第四章采场矿山压力显现基本规律课件

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1、4 采场矿山压力显现基本规律,4.1 概 述 4.2 老顶的初次来压 4.3 老顶的周期来压 4.4 顶板压力的估算 4.5 回采工作面前后支承压力分布 4.6 影响采场矿山压力显现的主要因素 4.7 本章小结,4.1 概 述,实际生产过程中，回采工作面常有下述一系列矿山压力现象，这些现象作为衡量矿山压力显现程度的指标。回采工作面常见的矿山压力显现现象：,(1) 顶板下沉,一般指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板相对移近量。图4-1中分别表示了顶板绝对下沉、底板鼓起及顶底板相对移近曲线。由于在缓斜及倾斜工作面底板鼓起量比较小，因而常常可以忽略不计，为此顶底板移近量简称为顶板下沉量。,图4-1 工作面

2、顶底板移近曲线1顶板绝对下沉曲线；2顶底板相对移近量曲线；3底板鼓起曲线,实际测定时常常是在工作面煤壁刚悬露的顶板处设置测杆，随着工作面的推进，测得由煤壁到采空区放顶线处的顶底板移近量。一般以s表示。有时为了对比，常常把这个指标换算为单位采高、单位推进度的顶板下沉量， 即 (L为控顶距，M为采高)，以 每米采高、每米推进度下沉多少毫米表示。,指单位时间内的顶底板移近量。通常以mmh计算。它表示顶板活动的剧烈程度。图4-2表示在一个工作面测得的顶板下沉速度变化情况，纵坐标为下沉速度，横坐标为时间。,(2) 顶板下沉速度,图4-2 工作面所测顶板下沉速度变化情况,支柱变形与折损 随着顶板下沉，回采

3、工作面支柱受载也逐渐增加，一般可以用肉眼观察到木柱帽的变形，剧烈时可以观察到支柱的折损。 顶板破碎情况 常以单位面积中冒落面积所占的百分比来表示顶板破碎情况，常用来衡量顶板管理好坏的质量标准之一。,局部冒顶 这是指回采工作面顶板形成局部塌落，影响回采工作的正常进行。 (6) 工作面顶板沿煤壁切落(或称大面积冒顶) 这是指采面由于顶板来压而导致顶板沿工作面切落，它常严重影响工作面的生产。,其它矿山压力现象：煤壁片帮、支柱钻底、底鼓等。,回采工作空间是一个小结构，它处于覆岩大结构之中。“大结构”的变形、失稳将直接影响到小结构的状态，同时“大结构”周围的支承压力分布情况也将直接影响到煤壁及底板岩层的

4、稳定性。,4.2 老顶的初次来压 当老顶悬露达到极限跨距时，老顶断裂形成三铰拱式的平衡，同时发生已破断的岩块回转失稳(变形失稳)，有时可能伴随滑落失稳(顶板的台阶下沉)，如图4-3所示，从而导致工作面顶板的急剧下沉。此时，工作面支架呈现受力普遍加大现象，即称为老顶的初次来压。,图43 老顶断裂成岩块后的转动,老顶岩层初次破断后，老顶破断岩块回转下沉引起工作面顶板急剧下沉、支架受力普遍加大、煤壁片帮的现象。 由开切眼到初次来压时工作面推进的距离称为老顶的初次来压步距。一般情况下，老顶的初次来压步距与老顶初次断裂的极限跨距相当。,当老顶岩块失稳时，形成了岩块滑落，对工作面安全造成严重威胁。图4-4

5、即表示两个滑落失稳的实例。 图4-4 老顶岩块滑落失稳的两个实例,图45 老顶初次来压的力学模型,由于支架反力（支撑力）P形成的反力矩难以平衡由老顶初次来压载荷Q2所形成的力矩，因而老顶岩块的回转在一定程度上是不可避免的，工作面顶板必然随之发生下沉。只有当老顶岩块在采空区触矸形成反力后，其回转下沉才会缓和和停止。为了不使老顶沿工作面切落，支架工作阻力应等于Q1与Q2之和。 由此可知，由于老顶破断岩块回转的影响，工作面顶板必然发生下沉。这种现象也是不可避免的，是回采工作空间的地下结构物与其它构筑物的重要区别之一。,初次来压前，由于上覆岩层结构中有“梁”或“拱”式结构存在，因此整个采空区周围的岩体

6、可以视为一个结构系统。这个系统的顶部是老顶岩层，四周则是直接顶和煤柱。回采工作面就处在这样的结构系统保护之下，其四周岩层的应力分布，沿走向及倾斜方向分别如图4-6所示。,图4-6 初次来压前四周围岩支承压力分布状态 A增压区；B减压区；C稳压区,老顶来压前，回采工作面的顶板压力并不大，但煤壁内的支承压力却达到了最大值。所以，煤帮的变形与塌落(片帮)，常常是预示工作面顶板来压的一个重要标志。 老顶初次来压比较突然，初次来压时，老顶跨距比较大，影响的范围也比较广。 初次来压一般要持续23 d。由于老顶初次来压对工作面的影响较大，因此必须掌握初次来压步距的大小，以便及时采取对策。在来压期间，必须加强

7、支架的支撑力，尤其要加强支架的稳定性。一般可以采用木垛、斜撑、抬棚等特种支架加强回采工作空间的支护。,动载（动压）系数：,支架来压时载荷与平时载荷之比。,老顶初次步距越大，工作面来压显现越剧烈，相应的动载系数也越大。大同矿务局坚硬顶板条件下，初次来压前每架液压支架仅测得2000 kN的载荷，而当来压时达到了6000 kN，动载系数达到3以上。,老顶初次来压步距是老顶岩层分类的主要依据。,据大量实测资料统计，我国现有的生产工作面中，初次来压步距为1030 m的约占54%，3055 m的约占37.5%，其余为大于55 m的情况。有的可达到160 m左右，如大同矿务局的砾岩及砂砾岩顶板。 但是，一定

8、条件下，即使老顶初次来压步距并不十分大，回采工作面来压显现却很剧烈，甚至造成工作面支架被压死的现象。如我国神府风积沙浅埋煤层及华东部分矿井在开采浅部煤层时曾遇到这种情况。,老顶初次来压后，随着回采工作面的推进，老顶岩层将发生周期性破断，老顶破断岩块形成的“砌体梁”结构的稳定性将随之发生周期性变化.,4.3.1 回采工作面推进对“砌体梁”结构的影响,4.3 老顶的周期来压,图4-7表示了这个变化过程。由图中(a)进入(b)，A岩块将由稳定状态进入断裂状态。此时，按结构的自由度计算，结构将进入不稳定状态。同样取A岩块作受力分析也可证明这一点，如图4-8所示。,图4-7 回采工作面推进中岩体结构的变

9、化过程,在图4-8中，形成了A岩块的回转与B岩块的反向回转。此时A岩块的前咬合点O有一向上运动的趋势，这种趋势使A岩块前咬合处的局部范围受拉应力。这种情况很易使A岩块的前端点破碎，导致结构的失稳。 当岩块与B岩块回转成一体时，如图4-7(c)所示，A、B岩块合为一体。,但随着回采工作面的继续推进，A、B岩块又将在下部分开，像B、C岩块间的关系一样， 如此反复。随着回采工作面的推进，上覆岩层的结构经历了“稳定失稳再稳定”的过程。由于A岩块的回转，必然导致回采工作面顶板的不断下沉，支架所受的载荷也随之增加。,图4-8 A岩块的受力分析,随着回采工作面的推进,上覆岩层的结构经历了“稳定失稳再稳定”的

10、过程，这种变化将呈现周而复始的过程。 由于A岩块的回转，必然导致工作面顶板的不断下沉。从管理顶板出发，支架性能必须与之相适应，支架应具备: 一定的可缩量; 一定的工作阻力： PQABTtg(-) 对于冒落带岩层，T0，PQA+B,即支柱阻力能承受控顶区全部岩层重量。,4.3.2 老顶的周期来压,随着回采工作面的推进，在老顶初次来压以后，裂隙带岩层形成的结构将始终经历“稳定失稳再稳定” 周而复始的变化过程。 老顶岩层的周期性破断而引起“砌体梁”结构的周期性失稳而引起的顶板来压现象称为采场周期来压。 周期来压的主要表现形式是：顶板下沉速度急剧增加，顶板的下沉量变大；支柱载荷普遍增加；有时还可能引起

11、煤壁片帮、顶板台阶下沉、支柱折损，甚至工作面冒顶事故。,根据上述分析，可将周期来压时顶板来压状态绘成如图4-9所示的力学模型。与初次来压时一样，支架必须保证足够的支撑力以满足Fy = 0，但并不能阻止老顶岩块的回转。支架对老顶岩块所具有的作用力P1应为A、B岩块的重量再减去断裂岩块与未断岩体间的摩擦力。后者决定于T值， T是一个变值。这样，P1应表达为,图4-9 周期来压时力学模型,根据材料力学：,与老顶初次断裂时的极限跨距相比：,两端固支,两端简支,老顶的周期来压步距相当于初次来压步距的1/2 1/2.5。,老顶的周期来压步距可近似按老顶的悬臂梁折断来确定。,4.3.3 老顶的周期来压步距,

12、表4-1表示了阜新矿务局高德矿北翼九层一区二段工作面周期来压时的特征。该工作面长170 m，煤厚为3 m，老顶为4.5 m，直接顶为3.5 m厚的细砂岩，煤层倾角3235。,阜新矿务局高德矿北翼九层一区二段工作面周期来压时的特征。,4.3.4 老顶来压期间的顶板控制,老顶的作用力都是通过直接顶而作用于支架上，同样，支架的支撑力也是通过直接顶而对老顶进行控制。因此，保证直接顶的完整性对老顶的控制有十分重要的意义。 但是，在老顶来压期间。由于煤壁前方强大的支承压力，使得直接顶在煤壁前方形成剪切破断，不利于直接顶的管理。 此外，来压大小与直接顶在采空区冒落矸石充满采空区的程度直接相关。采空区冒落愈严

13、实，老顶对工作面影响愈小；反之，则越大。,老顶来压时老顶控制不当，将导致工作面的垮顶现象。,图4-10 永定庄矿8411面垮顶现象,预防老顶来压造成的事故的措施：, 来压的预测预报； 加强支护； 工作面与开切眼斜交，使老顶悬板呈梯形，根据顶板达极限跨度时破断的原理，老顶初次来压的破断将不致于造成工作面全面来压，而呈局部来压。让工作面呈局部来压。,附图 梯形悬露顶板的破断形状,4.4 顶板压力的估算,目前，有两种确定顶板压力的办法。 一种是估算法，即根据现有的矿山压力研究成果，对工作面可能出现的顶板压力大小进行估算； 另一种是实测法，即根据对大量工作面的实测与统计数据，确定工作面顶板压力的大小。

14、现分别叙述如下。,4.4.1 估算法,1) 经验估算法 按照前述支架承受载荷的原则，可将工作面支架受力的情况简化为如图4-11所示的形式。即支架受力，支架受力包括两部分： 直接顶的载荷Q1； 老顶通过直接顶作用于支架的载荷Q2。,图4-11 回采工作面的顶板压力,(1) 直接顶载荷Q1 Q1hL1(kN/m) 式中 h直接顶厚度； L1悬顶距； 容重。 单位面积上载荷（支护强度）： q1=Q1/L 当L1L，q1= h(kPa),(2)老顶载荷Q2 采用直接顶载荷的倍数估算老顶的载荷。 在多数矿井的测定中，一般工作面周期来压时形成的载荷不超过平时载荷的两倍。因此可得出下述关系 式中 p考虑直接

15、顶及老顶来压时的支护强度，kPa； n老顶来压与平时压力强度的比值，称为增载系数，取2。,取 (M为采高，K为碎胀系数)，则 K值一般取刚破碎时的碎胀系数1.251.5，因而 P=2(24)M=(48)M 即顶板压力相当于采高48倍岩柱的重量。 在周期来压不明显时应采用低倍数，而在周期来压较剧烈时应采用高倍数加以估算。,2) 从老顶形成结构的平衡关系估算 (1) 从老顶结构的滑落失稳估算顶板压力 支架所承受的载荷仅是当老顶岩层结构失稳时才能形成。失稳的方式有两种，其一为滑落失稳，从老顶结构的滑落失稳估算顶板压力，根据老顶的平衡规律，控制老顶滑落失稳时，计算作用于支架上的力。,式中 QA+B 岩

16、块A与B的重量及其载荷，kN； Li0相当于B岩块(悬露的岩块)的长度，m Qi0相当于B岩块的重量及载荷，kN H老顶岩层厚度，m； B岩块的下沉量，m； 、岩块的破断角与内摩擦角，()。,上式中的 相当于由于岩块 回转形成的水平推力。 表示岩块间的摩擦力， 当水平推力为零时，则悬露岩块的重量在断裂时全部变为顶板压力,(2) 由老顶结构的变形失稳估算顶板压力 基于老顶的位移量L与对支架形成的载荷P呈双曲线关系，提出P L常数，为此，老顶对支架作用载荷为： h0实测所得回采工作面顶板下沉量； hi要求控制的回采工作面顶板下沉量； K0 顶板下沉量为h0时，老顶岩梁在控顶距范围内的作用力。,3) 威尔逊估算法 鉴于载荷作用力的位置与支架可能形成的最大反力的作用位置不一定一致，从而引出由于支架与围岩相互平衡而产生的附加力的概念，最大反力作用位置引起支架与围岩相互平衡而产生的附加力其力学模型如图4