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1、河南理工大学 采煤概论精品课程,第四篇 准备方式与采煤方法 第11章 矿山压力及其控制,主要内容,第11章 矿山压力及其控制 第一节 上煤层围岩分类 第二节 工作面矿山压力的显现影响 第三节 工作面支架的结构、性能和选择 复习思考题,第一节 煤层围岩分类,围岩的性质，尤其是它的力学性质对采掘工作面的压力显现影响最大。 岩石通常为脆性体，有些为弹塑性体，它的力学性质表现为： 压剪弯拉 抗拉强度远小于抗压强度，一般抗拉强度只有其抗压强度的 1/151/20 岩石破碎通常表现为拉性；有时也表现为剪性，如弹塑性岩石。 由于岩石为非均质体，组成的成分又不同，再加原生和次生的影响，从而形成了它的复杂的力学
2、性质异向性。例如，岩层中具有层理、节理等弱面，沿这些弱面方向的岩石抗拉强度，远小于其它方向的抗拉强度，有些甚至完全失去抗拉能力。又如虽属同种岩石，由于构造裂隙影响，它们的力学性质，往往相差很大。,第一节 煤层围岩分类,对采煤工作面影响最大的围岩是煤层顶部岩层。因此，通常在研究煤层围岩性质时，重点研究煤层顶板性质，至于煤层底部岩层，只有在急倾斜煤层开采时，才具有实际意义。 根据我国岩层的实际情况，一般把直接顶分为三类： 一类直接顶（不稳定）回采时不及时支护，很易造成局部冒顶，如页岩、煤皮、再生顶板等； 二类直接顶（中等稳定）顶板虽有裂隙，但仍比较完整，如砂质页岩； 三类直接顶（稳定）顶板允许悬露
3、较大面积而不垮落，直接顶完整，如砂岩或坚硬的砂质页岩。,第一节 煤层围岩分类,基本顶（老顶）分类尚无统一规定，现根据基本顶对工作面的压力（初次和周期来压）及初次来压的步距，把老顶分为四类介绍如下： 类基本顶初次和周期来压不明显，来压时缓和无冲击。来压的大小相当于或小于68倍采高的顶板岩层重量。初次来压步距大于25m。 类基本顶初次和周期来压很明显，来压的大小相当于812倍采高的顶板岩层重量。初次来压步距大于25m50m。 类基本顶初次和周期来压强烈，来压的大小相当于1214倍采高的顶板岩层重量。初次来压步距大于25m50m。 类基本顶平时顶板无压力，采空区悬露面积达几千甚至上万m2不垮落，初次
4、和周期来压时，顶板垮落常形成狂风、巨响。初次来压步距大于50m，甚至可达100m150m。这种顶板多为极坚硬的厚砂岩或砾岩。,第二节 工作面矿山压力的显现规律,一、支承压力 （一）支承压力的形成 当煤体未采动前，煤体内的应力处于平衡状态，煤体上所受的力为上覆岩层的重力H（岩层的容重，t/m3；H煤层距地面的深度，m）。 当在煤体内开掘切眼后，破坏了应力的平衡状态，引起应力重新分布。这时在切割眼上部顶板内形成了自然平衡“压力拱”。切眼上部岩体重量Q由两侧煤壁平均分担。因此，在切割眼两帮煤体中，产生了应力集中现象，这种集中应力称为支撑压力。它的大小为原始应力H的1.252.5倍，最大值可为原始应力
5、的24倍或更大。,第二节 工作面矿山压力的显现规律,煤体内开掘切割眼后应力重新分布 a切眼宽度；Q切眼上部岩体重量；H煤层距地面深度；上覆岩层的容重,第二节 工作面矿山压力的显现规律,由于“压力拱”的存在，切割眼处于减压状态。随着工作面推进，切割眼扩大了，“压力拱”破坏而消失，在工作面前方的煤体中，同样产生支承压力带，其范围自工作面前方2m3m起直至10m45m，有时可达近100m，最大支承压力区，约距煤壁5m15m左右；在工作面后方，当采空区充填物压实到一定程度后，也产生支承压力带。前后两个支承压力带，随工作面推进而移动，即移动支撑压力。,工作面围岩应力分布 a增压区；b减压区；c稳压区,第
6、二节 工作面矿山压力的显现规律,从图看出，由于采动影响的结果，在工作面前方煤体中和工作面后方的采空区内，根据压力分布不同可分为三个区： a增压（支承压力）区，它的应力大于原始应力； b减压区，它的应力小于原始应力； c稳压区，它的应力等于原始应力。 在采煤工作面上下两端的区段煤柱内，也由于采煤和掘进区段平巷而形成支承压力，它的分布特征和工作面前方的支承压力基本相同。当采煤工作面推进较长距离后，区段煤柱内的支承压力，可随顶板垮落而逐渐消失。,第二节 工作面矿山压力的显现规律,（二）影响支承压力大小、分布的因素 支承压力的大小及其分布与顶板悬露的面积和时间、开采深度、采空区充填程度、顶底板岩性、煤
7、质软硬有关。 采空区顶板悬露面积越大，时间越长，顶板压力就越大，而支承压力的分布范围和集中程度越大。 开采深度越大，悬露顶板的重量越大，支承压力也越大。 采空区充填程度越密实，煤壁内支承压力越小。例如采用全部充填时，上部顶板下沉后，很快就会被充填物支撑，这时悬露顶板岩层的重量转移到周围煤体上的压力就小。因此，采用全部充填法处理采空区比采用全部垮落法处理采空区时，煤壁内的支承压力分布范围和大小要小得多。,第二节 工作面矿山压力的显现规律,顶板岩层越坚硬，顶板压力分布越均匀，支承压力的集中程度就比较小。例如，砂岩顶板，支承压力的影响范围可达到工作面前方100m左右；泥质页岩顶板，支承压力的影响范围
8、不到30m40m。若顶板的裂隙发育，则支承压力比较集中，影响范围也较小。 底板岩层坚硬，支承压力影响范围大，但集中程度小。 煤质坚硬，支承压力比较集中，影响范围较小；反之，煤质松软，变形和破坏程度越大，则支承压力分布范围越大，集中程度越低。,第二节 工作面矿山压力的显现规律,（三）支承压力显现规律 由于支承压力的作用，可导致顶板预先下沉、煤壁破碎片帮、产生冲击地压、煤和沼气突出等现象。 在支承压力的作用下，工作面前方尚未悬露的顶板，已经开始下沉。一些实际资料表明，顶板下沉量可达15mm60mm，甚至达100mm。当顶板比较坚硬，煤层较厚或较软时，顶板下沉量较大。 由于顶板预先下沉，可能产生裂隙
9、，因而增加了工作面和工作面前方区段平巷的压力。为了防止区段平巷的支架压坏，事先必须采取措施，如增设抬棚、斜撑支架等。 工作面的煤壁，在支承压力作用下，产生变形破坏，导致煤壁破碎片帮成斜面；破碎范围与煤质硬度和支承压力大小有关，一般为1m3m；工作面前方煤壁内支承压力的峰值，向煤壁内转移，增压区（支承压力区）斜向煤壁里面；减压区扩大；稳压区向煤壁里面转移。,第二节 工作面矿山压力的显现规律,煤层压碎，虽增加了片帮的机会，对安全不利，但可减轻落煤工作，浅截式采煤机就是采落压碎范围内的煤，因而破落煤时阻力小。 当顶、底板均为厚而坚硬的岩层，煤质很坚硬；开采深度又较大；形成很大的支承压力时，就可能产生
10、冲击地压。冲击地压是矿山压力显现中最猛烈的形式。冲击地压是煤和岩层在矿压作用下，急剧地破碎和被抛出的现象。在我国煤矿里，常常听到煤层内轰鸣声，有时可能发生煤被压出或顶板下沉及断裂现象，这些都是轻微冲击地压的显现。大规模的冲击地压发生时，可能抛出大量碎煤、冲倒支架、压垮煤柱、顶板大量垮落，造成暴风袭击或巨大震动，有时还会波及地面，甚至影响范围达几公里。,第二节 工作面矿山压力的显现规律,冲击地压在煤矿中经常会遇到，尤其是随开采深度的增加，更会频繁出现。为了避免冲击地压发生而造成重大事故，必须降低支承压力的集中程度，例如采用充填法处理采空区；采空区内不留煤柱；避免两上工作面相向回采，以防止形成支承
11、压力的重叠。 支承压力集中程度高，不仅可能产生煤层突出，还可能伴随大量沼气突出，造成煤和沼气突出事故。 综上所述，生产中必须重视支承压力的作用和影响，在开采自然条件不能改变的情况下，从开采技术上，应尽量设法减轻支承压力集中程度，除上述措施外，还可采取加快工作面推进速度，减少顶板悬露时间；缩小控顶距，减小支承压力。,第二节 工作面矿山压力的显现规律,二、工作面初次来压 当工作面从切割眼向前推进，顶板悬露面积随之扩大，直接顶垮落充填采空区，基本顶仍完整地支承在两帮煤壁上，形成双支板梁构件。当板梁垮度随着工作面推进增大到一定的范围，由于基本顶的自重和上覆岩层的作用下，使基本顶断裂垮落。这时，工作面已
12、不再处于基本顶掩护之下，顶板迅速下沉而破碎，通常把基本顶第一次大面积垮落称为初次垮落。由于基本顶初次垮落，使工作面压力增大，故称为初次来压。初次来压对工作面影响一般持续2d3d。基本顶初次垮落时，工作面距切割煤壁的距离L1称为初次垮落步距或初次来压步距。L1值与基本顶岩性、厚度以及地质构造等因素有关，一般为20m35m，少数达50m70m。,第二节 工作面矿山压力的显现规律,初次来压的特点是： 工作面顶板下沉量和下沉速度急增，甚至出现台阶式下沉；顶板破碎；甚至出现也煤壁平行的裂隙，有时发出巨大的断裂声；支架受力增加，采空区掉块；煤壁严重片帮。 初次来压时，工作面要采取措施，如沿放顶线加强支护（
13、增设排柱、木垛、斜撑、抬棚）、强制放落顶板等。,图53 基本顶初次垮落 L1-初次垮落步距,第二节 工作面矿山压力的显现规律,三、周期来压 基本顶初次垮落后，工作面暂时免除了基本顶下沉的影响，支架受力减轻，基本顶由双支板梁变为悬臂梁。上覆岩层的重量主要由基本老顶悬臂梁直接传给煤壁，部分由垮落的矸石承担。,图54 基本顶周期垮落（来压）示意图 L2-周期垮落步距；h直接顶厚度；m煤层厚度,第二节 工作面矿山压力的显现规律,当工作面推进到一定的距离，基本顶悬臂在自重和上覆岩层的作用下，又会产生断裂垮落，这时同样会给工作面带来增压现象。当工作面再继续推进，这部分垮落的基本顶被甩入采空区，工作面又处于
14、基本顶悬梁掩护之下，恢复到前述的状态。继工作面的推进，基本顶的垮落与工作面增压现象重复出现。这种垮落与来压随工作面推进而周期性的出现，称为基本顶周期垮落和周期来压。两次周期来压之间的距离称为周期垮落（来压）步距。周期垮落步距同样与基本顶岩性有关，一般为6m30m，多数为10m15m。,第二节 工作面矿山压力的显现规律,由于周期来压前，基本顶呈悬梁状态，而初次来压前，基本顶呈双支板梁状态。因此，在工作面内，周期来压步距小于初次来压步距，它们的关系大致为： L2=（1/21/4）L1 周期来压特点与初次来压类似。 四、顶板下沉 在工作面推进过程中，采空区不断扩大，上覆岩层移动下沉而破坏，根据破坏的
15、特征，上覆岩层沿竖直方向自下而上可分为三带：冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。在这三带中，冒落带和裂隙带直接关系到工作面的顶板管理，弯曲下沉带对工作面没有多大影响。,第二节 工作面矿山压力的显现规律,（一）冒落带 易冒落的直接顶，不规则垮落，碎胀的岩块将填满采空区，形成冒落带，支撑老顶。当松软岩层很厚时，冒落的高度可视为直接顶的厚度。当直接顶厚度不大，冒落的岩块填不满采空区，老顶悬空，这种情况下，老顶也将发生部分垮落，使工作面压力增加。,图55岩层移动推测图 (a)岩层内部破坏推测图；(b)裂隙带岩层移动曲线；（c）沿工作面推进方向的分区 1冒落带；2裂隙带；3弯曲下沉带,第二节 工作面矿山压力的显
16、现规律,根据采高（煤层厚度）M，可按下式估算直接顶的冒落厚度： h = 式中 h直接顶的冒落厚度（m）； M采高（煤层高度）（m）； k顶板岩层碎胀系数（一般为1.31.5）。,第二节 工作面矿山压力的显现规律,（二）裂隙带 位于冒落带之上的老顶岩层，总是一端支承在煤壁上，另一端支承在采空区的碎石充填堆上。在上覆岩层的压力作用下，冒落的岩块逐渐压实。因此，上覆岩层也随之逐步弯曲下沉，成段拆断或产生许多裂隙，但不冒落仍整齐排列，形成裂隙带。其厚度根据实测一般为采高（煤层厚度）的717倍左右。 由于裂隙带内岩层的性质和厚度不一致，所以各层的弯曲下沉量不同，这样必然产生离层现象。如直接顶比较厚，没有全部跨落，而直接顶的强度一般又小于老顶强度，因此，在直接顶与老顶之间也会产生离层。 离层现象，往往可能产生冲击地压，引起工作面切顶、折断支架，造成重大事故。 裂隙带岩层在水平方向上又
