煤礦頂板災害防治主講：馮維

煤礦頂板災害致因與預防

一、頂板事故的危害頂板事故在煤礦事故中占40%。〔一〕我省煤礦近年頂板事故情況1.1995－2001年〔7年〕全省煤礦傷亡事故2802起，死亡5232人。其中：頂板事故1245起，死亡1474人，平均每年178起，死亡210人，死亡事故次數和死亡人數分別占總量的44％和28％(較2001年全國頂板死亡人數高出3個百分點〕。

瓦斯事故826起，死亡2660人，分別占30％和51％。一、頂板事故的危害2.2002－2004年〔3年〕全省煤礦傷亡事故1179起，死亡1921人。其中：頂板事故653起，死亡751人,平均每年218起，死亡250人，死亡事故次數和死亡人數分別占總量的55％和39％。瓦斯事故237起，死亡733人，分別占20％和38％。一、頂板事故的危害3.2004年

全省傷亡事故344起，死亡554人。其中頂板189起，死亡218人，分別占總數的55％和39.4％。

瓦斯事故68起，死亡202人，分別占20％和36.5％。一、頂板事故的危害4.2001－2004年頂板重大事故19起，死亡67人，平均每年4.75起，死亡16.75人，死亡人數占重大事故死亡人數的10％。

5.2005全省煤礦發(fā)生死亡事故339起,死亡561人，其中頂板事故189起，占死亡事故總次數的55.75%；死亡226人，占死亡事故總人數的43%；較2004年有所上升。瓦斯事故63起，死亡149人，分別占事故總次數和事故死亡總人數的19%和29%。

一、頂板事故的危害6.2006全省煤礦發(fā)生死亡事故304起,死亡484人，其中頂板事故146起，占死亡事故總次數的48.0%，較2005年略有下降；死亡217人，占死亡事故總人數的44.8%，較2005年上升1.5%。瓦斯事故52起，死亡171人，分別占事故總次數和事故死亡總人數的17.1%和35.3%。

一、頂板事故的危害

2007年全省煤礦累計發(fā)生傷亡事故248起，死亡390人。發(fā)生頂板事故139起，死亡165人。頂板事故起數占所有煤礦事故起數的56.0％，死亡人數占所有煤礦事故死亡人數的42.3％；發(fā)生瓦斯事故37起，死亡110人。瓦斯事故起數占所有煤礦事故起數的14.9％，死亡人數占所有煤礦事故死亡人數的28.2％。2007年我省煤礦發(fā)生的2起重大事故均為瓦斯事故，共導致28人死亡。一是3月6日邵陽市邵東縣牛馬司鎮(zhèn)宏發(fā)煤礦發(fā)生的瓦斯爆炸事故，導致15人死亡；二是5月24日郴州市臨武縣金江鎮(zhèn)鳳凰嶺煤礦發(fā)生的瓦斯突出事故,導致13人死亡。

半個世紀以來中國煤炭工業(yè)產量增長情況時間（年）產量（億t）19490.32419796.3554199010.79199512.92199613.74時間（年）產量（億t）199910.4420009.99200111.06200213.93200316.4200419.605/06/07/0821.5/23.25/25/27.2199713.25199812.33

全省頂板和瓦斯事故統(tǒng)計表年度事故總次數(次)死亡總人數(人)頂板事故瓦斯事故死亡事故次數死亡人數死亡事故次數死亡人數(次)占總數(%)(人)占總數(%)(次)占總數(%)(人)占總數(%)49~954884537.1195~012802/4005232/7471245/179441474/21128826/118302660/3805102~041179/3931921/640652/21755751/25139237/7920733/244380331950519962.3823045.54802522744.9043445541895521839.4682020936.50533956118955.7522043631914929063044841464821744.85217.117135.3072483901395616542.33714.911028.2081822731025611441.731179735.5一、頂板事故的危害結論：1.長期以來，在湖南煤礦傷亡事故中，頂板事故次數總是位居第一。2.近年來，隨著“一通三防〞管理的加強和瓦斯治理力度的加大，瓦斯事故次數及其死亡人數均有所減少。頂板事故次數約占煤礦事故總次數的一半，死亡人數到達40％以上，均居第一位。3.頂板事故一般表現為零打碎敲，事故嚴重度1.15人；但也時有較大和重大事故發(fā)生。4.頂板事故對于所有的煤礦都有可能發(fā)生，但也都有可能防止，關鍵在于加強頂板管理。鐵箕山礦頂板事故案例二、頂板與礦壓規(guī)律

1.煤層頂底板概述煤層頂、底板分別指位于煤層之上和煤層之下一定范圍內(受開采影響的層段)的巖層。2.頂板分類按巖性和與煤層的相對位置將頂板劃分為：偽頂—厚度小于0.5m，極易垮落，隨采隨冒，直接位于煤層之上。直接頂—巖層較穩(wěn)定，位于煤層或偽頂之上，一般隨放頂可垮落。根本頂—在直接頂之上，巖層厚度在1.5m以上，堅硬難冒落，有時呈規(guī)律性折斷。典型柱狀如以下圖所示。

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律煤層頂、底板巖性，即煤層頂底板的堅硬和松軟破碎程度直接影響到開采時采場支護的平安性，是開采的重要平安條件。人們據此對煤層頂板進行分級，作為工作面頂板管理的依據。3.直接頂的分類⑴影響直接頂完整性的三個因素(分類依據)①巖層本身的力學性質；②直接頂巖層內層理和節(jié)理裂隙的發(fā)育程度；③上覆根本頂來壓的影響。

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律⑵直接頂的分類綜合上述①、②兩個因素，我國將直接頂按穩(wěn)定性分為三種類型：①破碎頂板如頁巖、再生頂板和煤頂等，回采時這種頂板如不及時支護，很容易造成局部冒頂。②中等穩(wěn)定頂板此類直接頂的巖層力學強度較大有些巖層〔如砂頁巖和粉砂巖〕雖受到一系列裂隙所切割，但局部較完整，仍屬中等穩(wěn)定型。③完整頂板這種頂板允許懸露面積大，穩(wěn)定性好不易發(fā)生局部冒頂，如砂巖、堅硬的砂頁巖等。以上是定性劃分定量劃分:直接頂初次垮落步距大于16～20m的頂板稱為穩(wěn)定頂板；直接頂初次垮落步距小于8m的頂板稱為不穩(wěn)定(或破碎)頂板；直接頂初次垮落步距介于9～15m之間的頂板稱為中等穩(wěn)定頂板。

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律科學的分類可為頂板控制、支架選型、合理確定支護參數以及為采空區(qū)處理方法提供依據。3.直接頂分類〔見下表〕D＝10RcC1C2式中D—強度指數；Rc－巖石單向抗壓強度，MPa；C1－節(jié)理裂隙影響系數，裂隙間距0.1～1.2m，C1為0.3～0.55；C2－分層厚度影響系數，分層厚度0.1～1.2m，C2為0.24～0.42；

直接頂穩(wěn)定性分類表類別

指標ⅠⅡⅢⅣ不穩(wěn)定頂板中等穩(wěn)定頂板穩(wěn)定頂板堅硬頂板主要指標強度指數D3031～7071～120>120無直接頂。巖層厚度在2～5m以上，Rc>60～80MPa，I(節(jié)理裂隙間距)和h(分層厚度)大于1m的整體巖層，即基本頂。參考指標直接頂初次垮落步距L/m89～1819～25>25

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律4.根本頂分級根本頂來壓強度主要決定于直接頂厚度Σh與采高m的比值N及根本頂初次來壓步距L初。根據N和L初兩個指標，將根本頂分為四級。分級ⅠⅡⅢⅣ基本頂來壓顯現不明顯明顯強烈非常強烈指標N>3～50.3<N≥3～5，L＝25～500.3<N≤3～5，L>50N≤0.3，L＝25～50N≤0.3L>50

塑性彎曲的頂板

是指賦存在煤層之上隨著工作面的推進能緩慢下沉，而后逐漸與煤層底板方向接觸。這一般在薄煤層或厚度不大的中厚煤層的石灰?guī)r頂板中才可能出現。

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律4.根本頂分級根本頂距煤層越遠，采高越小，那么根本頂來壓越不明顯。通常，把直接頂厚度h與采高M之比N〔N＝h/M，N又叫直接頂充填系數〕作為根本頂分類指標。據此將根本頂分類如下：①Ⅰ級根本頂N>5，稱無周期來壓或周期來壓不明顯的頂板，這時根本頂的垮落與錯動對工作面的支架無多大影響。②Ⅱ級根本頂2<N<5，為有周期來壓頂板，根本頂的失穩(wěn)對工作面支架有較為嚴重的影響。③Ⅲ級根本頂N<2，甚至沒有直接頂，為周期來壓嚴重的頂板，這時根本頂懸露與垮落都將對工作面支架有嚴重的影響。④Ⅳ級根本頂即特別堅硬，且無直接頂，這時常出現采空區(qū)內頂板上萬平方米不冒落，當其垮落時，常形成暴風，頂板沿工作面煤壁切落，造成重大事故。頂板大面積來壓和冒落的預兆和堅硬頂板強制放頂處理措施(參見教材P148～150)。堅硬難冒頂板的防治⑤塑性彎曲的頂板是指賦存在煤層之上隨著工作面的推進能緩慢下沉，而后逐漸與煤層底板方向接觸。這一般在薄煤層或厚度不大的中厚煤層的石灰?guī)r頂板中才可能出現。

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律4.根本頂分級根本頂來壓強度主要決定于直接頂厚度Σh與采高m的比值N及根本頂初次來壓步距L初。根據N和L初兩個指標，將根本頂分為四級。分級ⅠⅡⅢⅣ基本頂來壓顯現不明顯明顯強烈非常強烈指標N>3～50.3<N≥3～5，L＝25～500.3<N≤3～5，L>50N≤0.3，L＝25～50N≤0.3L>50

塑性彎曲的頂板

是指賦存在煤層之上隨著工作面的推進能緩慢下沉，而后逐漸與煤層底板方向接觸。這一般在薄煤層或厚度不大的中厚煤層的石灰?guī)r頂板中才可能出現。二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律5.礦山壓力根本知識原巖應力—在地下某一深處巖層未被開挖前巖體內所具有的力。包括上覆巖層的自重應力、構造應力和膨脹應力等。其特點:三向平衡。

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律礦山壓力—由開采引起的井巷和工作面周圍巖體內的力。支承壓力—圍巖應力升高區(qū)的壓力。礦山壓力顯現—在礦山壓力作用下生產的一系列力學現象。如：頂板下沉、垮落，底板隆起，煤壁片幫，支架變形和損壞、支架鉆底等。

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

6.回采工作面礦壓的顯現與規(guī)律

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

〔3〕根本頂初次來壓—當根本頂懸露達到極限時，根本頂第一次斷裂，同時發(fā)生破斷巖塊的回轉失穩(wěn)。從而導致工作面頂板急劇下沉，此時工作面支架顯現壓力普遍增大現象，即稱為根本頂初次來壓。直接頂垮落后，垮落的巖石與根本頂之間有一個小的空間，這是造成根本頂的彎曲、斷裂、回轉，冒落的原因。如以下圖所示。

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

〔4〕根本頂初次垮落步距—根本頂初次垮落時，工作面煤壁至開切眼的距離叫做根本頂初次垮落步距。根本頂初次垮落步距的相關因素有：●根本頂的巖石力學性質

●根本頂的厚度

●巖塊之間的咬合條件等

根本頂初次來壓步距：一般為20～35m，有的可達50～70m不等，持續(xù)時間2～3天。二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

〔5〕根本頂周期來壓根本頂初次來壓后隨工作面的推進，根本頂呈規(guī)律性折斷，工作面顯現周期性的來壓，稱為周期來壓。每一次周期來壓，根本頂經歷了穩(wěn)定—失穩(wěn)—再穩(wěn)定的變化。如以下圖所示。二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

周期來壓時礦壓顯現：●頂板下沉速度增大●下沉量增大●支柱載荷增加、鉆底●煤壁片幫●支柱折損●臺階下沉周期來壓步距——工作面推進過程中連續(xù)兩次周期來壓間的距離。周期來壓步距：L周=〔1/2-1/4〕L初或L初=(2～4〕L周L初—根本頂初次來壓步距。

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律實例：資興唐洞煤礦八一井1222工作面礦壓觀測資料：1.工作面初次垮落步距為8～13m〔屬中等穩(wěn)定頂板〕，垮落前支柱最大工作阻力為84.7KN，活柱最大壓縮量為9mm。2.根本頂初次來壓步距為19～22m〔前述：一般為20～35m〕，頂板下沉量為100～202mm，下沉速度為147mm/h，支柱工作阻力為120KN。3.根本頂周期來壓步距為6～10m，頂板下沉量為60～100mm，下沉速度為55mm/h，支柱工作阻力為80～100KN。4.工作面超前支承壓力影響范圍12～20m，最強烈的為8～12m。二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

〔6〕三帶回采工作面初次來壓后，隨著工作面的繼推進，工作面上復巖層的活動將逐漸形成所謂的“三帶〞，即：●冒落帶〔垮落帶〕—巖塊不規(guī)那么垮落和堆積Kp〔巖石松散系數〕=1.3～１.5，壓實后1.03左右。●裂隙帶—在冒落帶之上，巖塊斷裂但整齊排裂。●彎曲下沉帶—裂隙帶之上直到地表，巖層裂隙較少，但有下沉。如以下圖所示。

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

〔7〕采場圍巖應力分布由于開采，引起工作面附近圍巖應力重新分布，在工作面前方形成了支承壓力帶，它的影響范圍達30～40m或更遠,其最大峰值在煤壁前方7～10m處(前述唐洞礦為8～12m)。應力集中系數K可達2～3，且隨工作面推進向前移動。工作面前方冒落矸石被壓實，一般只恢復到γh或比γh稍高一點。如以下圖所示。此外，在工作面風、機巷兩側將形成一個固定支承壓力帶。二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

節(jié)理、裂隙的影響

●直接頂被切割，易冒頂●影響根本頂的穩(wěn)定性如以下圖所示二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

二、煤礦頂板與礦壓規(guī)律

開采深度〔增大〕●原巖應力增大，工作面壓力增大●支承壓力影響范圍增大●支柱載荷增大，頂板難維護●礦壓顯現加劇、片幫、壓出●易誘發(fā)沖擊地壓和煤與瓦斯突出三、煤礦頂板事故的統(tǒng)計分析常見頂板事故統(tǒng)計分析

〔一〕頂板控制頂板的控制目標：“支〞、“護〞、“穩(wěn)〞、“讓〞。支—支柱的工作阻力應能支撐住冒落帶巖層的重量。一般來說，冒落帶巖層的厚度約為采高的3倍。支護系統(tǒng)要支住這局部巖層的重量，防止冒落帶與裂隙帶之間發(fā)生離層。初撐力(初撐力—支架支設時，將活柱升起，托住頂梁，利用升柱工具使支柱對頂板產生一個主動力。這個主動力稱支柱的初撐力。對于液壓支柱，即是泵壓形成的支柱對頂板的撐力)必須足夠。護—是指防止工作面漏冒型冒頂和防止支柱鉆底。解決鉆底的方法是給支柱穿木鞋或輔設地梁。穩(wěn)—為防止發(fā)生復合頂板推垮型冒頂和沖擊推垮型冒頂，應保證冒落帶與裂隙帶之間不離層，保證整個直接頂板的整體性和穩(wěn)固性。讓—就是對工作面根本頂的下沉要采取“讓〞的管理原那么，支柱的可縮量應能適應裂隙帶及冒落帶根本頂巖層的下沉。要到達上述目的，要求支架既要有一定的支撐力，同時還要有一定的可縮量。(二)支護材料與支護形式1.支護材料回采工作面支護材料和形式有：木支柱、金屬摩擦支架、鉸接頂梁、單體液壓支柱、π型梁等、液壓支架等。2.支護形式戴帽點柱〔木支柱或單體支柱〕、走向棚子支護、傾斜棚子支護、特種支架、液壓支架等。戴帽點柱矩形布置三角形布置帽厚50～100mm，長0.3m

走向棚子支護特種支護

加強放頂處對頂板的支撐，回柱前在放頂排處另外架設的支架

〔a〕叢柱；〔b〕密集；〔c〕木垛；〔d〕斜撐端頭四對八梁普采工作面支護高檔普采工作面支護綜采工作面

綜采工作面綜采工作面(三)頂板事故的致因分析

1.采煤工作面頂板事故分類

按冒頂范圍可將頂板事故分為局部冒頂和大面積冒頂；按發(fā)生冒頂事故的力學原因可將頂板事故分為壓垮型冒頂、漏垮型冒頂和推垮型冒頂。

⑴工作面局部冒頂事故局部冒頂事故發(fā)生的次數約占采煤工作面冒頂事故的70%。局部冒頂造成的人員傷亡占冒頂事故總人數的60～70%。回采工作面頂板事故分類小范圍局部冒頂大面積切頂直接頂破碎直接頂運動老頂運動推垮型壓垮型采煤過程中事故放頂過程中事故沿傾斜方向向煤壁方向向老塘方向向煤壁方向向老塘方向沖擊推垮型（砸垮型）壓垮型2.不同采煤方法和工藝條件下的采面冒頂事故√(1)普采一次采全高工作面1〕經常發(fā)生冒頂的地點●煤壁附近的冒落●工作面兩端的冒落●放頂線附近的冒落●地質破壞帶附近的冒落●開切眼附近地帶〔初次放頂〕冒落3〕防治措施①加強工作面支護，逐漸采用單體壓支柱②增加支柱初撐力(50KN/摩擦、60KN/80mm、90KN/100mm〕③縮小控頂距④正確平安回柱放頂，加設必要的特種支護⑤嚴禁不同工種同時同地平行作業(yè)⑥加快工作面推進速度⑦加強礦壓觀測，摸清頂板活動規(guī)律⑧加強對初次放頂的監(jiān)控與管理⑨增加支架的穩(wěn)定性〔支架聯鎖〕⑩加強平安教育，提高自身平安意識〔2〕普采分層開采工作面1〕冒頂事故的特點①開切眼附近，初次放頂前后②有明顯前兆，多數推垮突然③推垮前支柱受力不大④上位巖層大面積懸露，有大塊冒下⑤支柱多數向下向采空區(qū)方向傾倒⑥推垮型速度快，人力無法抗拒⑦易發(fā)生在回柱時⑧事故多發(fā)生在摩擦支柱工作面如以下圖所示2〕原因分析：①由于支護不到位、不及時或失效而出現網兜②碎矸石與上位斷裂硬巖大塊巖石產生離層③網兜漏冒造成頂板整體運動，推倒工作面支架④假頂鋪設不嚴，灌漿注水不充分⑤工作面支護質量不好，密度不當，穩(wěn)定性差⑥對網兜現象處理不及時⑦其他工序導致冒頂〔放炮等〕3)防治措施①控制控頂距，提高支柱初撐力，防止網兜出現，防止碰倒支架②增加支架的穩(wěn)定性，十字頂梁③工作面開切眼，內錯布置，初次放頂，將網剪斷④加強工作面質量管理，機采及時掛梁，縮小截深⑤灌漿灌水充分⑥回柱放頂采取嚴密平安防范措施√〔3〕炮采一次采全高工作面1〕復合頂板的概念—復合頂板就是離層型頂板復合頂板的三個特征：①煤層頂板由下軟上硬不同巖性的巖層組成。②軟、硬巖層間夾有煤線或軟弱巖層。③下部軟巖層的厚度通常不小于0.5m，且不大于3m。此外當偽頂厚度超過0.5m時，該頂板就是復合頂板。2〕炮采工作面冒頂發(fā)生地點①開切眼附近②地質破壞帶③舊巷附近④上下出口附近⑤放頂線附近⑥煤壁炮道附近3〕炮采工作面冒頂致因分析

①支架支設質量不高，支在浮煤軟底上

②初撐力不夠，穩(wěn)定性不好

③支護密度和支護強度不夠

④放炮藥量大，頂眼距頂板近，震動頂板，使頂板斷裂⑤放炮后不能及時支護，使頂板下沉量加大，離層嚴重⑥推進度慢，造成頂板情況惡化⑦控頂距過大⑧放頂特殊支護不到位，操作工序錯誤4〕炮采工作面防冒頂措施①支柱支在硬底上，勾頂嚴密②增加初撐力，增加支柱穩(wěn)定性③合理支護密度和支護強度，排距柱距④放炮嚴格按設計要求，小炮多茬，分段，最小抵抗線在兩柱之間，而且高于運輸機。⑤及時拉梁，打臨時柱⑥保持正常推進度⑦嚴格按設計作業(yè)，控頂距不能過大。〔4〕炮采分層開采工作面根本情況同普采分層開采，但有其特殊性1〕特點及預防措施

①減少放炮對上分層的破壞及震動，放小炮，小進度，藥量小。②及時支護裸露假頂③選好炮眼方向，防止崩倒支柱，崩翻設備④注意平安躲炮，平安放炮√(5)殘采工作面A.殘采的特點①殘采即礦井將要報廢，為延長效勞年限而開采原來喪失的或留下的邊角煤、煤柱或工作面丟掉的煤皮，有的地方叫復采等。②殘采時條件遠不如初始的條件，工作條件復雜。礦山壓力依殘留煤炭條件而異，變得復雜，難以控制。頂板大局部由于采動已斷裂。③殘采很難形成正規(guī)面開采，大局部屬非正規(guī)開采，給平安開采帶來更大的困難。B.殘采頂板事故特點①多發(fā)生在地質變化帶②孤島采煤，壓力大，難控制③殘采工藝落后，支護設備陳舊④規(guī)程往往審查把關不嚴，易出漏洞

C.殘采頂板事故防治①嚴格作業(yè)規(guī)程的審批和貫徹，摸清情況，不準冒險和違章作業(yè)。②嚴格支護質量和支護密度，支護強度，加強特種支護。③建立頂板監(jiān)測、監(jiān)控制度。④加強對殘采工作面職工的平安教育，完善各種規(guī)章制度。湘潭縣譚家山鎮(zhèn)棠霞煤礦頂板事故.doc3.巷道頂板事故致因與防治巷道冒頂事故在整個冒頂事故中所占比重為20%。巷道冒頂事故常發(fā)生在掘進工作面迎頭、巷道維修和巷道交叉處。〔1〕掘進工作面冒頂事故的分類按事故原因一般分為兩大類：1〕巷道支護不及時。掘進巷道巖石破碎后，頂部巖石與巖體失去聯系，如果支護不及時，該巖石就可能隨時發(fā)生冒落。地質變化帶的頂板巖石冒落，裂隙發(fā)育的巷道抽條都屬于此類。2〕巷道支護質量差。已支護的巷道頂部巖石，在支護失效或背頂不