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煤矿生产与顶板灾害防治 教案 二OO七年四月 一、煤矿生产 一煤的形成 煤是由古代植物遗体变化而成的。在矿区煤层和顶底板岩层中经常见到植物枝叶等化石。煤的形成过程大致分为三个阶段。 1、泥炭化阶段 该阶段是由植物遗体变成泥炭的阶段。在古代泥炭沼泽中,植物生长十分茂盛。植物不断地繁殖、生长和死亡,其遗体倒在水中,被水淹没而隔绝了空气,不断聚积加厚;同时又不断分解、化合,形成了泥炭。 2、煤化阶段 该阶段是由泥炭变成褐煤的阶段。泥炭层形成以后,由于地壳下降,被泥沙等沉积物复盖掩埋,在压力和地热的作用下,泥炭层开始脱水、压紧,体积缩小,密度和硬度增加,碳含量逐渐增加,氧含量进一步减小,从而形成褐煤。 3、变质阶段 该阶段是由褐煤变成无烟煤的阶段。褐煤形成以后,如果地壳继续下沉,则在温度和压力更大的条件下,褐煤内部成份将进一步变化,最终变成了烟煤,烟煤继续变质就形成了无烟煤。 二煤的埋藏特征 1、煤层结构 根据煤层中有无夹石层,可把煤层分为简单和复杂结构两种。简单结构煤层不含夹石层;复杂结构煤层含夹石层。夹石层有的为一层,有的有多层,而且夹石层厚度也不一样。 2、煤层厚度 煤层厚度是指煤层顶底板之间的垂直距离。煤层厚度差别很大,从几厘米,到几十厘米,有的厚达几十米,甚至百余米。根据采煤方法的需要,将煤层厚度分为三类 1薄煤层煤层厚度小于1.30米。 2中厚煤层煤层厚度在1.303.50米 3厚煤层煤层厚度大于3.50米。 在生产工作中,习惯将厚度在6米以上煤层称为特厚煤层。 3、煤层倾角 煤层倾角是指煤层倾斜面相对水平面的夹角。根据煤层倾角大小将煤层分为四类 1近水平煤层煤层倾角小于8度。 2缓倾斜煤层煤层倾角在825度。 3倾斜煤层煤层倾角在2545度。 4急倾斜煤层煤层倾角在于45度。 三煤层顶底板 位于煤层上面的岩层称为顶板,煤层下面的岩层称为底板。 煤层顶板自下而上分为伪顶、直接顶和基本顶; 煤层底板自上而下分为直接底和基本底。 煤层顶底板岩性及赋存条件与顶板安全管理关系十分密切。顶板破碎容易冒顶;顶板过于坚硬,放顶时不冒落,采煤工作面形成很大的压力,常常将工作面摧垮,使附近巷道塌冒,甚至造成矿毁人亡。对这些特殊的顶板必须采取有效的技术措施,确保顶板安全。 四地质构造 煤层形成以后,由于受到地壳运动作用力的结果,使其形态发生变化,形成多种多样的地质构造。煤田地质构造主要有以下三大类。 1、单斜构造 单斜构造就是在一定范围内,煤层大致向同一方向倾斜。煤层倾斜的方向称为倾向;煤层倾斜面与水平面的交线方向称为走向。 2、褶皱构造 褶皱构造指的是煤层因受地壳运动的作用力,被挤成弯弯曲曲的状态,但仍保持完整性。其中每一个弯曲部分称为“褶皱构造”,褶曲又分为背斜和向斜。背斜指的是煤层向上凸起的褶曲;向斜指的是煤层向下的褶曲。 3、断裂构造 断裂构造就是煤层因受地壳运动的作用力而遭到断裂,失去了原来的连续完整性。断裂构造又可分为裂隙和断层。 裂隙指的是断裂面两侧的煤层没有发生显著的错动。 断层指的是断裂面两侧的煤层已经发生了显著的错动。 断层对采掘安全影响极大。 断层根据断裂面两侧煤层错动的方向分为三种类型 1正断层上盘相对下降,下盘相对上升。 2逆断层上盘相对上升,下盘相对下降。 3平移断层两侧煤层沿断层面做水平移动。 五巷道掘进 为了开采地下煤炭,需要从地面向地下开掘一系列巷道通达煤层。巷道通达煤层以后,需要形成采煤工作面,才能对煤炭进行开采。开采出来的煤炭需要运到井底,然后由井底提升到地面。这些环节涉及到矿井一系列系统,如开拓系统、采煤系统、运输提升系统和通风系统、供电系统、防排水系统等。详见掘进工艺 六工作面回采 采煤的基本工序是破煤、装煤、运煤、支护和回柱放顶。 由于使用的采煤工艺和支护设备不同,采煤工作面分为三种类型 1、炮采工作面。指的是使用煤电钻打眼、放炮落煤、人工装煤的工作面。 2、普采工作面。指的是使用采煤机破煤和装煤的工作面。 3、综采工作面。指的是使用液压自移支架的工作面。其采煤工序为割煤降柱移架升柱移溜,全部实 现机械化作业。综采工作面安全好、产量高、效率高、消耗低,是实现煤炭工业发展和安全生产的重要技术途径之一。 二、顶板灾害防治 顶板事故是指在井下建设和生产过程中,因为顶板意外冒落造成的人员伤亡、设备损坏和生产中止等事故。任何一个井下作业人员每时每刻都在和顶板打交道,疏忽了就要挨砸。 顶板事故是煤矿五大自然灾害之一。它的特点是占全国煤矿事故总起数的比例和总死亡人数的比例最高;在特大事故中所占比例较小和一次死亡人数较少。据统计,2005年全国煤矿顶板事故起数占全国煤矿事故总起数的52.92;顶板事故死亡人数占死亡总人数的33.33;顶板事故一次死亡平均人数为 1.13人。 一冒顶原因 井下采掘工作面发生冒顶的原因很多,也很复杂。但总的来说主要有以下两个方面的原因。 1、客观原因 1采煤过程中因围岩应力重新分布、采煤方法选择不当和巷道布置位置不合理,所需支承压力大于支护的支撑力,从而造成顶板垮落冒顶事故。 2工作面遇到突然出现的地质构造,在按章作业情况下,因设计时资料不全,也会发生冒顶现象。如采煤工作面出现小断层,工作中没有注意分析与观察,采取通常的支护方法往往 发生冒顶事故。 2、主观原因 1采掘工作面规格质量低劣。作业时不坚持敲帮问顶,发现隐患不及时排除;控顶距离掌握不当;空顶作业;违章放炮;冒险回柱作业。 2管理不善。煤矿生产管理不同于其他行业,井下生产条件随时有所变化,生产管理者不深入现场,不带班作业,不严格按三大规程办事,盲目开采、违章指挥、纪律松驰等,常常会造成事故。 二冒顶预兆 1响声顶板压力急剧增大时,支架或支柱下缩发生很大声响,有时还会出现顶板发生断裂的闷雷声即煤炮、板炮。 2掉碴顶板严重破裂时,出现顶板掉碴现象,掉碴越多,说明顶板压力越大。 3片帮冒顶前,煤壁所承受的支承压力增加,煤变松软,片帮煤比平时增多,甚至还有煤的压出和突出。 4裂隙一旦出现新的裂隙或裂隙加宽加深时,就有冒顶的可能。 5漏顶破碎的伪顶或直接顶,在大面积冒落以前,有时会因背顶不严或支架不牢出现漏顶现象。漏顶后,支架棚梁托空,支架松动,当岩石继续冒落时,就会出现大面积冒顶事故。 6脱层顶板将要冒落时,往往出现顶板脱层现象,采用敲帮问顶法不容易发现,当基本顶冒落时,则将发生没有预兆的大面积冒顶或切顶。 三采煤工作面顶板灾害防治 按照发生冒顶事故的力学原因分析,可将采煤工作面顶板灾害分为三大类。它们的防治措施也不相同。 1、坚硬顶板压垮型冒顶 坚硬顶板压垮型冒顶是指采空区内大面积悬露的坚硬顶板在短时间内突然塌落,将工作面压垮而造成的大型顶板事故。 坚硬顶板压垮型冒顶事故的预防措施是改变顶板岩层的物理力学性质及减小顶板悬露面积,加强工作面支护。 1顶板高压注水。从工作面平巷向顶板打深孔,进行高压注水,通过顶板注水可以弱化顶板和扩大岩体中的裂隙及弱面,使顶板岩石强度显著降低。 2强制放顶。采用爆破方法人为地将顶板切断,控制顶板悬露和冒落面积,减弱顶板冒落时对工作面产生的冲击力。爆破时主要在工作面内向放顶线处进行钻孔,也有的在工作面上下平巷内向顶板钻孔。 3加强支护。在工作面加打木垛、抬棚、戗柱等特殊支护,加密支柱等。或选择工作阻力大的液压自移支架。 2、破碎顶板漏垮型冒顶 在采煤工作面某个地点由于支护失效而发生局部漏冒,破 碎顶板就有可能从该处开始沿工作面往上全部漏完,造成支架失稳,导致漏垮型冒顶事故。 破碎顶板漏垮型冒顶事故的预防措施是首先要求支护完整,不致出现顶板局部漏洞;若出现局部漏洞;立即加以堵塞,以防其进一步扩大。 1选用合适的支柱,使工作面支护系统有足够的支撑力和可缩性。 2顶板必须插严背实。 3严禁因放炮、移输送机、回柱放顶和移绞车等工序撞、刮倒工作面基本支护,防止出现局部冒顶。 4一旦出现局部冒顶,即使是很小范围内的一个漏洞,也必须及时将其维护好,不再漏冒碎矸。 3、复合顶板摧垮型冒落 所谓复合顶板就是由下软上硬多层岩石组成的顶板。在工作面开采过程中,由于下部软岩下沉,与上部硬岩离层,支架处于失稳状态。一旦遇有外力作用,工作面支架因水平方向的推力而发生倾倒,造成摧垮型冒顶事故。 复合顶板摧垮型冒顶事故的预防措施是 1在工作面上下平巷掘进时不要破坏其复合顶板,应托伪顶施工。 2工作面初次回采时不要向采空区侧前进。 3避免上下平巷与工作面斜交形成三角形。 4严禁仰斜开采。 5提高支柱的初撑力。 6用拉钩器将工作面支架上下连成一体。 7灵活地应用戗柱或戗棚,使它们迎着顶板岩层可能推移的方向支设。 四巷道顶板灾害防治 井下巷道常发生冒顶的部位有三处,冒顶原因和预防措施如下。 1、掘进工作面碛头冒顶事故的预防措施 掘进工作面碛头支架架设时间短,未压上劲,容易被爆破崩倒;人员作业经常在空顶条件下进行;同时受到地质构造变化影响,所以掘进碛头冒顶事故较多。 1根据掘进工作面顶板岩石性质,严格控制空顶距,坚持使用超前支护前探梁。 2严格执行敲帮问顶。 3在地质破碎带或层理裂隙发肓区等压力较大处要缩小棚距。 4合理布置炮眼和装药量,以防崩倒支架或崩冒顶板。 5在掘进碛头10米范围内采用金属拉杆或木拉条把棚子连成一体,必要时还须打中柱以抵抗顶板突然来压和爆破冲击。 2、巷道交叉处冒顶事故的预防措施 巷道交叉处控顶面积大，支护复杂，是预防巷道冒顶的重 点部位。 （1）开岔口应尽量避开原来巷道冒顶范围、废弃巷道和硐 室。 （2）必须在开口抬棚支设稳定后，再拆除原巷道棚腿。 （3）注意选用抬棚材料的质量与规格，保证其强度。 （4）当开口处围岩尖角被压坏时，应及时采取加强抬棚稳 定性措施。 （5）抬棚上顶空洞必须堵塞严实，空洞高度较大时必须码 木垛接顶。在码木垛时，作业人员应站在安全地点，并设专人 看安全。 3、锚杆支护巷道冒顶事故的预防措施 锚杆支护巷道发生冒顶事故，除地质因素外，主要是由于 锚杆支护的锚固力不足所造成的。提高锚杆的锚固力的措施有 （1）合理选择锚杆间、排距。 （2）科学选择锚杆支护材料。 （3）提高锚杆支护施工质量。 （五）冒顶处理 1、冒顶处理的一般原则 在处理冒顶时，首先必须注意防止冒顶范围继续扩大，确 保抢救人员自身安全，做到“五先五后” （1）先外后里。先检查冒落带以外 5 米范围内支架的完整 11 性，有问题先处理。如巷道一段范围冒顶，坚持先处理外面的， 再逐渐向里处理。 （2）先支后拆。更换巷道支护时，先加打临时支护或架设 新支架，再拆除原有支架。 （3）先上后下。处理倾斜巷道冒顶事故时，应该由上端向 下端进行，以防矸石、物料滚落和支架歪倒砸人。 （4）先近后远。一条巷道内多处冒顶时，必须先处理离安 全出口较近的一处，再向前处理离安全出口较远的一处。 （5）先顶后帮。在处理顺序上，必须注意先维护、支撑好 顶板，再护好两帮，确保抢救人员的安全。 2、冒顶处理的方案 （1）全断面处理，即整巷法或一次成巷法。当冒顶范围不 大，垮落矸石块较小时可采取全断面处理方案。这时，沿冒顶 范围的两端，由外向里，一次架设的新棚子与原棚子断面基本 一致。它的优点是可避免多次松动原已破碎的顶板，缺点是进 度较慢。 （2）小断面处理。如果顶板冒落的矸石非常破碎，采取全 断面处理方案不易通时，可沿煤壁在底部先刷出一条小巷，以 此作为临时通风、运输和行人之用，然后再扩大为原断面永久 支架。它的优点是处理冒顶进度快，缺点是需要二次支护。 （3）绕道处理。在冒顶范围很大、冒落高度很大和顶板岩 石极不稳定的条件下，采用（1）和（2）两种处理方案相当困 12 难、危险时，可采用开补绕道，然后由绕道向冒落带进行处理 的方案。 3、冒顶处理的特殊施工方法 冒顶处理要根据冒顶的范围、冒顶高度、顶板岩性和当时 当地的采掘设备等因素而确定最佳施工方法。 （1）撞楔法。当冒落范围内仍在冒落顶板岩石，或者一动 顶板碎矸就止不住地往下流，应该采取撞楔法。撞楔法是交预 先制定的楔棍（铁或木）用力撞进冒落的碎矸中，抢救人员在 撞楔保护下清除煤矸等物，然后进行支架。 （2）探板法。在冒顶范围不大，顶板没有冒落且矸石暂时 停止下落时可采用探板法。这时先观察顶板，加固冒落带附近 的支架，然后探木板，木板上方的空隙要背严。在木板保护下 清除煤矸等物。 （3）木垛法。当冒落高度较大、原支架基本完整和冒落范 围内顶板比较稳定，不再继续冒落矸石时，可采用木垛法。这 时在原支架上方码放木料，直至接顶。码木垛时要注意顶要接 实背好，防止掉矸，并抵住冒落周边，以防止片帮掉矸。 （4）搭凉棚法。当冒顶高度不大，顶板岩石不再继续冒落、 冒顶范围又不大时，可用采搭凉棚法。这时用 58 根长木料搭 在冒落区两端完好的支架上，抢救人员在凉棚保护下进行清理 煤矸、架棚等工作，架好棚子后，再在凉棚上用木料把顶板接 实。 13 14