1、 煤礦地質與開采安全煤礦地質與開采安全 主講人：主講人：王增明王增明手機：手機蒙古內蒙古煤礦安全培訓中心煤礦安全培訓中心影響煤礦生產的地質因素影響煤礦生產的地質因素 礦井水文地質與礦井防治水礦井水文地質與礦井防治水 礦井開拓方式及礦井生產系統礦井開拓方式及礦井生產系統 主要內容主要內容： 煤礦開采技術煤礦開采技術 采掘工作面頂板控制與事故防治采掘工作面頂板控制與事故防治 礦井熱害及防治礦井熱害及防治 第一節第一節 影響煤礦生產的地質因素影響煤礦生產的地質因素 一、煤系地層與煤層 地殼是由巖石構成的，巖石按生成原因分巖漿巖、 沉積巖和變質巖三大類。 煤層是幾千萬年至幾億

2、年前由古代植物殘體大量堆 積，在一定條件下經泥炭、成煤和變質作用形成的層 狀固體可燃礦產。 煤層是煤系的重要組成部分，煤層的厚度及其變化是評價煤層工業價值的主要指標，也是選擇煤礦開采設計的主要依據。 煤層屬于沉積巖？ 煤層常見有以下分類方法：煤層常見有以下分類方法：1煤層按層狀分類為： 層狀煤層 似層狀煤層 非層狀煤層2煤層按傾斜程度分類為： 近水平煤層 緩傾斜煤層 傾斜煤層 急傾斜煤層l 近水平煤層：地下開采時傾角8以下的煤層；l 緩傾斜煤層：地下開采時傾角8 25的煤層；l 傾斜煤層：地下開采時傾角25 45的煤層；l 急傾斜煤層：地下或露天開采時傾角在45以上的煤層。3煤層按厚度分類為：

3、 薄煤層 中厚煤層 厚煤層 薄煤層：地下開采時厚度1.3m以下的煤層； 中厚煤層：地下開采時厚度1.33.5m的煤層； 厚煤層是：下開采時厚度3.5m以上的煤層。單斜構造示意圖單斜構造示意圖 巖層的產狀要素 產狀三要素：走向、傾向、傾角n褶皺構造巖層在水平方向擠壓力的長期作用下，所形成的各種彎曲變形，這些構造形態叫褶皺構造。褶皺構造中的每一個彎曲叫褶曲，它是褶皺構造的基本單位。褶曲的基本形態分為背斜和向斜兩種。背斜向斜褶皺 斷裂構造 根據煤（巖）層斷裂面兩側巖塊相對位移的大小，分節理和斷層兩大類型。節理又稱為裂隙或者裂縫，是指斷裂面兩側的煤（巖）沒有發生顯著的位置移動的斷裂構造。斷層是指斷裂面

4、兩側的煤（巖）發生了顯著的位置移動的斷裂構造。斷層的基本要素有斷層面、斷盤和落差（斷距）等。 斷層分為正斷層、逆斷層和平移斷層。正斷層：上盤相對下降，下盤相對上升的斷層；逆斷層：上盤相對上升，下盤相對下降的斷層；平移斷層：兩盤巖塊沿斷裂面作水平方向相對移動的斷層；（a a）正斷層；（）正斷層；（b b）逆斷層；（）逆斷層；（c c）平移斷層）平移斷層n 陷落柱 陷落柱是分布在石灰巖地層中，有流動的地下水對石灰巖地層進行溶蝕作用形成的。當煤層下部分布有可溶性的石灰巖、白云巖，并有發育的巖溶時，巖溶可能坍塌而引起上覆巖層的跨落，破壞煤層的完整性，這種坍塌呈圓形的柱狀體或底大頂小的圓錐體，稱之為陷落

5、柱 陷落柱的形成過程示意圖陷落柱的形成過程示意圖(a) 石灰中發育的巖溶；石灰中發育的巖溶；(b) 巖溶逐漸擴大；（巖溶逐漸擴大；（c）陷落柱形成）陷落柱形成三、影響煤礦生產的地質因素三、影響煤礦生產的地質因素 u 煤層厚度的影響褶皺構造 斷裂構造陷落柱 u 地質構造的影響第二節第二節 礦井水文地質與礦井防治水礦井水文地質與礦井防治水 一、一、 礦井水害及其產生條件礦井水害及其產生條件 根據水源不同，礦井水害分為地表水害、老窯水害、孔隙水水害、裂隙水水害及巖溶水水害。 充水水源 充水途徑 充水強度 l 礦井水害發生的條件: 礦井充水水源及通道礦井充水水源通道天然人為水源通道巖溶陷落柱襲奪水源封

6、孔質量不佳的鉆孔大氣降水地表水地下水地震裂隙斷裂帶、裂隙隱伏露頭、天窗老窯水頂板冒裂帶底板礦壓破壞帶巖溶地面塌陷水源通道 礦井充水程度及其指標 礦井的充水程度指標：含水系數 礦井涌水量 含水系數（富水系數）：從生產礦井中排出的水量Q（m3）與同一時期內煤炭產量T（t）的比值，即：每開采一噸煤的同時，需要從礦井內排出的水量。 據含水系數的大小，可將礦井的富水性劃分為四個等級：tmTQKB/3， 涌水小的礦井 KB10 m3/t 礦井涌水量 礦井涌水量是指單位時間內流入礦井的水量，常用q表示。根據礦井涌水量的不同，礦井的富水性也可分為四個等級。 涌水小的礦井 q15 m3/min二、礦井突水及其預

7、測二、礦井突水及其預測 礦井突水礦井突水: : 按采掘工作所處的階段，可分為掘進突水與回采突水；按采掘工作所處的階段，可分為掘進突水與回采突水； 按突水點與開采煤層所處的相對位置，可分為頂板突水、底板突按突水點與開采煤層所處的相對位置，可分為頂板突水、底板突水與煤柱突水；水與煤柱突水； 按突水相對于采掘工程進行的時間可分為即時突水與滯后突水等。按突水相對于采掘工程進行的時間可分為即時突水與滯后突水等。 依據突水點的水量大小，將突水點分為小突水點依據突水點的水量大小，將突水點分為小突水點(Q(Q60m60m3 3/h)/h)、中、中等突水點等突水點(Q(Q60m60m3 3/h/h600 m60

8、0 m3 3/h)/h)、大突水點、大突水點(Q(Q600 m600 m3 3/h /h 1800 1800 m m3 3/h )/h )和特大突水點和特大突水點(Q(Q1800 m1800 m3 3/h ) 4/h ) 4個等級。個等級。 根據根據煤礦防治水規定煤礦防治水規定突水量首次達到突水量首次達到300300m m3 3/h/h以上或者造成死以上或者造成死亡亡3 3人以上的突水事故稱重大突水事故。人以上的突水事故稱重大突水事故。u礦井突水預兆 （1）掛紅 （2）掛汗 （3）空氣變冷 （4）出現霧氣 （5）水叫 （6）頂板淋水加大 （7）頂板來壓、底版鼓起 （8）水色發渾、有臭味 （9）

9、有害氣體增加 （10）裂隙出現滲水 煤礦安全規程規定，當采掘工作面或其他地點出現透水征兆時，必須停止作業，采取措施，立即報告礦調度室，發出警報，撤出所有受水威脅地點的人員。u突水水源分析與判別 直觀分析法水文地質條件分析法 水化學試驗法及示蹤試驗 水質判別模型法 地下水動態分析法 u突水的因素與預測 影響底板突水的因素 :含水層富水性及水壓隔水層是底板突水的抑制因素 斷裂構造 礦壓是底板突水的觸發與誘導因素突水預測 v易發生突水地段: 斷層交叉或匯合處斷層尖滅或消失端一帶褶曲軸部裂隙密集帶或小斷裂密集帶 背斜傾伏端一帶兩條大斷層相互對扭地帶（即張扭性破碎帶）與導水或富水大斷裂成入字型連接的小斷

10、裂帶 復合部位小斷層與次級小褶曲軸在地層傾向急劇轉折帶上的復合部位，或小褶曲軸與地層傾向轉折帶的復合部位或平緩小褶曲翼部壓性斷裂下盤、張性斷裂上盤因富水性強，井巷通過或接近時往往發生突水新構造活動強烈的斷裂帶不同力學性質的斷裂組成的斷裂帶，富水性強，易于發生突水v采掘前的突水預測 水文地質分區圖 礦區或采區底板突水預測圖 突水系數法 v采掘過程中的突水預測 鉆探方法 放射性測量方法 物探方法 突水征兆的監測三、礦井防治水技術路線三、礦井防治水技術路線l礦井防治水的基本方針 基本原則: 預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采 綜合防治措施: 防、堵、疏、排、截”四、煤礦水害防治技術四、煤礦水害防

11、治技術w地面防治水 w井下防水 w井下探放水 w疏放降壓 w注漿堵水 第三節 礦井開拓方式及礦井生產系統 礦井開拓方式礦井開拓方式 開拓巷道在井田內的總體布置方式 煤礦井下巷道分為：開拓巷道、準備巷道、回采巷道 礦井開拓方式分類： 按井筒形式分立井開拓、斜井開拓、平硐開拓和綜合開拓 按開采水平數目分，有單水平開拓與多水平開拓 按階段內的布置分連續式和分區式二、礦井生產系統二、礦井生產系統 礦井生產系統由井下生產系統、地面生產系統和安全監控系統所組成。v1. 井下生產系統 井下生產系統分為提升運輸系統、通風系統、供電系統、排水系統以及壓風系統。v2. 地面生產系統 地面生產系統分為選煤系統、排矸

12、與運料系統和地面管線系統v3. 煤礦安全監控系統井下生產系統示意圖第四節 煤礦開采技術一、采煤方法的概念一、采煤方法的概念采煤方法是指采煤系統與采煤工藝在時間和空間上的相互配合。 采煤系統：回采巷道的掘進一般是超前于回采工作進行的。它們之間在時間上的配合以及在空間上的相互位置關系，稱為采煤系統。 采煤工藝：在采煤工作面內按照一定順序完成落煤、裝煤、運煤、頂板支護和采空區處理各項工序的方法及其配合，稱為采煤工藝。回采工作可分為基本工序和輔助工序 回采工作的基本工序：落煤、裝煤、運煤 回采工作的輔助工序：工作面支護、采空區處理、移置運輸機及采煤設備等采煤方法分類采煤方法分類 壁式體系采煤法w薄及中

13、厚煤層單一長壁采煤方法u厚煤層分層開采的采煤方法分層采煤法：傾斜分層 水平分層 斜切分層 傾斜分層水平分層斜切分層 回采順序：分層的回采有下行式和上行式兩種順序。 各先采上部分層，然后依次回采下部分層的方式稱為下行式；先回采最下分層，然后依次回采上部分層的方式稱為上行式。采空區處理方法： 當用下行式回采順序時，可采用垮落或充填法來處理采空區；采用上行式回采順序時，則一般采用充填法。w厚煤層整層開采的采煤方法大采高一次采全厚的單一長壁采煤法：5m以下的緩斜厚煤層綜采放頂煤采煤法：5m以上緩傾斜厚煤層掩護支架采煤法：急斜厚煤層w壁式體系采煤法具有的主要特點：通常具有較長的采煤工作面長度，通常在80

14、250m。在采煤工作面兩端至少各有一條回采巷道，至少兩個安全出口，也有利于通風和運輸。隨采煤工作面推進，頂板暴露面積增大，礦山壓力顯現較為強烈。采煤工作面可分別用爆破、滾筒式采煤機或刨煤機破、裝煤，用與采煤工作面相平行鋪設的刮板輸送機運煤，用支架支護工作空間，用放頂垮落法或充填法處理采空區。 采煤工藝v炮采工藝 炮采v普通機械化采煤工藝 普采v綜合機械化采煤工藝 綜采v放頂煤采煤工藝一次采全厚放頂煤預采頂分層網下放頂煤傾斜分段放頂煤第五節 采掘工作面頂板控制與事故防治 一、礦山壓力概念 原巖應力場 礦山壓力（礦壓） 礦山壓力顯現 l 煤層頂板 偽頂：直接位于煤層之上，極易垮落的較薄巖層。它由泥

15、巖、頁巖等軟弱巖層組成，厚度小于0.5m，常隨采隨落。直接頂：位于偽頂或煤層之上的一層或幾層相同或不同的巖層。它由泥質頁巖、頁巖、砂質頁巖等不穩定巖層組成，具有隨回柱放頂而垮落的特征。其厚度是指回柱放頂后能在采空區自行垮落的巖層厚度。老頂（基本頂）：位于直接頂之上的巖層。由砂巖、石灰巖、砂礫巖等堅硬巖石所組成。其厚度大于2m，自燃分層厚度較大，整體性較強，采空后能懸露較大面積。 l 煤層底板 直接底：位于開采層下面的巖層。當它為堅硬巖石時，可作為采煤工作面支柱的底座；如果是泥質頁巖等松軟巖層時，則常造成底鼓和支柱插入底板等現象；在開采急傾斜煤層時，直接底還可能出現沿傾斜滑動的現象。 老底：位于

16、直接底之下,一般由砂巖、石灰巖等堅固的巖層所組成。 根據頂板的堅硬程度、穩定程度以及對工作面礦壓影響程度，直接頂可分為四類：不穩定頂板、中等穩定頂板、穩不穩定頂板、中等穩定頂板、穩定頂板和堅硬頂板定頂板和堅硬頂板。 按老頂來壓強烈程度不同，老頂可分為四級：級頂板級頂板，、級頂板級頂板、級頂板級頂板、級頂板級頂板。l 巷道圍巖壓力l 礦山壓力的分布規律 1采煤工作面周圍壓力分布 a增壓區(支承壓力區)；b減壓區(卸壓區)；c c穩壓區(原始應力區) 2工作面初次來壓 1)直接頂初次垮落 2)老頂初次垮落與工作面初次來壓 老頂的初次來壓步距：一般為2035 m 3工作面周期來壓 老頂周期來壓步距：

17、一般為老頂初次來壓步距的1/21/44采空區上覆巖層移動情況 根據破壞的特征，上覆巖層沿豎直方向自下而上分為：冒落帶、裂隙帶 、彎曲下沉帶 二、巷道掘進頂板控制技術二、巷道掘進頂板控制技術 頂板控制方法：巷道保護：指為了預防巷道失穩或有效的減輕礦壓危害而采取的各種技術措施；巷道支護：指借助于各種支架去預防巷道圍巖產生過度變形和防止巷道冒頂、片幫的技術措施；巷道維護（維修）：指對已進行過支護的巷道，為了改善已惡化的維護狀況和恢復其穩定性所采取的一些措施。 巷道支護材料：木支護 料石及混凝土砌碹金屬支架：礦工鋼支護、U型鋼支護錨桿支護噴射混凝土支護錨噴支護三、巷道頂板事故的防治 造成巷道冒頂事故的

18、因素 自然地質因素 工程質量因素 采掘工程因素 管理因素 巖層層理影響 鑲嵌型圍巖結構的影響 巖層節理裂隙及破碎帶影響 地下水的影響 支架架設質量差 掘進打眼爆破參數掌握不好 1掘進工作面冒頂事故的原因及防治措施 巷道冒頂事故的預防措施巷道冒頂事故的預防措施 ： 冒頂的原因 冒頂事故的防治措施 嚴格控制空頂距離，嚴禁空頂作業 加強安全檢查，嚴格執行敲幫問頂制度 在地質破壞區掘進巷道時要縮小棚距； 在工作面附近應把棚子連成一體防止棚子被推垮，必要時還要打中柱以抵抗突然來壓。 及時整理爆破崩倒或崩歪的支架。2支架支護巷道冒頂事故的原因及防治措施 冒頂的原因 支架支護巷道的冒頂可分為壓垮型、漏垮型和

19、推垮型3類 冒頂事故的防治措施掘進工作面嚴禁空頂作業,支架間應設牢固的撐木或拉桿在松軟的煤巖層掘進巷道時，必須采取前探支護或其他措施在堅硬穩定的煤巖層中，確定巷道不設支護時，必須制定安全措施可縮性金屬支架應用金屬支拉桿，并用機械或力矩扳手擰緊卡纜支架與頂幫之間的空隙必須塞緊、背實巷道砌碹時，碹體與頂幫之間必須用不燃物充滿填實更換巷道支護時，在拆除原有支護前，應先加固臨近支護，拆除原有支護后，必須及時除掉頂幫活矸和架設永久支護，必要時還應采取臨時支護措施。在傾斜巷道中，必須有防止矸石、物料滾落和支架歪倒的安全措施。3錨桿支護巷道冒頂事故的原因及防治措施 冒頂的原因 冒頂事故的防治措施 預防錨桿支

20、護巷道冒頂的措施，主要在于正確選擇錨桿支護的參數，加強施工管理，保證工程質量。 4巷道交叉處及巷道貫通處冒頂事故的原因及防治措施 冒頂的原因 冒頂事故的防治措施 開岔口應避開原來巷道冒頂的范圍。 必須在開岔口抬棚支設穩定后再拆除原巷道棚腿，不得過早拆除，切忌先拆棚腿后支抬棚。 保證抬棚有足夠的強度。 開幫掘進的新巷與原巷的方位要保持較大的夾角(最好大于45)。 貫通前要進行超前探測，并處理好被透點的積水、瓦斯等有害氣體情況，制定相應的安全措施。 巷道維修及冒頂處理方法 1巷道維修及冒頂處理的一般原則 先外后里 先支后拆 先上后下 先近后遠 先頂后幫2巷道冒頂處理方法(1)直接支架法(2)撞楔法

21、(3)錨噴法(4)木垛法 v采煤工作面支架的基本要求 v采煤工作面支架架設的安全要求 v工作面放頂時安全要求 v綜合機械化采煤時必須遵守的規定v放頂煤時必須遵守的規定 四、采煤工作面頂板安全管理四、采煤工作面頂板安全管理 支得起護得好穩得住 五、采煤工作面頂板事故及預防措施五、采煤工作面頂板事故及預防措施 頂板事故是指在地下開采過程中，因為頂板意外冒落造成的人員傷亡、設備損害、生產中止等事故。v采煤工作面頂板事故的分類s按冒頂范圍的不同分： 局部冒頂 大面積冒頂s按發生冒頂事故的力學原理分： 壓垮型冒頂 漏垮型冒頂 推垮型冒頂 壓垮型冒頂是由垂直于層面方向的頂板力壓壞采煤工作面支架而導致的冒頂

22、；漏垮型冒頂是因已破碎頂板沒有得到有效防護，受重力作用冒落而導致的冒頂；推垮型冒頂則是由平行于層面方向的頂板力推倒采煤工作面支架而導致的冒頂。壓垮型冒頂的機理及防治 漏垮型冒頂的機理及防治 推垮型冒頂的機理及防治綜合型冒頂的機理及防治 在一次冒頂事故中出現壓、漏、推的綜合，但必有一個為主，按為主的預防即可 六、沖擊地壓及其防治六、沖擊地壓及其防治 沖擊地壓的定義沖擊地壓的定義 煤礦沖擊地壓煤礦沖擊地壓( Rock burst( Rock burst， Pressure bump in collieries)Pressure bump in collieries)又稱煤爆，是指在一定條件的高地應

23、力作用下，井巷或回采工作面又稱煤爆，是指在一定條件的高地應力作用下，井巷或回采工作面周圍的煤巖體由于彈性能的瞬時釋放而產生破壞的礦井動力現象，周圍的煤巖體由于彈性能的瞬時釋放而產生破壞的礦井動力現象，常伴隨有巨大的聲響、煤巖體被拋向采掘空間和氣浪等現象。它往常伴隨有巨大的聲響、煤巖體被拋向采掘空間和氣浪等現象。它往往造成采掘空間中支護設備的破壞以及采掘空間的變形，嚴重時造往造成采掘空間中支護設備的破壞以及采掘空間的變形，嚴重時造成人員傷亡和井巷的毀壞，甚至引起地表塌陷而造成局部地震。成人員傷亡和井巷的毀壞，甚至引起地表塌陷而造成局部地震。 沖擊地壓現狀沖擊地壓現狀l煤礦沖擊地壓是一個世界性的災

24、害現象。從1738年英國的南史塔福煤田發生世界上第一次沖擊地壓以來，已有260年的歷史了。其間在世界上發生沖擊地壓的國家除我國外，還有英國、波蘭、法國、德國、俄羅斯、烏克蘭、南非、美國、日本等23個國家和地區。我國最早記錄的沖擊地壓是1933年在撫順勝利礦發生的。l我國煤礦進入80年代以來，礦井開采深度日益加大，如開灤礦務局開采深度已超過1200m，新汶礦務局開采深度也在1000m以上，大多數大中型礦井開采深度均已超過500m。 沖擊地壓的特點沖擊地壓的特點l（1）突發性：沖擊前沒有明顯的宏觀前兆；l（2）瞬時震動性：發生時伴有強烈震動和聲響，人員和設備被彈起，地面地震感；l（3）破壞性：常使

25、幾米、幾十米甚至幾百米巷道支架破壞，造成巷道堵塞、人員傷亡、設備損壞、丟失煤炭。 v沖擊地壓發生的原因沖擊地壓發生的原因自然的技術的組織管理的局部應力集中生產過度集中采礦地質因素限制防治措施的限制煤層的超量開采無投資及投資沒到位防治措施采取不當采礦作業不當煤層沖擊傾向性地層中的厚煤層缺乏培訓違反規程較大的原巖應力沖擊地壓發生的機理理論l強度理論：井巷和采煤工作面周圍產生應力集中，當應力達到煤巖體的強度極限時，煤巖體就會突然發生破壞，形成沖擊地壓。l剛度理論：礦山結構(礦體)的剛度大于礦山負荷系統(圍巖)的剛度是產生沖擊地壓的必要條件。l能量理論：礦體-圍巖系統在其力學平衡狀態破壞時所釋放的能量

26、大于所消耗的能量時就發生沖擊地壓。l沖擊傾向性理論：煤巖介質產生沖擊破壞的固有能力或屬性，是沖擊地壓發生的必要條件。沖擊地壓的發生的條件（1）凡是發生沖擊地壓的煤層，都具有“三高一低”的特點，即：彈性、脆性、硬度較高，含水量低(干燥)，大多數沖擊地壓的煤層頂板都十分堅硬，完整大面積不昌落，偽頂或直接頂較薄甚至沒有。（2）隨著開采深度的增加，沖擊地壓次數和強度有增加的趨勢。（3）向斜軸部，斷層附近，煤層或傾角發生變化的地點，是沖擊地壓密集區。（4）兩面或三面已采的孤獨煤柱，受到從幾個面傳來的頂板壓力，最容易產生沖擊地壓。（5）在支承力帶護達巷邊，最容易引起沖擊地。（6）在上層煤的回采邊界影響帶內，容易發生擊地壓。 沖擊地壓的預測 o 鉆粉率指標法 o 地音、微震法 o 煤層圍巖壓力-變形觀測法 o 綜合預測方法 沖擊地壓的防治 煤礦安全規程規定：