矿山压力与顶板管理精选文档.ppt
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1、矿山压力与顶板管理矿山压力与顶板管理本讲稿第一页,共一百一十五页老顶基本顶直接顶伪顶煤层顶板采矿开挖空洞顶板岩石下沉变形、破坏,产生事故第一节第一节 矿山压力基础知识矿山压力基础知识一、工作面的顶板与底板一、工作面的顶板与底板直接底老底本讲稿第二页,共一百一十五页 煤层顶、底板岩石的性质、强度及含水性对采煤工煤层顶、底板岩石的性质、强度及含水性对采煤工作有直接影响,它是确定巷道支护方式、选择采空区作有直接影响,它是确定巷道支护方式、选择采空区处理方法的重要依据。处理方法的重要依据。1)顶板:)顶板:根据岩性、厚度及采煤过程中垮落的难易根据岩性、厚度及采煤过程中垮落的难易程度,顶板可分为三种类型
2、。程度,顶板可分为三种类型。(1)伪顶:)伪顶:直接位于煤层之上,多为几厘米至十几直接位于煤层之上,多为几厘米至十几厘米厚的炭质泥岩,富含植物化石,在采煤过程中,厘米厚的炭质泥岩,富含植物化石,在采煤过程中,常常随采随落,不易维护常常随采随落,不易维护.一般小于一般小于0.5米米本讲稿第三页,共一百一十五页(2)直接顶:)直接顶:覆盖在伪顶之上的岩层,常为数覆盖在伪顶之上的岩层,常为数米厚的粉砂岩、页岩、泥岩等,比伪顶稳定,米厚的粉砂岩、页岩、泥岩等,比伪顶稳定,在采煤过程中,经常在采过一段时间后自行垮在采煤过程中,经常在采过一段时间后自行垮落,少数砂岩层需要进行人工放顶。落,少数砂岩层需要进
3、行人工放顶。(3)老顶)老顶:位于直接顶之上的岩层,一般为厚层位于直接顶之上的岩层,一般为厚层位于直接顶之上的岩层,一般为厚层位于直接顶之上的岩层,一般为厚层的粗砂岩、砾岩或石灰岩,采空后,较长时间内不的粗砂岩、砾岩或石灰岩,采空后,较长时间内不的粗砂岩、砾岩或石灰岩,采空后,较长时间内不的粗砂岩、砾岩或石灰岩,采空后,较长时间内不易垮落,仅发生缓慢变形。易垮落,仅发生缓慢变形。易垮落,仅发生缓慢变形。易垮落,仅发生缓慢变形。本讲稿第四页,共一百一十五页本讲稿第五页,共一百一十五页2)底板)底板:分为直接底和老底两种类型分为直接底和老底两种类型 (1 1)直接底:)直接底:)直接底:)直接底:
4、直接位于煤层之下的岩层,厚数十厘米,直接位于煤层之下的岩层,厚数十厘米,直接位于煤层之下的岩层,厚数十厘米,直接位于煤层之下的岩层,厚数十厘米,多为富含植物根化石的泥岩和泥质页岩。由于这种岩石遇多为富含植物根化石的泥岩和泥质页岩。由于这种岩石遇多为富含植物根化石的泥岩和泥质页岩。由于这种岩石遇多为富含植物根化石的泥岩和泥质页岩。由于这种岩石遇水后膨胀,容易引起底鼓现象,可造成运输线路或巷道支水后膨胀,容易引起底鼓现象,可造成运输线路或巷道支水后膨胀,容易引起底鼓现象,可造成运输线路或巷道支水后膨胀,容易引起底鼓现象,可造成运输线路或巷道支架的破坏。架的破坏。架的破坏。架的破坏。(2 2)老底:
5、)老底:)老底:)老底:位于直接底之下,常为厚层状砂砾岩或石灰岩。位于直接底之下,常为厚层状砂砾岩或石灰岩。位于直接底之下,常为厚层状砂砾岩或石灰岩。位于直接底之下,常为厚层状砂砾岩或石灰岩。煤层顶、底板的发育程度受当时沉积作用和后期构造运动煤层顶、底板的发育程度受当时沉积作用和后期构造运动煤层顶、底板的发育程度受当时沉积作用和后期构造运动煤层顶、底板的发育程度受当时沉积作用和后期构造运动的影响,因此不同地区的煤层顶底板性质及发育程度不同,的影响,因此不同地区的煤层顶底板性质及发育程度不同,的影响,因此不同地区的煤层顶底板性质及发育程度不同,的影响,因此不同地区的煤层顶底板性质及发育程度不同,
6、有的煤层顶底板发育完好,几种类型的顶底板都有,有的煤有的煤层顶底板发育完好,几种类型的顶底板都有,有的煤有的煤层顶底板发育完好,几种类型的顶底板都有,有的煤有的煤层顶底板发育完好,几种类型的顶底板都有,有的煤层缺少某种类型的顶板或底板。层缺少某种类型的顶板或底板。层缺少某种类型的顶板或底板。层缺少某种类型的顶板或底板。本讲稿第六页,共一百一十五页 二、二、矿山压力的基本概念矿山压力的基本概念 1.矿山压力矿山压力 由于采掘活动的影响,而在采掘空间周围由于采掘活动的影响,而在采掘空间周围 岩体上及支护物上所产生的力称为矿山压力。岩体上及支护物上所产生的力称为矿山压力。水平原岩应力水平原岩应力铅垂
7、原岩应力采矿开挖引起采矿开挖引起的应力集中的应力集中本讲稿第七页,共一百一十五页 2.矿山压力显现矿山压力显现 由于矿山压力的作用将引其围岩及支由于矿山压力的作用将引其围岩及支 护物的位护物的位移、变形、破坏等一系列的力学现象称为矿压显现。移、变形、破坏等一系列的力学现象称为矿压显现。本讲稿第八页,共一百一十五页3.矿山压力与矿山压力显现的关系矿山压力与矿山压力显现的关系 (1 1)矿压是矿压显现的原因,矿压显)矿压是矿压显现的原因,矿压显 现是矿压作用的结果。现是矿压作用的结果。(2 2)矿压存在是绝对的、不可控制的,)矿压存在是绝对的、不可控制的,矿压显现是相对的、有条件的、可以控矿压显现
8、是相对的、有条件的、可以控 制的。制的。(3 3)矿压显现与矿压大小并不成比例)矿压显现与矿压大小并不成比例本讲稿第九页,共一百一十五页三、矿山压力的分布规律三、矿山压力的分布规律 采煤工作面前后支撑压力分布采煤工作面前后支撑压力分布abcc本讲稿第十页,共一百一十五页四、四、影响矿山压力显现的基本因素影响矿山压力显现的基本因素5)断层与褶曲)断层与褶曲6)挤压与破碎带)挤压与破碎带4)节理、裂隙)节理、裂隙3)煤层倾角)煤层倾角2)开采深度)开采深度1.地质因素地质因素1)岩石力学性质)岩石力学性质本讲稿第十一页,共一百一十五页2.开采技术因素开采技术因素2)开采程序)开采程序3)支护方法)
9、支护方法4)顶板控制方法)顶板控制方法5)工作面推进速度)工作面推进速度6)采高与控顶距)采高与控顶距7)上部煤层残留煤柱)上部煤层残留煤柱 1)巷道位置)巷道位置本讲稿第十二页,共一百一十五页五、顶板事故的产生五、顶板事故的产生原岩应力重新分布原岩应力重新分布掘进过程支护不及时掘进过程支护不及时支架强度不足支架强度不足顶板事故顶板事故支架不适应围岩的变形与破坏类型支架不适应围岩的变形与破坏类型变形的时间效应变形的时间效应空洞围岩破坏空洞围岩破坏特特殊殊地地质质条条件件采矿岩石开挖采矿岩石开挖开挖空洞周边应力集中开挖空洞周边应力集中本讲稿第十三页,共一百一十五页六、矿山压力控制六、矿山压力控制
10、利用矿山压力活动规律利用矿山压力活动规律采用合理的开挖顺序和过程采用合理的开挖顺序和过程避免顶板事故,保证采矿作业安全避免顶板事故,保证采矿作业安全人工控制与支护人工控制与支护本讲稿第十四页,共一百一十五页(七)巷道矿山压力显现的基本规律(七)巷道矿山压力显现的基本规律 巷道掘进阶段(巷道掘进阶段()掘进巷道仅对小范围岩体造成扰动,故一般情况下矿掘进巷道仅对小范围岩体造成扰动,故一般情况下矿压显现不会很剧烈压显现不会很剧烈.无采掘影响阶段(无采掘影响阶段()顶底板移近速度比掘进期间要小得多,故巷道基顶底板移近速度比掘进期间要小得多,故巷道基本上处于稳定状态。本上处于稳定状态。采动影响阶段(采动
11、影响阶段()采动影响是由于回采工作引起围岩应力再次重新分采动影响是由于回采工作引起围岩应力再次重新分布而造成的。这阶段中矿压显现也最强烈。布而造成的。这阶段中矿压显现也最强烈。本讲稿第十五页,共一百一十五页 采动影响稳定阶段(采动影响稳定阶段()这是巷道围岩经受一次采动影响后重新进入相这是巷道围岩经受一次采动影响后重新进入相对稳定的阶段,故其围岩移动特征基本上与无对稳定的阶段,故其围岩移动特征基本上与无采掘影响阶段类似。采掘影响阶段类似。二次采动影响阶段(二次采动影响阶段()二次采动影响的时间和空间规律与一次采动影响类似,二次采动影响的时间和空间规律与一次采动影响类似,但由于这种情况下巷道受到
12、下区段工作面超前支承压但由于这种情况下巷道受到下区段工作面超前支承压力和巷道煤体一侧残余支承压力的叠加作用,二次采力和巷道煤体一侧残余支承压力的叠加作用,二次采动影响的剧烈程度和影响范围都会比一次采动影响稍动影响的剧烈程度和影响范围都会比一次采动影响稍大。大。本讲稿第十六页,共一百一十五页移近量曲线移近量曲线移近量曲线移近量曲线本讲稿第十七页,共一百一十五页 第二节第二节 采煤工作面矿压显现规律及顶板控制采煤工作面矿压显现规律及顶板控制 一一、采煤工作面矿压显现规律、采煤工作面矿压显现规律主要包括三项内容主要包括三项内容 (一)(一)全部垮落法控制顶板时矿压显现规律全部垮落法控制顶板时矿压显现
13、规律 1)工作面直接顶的初次垮落。)工作面直接顶的初次垮落。2)工作面老顶的初次来压。)工作面老顶的初次来压。3)工作面老顶的周期来压。)工作面老顶的周期来压。(二)(二)分层开采时的矿山压力显现的基本规律分层开采时的矿山压力显现的基本规律 (三)(三)放顶煤工作面矿山压力显现特征放顶煤工作面矿山压力显现特征 本讲稿第十八页,共一百一十五页 二、全部垮落法控制顶板二、全部垮落法控制顶板 (一)直接顶的初次垮落与初次放顶的安全措施(一)直接顶的初次垮落与初次放顶的安全措施 1)工作面直接顶的初次垮落)工作面直接顶的初次垮落 工作面自开切眼向前推进一段距离后(工作面自开切眼向前推进一段距离后(8-
14、25米)米)假如没有支护,直接顶悬露达到一定距离,在其重假如没有支护,直接顶悬露达到一定距离,在其重 力的作用下,就要开始跨落,称为工作面直接顶的力的作用下,就要开始跨落,称为工作面直接顶的 初次垮落初次垮落 这时直接顶的跨距称为初次垮落步距。见图这时直接顶的跨距称为初次垮落步距。见图本讲稿第十九页,共一百一十五页 工作工作面直面直接顶接顶的初的初次垮次垮落落 本讲稿第二十页,共一百一十五页规程规定:规程规定:采煤工作面必须按作业规程的规定及时采煤工作面必须按作业规程的规定及时支护,严禁空顶作业。直接顶不能任其支护,严禁空顶作业。直接顶不能任其自然垮落。当工作面推进距离达到初次自然垮落。当工作
15、面推进距离达到初次垮落距时,要进行初次放顶。采煤工作垮落距时,要进行初次放顶。采煤工作面初次放顶时必须制定安全措施,采煤面初次放顶时必须制定安全措施,采煤区(队)长要亲临现场进行指挥。区(队)长要亲临现场进行指挥。本讲稿第二十一页,共一百一十五页规程规定:采煤工作面必须按作业规程的规定及时支护,严禁空顶作业。直接顶不规程规定:采煤工作面必须按作业规程的规定及时支护,严禁空顶作业。直接顶不能任其自然垮落。当工作面推进距离达到初次垮落距时,要进行初次放顶。采煤工能任其自然垮落。当工作面推进距离达到初次垮落距时,要进行初次放顶。采煤工作面初次放顶时必须制定安全措施,采煤区(队)长要亲临现场进行指挥。
16、作面初次放顶时必须制定安全措施,采煤区(队)长要亲临现场进行指挥。(二)二)直接顶直接顶初次放顶的安全措施初次放顶的安全措施 对于单体支柱支护工作面,制定初次放顶对于单体支柱支护工作面,制定初次放顶安全措施时,应该遵循以下原则安全措施时,应该遵循以下原则 (1)适当加大控顶距,防止直接顶回转推垮工)适当加大控顶距,防止直接顶回转推垮工作面支架;作面支架;(2)使用切顶支柱,密集放顶;)使用切顶支柱,密集放顶;(3)加强支柱的稳定性。尽量加打木垛,在不)加强支柱的稳定性。尽量加打木垛,在不能打木垛的密集支护区,加打斜撑。能打木垛的密集支护区,加打斜撑。本讲稿第二十二页,共一百一十五页 1)工作面
17、老顶的初次来压)工作面老顶的初次来压 随着工作面推进还可能形成四、五随着工作面推进还可能形成四、五不同数量岩块的不同数量岩块的咬合平衡,直到岩块间的咬合关系不能满足平衡关系为止。此咬合平衡,直到岩块间的咬合关系不能满足平衡关系为止。此时,老顶的失稳将对工作面带来严重的矿山压力显现,甚至危时,老顶的失稳将对工作面带来严重的矿山压力显现,甚至危及生产和人身安全,及生产和人身安全,形成老顶的初次来压形成老顶的初次来压。见图。见图1-2(三三)工作面老顶的初次来压及来压时的安全措施工作面老顶的初次来压及来压时的安全措施本讲稿第二十三页,共一百一十五页图图1-2 老顶断裂成岩块老顶断裂成岩块 后的转动后
18、的转动本讲稿第二十四页,共一百一十五页初初次次来来压压特特征征:老老顶顶初初次次来来压压比比较较突突然然。来来压压前前回回采采工工作作空空间间上上方方的的顶顶板板压压力力比比较较小小。因因而而往往往往容容易易使使人人疏疏忽忽大大意意。初初次次来来压压时时,老老顶顶垮垮距距比比较较大大,影影响响的的范范围围也也比比较较广广,工工作面易出现事故。作面易出现事故。初次来压是工作面矿山压力显现的重要现象,初次来压是工作面矿山压力显现的重要现象,衡量其指标是来压强度和初次来压步距,顶板坚衡量其指标是来压强度和初次来压步距,顶板坚硬、直接顶薄的工作面初次来压强度大、来压步硬、直接顶薄的工作面初次来压强度大
19、、来压步距大距大。本讲稿第二十五页,共一百一十五页老老顶顶初初次次来来压压对对工工作作面面的的影影响响较较大大,因因此此必必须须掌掌握握初初次次来来压压步步距距的的大大小小,以以便便及及时时采采取取对对策策。在在来来压压期期间间,必必须须加加强强支支架架的的支支撑撑力力,尤尤其其要要加加强强支支架架的的稳稳定定性性。一一般般可可以以采采用用木木垛垛、斜斜撑撑等等特特种种支支架加强回采工作空间的支护架加强回采工作空间的支护。老老顶顶来来压压前前,回回采采工工作作面面的的顶顶板板压压力力并并不不大大。但但煤煤壁壁内内的的支支承承压压力力却却达达到到了了这这种种情情况况下下的的最最大大值值。所所以以
20、,煤煤帮帮的的变变形形与与塌塌落落(片片帮帮),常常常常是是预预示示工工作作面面顶顶板来压的一个重要标志。板来压的一个重要标志。本讲稿第二十六页,共一百一十五页2).初次来压及来压时的安全措施初次来压及来压时的安全措施(1)加强来压的预测预报,掌握老顶初次来压)加强来压的预测预报,掌握老顶初次来压步距;步距;(2)适当缩小控顶距;)适当缩小控顶距;(3)提高支护质量,增加初撑力和增加和支架稳定)提高支护质量,增加初撑力和增加和支架稳定性;性;(4)对某些特别坚硬顶板,采用深孔爆破强迫)对某些特别坚硬顶板,采用深孔爆破强迫放顶。放顶。(5)一般可以采用木垛、斜撑等特种支架。)一般可以采用木垛、斜
21、撑等特种支架。本讲稿第二十七页,共一百一十五页(四四)工工作作面面老老顶顶的的周周期期来来压压及及来来压压时时的的安安 全措施全措施 1)工作面老顶的周期来压。)工作面老顶的周期来压。随随着着回回采采工工作作面面的的推推进进,在在老老顶顶初初次次来来压压以以后后,裂裂隙隙带带岩岩层层形形成成的的结结构构,将将始始终终经经历历“稳稳定定-失失稳稳-再再稳稳定定”的的变变化化,这这种种变变化化将将呈呈现现周周而而复复始始的的过过程程。由由于于结结构构的的失失稳稳导导致致了了工工作作面面顶顶板板的的来来压压。这这种种来来压压也也将将随随着着工工作作面面的的推推进进而而呈呈周周期期性性出出现现。因因此
22、此,由由于于裂裂隙隙带带岩岩层层周周期期性性失失稳稳而而引引起起的的顶顶板板来来压压现现象象称称之为工作面顶板的周期来压之为工作面顶板的周期来压。本讲稿第二十八页,共一百一十五页 2)周期来压的主要表现形式是:)周期来压的主要表现形式是:顶顶板板下下沉沉速速度度急急剧剧增增加加,顶顶板板的的下下沉沉量量变变大大;支支柱柱所所受受的的载载荷荷普普遍遍增增加加;有有时时还还可可能能引引起起煤煤壁壁片片帮帮、支支柱柱折折损损、顶顶板板发发生生台台阶阶下下沉沉等等现现象象。如如果果支支柱柱参参数数选选择择不不合合适适或或者者单单体体支支柱柱稳稳定定性性较较差差,则则可可能能导导致致局局部部冒冒顶顶、甚
23、甚至至顶顶板板沿沿工工作作面面切切落落等等事故。事故。本讲稿第二十九页,共一百一十五页3)工作面周期来压时的安全措施)工作面周期来压时的安全措施 (1)通过矿压观测,准确判断周期来压的时间和位)通过矿压观测,准确判断周期来压的时间和位置,做好预测预报工作。置,做好预测预报工作。(2)做好来压前的支护工作,保证支架的规格质)做好来压前的支护工作,保证支架的规格质量,保证一定的支护密度和支架稳定性。量,保证一定的支护密度和支架稳定性。(3)合理缩小控顶距,以利于工作面维护。)合理缩小控顶距,以利于工作面维护。(4)保证直接顶垮落的质量。采空区冒落的矸石可以)保证直接顶垮落的质量。采空区冒落的矸石可
24、以减轻老顶的来压强度。减轻老顶的来压强度。(5)加强正规循环,保持工作面推进速度。)加强正规循环,保持工作面推进速度。本讲稿第三十页,共一百一十五页 由于在第一分层回采时顶板岩层已经历了一次悬露、由于在第一分层回采时顶板岩层已经历了一次悬露、破裂、折断和垮落的过程,完整性受到了破坏;因此,破裂、折断和垮落的过程,完整性受到了破坏;因此,下分层工作面的老顶来压将会显著减弱或者不再显现,下分层工作面的老顶来压将会显著减弱或者不再显现,即通常所说的在回采顶分层时可能出现即通常所说的在回采顶分层时可能出现“动压动压”,而在而在回采下分层时则主要表现为回采下分层时则主要表现为“静压静压”。其基本表现为老
25、顶来压步距小;强度小;支架载其基本表现为老顶来压步距小;强度小;支架载荷变小;顶板下沉量变大。(三小一大)荷变小;顶板下沉量变大。(三小一大)(五)分层开采时的矿山压力显现的基本规律(五)分层开采时的矿山压力显现的基本规律 本讲稿第三十一页,共一百一十五页(六)(六)放顶煤工作面矿山压力显现特征放顶煤工作面矿山压力显现特征支承压力支承压力冒落的松散顶煤冒落的松散顶煤损伤和破坏的顶煤损伤和破坏的顶煤煤层 放顶煤开采技术放顶煤开采技术本讲稿第三十二页,共一百一十五页由由于于放放顶顶煤煤开开采采的的支支架架上上方方存存在在一一层层厚厚而而破破碎碎且且随随采采随随放放的的顶顶煤煤,因因而而与与分分层层
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