煤礦生產與頂板災害防治培訓教案

　　煤礦生產與頂板災害防治培訓教案

　　二OO七年四月

　　一、煤礦生產

　　(一)煤的形成

　　煤是由古代植物遺體變化而成的。在礦區煤層和頂底板巖層中經常見到植物枝葉等化石。煤的形成過程大致分為三個階段。

　　1、泥炭化階段

　　該階段是由植物遺體變成泥炭的階段。在古代泥炭沼澤中，植物生長十分茂盛。植物不斷地繁殖、生長和死亡，其遺體倒在水中，被水淹沒而隔絕了空氣，不斷聚積加厚;同時又不斷分解、化合，形成了泥炭。

　　2、煤化階段

　　該階段是由泥炭變成褐煤的階段。泥炭層形成以后，由于地殼下降，被泥沙等沉積物復蓋掩埋，在壓力和地熱的作用下，泥炭層開始脫水、壓緊，體積縮小，密度和硬度增加，碳含量逐漸增加，氧含量進一步減小，從而形成褐煤。

　　3、變質階段

　　該階段是由褐煤變成無煙煤的階段。褐煤形成以后，如果地殼繼續下沉，則在溫度和壓力更大的條件下，褐煤內部成份將進一步變化，最終變成了煙煤，煙煤繼續變質就形成了無煙煤。

　　(二)煤的埋藏特征

　　1、煤層結構

　　根據煤層中有無夾石層，可把煤層分為簡單和復雜結構兩種。簡單結構煤層不含夾石層;復雜結構煤層含夾石層。夾石層有的為一層，有的有多層，而且夾石層厚度也不一樣。

　　2、煤層厚度

　　煤層厚度是指煤層頂底板之間的垂直距離。煤層厚度差別很大，從幾厘米，到幾十厘米，有的厚達幾十米，甚至百余米。根據采煤方法的需要，將煤層厚度分為三類：

　　(1)薄煤層：煤層厚度小于1.30米。

　　(2)中厚煤層：煤層厚度在1.30—3.50米

　　(3)厚煤層：煤層厚度大于3.50米。

　　在生產工作中，習慣將厚度在6米以上煤層稱為特厚煤層。

　　3、煤層傾角

　　煤層傾角是指煤層傾斜面相對水平面的夾角。根據煤層傾角大小將煤層分為四類：

　　(1)近水平煤層：煤層傾角小于8度。

　　(2)緩傾斜煤層：煤層傾角在8—25度。

　　(3)傾斜煤層：煤層傾角在25—45度。

　　(4)急傾斜煤層：煤層傾角在于45度。

　　(三)煤層頂底板

　　位于煤層上面的巖層稱為頂板，煤層下面的巖層稱為底板。

　　煤層頂板自下而上分為偽頂、直接頂和基本頂;

　　煤層底板自上而下分為直接底和基本底。

　　煤層頂底板巖性及賦存條件與頂板安全管理關系十分密切。頂板破碎容易冒頂;頂板過于堅硬，放頂時不冒落，采煤工作面形成很大的壓力，常常將工作面摧垮，使附近巷道塌冒，甚至造成礦毀人亡。對這些特殊的頂板必須采取有效的技術措施，確保頂板安全。

　　(四)地質構造

　　煤層形成以后，由于受到地殼運動作用力的結果，使其形態發生變化，形成多種多樣的地質構造。煤田地質構造主要有以下三大類。

　　1、單斜構造

　　單斜構造就是在一定范圍內，煤層大致向同一方向傾斜。煤層傾斜的方向稱為傾向;煤層傾斜面與水平面的交線方向稱為走向。

　　2、褶皺構造

　　褶皺構造指的是煤層因受地殼運動的作用力，被擠成彎彎曲曲的狀態，但仍保持完整性。其中每一個彎曲部分稱為“褶皺構造”，褶曲又分為背斜和向斜。背斜指的是煤層向上凸起的褶曲;向斜指的是煤層向下 的褶曲。

　　3、斷裂構造

　　斷裂構造就是煤層因受地殼運動的作用力而遭到斷裂，失去了原來的連續完整性。斷裂構造又可分為裂隙和斷層。

　　裂隙指的是斷裂面兩側的煤層沒有發生顯著的錯動。

　　斷層指的是斷裂面兩側的煤層已經發生了顯著的錯動。

　　斷層對采掘安全影響極大。

　　斷層根據斷裂面兩側煤層錯動的方向分為三種類型

　　(1)正斷層：上盤相對下降，下盤相對上升。

　　(2)逆斷層：上盤相對上升，下盤相對下降。

　　(3)平移斷層：兩側煤層沿斷層面做水平移動。

　　(五)巷道掘進

　　為了開采地下煤炭，需要從地面向地下開掘一系列巷道通達煤層。巷道通達煤層以后，需要形成采煤工作面，才能對煤炭進行開采。開采出來的煤炭需要運到井底，然后由井底提升到地面。這些環節涉及到礦井一系列系統，如開拓系統、采煤系統、運輸提升系統和通風系統、供電系統、防排水系統等。(詳見掘進工藝)

　　(六)工作面回采

　　采煤的基本工序是：破煤、裝煤、運煤、支護和回柱放頂。

　　由于使用的采煤工藝和支護設備不同，采煤工作面分為三種類型：

　　1、炮采工作面。指的是使用煤電鉆打眼、放炮落煤、人工裝煤的工作面。

　　2、普采工作面。指的是使用采煤機破煤和裝煤的工作面。

　　3、綜采工作面。指的是使用液壓自移支架的工作面。其采煤工序為：割煤——降柱——移架——升柱——移溜，全部實現機械化作業。綜采工作面安全好、產量高、效率高、消耗低，是實現煤炭工業發展和安全生產的重要技術途徑之一。

　　二、頂板災害防治

　　頂板事故是指：在井下建設和生產過程中，因為頂板意外冒落造成的人員傷亡、設備損壞和生產中止等事故。任何一個井下作業人員每時每刻都在和頂板打交道，疏忽了就要挨砸。

　　頂板事故是煤礦五大自然災害之一。它的特點是：占全國煤礦事故總起數的比例和總死亡人數的比例最高;在特大事故中所占比例較小和一次死亡人數較少。據統計，2005年全國煤礦頂板事故起數占全國煤礦事故總起數的52.92%;頂板事故死亡人數占死亡總人數的33.33%;頂板事故一次死亡平均人數為1.13人。

　　(一)冒頂原因

　　井下采掘工作面發生冒頂的原因很多，也很復雜。但總的來說主要有以下兩個方面的原因。

　　1、客觀原因

　　(1)采煤過程中因圍巖應力重新分布、采煤方法選擇不當和巷道布置位置不合理，所需支承壓力大于支護的支撐力，從而造成頂板垮落冒頂事故。

　　(2)工作面遇到突然出現的地質構造，在按章作業情況下，因設計時資料不全，也會發生冒頂現象。如采煤工作面出現小斷層，工作中沒有注意分析與觀察，采取通常的支護方法往往發生冒頂事故。

　　2、主觀原因

　　(1)采掘工作面規格質量低劣。作業時不堅持敲幫問頂，發現隱患不及時排除;控頂距離掌握不當;空頂作業;違章放炮;冒險回柱作業。

　　(2)管理不善。煤礦生產管理不同于其他行業，井下生產條件隨時有所變化，生產管理者不深入現場，不帶班作業，不嚴格按三大規程辦事，盲目開采、違章指揮、紀律松馳等，常常會造成事故。

　　(二)冒頂預兆

　　(1)響聲：頂板壓力急劇增大時，支架或支柱下縮發生很大聲響，有時還會出現頂板發生斷裂的悶雷聲(即煤炮、板炮)。

　　(2)掉碴：頂板嚴重破裂時，出現頂板掉碴現象，掉碴越多，說明頂板壓力越大。

　　(3)片幫：冒頂前，煤壁所承受的支承壓力增加，煤變松軟，片幫煤比平時增多，甚至還有煤的壓出和突出。

　　(4)裂隙：一旦出現新的裂隙或裂隙加寬加深時，就有冒頂的可能。

　　(5)漏頂：破碎的偽頂或直接頂，在大面積冒落以前，有時會因背頂不嚴或支架不牢出現漏頂現象。漏頂后，支架棚梁托空，支架松動，當巖石繼續冒落時，就會出現大面積冒頂事故。

　　(6)脫層：頂板將要冒落時，往往出現頂板脫層現象，采用敲幫問頂法不容易發現，當基本頂冒落時，則將發生沒有預兆的大面積冒頂或切頂。

　　(三)采煤工作面頂板災害防治

　　按照發生冒頂事故的力學原因分析，可將采煤工作面頂板災害分為三大類。它們的防治措施也不相同。

　　1、堅硬頂板壓垮型冒頂

　　堅硬頂板壓垮型冒頂是指采空區內大面積懸露的堅硬頂板在短時間內突然塌落，將工作面壓垮而造成的大型頂板事故。

　　堅硬頂板壓垮型冒頂事故的預防措施是：改變頂板巖層的物理力學性質及減小頂板懸露面積，加強工作面支護。

　　(1)頂板高壓注水。從工作面平巷向頂板打深孔，進行高壓注水，通過頂板注水可以弱化頂板和擴大巖體中的裂隙及弱面，使頂板巖石強度顯著降低。

　　(2)強制放頂。采用爆破方法人為地將頂板切斷，控制頂板懸露和冒落面積，減弱頂板冒落時對工作面產生的沖擊力。爆破時主要在工作面內向放頂線處進行鉆孔，也有的在工作面上下平巷內向頂板鉆孔。

　　(3)加強支護。在工作面加打木垛、抬棚、戧柱等特殊支護，加密支柱等。或選擇工作阻力大的液壓自移支架。

　　2、破碎頂板漏垮型冒頂

　　在采煤工作面某個地點由于支護失效而發生局部漏冒，破碎頂板就有可能從該處開始沿工作面往上全部漏完，造成支架失穩，導致漏垮型冒頂事故。

　　破碎頂板漏垮型冒頂事故的預防措施是：首先要求支護完整，不致出現頂板局部漏洞;若出現局部漏洞;立即加以堵塞，以防其進一步擴大。

　　(1)選用合適的支柱，使工作面支護系統有足夠的支撐力和可縮性。

　　(2)頂板必須插嚴背實。

　　(3)嚴禁因放炮、移輸送機、回柱放頂和移絞車等工序撞、刮倒工作面基本支護，防止出現局部冒頂。

　　(4)一旦出現局部冒頂，即使是很小范圍內的一個漏洞，也必須及時將其維護好，不再漏冒碎矸。

　　3、復合頂板摧垮型冒落

　　所謂復合頂板就是由下軟上硬多層巖石組成的頂板。在工作面開采過程中，由于下部軟巖下沉，與上部硬巖離層，支架處于失穩狀態。一旦遇有外力作用，工作面支架因水平方向的推力而發生傾倒，造成摧垮型冒頂事故。

　　復合頂板摧垮型冒頂事故的預防措施是：

　　(1)在工作面上下平巷掘進時不要破壞其復合頂板，應托偽頂施工。

　　(2)工作面初次回采時不要向采空區側前進。

　　(3)避免上下平巷與工作面斜交形成三角形。

　　(4)嚴禁仰斜開采。

　　(5)提高支柱的初撐力。

　　(6)用拉鉤器將工作面支架上下連成一體。

　　(7)靈活地應用戧柱或戧棚，使它們迎著頂板巖層可能推移的方向支設。

　　(四)巷道頂板災害防治

　　井下巷道常發生冒頂的部位有三處，冒頂原因和預防措施如下。

　　1、掘進工作面磧頭冒頂事故的預防措施

　　掘進工作面磧頭支架架設時間短，未壓上勁，容易被爆破崩倒;人員作業經常在空頂條件下進行;同時受到地質構造變化影響，所以掘進磧頭冒頂事故較多。

　　(1)根據掘進工作面頂板巖石性質，嚴格控制空頂距，堅持使用超前支護(前探梁)。

　　(2)嚴格執行敲幫問頂。

　　(3)在地質破碎帶或層理裂隙發肓區等壓力較大處要縮小棚距。

　　(4)合理布置炮眼和裝藥量，以防崩倒支架或崩冒頂板。

　　(5)在掘進磧頭10米范圍內采用金屬拉桿或木拉條把棚子連成一體，必要時還須打中柱以抵抗頂板突然來壓和爆破沖擊。

　　2、巷道交叉處冒頂事故的預防措施

　　巷道交叉處控頂面積大，支護復雜，是預防巷道冒頂的重點部位。

　　(1)開岔口應盡量避開原來巷道冒頂范圍、廢棄巷道和硐室。

　　(2)必須在開口抬棚支設穩定后，再拆除原巷道棚腿。

　　(3)注意選用抬棚材料的質量與規格，保證其強度。

　　(4)當開口處圍巖尖角被壓壞時，應及時采取加強抬棚穩定性措施。

　　(5)抬棚上頂空洞必須堵塞嚴實，空洞高度較大時必須碼木垛接頂。在碼木垛時，作業人員應站在安全地點，并設專人看安全。

　　3、錨桿支護巷道冒頂事故的預防措施

　　錨桿支護巷道發生冒頂事故，除地質因素外，主要是由于錨桿支護的錨固力不足所造成的。提高錨桿的錨固力的措施有：

　　(1)合理選擇錨桿間、排距。

　　(2)科學選擇錨桿支護材料。

　　(3)提高錨桿支護施工質量。

　　(五)冒頂處理

　　1、冒頂處理的一般原則

　　在處理冒頂時，首先必須注意防止冒頂范圍繼續擴大，確保搶救人員自身安全，做到“五先五后”

　　(1)先外后里。先檢查冒落帶以外5米范圍內支架的完整性，有問題先處理。如巷道一段范圍冒頂，堅持先處理外面的，再逐漸向里處理。

　　(2)先支后拆。更換巷道支護時，先加打臨時支護或架設新支架，再拆除原有支架。

　　(3)先上后下。處理傾斜巷道冒頂事故時，應該由上端向下端進行，以防矸石、物料滾落和支架歪倒砸人。

　　(4)先近后遠。一條巷道內多處冒頂時，必須先處理離安全出口較近的一處，再向前處理離安全出口較遠的一處。

　　(5)先頂后幫。在處理順序上，必須注意先維護、支撐好頂板，再護好兩幫，確保搶救人員的安全。

　　2、冒頂處理的方案

　　(1)全斷面處理，即整巷法或一次成巷法。當冒頂范圍不大，垮落矸石塊較小時可采取全斷面處理方案。這時，沿冒頂范圍的兩端，由外向里，一次架設的新棚子與原棚子斷面基本一致。它的優點是可避免多次松動原已破碎的頂板，缺點是進度較慢。

　　(2)小斷面處理。如果頂板冒落的矸石非常破碎，采取全斷面處理方案不易通時，可沿煤壁在底部先刷出一條小巷，以此作為臨時通風、運輸和行人之用，然后再擴大為原斷面永久支架。它的優點是處理冒頂進度快，缺點是需要二次支護。

　　(3)繞道處理。在冒頂范圍很大、冒落高度很大和頂板巖石極不穩定的條件下，采用(1)和(2)兩種處理方案相當困難、危險時，可采用開補繞道，然后由繞道向冒落帶進行處理的方案。

　　3、冒頂處理的特殊施工方法

　　冒頂處理要根據冒頂的范圍、冒頂高度、頂板巖性和當時當地的采掘設備等因素而確定最佳施工方法。

　　(1)撞楔法。當冒落范圍內仍在冒落頂板巖石，或者一動頂板碎矸就止不住地往下流，應該采取撞楔法。撞楔法是交預先制定的楔棍(鐵或木)用力撞進冒落的碎矸中，搶救人員在撞楔保護下清除煤矸等物，然后進行支架。

　　(2)探板法。在冒頂范圍不大，頂板沒有冒落且矸石暫時停止下落時可采用探板法。這時先觀察頂板，加固冒落帶附近的支架，然后探木板，木板上方的空隙要背嚴。在木板保護下清除煤矸等物。

　　(3)木垛法。當冒落高度較大、原支架基本完整和冒落范圍內頂板比較穩定，不再繼續冒落矸石時，可采用木垛法。這時在原支架上方碼放木料，直至接頂。碼木垛時要注意頂要接實背好，防止掉矸，并抵住冒落周邊，以防止片幫掉矸。

　　(4)搭涼棚法。當冒頂高度不大，頂板巖石不再繼續冒落、冒頂范圍又不大時，可用采搭涼棚法。這時用5—8根長木料搭在冒落區兩端完好的支架上，搶救人員在涼棚保護下進行清理煤矸、架棚等工作，架好棚子后，再在涼棚上用木料把頂板接實。