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mm／h 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4－3 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4－5 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2～3 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：动载（动压）系数： 支架来压时载荷与平时载荷之比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，相应的动载系数也越大大同矿务局坚硬顶板 条件下，条件下，初次来初次来压压前每架液前每架液压压支架支架仅测仅测 得得2000 2000 kNkN的的载载荷，而当来荷，而当来压时压时 达到了达到了6000 6000 kNkN，，动载系数动载系数 达到达到3 3以上。
以上 老顶初次来压步距是老顶岩层分类的主要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10～30 m的约占54%，30 ～55 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，老顶岩层将发生周期性破断，老顶破断岩块 形成的形成的““砌体梁砌体梁””结构的稳定性将随之发生周结构的稳定性将随之发生周 期性变化期性变化. . 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Ａ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随着回采工作面的推进, ,上覆岩层的结构经历上覆岩层的结构经历 了了““稳定－失稳－再稳定稳定－失稳－再稳定””的过程，这种变化将呈的过程，这种变化将呈 现周而复始的过程现周而复始的过程 由于由于A A岩块的回转，必然导致工作面顶板的不岩块的回转，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，支架应具备应，支架应具备: : ① ① 一定的可缩量一定的可缩量; ; ② ② 一定的工作阻力：一定的工作阻力： P P＝＝Q QA A＋ ＋B B－ －TTtgtg( (ψψ- -θθ) ) 对于冒落带岩层，对于冒落带岩层，T T＝＝0 0，，P P＝＝Q QA+B A+B, ,即支柱阻力 即支柱阻力 能承受控顶区全部岩层重量。
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后，裂隙带岩层形成的结构将始终经历““稳定稳定——失失 稳稳——再稳定再稳定” ” 周而复始的变化过程周而复始的变化过程 老顶岩层的周期性破断而引起老顶岩层的周期性破断而引起““砌体梁砌体梁””结构结构 的周期性失稳而引起的顶板来压现象称为采场周期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；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 图图4-9 4-9 周期来压时力学模型周期来压时力学模型 根据材料力学：根据材料力学： 与老顶初次断裂时的极限跨距相比：与老顶初次断裂时的极限跨距相比： 两端两端 固支固支 两端两端 简支简支 老顶的周期来压步距相当于初次来压步距老顶的周期来压步距相当于初次来压步距 的的1/1/2 2～～ 1/2.5 1/2.5 老顶的周期来压步距可近似按老顶的悬臂梁老顶的周期来压步距可近似按老顶的悬臂梁 折断来确定折断来确定 4.3.3 老顶的周期来压步距 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 32～35 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，顶进行控制因此，保证直接顶的完整性对老顶保证直接顶的完整性对老顶 的控制有十分重要的意义。
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充满采空区的程度直接相关采空区冒落愈严实冒落愈严实 ，老顶对工作面影响愈小；反之，则越大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，将导致工作面的老顶来压时老顶控制不当，将导致工作面的 垮顶现象垮顶现象 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：预防老顶来压造成的事故的措施： ① ① 来压的预测预报；来。