矿井开采安全管理培训ppt课件

采掘安全技术讲座

煤矿职工培训中心

孙祖河

采煤工作面矿压显现规律及顶板控制

初次来压特征：老顶初次来压比较突然。来压前回采工作空间上方的顶板压力比较小。因而往往容易使人疏忽大意。初次来压时，老顶垮距比较大，影响的范围也比较广，工作面易出现事故。

老顶初次来压对工作面的影响较大，因此必须掌握初次来压步距的大小，以便及时采取对策。在来压期间，必须加强支架的支撑力，尤其要加强支架的稳定性。一般可以采用木垛、斜撑等特种支架加强回采工作空间的支护。

2)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。

(4)保证直接顶垮落的质量。采空区冒落的矸石可以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。

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，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“动压”，而在回采下分层时则主要表现为“静压”。 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)

图2-2 放顶煤开采技术

由于放顶煤开采的支架上方存在一层厚而破碎且随采随放的顶煤，因而与分层开采相比，其矿压显现也有一些其自身的特点

放顶煤开采时，一次性采出厚度增大，直接顶的垮落高度成倍增加，并且与煤层的采出厚度显著相关。综放开采时，采场上方仍可形成稳定的砌体梁式老顶结构，但其形成的位置相对远离采场，其稳定性也发生了相应的变化。

顶煤运移规律及对矿压显现有显著影响。支架上方的顶煤经过了支承压力作用发生了破碎，刚度降低，但破碎程度与顶煤强度，裂隙分布和支承压力分布情况等有关，坚硬顶煤的运移始动点距煤壁距离较小，累计位移量较小，顶煤的破碎效果较差，传递上覆岩层作用的能力较强，则表现出的矿压显现明显。

支承压力分布区前移。放顶煤开采时，工作面前方的支承压力区距煤壁距离较大，发生前移。对软煤而言，支承压力峰值点距煤壁距离较硬煤的大，峰值小，分布平坦。

支架工作阻力变化不大。放顶煤工作面的支架阻力不大于单一煤层或分层开采的顶分层开采的工作面的。来压的动载系数也没有明显变化，支架以初撑和一次增阻工作状态为主。前柱工作阻力普遍大于后柱的，一般为10 - 15%，对于软顶煤而言，顶煤的破碎和放出较充分，支架顶梁后部上方的顶煤较少，不利于传递上覆岩层的作用，因此相对硬顶煤而言，支架前柱的工作阻力大于后柱的工作阻力这一特点表现的更明显。

二、采煤工作面顶板控制方法

采煤工作空间的直接维护对象是直接顶，直接顶的好坏将对安全生产有直接影响。而直接顶的完整性又受到老顶平衡特征的影响

从一定意义讲控制采煤工作面矿山压力显现主要是控制老顶的活动规律，使其不危及到工作面的安全。

工作面支护的直接对象是直接顶。通过直接顶间接地对老顶的活动起一定的控制作用

采煤工作面顶板控制实质是控制采煤工作面矿山压力显现。

(二).单体支柱支护工作面顶板控制

1.木支柱。

2.摩擦式金属支柱

3.单体液压支柱

(三)综采工作面顶板控制

综采工作面顶板主要是通过液压自移支架来控制的。

液压支架按照支架的支撑特点和结构特点分为

1)支撑式

2)掩护式

3)支撑掩护式

(四)特殊条件下采煤工作面顶板控制

1采煤工作面初采时的顶板控制

2采煤工作面过旧巷时的安全措施

3采煤工作面过小地质构造时的安全措施

4采煤工作面收尾时预防冒顶的安全措施

由于围岩性质的不同，在岩体内开掘巷道后，围岩的变化形式也不一样。

1.围岩为比较稳定的坚硬岩石：

巷道开掘后，在巷道两侧形成支撑压力既是加上回采形成的支撑压力，由于岩石强度高，巷道围岩仍在弹性变化范围内，此时巷道甚至不用支护，极易维护。

2.围岩为中等稳定的坚硬岩石：

巷道开掘后，在巷道两侧形成支撑压力和回采影响形成的支撑压力的作用下，顶板及两帮可能形成局部破碎和片落，支撑压力的最高点外移,巷道上方可以形成自然平衡拱。此时用支架对围岩进行维护，由于支架具有一定的工作阻力，使巷道变形稳定下来。

3.围岩为不稳定的岩石：

巷道开掘后，由于围岩比较软弱，很快便会发生变形、移动和破坏，甚至可能发生冒落，底版也可能发生底臌，在支架支撑下，围岩可以处于极限平衡状态。有时虽有支架支撑也难以阻止其变形，如再受到采动的影响，变化将更剧烈，这时用一般的支架是无法维护的。

二、巷道掘进与支护

巷道掘进和支护是按照设计要求从岩体 中把岩石破碎下来，并对所形成的空间进行支护，防止围岩继续破坏和垮落，其中心问题是破岩和支护。

支护的作用在于改善围岩稳定状况和控制围岩运动的发展速度，以维护安全的工作空间。

巷道掘进方法有机掘和炮掘两种，而炮掘占绝大多数，对顶板的管理影响也以炮掘最大，采用钻爆法掘进的岩石巷道必须采用光面爆破技术。机掘与炮掘相比，巷道成型规整，围岩免遭炮震影响，对巷道围岩稳定性影响小，有利于顶板的管理。

对炮掘作业，为减小爆破与支护对围岩的影响，保证巷道符合设计要求，必须做到以下几点：

1.合理布置炮眼并正确打眼。

2.合理确定爆破参数和爆破顺序。

3.按规定质量标准进行支护.

掘进机掘进破岩技术

1、选择截割煤岩的原则

1)有利于顶板维护。

2)有利于钻进开切，截割阻力小。

3)截割工作效率高。

4)截齿损耗小，震动小。

5)避免出现大块，利于装载转运。

2、截割质量要求

1)按设计对断面形状，支架规格和间距要求，截割时要一次达到够高、够深、够宽。

2)截割出的巷道断面周边轮廓规整，不欠挖、不超挖。

3)截割功率消耗低、截割损耗少。

巷道支护

支护的作用：

改善围岩稳定状况和控制围岩运动的发展速度，以维护安全的工作空间。

支护的分类：

根据支护对围岩的作用形式不同

支：以抵抗围岩变形为主的各种支架形式。

如棚式支架、砌碹等。

护：以提高围岩自身支撑能力和稳定性为

主的各种维护形式。如锚杆支护、锚 喷支护和注凝固剂等。

巷道支护的方式：

木支架

金属支架

锚杆支护

锚喷支护

料石混泥土砌碹

支护方式的选择，决定与围岩稳定状况，动压小的巷道，可采用沉缩量小的刚性支架，动压大的不稳定巷道，应选用可缩性支架。

1)具 有 一 定 的 支 撑 力 。

2) 具 有 一 定 的 可 缩 性 。

3) 具 有 一 定 的 适 应 性 。

巷 道 支 架 应 具 备 的 性 能

3.锚杆支护

锚杆支护是一种快速、安全、经济的的巷道支护方式。

1)锚杆支护理论

⑴悬吊理论：锚杆支护的作用是将巷道顶板较软弱的岩层悬吊在上部坚固的岩层上，控制和减弱岩层的下沉和离层，保持顶板的稳定。

顶板锚固的总体强度应大于软弱岩层的重量，并保持1.5~3.0的安全系数。

(2)组合梁理论：通过锚杆的支护作用，将顶板中不稳固的若干较薄的层状岩层锁紧成一个较厚的岩层，由叠合梁变成组合梁，显著提高岩梁抗弯曲能力并减小跨度。

(3)紧固理论：在块状围岩中，锚杆可将巷道周围的危岩彼此挤紧，从而加固成能承受载荷的整体结构。

(4)压缩(组合)拱理论：在松软岩层中，各个锚杆形成的压应力圆锥体交错重叠，形成一个连续的均匀压缩(组合)拱，以承受其外部破碎岩石施加的径向载荷。

2)锚杆的种类及适用范围

按 锚杆的种类很多，现在普遍使用的有：木锚杆、压缩木锚杆、金属楔缝式锚杆、金属倒楔式锚杆和钢筋旧钢丝绳锚杆。

(1)木锚杆：结构简单、制造容易、成本低。但锚固力小(1吨左右)，使用期短。

一般用于围岩压力不大、服务年限不长(一年左右)的巷道。如经防腐处理，可以服务2~3年。

(2)压缩木锚杆：这种锚杆安装后，逐渐吸收空气中的水分，整体膨胀，挤压孔壁，形成整体锚固。因此其锚固力比普通木锚杆大，如进行防腐处理，使用期限可达，使用期可达5年以上。

(3)金属楔逢式锚杆：结构简单，工作可靠。但使用后一般不能回收，岩层较软时不能使用。

(4)金属倒楔式锚杆：锚固力可达4吨以上。适用于服务年限3年以上的巷道。

(5)钢筋沙浆锚杆：结构简单、制造容易、成本低、锚固力大。但不能立即实现初锚力。如配合喷浆使用，可用在服务年限较长1的主要巷道和硐室，此外还可用来防止巷道底臌。

3)锚杆支护的优缺点

(1)优点：坚固、耐用、安全、可靠，巷道维护量小、施工工程简单、劳动强度低，可紧跟掘进工作面，便于组织掘进、支护平行作业和一次成巷。有利于实现快速掘进和支护机械化。可缩小巷道掘进面的10%~20%，节省大量建筑材料，掘进费用低。

(2)缺点：打顶眼困难。

4、喷浆支护

能够防止围岩风化，充填围岩裂隙，补平围岩凹凸，防止围岩裂隙的发育和围岩表面应力的集中，提高围岩的稳定性和支撑能力。

1)优点：工艺简单、机械化程度高、速度快、效率高、成本低和应用范围广等。

2)缺点：粉尘大，回弹物多。

顶板事故的统计分析

常见顶板事故的分类

(一)局部冒顶事故

局部冒顶事故的特点是范围小，每次伤亡人数较少，很容易被人忽视，以致于这类事故不断发生。统计分析证明，每年因局部冒顶事故造成的死亡人数比重占60%一70%， 重伤事故比重高达80%以上。

局部冒顶就其触发的原因主要有两个方面：

一是已破碎的顶板未能及时支护而局部冒落;

二是老顶下沉迫使直接顶破坏支护系统，而造成局部冒落。这类事故就其发生的时间和地点而言，存在着一定的规律性，即绝大部分发生在临近断层、褶曲轴部等构造带范围。在正常顶板条件下，则多数发生在老顶宋压前后，特别是发生在直接顶是巾强度较低、分层厚度较小的岩层组成的条件下。

采煤工作面常见的顶板事故类型

常见顶板事故的统计

事故发生的时间及地点

采煤工作面从开切眼推进到停采线为止，按顶板运动和矿压显现特征可分为两个阶段，其一是老顶的初次来压阶段;其二是老顶的周期来压阶段。

事故的类型及作用力来源

统计分析表明，所有重大切顶事故都是由直接顶来压或老顶来压所引起的，由表可知，其中直接顶来压所造成的事故占61%，而老顶来压所造成的事故仅占39%。由此可知，准确预报直接顶来压和老顶来压的时间和位置，提前采取措施，用正确的采煤方法、合理的支护方式及特殊的支护形式，是完全可以避免重大事故发生的。

事故的范围

通过对30多次工作面切顶垮面事故的分析，由表可知，绝大部分垮面事故的范围是有限的，全工作面塌垮的严重事故极少。除直接顶和老顶来压可能分段进行外，事故的发生与工作面的生产工艺过程、各过程的操作情况以及工作面有关部位的支护状况有关。例如，直接顶在煤壁附近断裂时，采煤机盲目高速向前推进，造成大面积空顶，极易在直接顶和老顶来压时造成推垮工作面事故。所以，应掌握顶板来压的规律，事前掌握顶板活动的信息，从操作工艺、支护方式上采取正确的措施，多数事故是可以避免的。

事故发生的煤层统计

对30次顶板事故发生的煤层厚度条件统计分析的结果。由表可知，80%的冒顶事故发生在中厚及厚煤层条件下;薄煤层的采高小，顶板允许活动的空间小，顶板事故仅占20%;开采厚煤层下分层时所发生的顶板事故占58%，其主要原因是工作面人工顶板胶结不好，很容易发生局部冒顶，导致发生大面积推垮工作面事故。

事故发生的工艺技术条件

由表可知，采煤工作面使用不同支护类型支架对顶板事故发生有很大影响。采用金属摩擦支柱的工作面占66.7%，其主要原因是金属摩擦支柱初撑力小，支护质量难以保证，而单体液压支柱初撑力高，可缩量大，呈恒阻特性，能适应顶板下沉和作用力的要求，很少出现工作面垮面现象。

局部冒顶事故的防治

据统计，采煤工作面冒顶事故中，局部冒顶事故约占70%左右。由于这类事故范围较小，有时仅为1～2架或3～5架支架的范围，每次伤亡为1—2人，因而没有引起人们的足够重视。

局部冒顶的原因有两类：

一类是由于直接顶被破坏后失去有效的支护而造成局部冒落;另一类是老顶下沉迫使直接顶破坏工作面支架而造成局部冒顶。

从事故发生的地点来看，局部冒顶町分为靠近煤壁附近的局部冒顶、上下出口局部冒顶、回柱放顶线附近的局部冒顶和断层带附近的局部冒顶。

大型冒顶事故的防治

工作面大面积冒顶的预兆

采煤工作面随回柱放顶工作进行，直接顶逐渐垮落，如果直接顶垮落后未能充满采空区，则坚硬的老顶要发生周期来压。来压时煤壁受压发生变化，造成工作面压力集中，在这个变化过程中工作面顶板、煤帮、支架都会出现老顶来压前各种预兆。

1)顶板的预兆

顶板连续发出断裂声，这是由于直接顶和老顶发生离层，或顶板切断而发出的声音。有时采空区顶板发出像闷雷的声音，这是老顶和上方岩层产生离层或断裂的声音。顶板岩层破碎下落，称之为掉渣。这种掉渣一般由少逐渐增多，由稀而变密。顶板的裂缝增加或裂隙张开，并产生大量的下沉。

当巷道围岩应力比较大、围岩本身又比较软弱或破碎、支架的支撑力和可缩量又不够时，在较大应力作用下，可能损坏支架，形成巷道冒顶，导致顶板事故。

巷道顶板事故形式多种多样，发生的条件也各不同，但它们在某些方面存在着共同点。根据这些事故发生的原因与条件，可以制定出防范顶板事故发生的相应措施。

过断层等构造变化带的安全措施

(1)加强构造变化带的地质调查工作，查清地质资料，及时制定具体的施工方法与安全措施。

(2)减小空顶距离，缩短围岩暴露时间，及时架设临时支架，尽可能快地架设永久支架。永久支架滞后距离一般不能大于2m～4m，采用砌碹支护时，每次掘砌宽度不得超过1 m。

(3)适当改变巷道支护方式。巷道穿越地质破碎带时，可缩小棚距或改用砌碹及U型可缩性金属支架支护。

(4)减少放炮装药量，降低因放炮对断层带附近破碎顶板的震动。如果放炮法难以控制与管理顶板，可改用手镐方法掘进。

(5)不稳定顶板采用超前探梁支护，绝对禁止在空顶条件下作业。

(6)施工中严格执行操作规程、交接班和安全检查制度，随时注意围岩稳定状况的变化，发现异常要及时处理。

(7)巷道接近断层构造带时，放炮前还必须检查掘进工作面瓦斯等有害气体的积存情况，做好断层水的探查工作，有异常情况要及时处理。

在松软膨胀岩层或破碎煤体中掘进的安全措施

在施工方法上可采用超前导硐法、短段掘砌法、撞楔法等施工方法。

采用锚喷支护或锚、喷、支混合支护来减少围岩暴露时间，控制不稳定顶板。

采用注浆法加固破碎岩石，即往正在掘进或已掘好的巷道围岩中加注水泥浆或水泥砂浆，使围岩胶结加固。

改变巷道断面形式。在松软易膨胀岩层中，可采用受力状态好的巷道断面形式，如拱形、圆形、椭圆形等。

大断面巷道施工时顶板控制措施

(1)要有专人负责检查和处理顶板，根据顶板稳定情况及时采取适当的临时支护。

(2)在施工时(特别是在交岔点施工时)及时支护暴露出来的顶板，并注意保证支护质量。

(3)处理留下的岩柱时，应采用缩小眼距、眼深，减少装药量的爆破方法，防止震裂巷道顶板。

开帮与贯通时的安全措施

(1)开帮和贯通地点要选在围岩条件比较好、远离交岔点与停采线、煤柱等各种受集中应力影响的地方。

(2)在两巷贯通前15m开始打超前钻进行超前探测，探钻眼深不得小于3m，并保持1.5m的超前探眼。贯通时要放小炮。

(3)要加固好开帮贯通点附近的支架，及时进行支护，缩短顶板暴露时间。

(4)处理好开帮贯通点的积水，及时对有害气体进行检测、处理。

巷道维修及冒顶处理的一般原则

先外后里

先检查该处前后5 m范围内支架的完整情况，有问题先处理。必要时可采取临时加固措施，例如加密支架，加打木垛。前后支架拉紧支牢，加打抬板，插严背牢等，以增加后路、外围支架的支护能力和稳定性，确保后路畅通。

对一段范围巷道维修和冒顶处理时，也必须坚持先处理外面的(离安全出口近的那一头)，逐渐向前处理，再处理里面的，直至该段范围全部处理通。禁止在巷道只存一个安全出口的情况下两头处理，这样可以避免因维修和冒顶地带再一次发生冒顶，将人员堵在里面。

先支后拆

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，必须及时除掉顶帮后矸和架没永久支护，必要时还应采取临时支护措施。 如需更换柱腿，应该先用内注式单体液压支柱或金属摩擦支柱在顶梁下打好立柱，再拆去旧柱腿。

巷道维修及冒顶处理的一般原则

先上后下

倾斜巷道维修支架和处理冒顶时应改由上至下进行。特别是倾角在15°以上时，必须有防止矸石、物料滚落和支架歪倒的安全措施。

先近后远

当一条巷道存有几处需要维修支架和处理冒顶的地段，应该先处理距安全出口较近的那段，再向前处理较远的那一段，直至把巷道内的各段都维修好或处理通。这样可以避免因距安全出口较近的那一段再次冒顶，将里面那一段的作业人员堵在里面。

先顶后帮

为了保证操作人员的人身安全，在处理程序上必须注意先维护，支撑住顶板，再维护好两帮。如巷道一侧片帮需要处理，这时必须在顶梁下靠片帮侧打—卜一根立柱，使顶板稳住，然后对片帮空间进行架设支架。

巷道冒顶事故的处理方法

1.局部冒顶时的处理方法

(1)先加固整理好冒顶区前后的完好支架，支架间用拉杆或绳子连好，背顶封帮要严密。

(2)及时封顶、控制冒顶范围的扩大。一般情况下可采用木垛法进行处理，处理人员站在安全一侧处理掉冒顶区顶部活动矸石块，确认无危险后抓紧安没支架，砌好护顶木垛，并逐步加高护顶木垛使其托住顶板。

(3)在具备锚喷支护条件时，可考虑使用锚喷支护法处理冒顶区域。

巷道冒顶事故的处理方法

2.大面积冒顶的处理方法

如果冒顶范围较大(如冒顶区长6m～8m、冒高3m左右)时，可以采用从冒落区两边相向处理、利用绞架控制顶板的方法。

(1)加固冒落区附近的支架。可在巷道两帮打木板抬棚，以提高支架稳定性与支撑能力。

(2)架设绞架前要用长杆工具站在有支架掩护的地方敲下松动浮矸，确认无危险时再进行工作，并随时注意顶板变化情况。

(3)架设绞架地点至少要有高2m左右、宽1m以上的安全出口，如果顶板破碎、冒高过大时，则禁止架设绞架。

(4)如果巷道内冒顶高度与范围都很大，用绞架方法进行处理可能要消耗大量坑木，而且也不安全时，可另开绕道，绕过冒顶区。