷人。特別是分段回柱回最后一棵柱時(shí)。措施： 應(yīng)在有支護(hù)的地點(diǎn)遠(yuǎn)距離操作后采用墩柱支護(hù)。46第四節(jié) 推垮型冒頂?shù)臋C(jī)理及預(yù)防措施一、金屬網(wǎng)下推垮型冒頂1. 發(fā)生條件：1）煤層傾角在20以上。2）網(wǎng)上是

15、懸浮頂板。上下分層切眼垂直布置時(shí)，開(kāi)切眼附近，松散冒矸上有三角形空隙存在。47第四節(jié) 推垮型冒頂?shù)臋C(jī)理及預(yù)防措施一、金屬網(wǎng)下推垮型冒頂1. 發(fā)生條件：1）煤層傾角在20以上。2）網(wǎng)上是懸浮頂板。上下分層切眼垂直布置時(shí)，開(kāi)切眼附近，松散冒矸上有三角形空隙存在。48當(dāng)下分層切眼內(nèi)錯(cuò)布置，或垂直布置，但工作面已過(guò)三角形空隙區(qū)。松散頂板因支柱初撐力小，沒(méi)有頂緊，轉(zhuǎn)化為懸浮頂板。492. 冒頂機(jī)理：專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)研究表明，網(wǎng)下推垮分兩個(gè)階段。1）形成網(wǎng)兜。原因是工作面內(nèi)某位置的支護(hù)失效。當(dāng)支架穩(wěn)定性好時(shí)，不會(huì)推垮。502）推垮工作面。原因是網(wǎng)上碎矸與上位巖層之間有空隙，支架不穩(wěn)定，網(wǎng)兜向下拉力拉倒支架，造成

16、推垮型冒頂。513。預(yù)防措施： 提高初撐力，增加支架穩(wěn)定性。1）單體液壓支柱工作面。采用內(nèi)錯(cuò)式布置切眼，提高支柱的初撐力，避免形成網(wǎng)上空隙，嚴(yán)防支護(hù)失效。當(dāng)垂直布置切眼時(shí)，初放階段用“整體支架”（沿走向與傾斜將單體支柱聯(lián)成整體）。2）摩擦支柱工作面。采用“整體支架”支護(hù)。3）內(nèi)錯(cuò)式布置切眼時(shí)，初放前要剪網(wǎng)，保證將金屬網(wǎng)放到底板。52二、采空區(qū)冒矸沖入采場(chǎng)的推垮型冒頂1. 發(fā)生條件：煤層之上直接就是石灰?guī)r等堅(jiān)硬巖層。2. 發(fā)生機(jī)理：當(dāng)頂板呈大塊在采空區(qū)垮落時(shí)，可能順著已垮落的矸石堆沖入采場(chǎng)，推倒采場(chǎng)支架（從柱根推倒），導(dǎo)致事故。533. 預(yù)防措施 （1）用切斷墩柱的初撐力切斷頂板（減小冒落頂板的

17、塊度），并將冒矸擋在采空區(qū)。（2）當(dāng)頂板分層過(guò)厚切不斷時(shí)，用挑頂法，使冒矸超過(guò)采高。4. 急傾斜工作面，如密集支柱初撐力不足，穩(wěn)定性不好，采空區(qū)矸石也可能沖倒支架，造成事故。54第五節(jié) 綜合類(lèi)型冒頂?shù)臋C(jī)理及預(yù)防措施 一、厚層難冒頂板1. 發(fā)生條件：1）頂板為整體厚層硬巖層。2）懸露幾千、幾萬(wàn)、甚至十幾萬(wàn)平方米才冒落。2. 冒頂機(jī)理：頂板大面積懸頂，形成大面積冒頂。認(rèn)為1）巖體在自重作用下，拉斷形成小裂縫，然后裂縫貫穿，發(fā)生大斷裂，導(dǎo)致冒頂。2）煤柱上的頂板巖層內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的切應(yīng)力，頂板被切斷，導(dǎo)致冒頂。553. 預(yù)防措施：1）用挑（鉆爆法或高壓注水）松散碎裂23倍采高頂板（包括直接頂在內(nèi)）。把“

18、挑”的部分看成是垮落帶巖層，即可按常規(guī)法防壓、漏、推。綜采面：一般應(yīng)超前工作面碎裂。單體面：考慮到冒矸塊度大，放頂線上支柱應(yīng)有足夠的支撐力與穩(wěn)定性，條件允許時(shí)用墩柱。2）若有可能（即厚層頂板分層不太厚），挑頂一部分，令剩余部分轉(zhuǎn)變?yōu)榱严稁Ю享敗?6二、地質(zhì)破壞（斷層）帶附近1. 單體支柱工作面：1）斷層附近頂板壓力大，（垮落帶范圍擴(kuò)大），破碎、支護(hù)不好時(shí)，易發(fā)生壓或漏冒型冒頂。2）當(dāng)碎頂沿傾斜斷層面移動(dòng)時(shí)，易推倒支架，導(dǎo)致推垮型冒頂。3）因而，在斷層帶附近應(yīng)增大支護(hù)密度，提高支柱初撐力（甚至用木垛），以加強(qiáng)支護(hù)，護(hù)好碎頂，并用戧棚、戧柱，增加支架穩(wěn)定性。2. 綜采面：1）支架若有較大富裕阻力，

19、可照常推進(jìn)。2）若無(wú)，應(yīng)讓工作面與斷層斜交、或挑頂。57三、大塊游離頂板導(dǎo)致的冒頂 由于地質(zhì)構(gòu)造（如斷層、裂隙、層理、尖滅等）、舊巷（沿煤層走向或傾向開(kāi)掘的巷道，其上直接頂板往往已經(jīng)破碎）、以及采動(dòng)（如采場(chǎng)支架初撐力小，導(dǎo)致直接頂板沿工作面煤壁斷裂）等原因，造成煤層直接頂板中存在大塊游離頂板。它們上面與再上巖層粘結(jié)力很小或不粘結(jié)甚至離層、四周與原巖層斷開(kāi)、下面為采空空間。大塊游離頂板尺寸有大有小，巖性有硬有軟，在一定條件下會(huì)導(dǎo)致或大或小的冒頂事故。 大塊游離頂板導(dǎo)致的冒頂事故包括：復(fù)合頂板推垮型冒頂，沖擊推垮型冒頂，大塊游離頂板旋轉(zhuǎn)推垮型冒頂，以及直接頂導(dǎo)致的壓垮型冒頂。 58三、大塊游離頂板導(dǎo)致的冒頂1. 原因：1）地質(zhì)構(gòu)造：斷層（超過(guò)5m 長(zhǎng)的平行工作面的斷層，往往會(huì)出現(xiàn)游離巖塊。2）舊巷：其上直接頂往往已斷碎。3）采動(dòng)：支架初撐力小，導(dǎo)致直接頂板沿煤壁斷裂。2. 可能導(dǎo)致的頂板事故59當(dāng)游離巖塊處在工作面中，厚0.53.0m，而沿巖塊傾斜下方又有讓巖塊向下運(yùn)動(dòng)的空間時(shí)，巖塊可能推倒單體支架，導(dǎo)致“復(fù)合頂板”推垮型冒頂。在綜采面可能導(dǎo)致倒架。602）當(dāng)游離巖塊又與上位巖層離層，在上位巖層向下活動(dòng)時(shí)，可能導(dǎo)致沖擊推垮型冒頂。613）當(dāng)游離巖塊移向放頂線，在回柱放頂時(shí)，可能導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)推垮型冒頂4）當(dāng)在工作面中部