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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,2,4.1 概述,矿山压力显现指的是由于矿山压力作用使巷硐周围岩体和支护物产生的种种力学现象。 采场，也叫回采工作面，是煤矿采煤的工作空间。我国煤矿主要采用长壁采煤法，工作面煤壁长度通常150 200 m，推进方向10002000m。最长的回采工作面已经达到400m，推进度最大的已经达到11km。而采煤需要维护的空间宽度只有5m左右。 回采工作面在生产过程中将会有什么矿山压力显现？这些矿山压力现象用什么
2、指标衡量？哪些矿山压力显现是不利的，需要控制？又如何控制？这些是采矿工程师必须关注和应对处理的基本问题。,3,4.1 概述, 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。常用s表示。 有时为了对比，把顶板下沉换算为单位采高、单位推进度的顶板下沉量，以每米采高、每米推进度下沉量表示，即：,4,4.1 概述,图4-1 某矿工作面顶板移近曲线 1顶板绝对下沉量；2顶底板相对移近量；3底板绝对臌起量,5,4.1 概述, 顶板下沉速度：指单位时间内顶底板移近量，以mm/h计算，它表示顶板活动的剧烈程度。,图4-2 某矿工作面顶板下沉速度变化情况,6,4.1 概述, 支柱变形与折损：随着顶板下
3、沉，回采工作面支柱载荷也逐渐增加，一般可以用肉眼观察到柱帽的变形，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。,7,4.1 概述, 局部冒顶：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。 工作面顶板沿煤壁切落（或称大面积冒顶）：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。 煤壁片帮：指采面运输机前面煤体在没有采煤机切割时，受支承压力作用发生破坏塌落显现。,8,4.1 概述,讨论： （1）关于采场矿山压力现象衡量/评价指标是根据现场顶板控制需要确定的，不同条件回采工作面面
4、临的生产安全问题可能不同，使用的采场矿山压力显现评价指标也可能不同。如，除前面介绍的指标外，还用支架工作阻力、支柱钻底、底臌（鼓）等指标。 （2）“大”、“小”结构及其作用关系：采场支架与直接顶构成小结构，处于上覆老顶岩层组成的大结构之下。“大结构”的变形、失稳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稳定性。小结构的维护作用是保证生产必须的空间和安全，支护对大结构也有影响。采空区处理方法甚至可以改变大结构形式及其状态。,9,4.2 老顶的初次来压 老顶的初次来压概念,回采工作面从开切开始采煤，采空区范围逐渐增大，当老顶悬露达到极限跨距时，老顶断
5、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），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。,10,图4-4 老顶岩块滑落失稳实例,4.2 老顶的初次来压 老顶的初次来压的危害,11,图4-5 老顶初次来压力学模型,4.2 老顶的初次来压, 老顶初次来压力学模型,通常支架反力（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R后，其回转下沉才会缓和和停止。为了不使老顶沿工
6、作面切落，支架工作阻力应等于Q1与Q2之和，支架抗变形能力还必须与老顶回转下沉相适应。,P支架反力； Q1直接顶载荷；Q2老顶载荷；R矸石反力,12,图4-6 老顶初次来压前采场四周支承压力分布,4.2 老顶的初次来压, 老顶初次来压前支承压力分布,A增压区； B减压区； C稳压区。,13,（1）老顶初次来压前，采场顶板压力并不大，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。 （2）老顶初次来压前强大的前支承压力可能导致直接顶在煤壁前方剪切破坏，形成预成裂隙，不利于顶板管理。 （3）老顶初次来压比较突然，易使人疏忽大意。 （4）老顶
7、初次来压对回采工作面的影响较大，必须掌握初次来压步距的大小，及时采取对策（如加强木垛、抬棚、斜撑等）。 （5）老顶初次来压步距越大，工作面来压显现越剧烈。 （6）老顶初次来压步距与来压强度，与老顶岩层的力学性质、厚度、破断岩块咬合条件、直接顶厚度、采高等因素有关。,4.2 老顶的初次来压, 老顶初次来压特征与影响因素,14,4.2 老顶的初次来压, 预防老顶初次来压期间造成事故的主要措施, 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。,15,据统计，我国煤矿现
8、有生产工作面中，老顶初次来压步距为1030m的约占54%，3050m的约占37.5%，大于50m的占8.5%左右。 山西大同矿有的矿井有的老顶初次来压步距达到160 m左右。,4.2 老顶的初次来压, 我国煤矿老顶初次来压情况,16,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 老顶的周期来压,4.3.1 回采工作面推进对岩体结构的影响,图4-7,17,4.3 老顶的周期来压,4.3.1 回采工作面推进对岩体结构的影响,图4-7（a）砌体梁结构。 工作面推进一段距离（L）后，A岩块断裂，如图（b），此时A
9、、B岩块不能形成三铰拱平衡。A、B岩块回转，经过图（b）、（c）到（d）又重现原砌体梁结构。如此反复。,图4-7 老顶结构“稳定失稳再稳定”过程,18,4.3 老顶的周期来压,4.3.1 回采工作面推进对岩体结构的影响,需要指出的是，周期性断裂形成的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。这种现象是不可避免的。支架性能必须与这种过程相适应，除此之外，支架应能防止顶板沿煤壁切落。,19,4.3 老顶的周期来压,4.3.2 采场的周期来压,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
10、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；有时还可能引起煤壁片帮、顶板台阶下沉、支柱折损，甚至工作面冒顶事故。,20,4.3 老顶的周期来压,4.3.2 采场的周期来压,周期来压的力学模型：,图4-9 老顶周期来压的力学模型,周期来压时与初次来压时一样，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：,21,4.3 老顶的周期来压,4.3.2 采场的周期来压,周期来压步距：,图4-9 老顶周期来压的力学模
11、型,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),22,4.3 老顶的周期来压,4.3.2 采场的周期来压,周期来压期间顶板的控制：,直接顶传递老顶的作用力及支架的支撑力。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。,23,图4-10 永定庄矿8411面垮顶现象,4.3 老顶的周期来压,4.3.
12、2 采场的周期来压,24, 来压的预测预报。 加强支护。,4.3 老顶的周期来压,4.3.2 采场的周期来压,预防老顶来压期间造成事故的主要措施：,25,4.4 顶板压力的计算,4.4.1 估算法,1、经验估算法：,图4-11 采场的顶板压力模型,回采工作面支架受力情况可以简化为图4-11所示形式。 支架受力分为直接顶载荷、老顶载荷两部分。,（1）直接顶载荷Q1，q1：,如果支架上方直接顶的悬顶距L1等于控顶距L，则：,26,4.4 顶板压力的计算,4.4.1 估算法,1、经验估算法：,（2）老顶载荷Q2，q2： 一般以直接顶载荷的倍数估算老顶的载荷。,式中，n老顶来压与平时压力强度的比值，称
13、增压系数，一般n=2。 又把直接顶厚度换算成采高的倍数，取：,图4-11,27,4.4 顶板压力的计算,4.4.1 估算法,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,（2）从老顶破断岩块结构的变形失稳估算顶板压力 研究表明老顶的位移量与对支架形成的载荷呈双曲线关系，因而提出P与L（位移量）的乘积是常数的概念，由此得：,图4-9,28,4.4 顶板压力的计算,4.4.1 估算法,3、威尔逊估算法,图4-12 威尔逊计算顶板压力的力学模型,P与Q1作用位置差异形成附加力Q3。,29,4.4 顶板压力的计算,4.4.3 实测法,实测法是从工作面支架上测定其所承受的实际
14、载荷。 需要指出的是：井下实测得到的支架载荷不仅含顶板压力，同时还含有支架性能的影响。这些将在第5章讨论。,30,4.5 回采工作面支承压力分布,回采工作面开采后的上覆岩层所形成的结构，由“煤壁已冒落的矸石”支撑体系来支撑，只是在下位岩层中才可能由“煤壁工作面支架采空区已冒落矸石”支撑体系支撑。 因此煤壁一端几乎支承着回采工作面空间上方悬露岩层的绝大部分重量，而采空区后方的已冒落矸石只承受压实区的重量，因而一般只恢复到H或有时稍大一点或甚至小一点的程度，比起煤壁前方的支承压力要小得多。,31,4.5 回采工作面支承压力分布 4.5.1 工作面前后支承压力分布,1刀柱法 2一般垮落法和充填法 3
15、大采高硬顶板垮落法 4采深大窄工作面垮落法,图4-13 各种采空区支撑条件下工作面前后支承压力分布,32,4.5 回采工作面支承压力分布 4.5.2 工作面两侧内采空区支承压力分布,图4-14a 顶分层采空区支承压力分布 （采深H=163m，H=407104Pa，面长120m）,1离运巷10m 2离运巷30m 3工作面中部 4离风巷20m,33,4.5 回采工作面支承压力分布 4.5.3 下分层工作面采空区支承压力分布,图4-14b 下分层采空区支承压力分布 （采深H=174m，H=435104Pa，面长95m）,1离运巷5m 2离运巷20m 3离运巷45m,34,4.5 回采工作面支承压力分
16、布 4.5.3 下分层工作面采空区支承压力分布,图4-15 工作面前后支承压力一般分布情况,减压区,增压区,稳压区,稳压区,35,4.6 影响采场矿山压力显现的主要因素,影响采场矿山压力显现的主要因素是围岩性质，有关围岩的分类将在第5章叙述。 本节主要分析采深、采高、倾角、推进速度和分层开采对工作面矿山压力显现的影响。,36,4.6 影响采场矿山压力显现的主要因素 4.6.1 采高与控顶距的影响,在一定地质条件下，采高是影响上覆岩层破坏状况的最重要因素之一。 在单一煤层或厚煤层第一分层开采时，冒落带与裂缝带的总厚度与采高基本上成正比关系。采高越大，采出的空间越大，必然导致采场上覆岩层破坏严重。,1、采高对冒落带、裂缝带高度的影响,37,4.6 影响采场矿山压力显现的主要因素 4.6.1 采高与控顶距的影响, 上覆岩层移动实测曲线,2、采高与控顶距对工作面顶板下沉的影响,工作面开采后上覆岩层的下沉曲线按负指数函数。采场支架的支撑力一般不能改变此曲线的性质。因此从采场支护的“小结构”必须与覆岩形成的“大结构”相适应的观点出发，工作面
