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1、 采煤技术基础知识培训教案-中国矿业大学第三章采煤技术第一章矿山压力根本学问一、根本概念 地下岩体在受到开挖以前，原岩应力处于平衡状态。开掘巷道或进展回采工作时，破坏了原始的应力平衡状态，引起岩体内部的应力重新分布，直至形成新的平衡状态。这种由于矿山开采活动的影响，在巷硐四周岩体中形成的和作用在巷硐支护物上的力定义为矿山压力，简称矿压。在相关学科中也称为二次应力或工程扰动力。 在矿山压力的作用下，会引起一系列的力学现象，例如顶板下沉和垮落，底板隆起，煤壁片帮，支架变形和破坏，以及在岩体中产生的动力现象等。这些由于矿山压力作用使巷硐四周岩体和支护物产生的种种力学现象，统称为矿山压力显现。 在大多
2、数状况下，矿压显现会对采矿工程造成不同程度的危害。为使矿压显现不致影响采矿工作正常进展和保障安全生产，必需实行各种技术措施把矿山压力显现掌握在肯定范围内。对于有利于采矿生产的矿山压力显现，也应当合理地利用。全部减轻、调整、转变和利用矿山压力作用的各种方法，均叫做矿山压力掌握。 矿山压力对回采工艺有重要的影响。例如，从工作面的落煤工序来讲。盼望煤壁被矿山压力压酥；从工作面支护空间的支护工序来讲，又不盼望顶板受压下沉和垮落；从采空区处理来讲，盼望采空区顶板在矿压的作用下，能随着支护的撤出而尽快垮落，以削减工作面的顶板压力；借助采空区上覆岩层压力压实己冒落的矸石形成再生顶板等等。为了保证安全和正常正
3、产，削减地下煤炭资源的损失（合理选择爱护煤柱尺寸或取消煤柱），改善地下开采技术（确定支护形式，采煤方法，煤层群开采挨次及间距，巷道布置等），提高采煤经济效率（降低劳动强度和各种材料消耗等），就必需掌握好矿山压力。 二、采场矿压显现规律 1.采场矿山压力现象 在实际生产过程中，回采工作面常有下述一系列矿山压力现象，并且习惯上用这些现象作为衡量矿山压力显现程度的指标。 （1）顶板下沉。一般指煤壁到采空区边缘暴露的顶底板相对移近量。随着工作面推动，顶底板处于不断移近的状态。图3-1中分别表示了顶板肯定下沉、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拟小，因而经常可以忽视不计，为
4、此顶底板移近量简称为顶板下沉量。实际测定时经常是在工作面煤壁刚悬露的顶板处设置测杆，随着工作面的推动，测得由煤壁到采空区放顶线处的顶底板移近量。也有人利用它作为衡量顶板状态的一个指标，一般以s表示。有时为了比照，经常把这个指标换算为单位采高、单位推动度的顶板下沉量，即（L为控顶距，M为采高），以每米采高、每米推动度下沉多少毫米表示。 （2）顶板下沉速度。是指单位时间内的顶底板移近量，以mm/h计算。它表示顶板活动的猛烈程度。 （3）支柱变形与折损。随着顶板下沉，回采工作面支柱受载也渐渐增加，一般可以用肉眼观看到木柱帽的变形，猛烈时可以观看到支柱的折损。 图3-1工作面顶底板移近曲线 1顶板肯定
5、下沉曲线；2顶底相对移近量曲线；3底板鼓起曲线 （4）顶板破裂状况。通常以单位面积中冒落面积所占的百分数来表示顶板破裂状况。它经常是用来衡量顶板治理好坏的质量标准。 （5）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展。 （6）工作面顶板沿煤壁切落（或称大面积冒项）。这是指采面由于顶板来压而导致顶板沿工作面切落。它常严峻影响工作面的生产。 其他还有煤壁片帮、支柱插入底板、底板鼓起等一系列矿山压力现象。 2.采煤工作面四周支承压力的显现规律 采煤工作面四周支承压力是指采煤工作面前前方、两侧煤柱或采空区大于原岩应力的矿山压力。该支承压力的显现规律与采空区处理方法有关，这里介绍采
6、纳全部垮落法治理顶板的采煤工作面四周支承压力的分布规律。 （1）采煤工作面前前方的支承压力分布。 未采动前，煤体所受的原始应力为（即单位面积上所受岩体的重量）。这里，是上覆岩层平均容重，H为距地表的垂高。煤体中开掘巷道（如开切眼）后，原始应力状态受到破坏，应力将重新分布，如图3-2所示。开切眼上方岩体重量Q由两侧煤体分担。于是，在两侧煤体中产生了应力集中现象，这种集中应力称为支承压力。一般支承压力为原始应力的1.252.5倍，甚至34倍。 回采工作从开切眼开头后，随着工作面的推动，在工作面前方的煤体中同样产生支承压力带（或叫应力上升区）。其范围由工作面前方23m起直至1045m，如图3-3所示
7、。在工作面的前方肯定范围内，由于顶板破裂垮落对该范围内的顶板岩层进展了应力释放与转移，从而消失了应力降低区（或叫卸压区）。但随着工作面的进一步推动，当顶板垮落的岩石或充填体压实到相当程度后，在原来的卸压区又产生了支承压力带，相应的卸压区也跟着采面往前移。这样，前后两个支承压力带随回采工作面的推动而移动，因此，又称该支承压力为回采工作面的移动支承压力。 由于支承压力作用在工作面前方煤体，将使煤壁四周的煤“压酥”，这种现象有利于落煤工作；但也增加了煤壁“片帮”的时机，影响安全，所以应加以留意并实行相应的措施。 由图3-3中还可以看出，回采工作面空间处于应力降低区，但其上方的顶板在自重及上覆岩层的作
8、用下，也会发生弯曲下沉，一般用顶板下沉量和下沉速度来表示。它们是选择工作面支护型式和安排回采工序的主要参数。 （2）采煤工作面两侧的支承压力分布。 采煤工作面两侧的支承压力是指工作面两侧煤柱或煤体上的支承压力。随着采煤工作面的推动，除工作面前前方产生支承压力外，工作面两侧的煤柱或煤体也将消失支承压力区，如图3-4所示。对采煤工作面两侧支承压力分布规律的把握，对采煤工作面区段平巷护巷煤柱尺寸确实定、沿空留巷和沿空送巷位置准时间的选择具有指导意义。在采动影响范围内，工作面两侧支承压力的显现特征比拟明显。在工作面前方采动影响范围之外和采空区顶板岩层冒落带稳定之后趋于固定值，因此也称为“固定支承压力”
9、。 图3-4采煤工作面左右两侧支承压力分布 I卸压带；支承压力带；原岩应力带；采后应力稳定带；lmax峰值位置 依据大量实际观测资料和讨论分析，目前对采煤工作面两侧支承压力分布状态可得出如下结论： 采煤工作面两侧的支承压力猛烈影响区并不在煤体的边缘，而是位于煤体边缘有肯定距离的地带。长期以来采纳825 m煤柱护巷，使巷道恰好处于支承压力的顶峰区内，这是使用煤柱护巷仍难以维护的根本缘由。 采煤工作面两侧煤体边缘处于应力降低区，支承压力低于原岩应力。而且工作面推过肯定时间后仍能长期保持稳定，假如把巷道布置在这个应力降低区内，可以使巷道简单维护，这是目前广泛推广无煤柱护巷的理论依据。 采煤工作面两侧
10、支承压力从形成到向煤体深部转移要经过一段时间过程，所以要使沿空掘巷保持稳定，必需从时间上避开未稳定的支承压力作用期，应使沿空掘巷相对于上区段采煤工作面有一个合理的滞后时间，这个合理的滞后时间依据详细条件不同一般在3个月到1年之间。 3.老顶初次来压 当直接顶厚度与工作面采高之比拟小时，直接顶垮落后不能布满采空区支撑老顶（岩石具有碎胀性）。那么，随着工作面的不断推动，老顶悬露跨度（老顶像“双支撑梁”一样支撑在两侧煤体上的距离）不断增加，老顶开头变形。当到达极限跨度时，其自重及上覆岩层的重量超过它本身的强度极限，老顶（双支撑梁段）将发生断裂和大面积的垮落，称为老顶初次垮落，如图3-5所示。老顶初次
11、垮落时给工作面造成的压力增大的现象，称为老顶初次来压。老顶初次垮落时，开切眼煤壁至工作面煤壁的距离，称为老顶初次垮落步距（图3-5中L）。老顶初次垮落步距与其岩石性质及距地表垂深有关，一般在2050m。 老顶初次来压的主要表现形式是：来压前工作面顶板压力并不显著，而煤壁内支承压力增大（煤壁片帮）；来压一般比拟突然，破坏和影响范围广；来压时顶板下沉速度急增等。 初次来压一般要持续23天，在这期间易于发生事故。因此在生产上要严加留意，一般采纳加强支护。 图3-5老顶初次垮落图3-6老顶周期垮落 L初次来压步距 L周期来压步距 4.老顶周期来压 老顶初次垮落以后，回采工作面压力将会降低。但随着工作面
12、的连续推动，老顶的悬露面积又渐渐增大，当老顶的悬露跨度到达肯定长度时（此时老顶呈“悬臂梁”状），在老顶自重及上部岩体弯曲下沉的作用下，又将发生老顶的折断和垮落。随着工作面的推动，老顶的这种垮落现象周而复始地消失，称为老顶周期垮落，如图3-6所示。周期垮落时给工作而造成压力增大的现象，称为老顶周期来压。每次周期来压的间隔距离称为周期来压步距。周期来压步距一般为1020m。 周期来压的主要表现形式是：顶板下沉速度急增；下沉量大；支护载荷增大；能引起煤壁片帮、支柱折损、顶板台阶下沉等。生产中应实行与初次来压相像的措施掌握周期来压。 5.影响矿压显现的主要因素 （1）采高与控顶距 在肯定地质条件下，采
13、高是影响上覆岩层破坏状况的重要因素之一。采高越大，控顶距越大，采出的空间越大，必定导致采场上覆岩层破坏越严峻，即工作面的矿压显现越严峻， （2）工作面推动速度 工作面推动速度快可在短期内降低顶板下沉量；而长期稳定在肯定的推动速度时，顶板下沉速度与推动速度成正比，即推动速度快，相对顶板“悬臂梁”长，顶板下沉速度快。 （3）开采深度 开采深度直接影响原始应力大小，如在松软岩层中开掘巷道，随着深度的增加，巷道围岩“挤、压、鼓”现象将更为严峻。在坚硬顶板的条件下，开采深度对工作面的顶板压力大小影响不太突出，但总体规律是采深增加支承压力必定增加，从而导致煤壁片帮及底板鼓起的机率增加。 （4）煤层倾角的影
14、响 实际观测证明，煤层倾角对回采工作面矿山压力显现的影响也是很大的。随着煤层倾角增加，顶板下沉量将渐渐减小，因此，在同样的生产技术条件下，采纳沿倾斜向下推动的倾斜长壁工作面，与沿走向推动的工作面相比，在上覆岩层中更简单形成“铰接梁”而对工作面顶板治理有利。 其次节采区巷道布置方式 采区巷道布置应满意以下原则： （1）巷道布置简洁，生产环节少。一般应力求用最少的巷道开掘和维护费用来形成完整的采区生产系统并保证足够的生产力量。 （2）煤炭损失小，采区回采率高。 （3）生产安全，符合规程有关规定。 （4）适应机械化进展的要求，为提高劳动生产率打下根底。 一、采区上下山布置 采区上山和采区下山的布置原
15、则大体一样，下面主要就采区上山布置加以分析介绍。采区上山的位置，有布置在煤层中或底板岩石中的问题；对于煤层群联合布置的采区，还有布置在煤层群的上部、中部或下部的不同方案。 1.煤层上山 采区上山沿煤层布置，掘进简单、费用低、速度快，联络巷道工程量少。其主要问题是煤层上山受工作面采动影响较大，生产期间上山的维护比拟困难，特殊是在缺乏先进支护手段的状况下。虽然加大煤柱尺寸可以改善上山维护，但会增加煤炭损失。因此，一般在以下条件下，可考虑布置煤层上山。 （1）开采薄或中厚煤层的单一煤层采区，采区效劳年限短。 （2）开采只有两个分层的单一厚煤层采区，煤层顶底板岩石比拟稳固，煤质在中硬以上，上山不难维护。 （3）煤层群联合预备的采区，下
