锚支护巷道顶板事故的预防.docx
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锚支护巷道顶板事故的预防
锚支护巷道顶板事故的预防
朱佳
摘要
随着煤矿机械程度的提高,从业人员素质的的提高,管理体制的健全和完善,煤矿顶板事故己不是矿山事故的主体,但仍没有完全消灭。
锚支护巷道在我们珲春矿区己成为采准巷道主要的支护形式,因此我们必须充分认识锚支护原理和顶板事故原因,减少或避免顶板事故发生。
关键词:
锚杆;支护;顶板;
Abstract:
With theincreasedlevelof coalminingmachinery, toimprove thequality ofemployees, improveandperfectthemanagementsystem, roof coal mine accidents arenotaccidents havebeen themain, but notcompletely eliminated.Anchor Hunchun mine tunnel inour quasi-mining hasbecomethemain roadway ofthesupporting form, sowe mustfullyunderstandthe anchor principle causeoftheaccident andtheroof, theroof toreduce oravoid theaccident.
Keywords:
anchor; support; roof;
0前言
巷道支护的基本原理是巷道支护(支架或锚杆)与围岩共同承载,并尽量促使岩层形成承载结构。
正确地设计和应用锚杆支护,必须对锚杆支护机理有正确地认识,并以完善的锚杆支护理论作为指导。
传统的锚杆支护理论有:
悬吊理论、组合梁理论、组合拱(压缩拱)理论,最大水平应力理论。
它们都是以一定的假说为基础的,各自从不同的角度、不同的条件阐述锚杆支护的作用机理.而且力学模型简单,计算方法简明易懂,适用于不同的围岩条件,得到了国内外的承认和应用。
1.锚杆支护原理
1.1岩石力学揭示
岩石破裂后具有残余强度,松动破裂围岩仍具有相当高的承载能力,围岩既是支护压力的根源,又是抵抗平衡原岩应力的承载体,而且是主要的承载结构体。
1.2支护的作用
在于维护和提高松动圈岩的残余强度,充分发挥围岩的承载能力。
1.3围岩支护
围岩是支护的对象,支护只是人工构筑的承载结构,无论在过去和现在,这些理论对锚杆支护机理的认识与指导岩体工程实践都起到了不可低估的作用。
但由于地质条件的复杂性与研究手段的局限性,锚杆支护理论至今尚不完全成熟,还不能单独依靠某种理论为锚杆支护做出比较准确的设计。
1.4维护和保持围岩的残余强度
一般软岩,在经受水或者风化影响后,强度将降低,所以开巷后应及时喷射混凝土以封闭岩面,防止围岩风化潮解,减少围岩强度的损失;施工过程中的采用光面爆破等技术措施,有利于保持围岩的强度。
为提高被加固岩层的强度,在可能条件下尽量提高对顶板的锚固强度。
锚固强度越大,围岩形成的承载结构越完整,承载能力越大。
1.5提高围岩残余强度
提高围岩残余强度有三个技术途径:
1.5.1提高支护阻力,改善围岩应力状态
开巷后应尽快完成支护的主体结构,使围岩由2向应力状态转为3向应力状态,从而提高围岩的残余强度。
施工过程中主要采用的方法是及时安设锚杆,防止顶板早期出现离层,这样极有利于顶板的稳定。
应避免安设锚杆的时间与滞后掘进工作面的距离超过规定时间。
1.5.2用锚杆支护加固围岩
实验证明,锚杆能利用其锚固力将破碎围岩锚固起来,恢复和提高破裂围岩的残余强度,形成具有较高承载能力和可塑性的锚固层。
锚杆锚固力大、密度高,这种加固作用就越明显。
施工过程中主要采用的方法是按规定拧紧锚杆的紧固螺母,以使锚杆具有较大的初锚力。
1.5.3注浆加固
破碎严重的岩体,单纯依靠锚杆加固不能满足要求时,应考虑注浆加固,这是提高松动破碎围岩强度最有效的方法。
注浆方式可以采用单独注浆或者采用外锚内注的“锚注式”锚杆。
1.6充分发挥围岩的承载能力
充分发挥围岩的承载能力,主要体现在以下几个方面:
1.6.1圆形巷道
软岩巷道中,圆形巷道支护结构的承载能力最大(均匀应力场),采用圆形断面有利于提高围岩的承载能力,改善支护效果。
巷道断面形状的确定应尽量考虑适应围岩应力场特点。
岩石巷道设计为圆形断面,煤巷设计为不破顶板的矩形断面。
1.6.2全断面支护
软岩巷道支护所承受的荷载主要是围岩的变形压力,它来自于巷道的四周,包括巷道底板。
如果底板不支护,它就是支护的一个薄弱点,很容易发生底鼓现象,降低整个巷道支护结构的承载能力,导致支护失败。
所以,软岩巷道底板必须予以支护。
1.6.3可缩性支护
软岩巷道中,围岩变形压力是支护的主要荷载,普通刚性支护(砌碹支护、普通锚喷等)难以适应,在大的变形压力作用下很快就会破坏,使围岩处于事实上的无支护状态,不利于发挥围岩的承载能力;对于可缩性支护,当变形压力超过围岩的承载能力后,支架可缩让压,这一过程是减少支护受力,让围岩发挥更大承载能力的过程,所以,软岩巷道支护的主体结构必须是可缩性支护,如锚喷网支护和U型钢可缩性支架等。
1.6.4二次支护
理论和实践都已证明,软岩巷道采用一次强阻力刚性支护来维护围岩是不能成功的,因为它不适应软岩巷道初期变形量大、变形速度快的特点。
为适应软岩的变形特征,应采取二次支护成巷的方法。
一次支护主要是加固围岩,提高其残余强度,在不产生过度膨胀、剪胀变形的条件下,利用可缩性支护控制围岩变形卸压。
二次支护要在围岩变形稳定后适时完成,给巷道围岩提供最终支护强度和刚度,以保持巷道较长时间的稳定性和安全储备。
二次支护时机,根据监测数据和实践规律确定。
2事故原因探讨
2.1锚杆支护巷道的冒顶事故的原因
锚杆支护巷道的冒顶事故的发生除地质因素外,主要是锚杆支护系统的锚固力不足引起的。
巷道成巷后,在原岩应力和次生应力的作用下,巷道围岩产生变形,如果岩石不能自稳,且锚杆支护系统的锚固力不足,这种变形就得不到有效的控制,就会不断发展,最终导致围岩冒落和冒顶。
锚杆间排距过大、锚杆支护材料选择不当、锚杆支护系统的匹配不合理、施工质量差等都会产生这一恶果。
2.2冒顶之前的预兆
在大多数情况下,在冒顶之前,由于压力增大,顶板岩石开始下沉,架棚巷道会使支架开始发出断裂声,而后逐渐折断。
与此同时,还能听到顶板岩石发出硁硁的破裂声。
锚支护巷道会发生锚盘变形、锚杆锚索折断和顶板岩石发出硁硁的破裂声,随着顶板岩石进一步破碎,在冒落前几秒钟就会发现顶板掉落小碎石块,涌水量也逐渐增大,而后便开始冒落。
顶板冒落之前,岩石在矿山压力作用下开始破坏的初期,其破碎的响声和频率都很低,常常在井下工作人员还没有听到之前,老鼠已有感应。
所以在井下岩层大破坏或大冒落之前,有时会看到老鼠搬家。
在井下工作的人员,当听到或者看到上述冒落预兆时,必须立即停止工作,马上从危险区撤到安全地点。
必须注意的是,有些顶板本来节理发育裂隙就较多,有可能发生突然冒落,而且在冒落前没有任何预兆。
2.3顶板冒落外力分析
顶板岩层重量稍小于岩石强度所能承受荷载时即巷道顶板岩石处于静平衡状态,在外力作用下发生冒顶事故。
所谓外力作用是指采动影响、冲击地压、支护结构发生变化。
2.4巷道交叉处冒顶事故分析
巷道交叉处冒顶事故往往发生在巷道拉门的时候。
因为拉门口需要扩大断面,从而改变原来支护结构,如果拉门处巷道顶部存在与岩体失去联系的岩块,并且围岩正向巷道挤压,而新支护强度不够或不及时,或稳定性不足,就可能造成冒顶事故。
当巷道围岩强度不是很大时,顶部存在与岩体失去联系的岩块以及围岩向巷道挤压就在所难免,如果拉门处正好是掘巷时的冒顶处,则情况更为严重。
3顶板事故预兆
锚网支护煤巷顶板变形过程往往引发一系列压力显现,出现顶板事故预兆:
1)顶板出现局部离层掉渣,在金属网上形成网兜,严重时造成顶锚杆失效。
2)巷道两帮鼓起,顶板下沉,梯形梁开始出现弯曲折叠现象。
3)巷道底板鼓起,轨道变形,顶锚杆断裂,锚杆托盘翻转、变形。
4)顶板岩层断裂频繁,顶板离层监测仪显示离层量加大。
5)锚索承载力增大,锚索托盘变形,严重时锚索断裂失效。
4顶板事故的预防措施
4.1合理确定锚杆支护参数
根据现场地质资料,在现有锚杆支护理论和预应力锚杆(索)控制围岩思想的基础上,采用系统动态监测设计法板石煤矿煤巷进行锚杆支护初步设计,并辅以工程类比和理论计算,然后通过现场施工、监测,并经过综合观测结果的整理、分析,对初始设计进行修改、调整,最终完善锚杆支护参数设计。
4.1.1预应力控制围岩原理
巷道开挖后在围岩很小变形时(约在破坏载荷的25%以下),脆性特征明显的岩体就出现开裂、离层、滑动、裂纹扩展和松动等现象,使围岩强度大大弱化。
如果巷道开挖后立即安装锚杆,但未施加预拉力,由于锚杆极限变形量大于围岩极限变形量,又由于各类锚杆都有一定的初始滑移量,因而锚杆不能阻止围岩的开裂、滑动和弱化。
只有当围岩的开裂位移达到相当的程度(在钢筋混凝土中达到极限载荷的60~75%)以后,锚杆才起到阻止裂纹扩展的作用,这时围岩已几乎丧失抗拉和抗剪的能力,加固岩体的抗拉和抗剪能力主要依赖于锚杆。
顶板预应力结构的形成需要以下条件:
①安装支护构件时应能够提供一个明确的张拉力,其绝对值应明显大于松动岩体的重量,这种主动施加的作用力应适度,过小或过大都不合适;
②支护构件应能保证和加固区内围岩的相互作用稳定存在,并具有合适的强度;
③支护结构刚度应和围岩匹配,同步承载,协调变形。
预应力支护理论主要内容:
①预拉力(或称初撑力)的大小对顶板稳定性具有决定性的作用,当预拉力大到一定程度时,使顶板岩层处于横向压缩的状态,形成预应力承载结构,从而大大缓解或消除横向弯曲变形,只有纵向的微小膨胀和压缩变形,因而锚杆长度范围内和锚杆长度以上的顶板离层得以消除;
②水平应力的存在有利于巷道顶板的稳定;
③锚杆参数和预拉力的合理配置可以使锚杆长度之内和锚杆长度之外的上覆顶板岩层都不存在离层破坏;
④预应力顶板将使得垂直压力均化到巷道两侧纵深范围,巷道两侧的压力集中现象减小,片帮的现象缓和,两帮的维护将变得相对简单;
⑤施工机具、施工工艺和锚杆结构及加工等方面的研究应以实现高预拉力为中心。
4.1.2悬吊理论
悬吊理论认为:
锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上,以增强较软弱岩层的稳定性在软弱围岩中,锚杆的作用是将直接顶板的破碎岩石悬吊在其上部的自然平衡拱上,拱高可采用普氏的压力拱理论估算。
悬吊理论直观地揭示了锚杆的悬吊作用,在分析过程中不考虑围岩的自承能力,而且将被锚固体与原岩体分开,与实际情况存在一定的差距。
如果顶板中没有坚硬稳定岩层或顶板软弱岩层较厚,围岩破碎区范围较大,无法将锚杆锚固到上面坚硬岩层或者未松动岩层时,悬吊理论就不适用。
4.1.3组合梁理论
组合梁理论认为:
顶板锚杆的作用,一方面体现在锚杆的锚固力增加了各岩层间的接触压力,避免各岩层间出现离层现象;另一方面增加了岩层间的抗剪刚度,阻止岩层间的水平错动,从而将作用范围内的几个岩层锚固成一个较厚的组合岩梁。
这种组合岩梁在上覆岩层荷载的作用下,其最大弯曲应变和应力大大减小,挠度也显著减小,且组合梁越厚,梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就越小。
组合梁理论很好地解释了层状岩体锚杆的支护作用,但在分析中,将锚杆作用与围岩的自稳作用分开,与实际情况有一定差距。
并且,随着围岩条件的变化,在顶板较破碎、连续性受到破坏时,组合梁也就不存在了。
4.1.4组合拱理论
研究表明,在弹性体上安装具有预应力的锚杆,能形成以锚头和紧固端为顶点的锥形体压缩区。
因此,如将锚杆沿拱形巷道周边按一定间距径向排列,当围岩产生变形时,锚杆会对围岩产生压应力作用。
每根锚杆周围形成的锥形体压缩区彼此重叠连接,便在围岩中形成一个均匀的连续压缩带。
它不仅能保持自身的稳定,而且能承受地压,阻止围岩的松动和变形,这就是挤压加固拱。
锚杆一方面在锥形体压缩区内产生压应力,增加节理裂隙面或岩块间的摩擦阻力,防止拳块的转动和滑移,亦即增大了岩体的粘结力,提高了破碎岩体的强度;另一方面,锚杆产生的压应力,改善了围岩应力状态,使压缩带内的岩石处于三向受力状态,从而使岩体强度得到提高,这就是挤压加固拱的力学特征。
在此基础上发展了许多锚杆支护理论,如悬吊理论、组合梁理论、组合拱(压缩拱)理论、围岩松动圈支护理论、最大水平应力理论、巷道锚杆支护围岩强度强化理论等等。
4.2抓好锚杆锚索的安装质量
炮掘工作面全面推广煤巷光爆技术,充分利用手持式风动钻机钻头直径小和炸药小药卷技术,通过合理调整眼位和药量,尽量减少爆破作业对煤巷两帮的破坏,保证煤岩的完整性。
严格按设计要求的角度、间排距钻设锚杆(索)孔,及时锚网支护,当班质量验收员按设计要求检查当班的锚杆(索)的安装情况,不符合要求的要重新补打锚杆。
施工打眼时要控制好钻眼深度。
网要展开铺平,贴紧顶板和煤帮,用锚杆托盘压紧。
锚杆端部必须推至眼底。
锚杆、锚索安装,必须按作业规程进行。
临时支护要紧跟迎头,严禁空顶作业。
矿、区队两级都要建立质量管理机构,区队质量管理小组每班对掘进工作面锚杆、锚索的安装质量进行日常检查验收。
4.3加强顶板观测
锚网支护巷道按设计要求布设顶板离层观测点,断层及围岩破碎带、应力集中区、交岔点等特殊地点加设观测点。
顶板离层仪由工区技术员负责及时安装。
观测点实行挂牌管理,牌板上写明监测点号、安装人员、安装日期和初始数据,分管工区技术员负责观测数据,填写记录,建立观测档案,并每旬上报观测数据一次。
矿负责部门对收集的观测数据进行认真分析,从中总结顶板变化的规律性,对观测数据变化量大的或超过离层临界值的点要察看现场,威胁安全生产时,立即上报主管矿领导并采取相应处理措施。
4.4加强三、四岔口支护管理
三、四岔口5m范围内的锚杆要加密。
锚索按三角形布置四个。
在三、四岔口处安装顶板离层仪,安装按作业规程规定要求进行。
三、四岔口施工时要轻打轻放,采用风镐或手镐掘进,严格控制炮眼布置及装药量。
巷道尽可能不布置五岔口中。
4.5出现顶板事故预兆要及时处理维护
加强掘后巷道的检查力度井下作业人员随时观察巷道顶板及煤帮变化情况,一旦发现顶板异常,及时向矿调度室和区队值班人员汇报并采取相应措施。
顶板出现局部离层掉渣、顶锚杆断裂时,及时处理网兜、补打锚杆,确保复合顶板的完整性,尽量减小顶板离层的发展。
巷道出现两帮鼓起、顶板下沉信号顶子折断现象时,要根据巷道顶板变形程度可采取打木支柱、单体液压支柱等,变形严重时及时进行二次架棚、挑顶卸压或架设木垛支护。
巷道短时间内顶板断裂爆响,锚杆、锚索断裂等顶板活动剧烈活动时,要立即撤出在危险区内所有作业人员,待顶板稳定后,立即对巷道由外往里进行二次支护。
根据地质条件及时调整支护密度或变更支护。
采掘区队要注意观察巷道围岩变化情况,及时向安全管理部门汇报,工程技术人员要根据地质条件变化随时修改锚网(索)支护密度,在锚网支护不能满足安全生产需要时,立即变更支护形式。
4.6根据地质条件及时调整支护密度或变更支护
地质构造发育,煤系地层不稳定,煤巷顶板岩石具有不稳定性,巷道掘进时经常遇到断层、顶板破碎带、顶板岩性变化带,巷道工程地质条件变化较大,为了保证巷道支护科学合理,掘进队要注意观察巷道围岩条件变化,时刻与技术部门联系,工程技术人员要根据工程地质条件变化随时修改锚网索支护密度,在锚网索支护不能满足安全生产需要时及时变更支护形式。
4.7加强井巷的日常维护和冒顶区的管理
定期对井筒、车场巷进行检查、维修。
及时更换断梁折柱,在作业时,必须遵循先支后撤的程序。
加强对掘进巷道的支护,严禁超控顶距掘进、空顶作业,做好超前支护和特种支护。
在处理冒顶区时,必须设专人观察帮顶变化情况。
在作业过程中,如发现危险情况,及时停止作业,撤出人员。
4.8加强培训工作
严格管理人员准入制度,对其执行强制培训,除了专业知识外,侧重于各种法律法规教育。
做到让管理人员明确责任,施工质量有可追溯性。
对特种作业人员、从业人员的培训,不仅理论培训,不要有职业技能培训。
4.9严厉查处“三违”行为
各单位制定严格细致的处罚制度,凡检查出“三违”现象,一律对违反者进行严厉的经济处罚。
对多次“三违”人员,予以开除。
行业管理部门在日常的检查中,发现煤矿有“三违”行为的,要及时进行处罚和教育。
5顶板事故发生的主观原因
1)安全意识不强,落后于生产形势。
板石煤矿投产以来,由于煤炭价格持续走高,生产任务一直很紧张,采掘队组不容易正确处理安全与生产任务的关系,重生产轻安全生产的现象时有发生,导致事故的发生。
2)现场安全管理不到位。
从发生顶板事故的煤矿来看,采掘工作面存在支护材料不合格、支柱间距太大、支护方式不对、局部空顶作业等工程质量达不到标准的问题,导致采掘作业现场处于极不安全状态;还有顶板事故发生预兆,现场处理不坚决、不果断,心存侥幸,冒险蛮干,致使事故发生;巷道检查维护维修过程中,安全技术措施无力,现场管理差。
3)煤炭企业整体素质有待于提高。
煤矿安全管理专业技术人才紧缺,致使安全生产措施在最直接、最关键的作业现场很难落到实处,重大危险源无法识别,大部分事故都与现场没有专职技术人员、工人不懂安全规程违章操作有关。
,作业人员技术水平低下,按照传统经验盲目施工作业;采掘工作面作业规程质量差,甚至互相沿袭传统,没有针对性和可操作性。
4)安全投入需要进一步增加。
从发生顶板事故的情况看,安全设施投入了,但还需要进一步增加,比如增加煤矿顶板监测系统、矿井通风阻力测定系统矿山压力监测系统等。
5)从业人员防范能力差。
部分煤矿从业人员也缺乏安全防范意识,不能意识到自身生命安全已经受到严重威胁,冒险作业直至付出生命的代价。
受职工文化程度低、流动性大、行业诱惑略小,等因素的影响,新工人不学活,老工人不教活,以致造成工人自我保护意识差,违章作业、违反劳动纪律现象较为普遍。
6企业预防顶板事故的对策
控制顶板事故发生是目前煤矿安全事故的重要内容。
为此,要强化安全技术培训,严格落实现场管理责任,切实加强煤矿顶板管理,确保煤炭行业安全发展。
6.1强化培训,提高管理技能
提高煤矿从业人员的顶板管理意识和技能,是预防和减少顶板事故的前提。
行业管理部门要聘请煤矿顶板管理方面的专家,对全县所有煤矿安全技术管理人员和采煤队长、班组长进行一次培训,全面分析煤矿顶板管理工作的难点和重点,并就典型顶板事故做出科学剖析,围绕煤层顶板运动规律研究、加强矿压监测预报、改善支护质量、强化现场管理、依靠科技进步促进管理等方面,提出做好煤矿顶板管理的工作思路和方法。
各煤矿要组织井下作业人员认真学习掌握《煤矿安全规程》、作业规程和操作规程,加强对作业人员顶板管理知识的教育培训工作,特别是要加强对班组长的培训和安全教育,提高对顶板管理重要性的认识,明确顶板管理的各项制度,使他们在顶板管理中发挥主体作用;要组织技术骨干人员进行现场演示,增强防范顶板事故的能力,准确把握顶板管理的技术要领,切实提高实战能力。
6.2严格把关,加强现场管理
一是技术规范关。
工程技术人员在制定技术措施和编制采掘计划时,要严格依照有关政策规范,要做到切实可行,不能照抄照搬其他煤矿的技术规范。
积极探索适合本矿地质条件和有利于顶板管理的设计方案,从源头上减少顶板事故发生的可能性。
在没有明显脱落征兆的巷道也必须明确规定临时和永久支护措施,编制规程决不能粗制滥造。
二是规程审批和学习关。
要根据地质资料和矿压观测资料,编制每个采掘工作面的采掘作业规程,使规程真正起到指导生产、保证安全的作用;对地质构造不清、顶板管理措施不具体、措施没有针对性的规程严格执行“三不批”制度,班次安排上要合理,确保掘进放炮后立即出矸支护,及时消除冒顶因素。
要组织干部和职工认真学习“三大规程”,让大家领会和掌握。
三是工程质量关。
采掘工程质量是顶板管理的基础,煤矿井下各单项工作必须严格按照单项工作作业规程施工。
要严把支护质量关,由安监员对每个采掘面的支护质量进行安全检查,实行动态管理,做到工程质量不合格不验收。
四是事故多发地点顶板管理关。
回采工作面一定要有具体措施保证采空区的冒落高度和悬顶距离,措施不落实不施工。
6.3健全制度,落实管理责任
完善的顶板管理制度对于预防顶板事故的发生具有极其重要的作用;
一是制定和完善煤矿顶板管理制度。
针对目前我矿区煤矿顶板事故的现状,行业主管部门要积极完善和制定顶板管理规范和制度,保证顶板管理工作有章可循。
二是确保顶板管理责任落实到位。
要将顶板管理责任与驻矿安监员和企业的利益挂钩,确保责任层层落实到位。
各煤矿要结合本矿实际,进一步制定和完善具有较强操作性的煤矿顶板管理制度,形成由驻矿安监员、分管副矿长和采掘人员共同负责的三位一体的管理格局。
三是充分发挥作业班组长的作用。
作业班组是煤矿职工队伍建设的核心,队长、班组长是生产一线的指挥官,又是战斗员,对安全生产情况、顶板情况、自然条件的变化等最熟悉。
队长、班组长带头遵章作业,准确判断出现的新情况和采取正确措施,进行果断处理,就可以避免发生顶板事故。
6.4严格监管,加大执法力度
实践证明,“三违”不反,事故难免,对“三违”人员一经查出,都要进行严肃处理,任何人不准讲情面,不准护短,对于预防重大顶板事故的有功人员给予奖励。
对于发生的顶板事故,必须按照“四不放过”的原则,认真分析,严格追查,严肃处理;继续坚持在作业现场检查出对支护不力、不到位的一类隐患实行重处重罚,促使两件责任人吸取教训,制定措施,杜绝同类事故的重复发生。
7结论
总之,技术措施完善可行是顶板管理的基础,生产现场管理到位是搞好顶板管理工作的前提,职工安全意识高低是顶板管理的关键,行业监管力度大小是顶板管理措施落实的保证,这几个环节必须环环相扣,链式配合,才能有效进行煤矿顶板管理,防止顶板事故发生。
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