1、h1能源科学与工程学院郜进海h2一、前言 温家宝总理指出：安全生产责任重于泰山。搞好安全生产是全面落实科学发展观的必然要求；是建设和谐社会的迫切需要；是各级政府的重要职责。经济发展必须建立在安全生产基础上，绝不能以损害人民群众利益甚至牺牲职工生命为代价。h3一、前言1.煤炭工业是关系国家经济命脉的重要基础产煤炭工业是关系国家经济命脉的重要基础产业业2004年，煤炭在中国一次能源生产和消费结构中的比重分别占75.6%和67.7%。我国煤炭产量由2002年的14.55亿t增长到2005年的21.9亿t，年均增加2.45亿t，保证了经济和社会发展的需要，是国民经济发展的重要基础。h4在未来相当长的时
2、期内，煤炭仍是我国的主要能源，中国工程院和中国煤炭工业协会组织有关专家预测结果：2020年煤炭需求量将达到25.8亿吨，占一次能源消费总量的60以下；随着洁净煤技术的发展，煤炭可以成为比较高效、清洁的能源。一、前言h5二、我国煤矿灾害及现状1.我国煤矿的灾害事故我国煤矿的灾害事故 我国是世界上煤矿灾害严重、灾害多的国家，常发我国是世界上煤矿灾害严重、灾害多的国家，常发生的灾害有：生的灾害有：瓦斯灾害瓦斯灾害顶板灾害顶板灾害矿井火灾矿井火灾水害水害冲击地压冲击地压尘害尘害热害热害h6二、我国煤矿灾害及现状二、我国煤矿灾害及现状2.我国煤矿灾害事故现状我国煤矿灾害事故现状煤矿灾害事故近年呈下降趋势
3、，但事故总煤矿灾害事故近年呈下降趋势，但事故总数仍然偏高数仍然偏高2005年发生各类灾害事故3306余起，死亡5938人，百万吨死亡率2.81,首次下降至3以下。重特大灾害事故有显著减少，但每年仍在重特大灾害事故有显著减少，但每年仍在300起左右起左右一次死亡百人以上的特别重大事故的发生频率一次死亡百人以上的特别重大事故的发生频率加快，加快，1981年2005年全国煤矿发生一次死亡百人以上特大事故11起，间隔为10年1起、5年1起、4年1起、2年1起、1年2起、1年4起。h7二、我国煤矿灾害及现状二、我国煤矿灾害及现状瓦斯、顶板事故是煤矿的主要灾害20012004我国煤矿事故类别我国煤矿事故类
4、别h8二、我国煤矿灾害及现状二、我国煤矿灾害及现状瓦斯事故危害性最大，2005年，事故起数占总起数的12.52%，死亡人数占总人数的36.56%，平均每起事故造成5.24人死亡；顶板事故发生频率最高，2005年，占事故总起数的54.6%，死亡人数占34.66%，一次事故死亡平均1.14人；瓦斯与顶板事故起数、死亡人数均占总数的70%左右。h91.我国煤矿灾害事故原因煤矿自然条件差，伴生灾害多中国大陆是由众多小型地块多幕次汇聚形成的，主要煤田经受了多期次、多方向、强度较大的改造后，地质构造相当复杂，给煤矿安全生产带来了高地应力、瓦斯灾害和地温等难题。h10大地构造决定了煤矿地质条件复杂，井工矿大
5、地构造决定了煤矿地质条件复杂，井工矿开采的生产条件增加了安全的复杂性。开采的生产条件增加了安全的复杂性。地质构造复杂或极其复杂的煤矿占36%，属简单的占23%；水文地质条件复杂或极其复杂的煤矿占27%，属简单的占34%；煤层瓦斯含量高，有自然发火危险，煤尘具有爆炸性的矿井多；巷道呈管网式空间布置，多种致灾因素共存于同一环境，容易发生致灾因子相互作用的耦合，形成大灾难。h40四、巷道支护理论四、巷道支护理论 由于巷道开挖及煤体回采的影响，引起周围岩层由于巷道开挖及煤体回采的影响，引起周围岩层中出现应力重分布，其结果导致应力在岩体中出中出现应力重分布，其结果导致应力在岩体中出现了局部高应力区。它直
6、接影响着巷道支护方案现了局部高应力区。它直接影响着巷道支护方案的选择。的选择。随着煤炭的不断开采，浅部、易开采的煤层已所随着煤炭的不断开采，浅部、易开采的煤层已所剩无几，目前我国主要产煤矿区中，除神府煤田剩无几，目前我国主要产煤矿区中，除神府煤田及山西的个别矿区外，大部分地区均已开采深部及山西的个别矿区外，大部分地区均已开采深部煤层或地质条件较复杂、地应力较大、较难以开煤层或地质条件较复杂、地应力较大、较难以开采的煤层。这样就给井下巷道维护带来更高的要采的煤层。这样就给井下巷道维护带来更高的要求，传统的巷道支护如棚式支护、砌碹支护等方求，传统的巷道支护如棚式支护、砌碹支护等方式已不能满足煤炭安
7、全生产的要求。式已不能满足煤炭安全生产的要求。h41巷道围岩应力场的各种形式巷道围岩应力场的各种形式h42（一）目前常用的支护方式 由于巷道的开挖形成空洞，破坏了原岩体中的原有的应力状态，巷道周边由原来的三向应力状态变成了两向应力状态，从而出现了应力重分布与应力集中现象，这二者导致了在岩体中分别出现了较大的剪应力和拉应力的出现，并使岩体向巷道内移动，若不进行及时的支护，巷道会产生严重变形，影响到其使用功能，更为严重的是由于岩体中构造复杂，节理裂隙发育，当变形量达到一定程度后就会产生冒顶片帮等事故，严重影响着煤矿的安全生产。h43 目前巷道支护方式主要有：1.棚式支架（木支护，混凝土支架，金属支
8、架等，其中金属支架又有普通金属支架及可缩性金属支架。）这类支护方式主要用于矩形及梯形巷道。2.砌碹支护：料石砌碹，现浇混凝土 3.锚喷支护：锚杆支护、喷射砼支护、锚喷联合支护、锚喷支护（网、钢带、梯子梁等）联合支护。4.上述锚喷支护再加锚索加强支护h44锚喷支护前两类支护方式均属被动支护，锚喷支护则为主动支护方式，能充分利用围岩自身的承载能力 1.喷射砼支护原理（1）封闭围岩，防止围岩风化作用（2）补强围岩喷射砼具有较高的速度喷射至岩面，其浆体充入岩体表面裂隙中，使得岩体的整体强度得到提高。（3）改善围岩应力状态巷道开挖后岩体变形二向应力状态，而喷射砼支护后由于其具有一定的强度，使围岩由二向应
9、力状态变为三向应力状态，围岩承载能力得到提高。（4）组合拱作用 喷射砼与围岩经裂隙而相互咬合而形成组合拱共同承载。（5）柔性支护结构喷射砼厚度较小，具有一定的变形能力，在围岩应力较大时可产生一定的变形，以释放围岩应力，从而取得较好的支护效果。h45锚喷支护 2.锚杆支护原理（1）悬吊作用原理 1952年路易斯阿帕内科(Louis A.panek)等发表了悬吊理论，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固的岩层上，在预加张紧力的作用下，每根锚杆承担其周围一定范围内岩体的重量，锚杆的锚固力应大于其所覆盖的岩体的重力。见图1-1悬吊作用原理。锚固力 Q(1.52)W锚杆工作拉
10、力 Q1=bA锚杆长度 LKHL1L2 锚杆间排距 HkQa h46（2）组合梁理论按材料力学理论可知，无锚杆时巷道顶板岩石为叠合梁结构，在受到其上部围岩的应力作用后，各层单独变形，层与层之间容易产生滑移从而导致离层；而顶板采用锚杆支护时，锚杆穿过各层状岩层形成组合梁，共同抵抗围岩应力，故变形较小，从而起到支护的作用。锚喷支护h47锚喷支护（3）组合拱理论在沿拱形巷道周边布置锚杆后，在预紧锚固力的作用下，每根锚杆都有一定的应力作用范围，只要取合理的锚杆间距，其应力作用范围会相互重迭，从而形成一连续的挤压加固带即厚度较大的组合拱，该加固带的厚度是普通砌碹支护厚度的数倍。故能更为有效地抵抗围岩应力
11、，减少围岩变形，其支护效果明显好于普通砌碹支护。h48锚喷支护（4）三铰拱理论危险岩块在锚杆作用下，岩块相互搭接，形成一个三铰拱有效厚度：式中：031)(105.1fLlxy31420156.0ElPlkfh49锚喷支护（5）减小跨度作用 在悬吊作用理论及组合梁作用理论的基础上，提出了减跨理论，该理论认为：锚杆末端固定在稳定岩层内，穿过薄层状顶板，每根锚杆相当于一个铰支点，将巷道顶板划分成小跨，从而使顶板挠度降低。h50 因此在开采过程中，必须意识到地应力的发展状因此在开采过程中，必须意识到地应力的发展状态，尤其在多层开采时要防止应力的叠加事实态，尤其在多层开采时要防止应力的叠加事实上这种应力
12、叠加常常是造成支护困难，甚至发生上这种应力叠加常常是造成支护困难，甚至发生动力现象的根源这时必须优化开采设计（参数动力现象的根源这时必须优化开采设计（参数及工作面推进方向等）尽量避免应力的过分集及工作面推进方向等）尽量避免应力的过分集中由于岩体的非均质和采动影响至使中由于岩体的非均质和采动影响至使“数值数值计算计算”很难做到正确定性很难做到正确定性,更不用说定量更不用说定量,因此如因此如何快速地鉴测到开采过程中岩体应力场是矿山压何快速地鉴测到开采过程中岩体应力场是矿山压力预报的重要内涵力预报的重要内涵h51 1,近几年顶板事故近几年顶板事故(属于易控制不安全因素属于易控制不安全因素)死亡占第一
13、位死亡占第一位;机械机械化开采能使顶板事故大幅度降低化开采能使顶板事故大幅度降低(我国近我国近6亿吨产量的高产高效矿亿吨产量的高产高效矿井井,2004年百万吨死亡率为年百万吨死亡率为0.06).我国自我国自1972年使用液压支架年使用液压支架,至今至今30余年目前也仅仅只有不到余年目前也仅仅只有不到50%的产量在应用的产量在应用.2,近几年由于大量发展乡镇煤矿近几年由于大量发展乡镇煤矿(产量占产量占37%),这些煤矿这些煤矿(处于浅处于浅部部,不受高应力影响不受高应力影响)规模小规模小(23000个矿井生产个矿井生产7亿吨亿吨),大量使用大量使用单体支柱单体支柱,支护结构不稳定、支护质量难于保
14、证支护结构不稳定、支护质量难于保证,导致冒顶事故频导致冒顶事故频发发;乡镇煤矿百万吨死亡乡镇煤矿百万吨死亡6人人,事故死亡人数占总数的事故死亡人数占总数的70%.3,显然显然,液压支架替代单体支架这是必由之路液压支架替代单体支架这是必由之路,但矿井必须有一但矿井必须有一定的经济基础和规模定的经济基础和规模.4,原来推行的支护质量检测是保证单体支架工作面不原来推行的支护质量检测是保证单体支架工作面不(少少)出现出现顶板事故的有效手段顶板事故的有效手段;但由于支护质量检测需要应用技术人员但由于支护质量检测需要应用技术人员,而而且烦琐且烦琐,因此得不到推广因此得不到推广;5,应该进一步研究便携式的支
15、护质量检测仪器应该进一步研究便携式的支护质量检测仪器,这样可以使工作这样可以使工作面顶板事故大量减少面顶板事故大量减少.h52单体支架是不稳定结构单体支架是不稳定结构,在在顶板压力作用下顶板压力作用下易于推垮易于推垮而冒顶而冒顶h53高度的机械化使神东煤矿年生产高度的机械化使神东煤矿年生产1亿吨煤亿吨煤,而而百万吨死亡率为百万吨死亡率为0.0098,达到世界最低达到世界最低.h54h55h56 巷道支护是煤矿开采的永恒主题巷道支护是煤矿开采的永恒主题,随着采深增加难随着采深增加难度越来越大度越来越大.关于支护原理关于支护原理:鉴于回采巷道都是与采区服务期一鉴于回采巷道都是与采区服务期一致的临时
16、建筑物致的临时建筑物.而回采巷道又强烈地受采动影响而回采巷道又强烈地受采动影响.因此认为因此认为:巷道变形不可抗拒巷道变形不可抗拒,支架必须可缩支架必须可缩.由此由此形成了回采巷道的支护原理与技术形成了回采巷道的支护原理与技术:“预留断面预留断面-可缩性支架可缩性支架-壁后充填壁后充填”支护原支护原理理 和和“巷道变形预测巷道变形预测U型钢支架型钢支架”支护技术支护技术 应用得到成功应用得到成功.后来由于后来由于U型钢支架价格影响成本型钢支架价格影响成本,而且影响快速而且影响快速作业作业,在我国没有得到全面推广在我国没有得到全面推广.而是致力于锚杆而是致力于锚杆支护支护.锚杆支护原理显然不同于
17、锚杆支护原理显然不同于U型钢支护型钢支护.h57 随着开采深度的增加以及多层开采应力的叠加随着开采深度的增加以及多层开采应力的叠加,各各类巷道的支护将类巷道的支护将“个性化个性化”.而且都将遵循以下原而且都将遵循以下原则则:“应力场测定应力场测定围岩状态量化描述围岩状态量化描述数值计算数值计算(物物理模拟理模拟)支护设计支护设计(包括锚索的作用包括锚索的作用)现场检现场检测测修改设计修改设计”随着开采深度的增加随着开采深度的增加(或由于开采顺序不合理带来或由于开采顺序不合理带来的应力集中的应力集中),现有的支护手段已经难于应付现有的支护手段已经难于应付.为了为了解决深部开采解决深部开采,而又不希望多出矸石而又不希望多出矸石,必须深入研必须深入研究煤巷在高应力状态下的维护原理究煤巷在高应力状态下的维护原理.
