煤矿顶板灾害与防治技术

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1、摘要：采矿作业不断深入和发展，顶板灾害逐渐被人们认识，现已 成为煤矿井下五大自然灾害之一，顶板事故的不断扩大和蔓延，给煤 矿生产带来很多困难，甚至造成巨大经济损失和重大人员伤亡，在煤 炭行业发展整个过程中，因为顶板问题导致的安全事故很多，近年来 也时有发生，顶板事故的特有性质决定了其具有很大的危害性,为此， 掌握基本的顶板理论知识、找出顶板事故发生的原因并总结过去所发 生事故的经验与教训、认识到顶板灾害的严重性并积极做好预防措施 已经显得非常重要，另外，改进生产工艺、研究新的科学方法减少甚 至杜绝顶板事故的发生已经迫在眉睫。关键词： 煤矿顶板、顶板事故、顶板事故原因、顶板事故预防、顶板事故控制

2、和处理一、顶板事故的形式和特点（一）采煤工作面顶板事故1. 局部冒顶事故局部冒顶事故实质上是已被破坏的顶板失去依托而造成的。2. 大冒顶事故、米煤工作面大冒顶事故也叫米场大面积切顶、落大顶、垮面。1）由直接顶运动所造成的垮面事故（1）推垮型事故（2）压垮 型2）由老顶运动所造成的垮面事故（1）冲击推垮型（即砸垮型）事 故（2）压垮型事故3）大冒顶事故发生的时间地点（二）巷道顶板事故巷道的变形和破坏形式是多种多样的，巷道中常见的顶板事故按 照围岩破坏部位可分为：巷道顶部冒顶掉矸、巷道壁片帮以及巷道顶、 帮三面大冒落三种类型。按照围岩结构及冒落特征又可分为：镶嵌型 围岩坠矸事故、离层型围岩片帮冒顶

3、事故、松散破碎围岩塌漏抽冒事 故以及软岩膨胀变形毁巷事故等几种形式。二、影响顶板事故的主要因素（一）影响采煤工作面顶板事故的因素1. 自然因素（1）煤层倾角（2）采煤工作面的围岩组成（3）地质构造（4）开采 深度（5）煤层厚度2. 开采技术开采技术对采煤工作面顶板管理的影响是多方面的，不仅与支护 方式有关，还受到回采工艺及其参数（采高、控顶距、循环进度等）、 采空区处理方式、是否分层开采等开采技术因素的影响。（二）影响巷道顶板事故的因素1. 自然因素（1）岩石性质及其构造特征（2）开采深度（3）煤层倾角（4）地质构造因 素（5）水的影响（6）时间因素的影响2. 开采技术因素（D巷道与开采工作的

4、关系，如巷道是处于一侧采动还是两侧采 动的条件下，是受初次采动还是受多次采动影响；（2）巷道的保护方法，如巷道是依靠留煤柱保护还是在巷旁用专 门的刚性充填带保护；（3）巷道本身采用的支架类型和支护方式。三、支护原理1. 采煤工作面支护原理根据矿山压力的理论，整个采煤工作面上覆岩层中，裂隙带老顶 岩层能够形成一种“大结构”。2. 巷道支护原理在开掘巷道以后形成的“支架一围岩”力学平衡系统中，围岩通 常承受着大部分的岩层压力，而支架却只承担其中一部分。二、采煤工作面顶板情况和来压的预测（一）破碎情况的预测预报工作1、构造破碎的推断2、支承压力影响分析3、预测顶板情况（二）老顶来压的预测预报1. 在

5、生产中反映老顶动态情况的主要现象有：（1）顶板下沉速度的 变化，老顶在两次强烈运动之间（2）支柱的承载情况，支柱受力是 顶板运动的结果。（3）直接顶中强度较高、支承压力破坏不严重的 部分，在上覆岩层相对静止时期，可能顶板放不下来而出现悬顶现象。（4）“板炮”（铁柱子“放炮”、活柱高速沉缩时发出雷鸣般的声响， 是老顶活动的标志，顶板愈坚硬，这一现象愈明显。2. 预示来压的支承压力显现（1）顶板的挠曲程度（2、煤壁片帮（3）支柱钻底。二、采煤工作面顶板管理的技术要求（一）单体支护密度在确定了必要的支护强度P后，支护密度n即可由下式求出，TPn tR即：T式中R为支柱在工作面实际能够达列的平均承载能

6、力。可由 下式求得：T如果计算出支护密度（n）超过实际所允许的数值，应当采取增加必要的特种支护措施。（二）单体支护控顶方式1. 周期来压不明显的采场，特别是在直接顶松软或者是采底分 层的情况下，应当尽可能的缩小控顶距和放顶步距。2. 周期来压明显、强度较大的采场，单体支护工作面一般应适 当加大控顶步距。（三）采煤、控顶之间的时、控关系组织1. 对于周期来压不明显的采场，特别是直接顶本身岩性强度不 高，顶板稳定性差的情况下，单体支护工作面应当强调跟随机后架设 临时支柱、采煤、控顶平行作业，尽可能缩小采煤、回柱放顶操作间 的距离，以增加工作面推进速度。2. 对于周期来压明显，来压较大，顶板稳定性好

7、的采场，应当 在来压前后采取不同的时、控组织方案。三、采煤工作面顶板管理的制度要求（一）煤矿安全规程对顶板管理的总体要求1. 采煤工作面必须按照作业规程及时支护，严禁空顶作业。2. 严格执行敲帮问顶制度。3及时放顶或充填，控顶距离超过规定时禁止采煤。4. 开采近距离煤层，上一煤层采用刀柱法、条带法或带状充填 法控制顶板，下一煤层采用垮落法控制顶板时，必须制定控制顶板的 安全措施。5. 采煤工作面的伞檐不得超过作业规程的规定，不得任意丢失 顶煤和底煤。工作面的浮煤应清理干净。6. 采煤工作面必须经常存有一定数量的备用支护材料。（二）综采工作面顶板管理注意事项1. 必须根据矿井各个生产环节、煤层地

8、质条件、煤层厚度、煤 层倾角、瓦斯涌出量、自燃发火倾向和矿山压力等因素，编制设计（包 括设备选型、选点）。2. 运送、安装和拆除液压支架时，必须有安全措施，明确规定 运送方式、安装质量、拆装工艺和控制顶板的措施。3. 工作面煤壁、刮板输送机和支架都必须保持直线。4液压支架必须接顶。5. 采煤机采煤时必须及时移架。6. 严格控制采高，严禁采高大于支架的最大支护高度。当煤层 变薄时，采高不得小于支架的最小支护高度。7. 当采高超过3m或片帮严重时，液压支架必须有护帮板，防 止片帮伤人。8. 工作面两端必须使用端头支架或增设其它形式的支护。9. 工作面转载机安有破碎机时，必须有安全防护装置。10.

9、处理倒架、歪架、压架以及更换支架和拆修顶梁、支柱、座 箱等大型部件时，必须有安全措施。（三）单体支护工作面顶板管理注意事项1. 工作面端头支护形式、材料、规格必须在作业规程中明确规 定2. 支架排柱距符合煤矿安全规程要求，误差不大于土0.lm。3应提倡和推广交错支设方式，交错长度应为0.6m，齐头梁 不利于对顶板的有效支护，因此应避免齐头梁，如果作业规程规定交 错布置，则应杜绝齐头梁现象。4 回柱放顶应有明确规定和安全措施。5. 整个回柱工作必须在有经验的老工人指挥下进行，并且要清 理好安全退路，一旦顶板发生险情，能立即撤离险区。采空区要每隔 一段距离留有信号柱子。6. 采煤机割煤时应追机支设

10、临时贴帮点柱。三、采煤工作面顶板灾害防治技术一、局部冒顶事故预防措施1. 防止应力集中和放顶不实2.合理选择工作面推进方向3.采取正 确的支护方法4.坚持工作面正规循环作业5.减少顶板暴露面积和 缩短顶板暴露时间1）单体支柱采煤工作面2）液压支架采煤工作面二、大冒顶的防治措施（一）大冒项的原因1 初次放顶。2. 工作面工程质量低劣，支架规格质量标准不符合要求。3. 顶板管理不善。4 地质构造。（二）预防大冒顶的措施1. 必须加强矿井生产的地质工作，对每个采区、每个采煤工作 面的顶底板岩性、组成和物理力学性质；煤质软硬、厚度和倾角的变 化；2. 认真编制采区设计和工作面作业规程。3. 大力开展顶

11、板观察工作，掌握顶板活动规律，进行顶板来压 预报。4. 重视初次放顶，加强有效的安全措施。5. 加强工作面支护和管理。（三）不同顶板条件下预防冒顶事故的技术要求1. 采煤工作面过断层、褶曲等地质构造带顶板灾害的防治1）采煤工作面过断层（1）过断层的方法。采煤工作面过断层时，先把断层落差、范 围、与走向的交角弄清楚，然后制定过断层的方法。（2）过断层常用的支架方式。2）采煤工作面过褶曲采煤工作面过褶曲时事先挑顶或卧底，底板起伏变化平缓。3）采煤工作面过冲刷带冲刷带在采煤工作面破碎范围较大，使煤层变薄，甚至尖灭。4）采煤工作面过陷落柱（无炭柱）5）遇劈口支护方法2. 采煤工作面过老巷顶板灾害的防治

12、（1）维护加固老巷（2）调整过老巷方向（3）液压支架过老巷（4）老巷在工作面下方3. 复合型顶板灾害的防治（1）严禁仰斜开采（2）掘进工作面平巷不能破坏复合型顶板（3） 初米时不要反向推进（4）提咼支架的稳定性（5）提咼单体支柱的初 撑力和刚度4. 金属（塑料）网假顶顶板灾害的防治（1）开采第一分层时，从切眼推采开始到初次放顶，由采空区 向顶板打深孔（35m ）爆破将煤崩出，直接顶崩碎，充填网上冒落 空隙，以阻止六面体的去路。深孔爆破的部位主要是开切眼附近、上 分层停采位置及工作面上下两端。（2）注意提高铺网质量（3）开采第二分层时，其开切眼位置应 采用内错式布置，避免网上碎矸上方存有空隙。（

13、4）尽可能延长第一分层与第二分层的开采间隔时间。（5）为了使金属（塑料）网不出现网兜，在开采第一分层时沿 工作面倾斜方向每隔0.61.0m铺设一根底梁（长度为1.21.6m）， 底梁可以采用对接方式，也可以采用搭接方式。5. 直接顶异常破碎时顶板灾害的防治（1）选用合适的支柱，使工作面支护系统有足够的支撑力与可 缩量（2）顶板必须背严实（3）严禁放炮、移溜等工序弄倒支架，防 止出现局部冒顶四、巷道顶板灾害的防治一、巷道掘进和支护的基本安全注意事项1. 从总的方面看，要防治巷道顶板事故，在开掘巷道时就应该 避免把巷道布置在由采动引起的高应力区内，或布置在很软弱破碎的 岩层里。2. 掘进工作面严禁

14、空顶作业。3. 在松软的煤、岩层或流砂性地层中及地质破碎带掘进巷道时, 必须采取前探支护或其它措施。4. 支架间应设牢固的撑木或拉杆。5. 更换巷道支护时，在拆除原有支护前，应先加固临近支护， 拆除原有支护后，必须及时除掉顶帮活矸架设永久支护，必要时还应 采取临时支护措施。6. 开凿或延深斜井下山时，必须在斜井及下山的上口设置防止 跑车装置，在掘进工作面的上方设置坚固的跑车防护装置，以防跑车 冲倒支架造成巷道冒顶。7. 由下向上掘进250以上的倾斜巷道时，必须将溜煤（矸）道与 人行道分开，防止煤（矸）滑落伤人。二、不同地点防治顶板事故的注意事项1 掘进头（1）根据掘进头岩石性质，严格控制空顶距

15、（2）严格执行敲帮 问顶制度（3）在掘进头附近应采用拉条等把棚子连成一体防止棚子 被推垮，必要时还要打中柱以抗突然来压（4） 一般情况下永久支护 离迎头的距离不得超过一个循环的进尺（5）巷道顶部锚杆施工时应 由外向里逐个逐排进行，不得在所有的锚杆眼施工完后再安装锚杆2. 巷道交叉处防治巷道开岔处冒顶的措施如下：(1) 巷道交岔点的位置尽量选在岩性好、地质条件稳定的地点， 开岔口应避开原来巷道冒顶的范围。(2) 采用锚杆(锚索)对巷道交岔点支护时，要进行顶板离层 监测，并在安全技术措施中对支护的技术参数、监测点的布置及监测 方法等进行规定。(3) 架棚巷道的交岔点采用抬棚支护时，要进行抬棚设计，

16、根 据设计对抬棚材料专门加工，抬棚梁和插梁要焊接牙売。注意选用抬 棚材料的质量与规格，保证抬棚有足够的强度；(4) 当开口处围岩尖角被压坏时，应及时采取加强抬棚稳定性 的措施。(5) 必须在开口抬棚支设稳定后再拆除原巷道棚腿，不得过早 拆除，切忌先拆棚腿后支抬棚。3. 围岩松散破碎地点(1) 炮掘工作面采用对围岩震动较小的掏槽方法，控制装药量 及放炮顺序。(2) 根据不同情况，采用超前支护、短段掘砌法、超前导硐法 等少暴露破碎围岩的掘进和支护工艺，缩短围岩暴露时间，尽快将永 久支护紧跟到迎头。(3) 围岩松散破碎地点掘进巷道时要缩小棚距，加强支架的稳 固性。(4) 积极采用围岩固结及冒落空间充

17、填新技术。对难以通过的 破碎带，采用注浆固结或化学固结新技术。(5) 分层开米时，向风顺槽及开切眼放顶要好，坚持注水或注 浆提高再生顶板质量，避免出现网上空硐区。(6) 在巷道贯通或通过交叉点前，必须采用点柱、托棚或木垛 加固前方支架，控制放炮及装药量，防止崩透崩冒。(7) 维修老巷时，必须从有安全出口及支架完好的地方开始。三、不同支护方式防治顶板事故的注意事项1 支架支护 根据冒顶的原因，提出如下预防措施：(1) 可能的情况下巷道应布置在稳定的岩体中，并尽量避免采 动的影响。(2) 巷道支架应有足够的支护强度以抗衡围岩压力。(3) 巷道支架所能承受的变形量，应与巷道使用期间围岩可能 的变形量

18、相适应。(4) 尽可能做到支架与围岩共同承载。(5) 凡因支护失效而空顶的地点，重新支护时应先护顶，再施 工。(6) 巷道替换支架时，必须先支新支架，再拆老支架。(7) 在易发生推垮型冒顶的巷道中要提高巷道支架的稳定性， 可以在巷道的支架之间用拉撑件连接固定，增加架棚的稳定性，以防 推倒。2.锚杆、锚喷支护米用锚杆、锚喷支护形式时，应遵守下列规定：(1) 锚杆、锚喷等支护的端头与掘进工作面的距离，锚杆的形 式、规格、安装角度，混凝土标号、喷体厚度，挂网所采用金属网的 规格以及围岩涌水的处理等，必须在施工组织设计或作业规程中规 定。（2）采用钻爆法掘进的岩石巷道，必须采用光面爆破。（3）打锚杆眼

19、前，必须首先敲帮问顶，将活矸处理掉，在确保 安全的条件下，方可作业。（4）使用锚固剂固定锚杆时，应将孔壁冲洗干净，砂浆锚杆必 须灌满填实。（5）软岩使用锚杆支护时，必须全长锚固。（6）锚杆必须按规定做拉力试验。煤巷还必须进行顶板离层监 测，并用记录牌板显示。对喷体必须做厚度和强度检查，并有检查和 试验记录。在井下做锚固力试验时，必须有安全措施。（7）锚杆必须用机械或力矩扳手拧紧，确保锚杆的托板紧贴巷 壁。3. 砌碹支护（1）采用钢筋混凝土砌漩。（2）在掘砌一次成巷施工中，掘进工作面到砌碹地点一般保持 2040 m距离。巷道砌碹时，采取临时支护措施。（3）顶板不好时要有专门措施，实行短掘短砌。（

20、4）采用料石砌碹时，砌碹用的料石材质和几何尺寸必须符合 设计要求并经检验合格，不准用风化石料。（5）要明确规定抬棚长度和立拱架长度、砌墙和扣拱之间的距 离以及永久支护（砌碹）和临时支架之间的距离。（6）砌墙和扣拱必须做到灰浆饱满，不准有干缝瞎缝，不准出 现重缝现象。砌墙时必须把料石用石楔支平。（7）拱架之间必须有撑杆拉手，拱架要支稳支牢，保证巷道中 腰线符合规定。五、顶板事故处理一、顶板事故处理基本原则1. 采煤工作面冒顶的处理原则（1）顶板冒落范围不大时，如果遇难人员被大块矸石压住，可采 用干斤顶、液压起动器等工具把大块岩石顶起，将人迅速救出。（2）顶板沿煤壁冒落，矸石块度比较破碎，遇难人员

21、又靠近煤壁 位置时，可采用沿煤壁由冒顶区从外向里掏小硐，架设梯形棚子维护 顶板，边支架边掏硐，把遇难人员救出。（3）如果遇难者位置靠近放顶区时，可采用沿顶板区由外往里掏 小硐，架设梯形棚子，木板背帮背顶，或用前探棚边支护边掏硐，把 遇难人员救出。（4）工作面冒落范围较小，矸石块度小，比较破碎、并且继续下 落、矸石扒一点漏一点。救护人员在这种情况下处理冒顶，抢救人员 时，可采用撞楔法处理，控制住顶板。2. 巷道冒顶的处理原则（1）先外后里。（2）先支后拆。（3）先上后下。（4）先近后远。（5）先顶后帮。六、采煤工作面冒顶事故防治一、采煤工作面冒顶事故处理（一）局部小冒顶的处理方法1. 掏梁窝架棚

22、法在冒顶范围不大、工作面没有堵死、矸石暂时停止下落的情况下 可采用架棚法。具体方法步骤是：（1）在掏梁窝或挂顶梁之前，必须先检查冒顶地点附近的支架 情况，发现有折损、歪扭、变形的柱子，要立即处理好，以防继续冒 顶和掉矸伤人。（2）在冒顶范围内清理出一部分塌矸后，进行掏梁窝架单腿棚 子或金属悬臂梁的工作。（3）架好单腿棚子或挂好悬臂梁后，棚梁上的空隙要用木料架 设小木垛接到顶。架小木垛前应先挑落浮矸，小木垛必须插紧背实， 阻止冒落进一步扩大。（4）小木垛架好后，便可清理浮煤煤矸，打好贴帮柱，防止片 帮。2. 撞楔法（二）大冒顶的处理方法1. 小巷法（1）从采面冒顶的两头，由外往里，先用双腿套棚维

23、护好顶板, 保护后路畅通无阻。梁棚上用板皮刹紧背严，防止顶板继续错动、垮 落。梁上如有空顶，要用小木垛插紧背实。（2）边整工作面，边支棚子，把垮落的矸石清理并倒入采空区, 每整0.5 m支一架板梁棚管理顶板。（3）遇到大块岩石不易破碎，应采用电钻（如有压风，最好是 用风钻）打眼放小炮的方法破碎岩石。（4）如顶板垮落的矸石很碎，一次整巷不易通过时，可先沿煤 帮运输机道整修一条小巷，支架形式可采用人字形掩护支架。（5） 若采煤机在冒顶区前方，当运输机除矸时，应先将采煤机吊起，以便 矸石能顺利通过。2. 开巷绕道法1）冒顶发生在工作面机尾处（1）补巷的支架多数采用一梁二柱或一梁三柱棚子。（2）冒顶区

24、埋压的设备、支架材料（3）若冒顶区范围较大，岩石堵塞巷道，造成采空区回风角瓦 斯积存，可用临时挡风帘或临时安装局扇排除。2）冒顶区在工作面中部（1）新开切眼的掘进可采用对打的方法，以加快掘进速度。（2）对压埋在冒顶区的设备和材料，用整通小巷的办法，分段 进行回收。（3）回收完设备、支架和材料后，应在煤柱上打眼放炮，人工 倒采几个循环，最好采透直达冒顶区，避免煤柱支撑顶板，给以后回 米造成困难。3）冒顶区在工作面的机头侧二、巷道冒顶事故处理冒落巷道的处理方法有木垛法、搭凉棚法、直接支架法、撞楔法、 锚喷法、绕道法。四、救护队处理冒顶事故的行动（1）闻讯后立即赶到现场，了解事故发生的原因、地点，围

25、岩 情况，冒顶附近的安全状况，参加制定抢救方案。（2）进入现场了解和掌握情况，如实汇报。（3）在老工人的配合下进行抢救，一要速度快，二要机智灵活, 集体行动。（4）抢救过程中，要用呼喊、敲打的方法判断遇难人员的位置 和人数。用千斤顶支撑大块矸石，试探中用木棍，小心地使用工具， 以免伤害遇难人员。（5）抢救被埋堵的遇难者时，要迅速用掏小硐等方法接近他们， 利用管路和打孔等方法给他们输送新鲜空气、饮料和食物。不要用强 光照射遇难著。（6）必要时，对遇难者要及时在现场进行医疗抢教，如止血、 人工呼吸、包扎等。（7）抢救出的人员要迅速急救包扎，送进医院。搬运受伤人员 时，要轻抬轻放，时刻注意伤情变化。

26、（8）救护队要时刻注意冒顶区域顶板变化、瓦斯及有毒有害气 体。参考文献1 国家安全生产监督总局，国家煤矿安全监督局.煤矿安全规程M. 北京：煤炭工业出版社，2006.2 李白英.开采损害与环境保护M.北京：煤炭工业出版社，2004.3 杜计平，孟宪锐.采矿学M.徐州：中国矿业大学出版社，2009.4 钱鸣高，石平五，许家林矿山压力与岩层控制M.徐州：中国矿 业大学出版社，2010.5 段绪华.煤矿顶板事故防治新技术M.北京：中国矿业大学出版 社，2008.6 耿献文.矿山压力测控技术M.徐州：中国矿业大学出版社,2004.7 耿献文，林东才.煤矿顶板管理技术M.徐州：中国矿业大学出版 社，1997.8 煤矿企业井下作业人员全员培训教材M.徐州：中国矿业大学出 版社，2007.9 蔡美峰.岩石力学与工程M.北京：科学出版社，2002.10 窦林名，何学秋.冲击矿压治理与技术M.徐州：中国矿业大学 出版社，2001.