煤矿顶板事故防治讲义

(二) 拱形支架 金属拱形支架可分为两类，即普通金属拱形支架和U型钢拱 形支架。普通金属拱形支架多采用工字钢、矿用工字钢或轻型钢 轨制造，没有可缩性，一般仅作巷道临时支护或与锚喷支护巷道 联合支护用。U型钢拱形支架采用U型钢制造，具有可缩性，多 用于地压大，受采动影响显著的采区巷道。 二、砌碹支护 砌碹支护是以料石、砌块为主要原料，以水泥砂浆胶结，或 以混凝土现场浇灌而成的连续体支护。砌碹支护对围岩能够起到 防止风化的作用，具有坚固、耐久、防火、阻水、通风阻力小、 材料来源广、便于就地取材等优点。缺点是施工复杂，劳动强度 大，成本高，进度慢。一般使用在巷道服务年限超过10年以上， 围岩十分破碎同时很不稳定，且有大面积淋水和部分淋水，及水 质有化学腐蚀的地段。
2．锚杆喷射混凝土金属网联合支护 对于特别松软破碎的断层带，或围岩稳定性差，或受爆破震 动较大的巷道，宜选用锚、喷、网联合支护。设置金属网的主要 作用是防止收缩而产生裂隙，抵抗震动，使混凝土应力均匀分布 ，避免局部应力集中，提高喷射混凝土支护能力。金属网用托板 固定或绑扎在锚杆端头，为便于施工和避免喷射混凝土时金属网 背后出现空洞，金属网格不应小于200mm×200mm。喷射厚度一 般不应小于100mm，以便将金属网全部覆盖住，并使金属网至少 有20mm厚的保护层。
第三节 掘进工作面顶板管理
一、掘进工作面顶板管理的主要内容 (1)掌握巷道开掘后围岩体的范围及围岩应力分布情况。根 据影响巷道围岩应力的因素：围岩的性质、巷道所处的深度、 巷道周围的地质构造、水文变化、巷道的断面形状尺寸等，了 解围岩应力分布情及在此应力作用下围岩的变形和位移后，才 能选择合适的支护材料、支护形式，达到维护巷道的目的。 (2)从有利于巷道围岩的稳定性出发，合理选择巷道的施工 方法，减少各工序对顶板管理的影响。 (3)按作业规程规定控制工作面空顶距离和临时支护的长度 ，尽可能缩短工作面空顶时间和临时支护巷道的长度。 (4)施工中，做好基础资料的积累和隐蔽工程的记录工作。
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第一节 矿山压力基础知识
一、矿山压力的概念 煤矿在开采生产中必然要开挖一系列的井筒、巷道、硐室及 采掘工作面等地下空间，它们的开凿破坏了原始岩体内的应力平 衡状态，引起岩体内部应力重新分布，直至重新形成新的平衡状 态为止。矿山压力正是由于地下采掘活动的影响而引起的岩层作 用在井巷、硐室和采掘工作面周围煤岩体中以及支护物上的各种 力的总称，简称矿压，也称地压。
(三)锚喷联合支护 1．锚杆喷射混凝土支护 对比较破碎的、节理裂隙发育比较明显的岩层，巷道掘进后 围岩稳定性较差，容易出现局部或大面积冒落，一般应采用锚杆 喷射混凝土支护。这种支护方式既能充分发挥锚杆的作用，又能 充分发挥喷射混凝土的作用。两种作用相结合，有效地改进了支 护的效能，因而得到广泛应用。 一般情况下，爆破后应首先及时初喷混凝土封闭围岩，紧接 着打注锚杆，随后在一定距离内复喷到设计厚度。
在矿山压力作用下，会引起许多外在的力学现象，如顶板下 沉、底板鼓起、巷道变形、岩体破坏甚至大面积冒落、煤壁片帮 或突然抛出、支架变形或损坏、以及大量岩层移动、地表塌陷等 。这些在矿山压力作用下，围岩或各种人工支护物呈现的各种力 学现象，统称为矿山压力显现，简称矿压显现。
二、矿山压力分布规律 岩煤体没受到采动影响以前，岩煤体内的压力处于平衡状态 ，岩煤体上所受的是上覆岩层的重量，也称为原岩应力。当在岩 煤体内形成采掘空间时，原岩应力的平衡状态被破坏，引起了应 力的重新分布，使采掘空间被原采掘物承受的载荷转移到周围支 撑体上而形成的压力称为支撑压力。它是工作面附近的岩煤体、 煤柱、充填物或冒落的矸石上产生的应力集中现象。
二、巷道掘进期间日常顶板管理工作 (1)敲帮问顶。上班进入工作面，打眼放炮前均应敲帮问顶 ，处理隐患，排除不安全因素后再作业。 (2)控制工作面空顶距离，超过规定的空顶距应先支护后掘 进。 (3)单孔长距离掘进，要经常检查工作面后方支架的情况， 发现断梁折腿或变形严重的支架，应加固修复。修复巷道时， 修复地点以里的人员应全部撤出，预防冒顶堵人。工作面因放 炮崩倒的棚子应由外向里逐架扶棚复位。 (4)熟悉掘进巷道出现冒顶事故的原因，加强日常检查，采 用针对性措施，预防冒顶片帮事故的发生。
三、顶板管理的针对性措施 1．新掘巷道应制定的开口安全措施 (1)开掘地点要选在顶板稳定，支护完好的地段,并且避开 地质构造区、压力集中区、顶板冒落区。 (2)新掘巷道与原有巷道的方位要保持较大的夹角(最好大 于45° )。 (3)必须加固好开掘处及其附近的巷道支架，若近处有空顶 空帮情况，小范围的可加密支架，背好帮顶；大范围的应用木 垛接顶处理，同样用背板背好打紧。 (4)新巷开掘施工，要浅打眼、少装药、放小炮，或用手镐 挖掘的方法，尽量避免震动围岩或因放炮引起冒顶。 (5)新巷开掘处要及时进行支护，尽量缩短顶板暴露时间和 减小暴露面积。
（二）喷射混凝土支护 喷射混凝土是将水泥、砂、石按一定比例混合搅拌后，送 入混凝土喷射机中，用压缩空气将干拌合料送到喷头处，在喷头 的水环处加水后，高速喷射到巷道围岩表面，从而起到支护作用 的一种支护形式和施工方法。这是一种不用模板，没有浇注和捣 固工序的快速、高效的混凝土施工工艺，具有及时、密贴、早强 、封闭的特点。 根据使用机具或施工方法的不同，喷射混凝土大致可分为干 式喷射法、半湿式喷射法和湿式喷射法。
（4）围岩性质的影响。围岩强度的大小及稳定程度是影响 巷道矿压的主要因素：岩石坚硬、稳定，则产生的矿压小；岩石 松软破碎、不稳定，则产生的矿压大。
（二）巷道矿压 1．顶 压 掘进巷道后，暴露出来的顶板必然向下弯曲，并在巷道中间 弯曲较大，在巷道两帮弯曲较小；顶板以及距顶板较近的上部岩 层弯曲大，距顶板较远的上部岩层弯曲小。在弯曲大的部分上下 岩层之间就会出现裂隙，叫做离层。此时，如巷道无支架支撑， 裂隙和离层继续发展，最后顶板就会冒落，最后形成自然平衡拱 。如果巷道开掘后立即支护，支架就能阻止或减小岩石弯曲变形 和移动。顶板弯曲变形和移动的岩石压在支架上的力叫顶压。 顶压的大小决定于冒落拱的形状和大小，而拱的大小同顶板 岩石性质和巷道宽度有关。在松软岩层中，平衡拱一般为抛物线 形；在坚硬有层理岩石中，平衡拱一般近似三角形；在中硬岩石 中，平衡拱介于上述二者之间。
第二节 掘进巷道支护
在地下开掘巷道后，破坏了周围岩体的应力平衡，岩体就会 向巷道空间挤压，出现矿山压力，使井巷发生变形甚至坍塌。为 了维持巷道必要的断面规格，防止围岩发生危险的变形和垮落， 保证施工人员的安全，必须设置支撑结构物对井下井筒、巷道和 硐室的巷道压力进行支撑。为抵抗巷道压力而支撑巷道岩壁的结 构物称为支架。设置巷道支架的施工方法和施工过程称为支护。
3．钢架喷射混凝土联合支护 在软岩巷道中，掘进后先架设钢架，允许围岩收敛变形，基 本稳定后再进行喷射混凝土支护，把钢架喷在里面，有时也打一 些锚杆，控制围岩变形。这样，钢架自身仍保持相当的支护能力 ，同时，被喷射混凝土裹住后又起到了“钢筋加固”的作用，而 喷射混凝土层具有一定的柔性，对围岩基本稳定后的变形量也可 以适应。
3．底 压 在侧压的作用下，巷道底板将会产生向上的压力，称为底压 。底压会使底板岩层弯曲鼓起、离层或破裂。一般巷道往往不设 支架底梁阻止底鼓，仅是靠底板岩层本身的强度和重量阻止底压 ，所以有时底板向上鼓起要比顶板下沉、两帮移近容易得多，也 严重得多。 巷道底鼓的破坏作用很大，主要表现在减少巷道的实际断面 ，造成通风、行人和运输困难，以致影响安全。底鼓破坏了底板 的完整性，挤碎了底板，使支架两帮的柱腿容易插入底板，减少 了支架支撑能力，使顶板下沉、破碎，从而给巷道维护带来困难 。底鼓会圾坏轨道、输送机、水沟等巷道设施，拱内岩石的重力，并达 到稳定，其大小随拱的形状和大小而变，称为拱形压力。拱外岩 石重量由拱承担，拱内形成压力降低区，这时拱上部的压力由巷 道两侧的岩石来支承，因而在巷道两侧形成了压力升高区。这时 把巷道两侧所承担的压力叫支承压力。
经采动影响使应力重新分布后，作用在井巷周围岩体中及支 护物上的力叫做巷道矿山压力，简称巷道矿压。巷道矿压的大小 主要受巷道所处深度、巷道断面大小、地质构造、围岩性质等因 素的影响：
2．侧 压 侧压是指巷道两帮岩体对支架的压力。巷道侧压是由于两帮 岩石或煤向巷道内挤压而形成的，其大小与两帮岩石性质及所承 受的支承压力的大小有关。巷道所处深度越大，在巷道两帮所产 生的支承压力就越大，两帮岩石破坏就越严重，作用在支架上的 压力也就越大。而两帮岩石较软或稳定性较差时，遭受破坏就较 严重，作用在支架上的压力也就越大。 一般巷道开掘后，在巷道的两帮形成支承压力，两帮岩石承 受的支承压力超过本身强度时，就会向巷道中间挤出。这种变形 使巷道两帮逐渐移近，如果巷道两帮不支护或支护壁后的充填不 密实，变形得不到控制，继续发展下去就会造成片帮。片帮后， 新暴露出来的两帮会继续向巷道中间挤出，即继续片帮，此时巷 道压力会急速增加。
（1）深度的影响。一般巷道围岩中原岩应力的大小与上覆 岩层重量成正比，造成浅部巷道的压力较小主要表现在顶板，深 部巷道的压力较大，并作用于巷道四周，容易出现底臌现象。
（2）巷道断面大小的影响。巷道越宽，所形成的自然越大 ，产生的巷道矿压也越大。
（3）地质构造的影响。在向斜轴、背斜轴、断层附近等构 造应力集中处，矿压也越大。
巷道支护形式和支护材料的选择应综合考虑巷道的用途，巷 道服务年限，巷道断面形状及围岩压力的大小等因素。常用的巷 道支护形式有架棚支护、砌碹支护和锚喷支护等。
一、架棚支护 棚式支架俗称棚子，由一梁(顶梁)两柱(柱腿)组成。常用于 巷道围岩十分破碎不稳定，不适宜采用锚喷支护，而且巷道服务 年限不长(8～1 0年)，砌碹又不合算的梯形断面的巷道。棚式支 架按构成材料可分为木支架、金属支架和装配式钢筋混凝土支架 三种；按巷道断面形状可分为梯形支架和拱形支架等；按支架结 构可分为刚性支架和可缩性支架。 （一）梯形支架 一般梯形支架由一梁两柱组成，可采用木支架、金属支架及 装配式钢筋混凝土支架。架设梯形支架，应用四个角楔把梁腿接 口处（肩窝）与顶板围岩之间楔紧。该处不仅受力集中，并且要 通过它使支架构件相互传递作用力。因此，此处接合得是否紧密 ，肩窝处处理是否得当，会直接影响整个支架的稳定性。