采煤概論(第11章礦山壓力及其控制).ppt

第四篇準(zhǔn)備方式與采煤方法第11章礦山壓力及其控制,主要內(nèi)容,第11章礦山壓力及其控制第一節(jié)上煤層圍巖分類第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)影響第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇復(fù)習(xí)思考題,一般把直接位于煤層上方的一層或幾層性質(zhì)相近的巖層稱為直接頂。它通常由具有一定穩(wěn)定性且易于隨工作面回柱放頂而垮落的頁巖、砂頁巖或粉砂巖等巖層組成。在煤層與直接頂之間有時存在厚度小于0.3-0.5m、極易垮落的軟弱巖層，稱為偽頂。它隨采隨冒，一般為炭質(zhì)頁巖、泥質(zhì)頁巖等,第一節(jié)煤層圍巖分類,通常把位于直接頂之上（有時直接位于煤層之上）對采場礦山壓力直接造成影響的厚而堅(jiān)硬的巖層稱為老頂。一般是由砂巖、石灰?guī)r及砂礫巖等巖層組成。,第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,一、支承壓力（一）支承壓力的形成當(dāng)煤體未采動前，煤體內(nèi)的應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，煤體上所受的力為上覆巖層的重力H（巖層的容重，t/m3；H煤層距地面的深度，m）。,第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,一、支承壓力當(dāng)在煤體內(nèi)開掘切眼后，破壞了應(yīng)力的平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布。這時在切割眼上部頂板內(nèi)形成了自然平衡“壓力拱”。切眼上部巖體重量Q由兩側(cè)煤壁平均分擔(dān)。因此，在切割眼兩幫煤體中，產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，這種集中應(yīng)力稱為支撐壓力。它的大小為原始應(yīng)力H的1.252.5倍，最大值可為原始應(yīng)力的24倍或更大。,第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,煤體內(nèi)開掘切割眼后應(yīng)力重新分布a切眼寬度；Q切眼上部巖體重量；H煤層距地面深度；上覆巖層的容重,第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,由于“壓力拱”的存在，切割眼處于減壓狀態(tài)。隨著工作面推進(jìn)，切割眼擴(kuò)大了，“壓力拱”破壞而消失，在工作面前方的煤體中，同樣產(chǎn)生支承壓力帶，其范圍自工作面前方2m3m起直至10m45m，有時可達(dá)近100m，最大支承壓力區(qū)，約距煤壁5m15m左右；在工作面后方，當(dāng)采空區(qū)充填物壓實(shí)到一定程度后，也產(chǎn)生支承壓力帶。前后兩個支承壓力帶，隨工作面推進(jìn)而移動，即移動支撐壓力。,第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,工作面圍巖應(yīng)力分布a增壓區(qū)；b減壓區(qū)；c穩(wěn)壓區(qū),第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,從圖看出，由于采動影響的結(jié)果，在工作面前方煤體中和工作面后方的采空區(qū)內(nèi)，根據(jù)壓力分布不同可分為三個區(qū)：a增壓（支承壓力）區(qū)，它的應(yīng)力大于原始應(yīng)力；b減壓區(qū)，它的應(yīng)力小于原始應(yīng)力；c穩(wěn)壓區(qū)，它的應(yīng)力等于原始應(yīng)力。在采煤工作面上下兩端的區(qū)段煤柱內(nèi)，也由于采煤和掘進(jìn)區(qū)段平巷而形成支承壓力，它的分布特征和工作面前方的支承壓力基本相同。當(dāng)采煤工作面推進(jìn)較長距離后，區(qū)段煤柱內(nèi)的支承壓力，可隨頂板垮落而逐漸消失。,第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,在我國煤礦里，常常聽到煤層內(nèi)轟鳴聲，有時可能發(fā)生煤被壓出或頂板下沉及斷裂現(xiàn)象，這些都是由于支承壓力作用引起的輕微沖擊地壓的顯現(xiàn)。大規(guī)模的沖擊地壓發(fā)生時，可能拋出大量碎煤、沖倒支架、壓垮煤柱、頂板大量垮落，造成暴風(fēng)襲擊或巨大震動，有時還會波及地面，甚至影響范圍達(dá)幾公里。,第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,沖擊地壓在煤礦中經(jīng)常會遇到，尤其是隨開采深度的增加，更會頻繁出現(xiàn)。為了避免沖擊地壓發(fā)生而造成重大事故，必須降低支承壓力的集中程度，例如采用充填法處理采空區(qū)；采空區(qū)內(nèi)不留煤柱；避免兩上工作面相向回采，以防止形成支承壓力的重疊。支承壓力集中程度高，不僅可能產(chǎn)生煤層突出，還可能伴隨大量沼氣突出，造成煤和沼氣突出事故。,第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,二、工作面初次來壓當(dāng)工作面從切割眼向前推進(jìn)，頂板懸露面積隨之?dāng)U大，直接頂垮落充填采空區(qū)，基本頂仍完整地支承在兩幫煤壁上，形成雙支板梁構(gòu)件。當(dāng)板梁垮度隨著工作面推進(jìn)增大到一定的范圍，由于基本頂?shù)淖灾睾蜕细矌r層的作用下，使基本頂斷裂垮落。這時，工作面已不再處于基本頂掩護(hù)之下，頂板迅速下沉而破碎，通常把基本頂?shù)谝淮未竺娣e垮落稱為初次垮落。,第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,二、工作面初次來壓由于基本頂初次垮落，使工作面壓力增大，故稱為初次來壓。初次來壓對工作面影響一般持續(xù)2d3d。基本頂初次垮落時，工作面距切割煤壁的距離L1稱為初次垮落步距或初次來壓步距。L1值與基本頂巖性、厚度以及地質(zhì)構(gòu)造等因素有關(guān)，一般為20m35m，少數(shù)達(dá)50m70m。,第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,初次來壓的特點(diǎn)是：工作面頂板下沉量和下沉速度急增，甚至出現(xiàn)臺階式下沉；頂板破碎；甚至出現(xiàn)也煤壁平行的裂隙，有時發(fā)出巨大的斷裂聲；支架受力增加，采空區(qū)掉塊；煤壁嚴(yán)重片幫。初次來壓時，工作面要采取措施，如沿放頂線加強(qiáng)支護(hù)（增設(shè)排柱、木垛、斜撐、抬棚）、強(qiáng)制放落頂板等。,直接頂初次垮落后采空區(qū)情形,第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,基本頂初次垮落L1-初次垮落步距,三、周期來壓,基本頂初次垮落后，工作面暫時免除了基本頂下沉的影響，支架受力減輕，基本頂由雙支板梁變?yōu)閼冶哿骸Ｉ细矌r層的重量主要由基本老頂懸臂梁直接傳給煤壁，部分由垮落的矸石承擔(dān)。,圖114基本頂周期垮落（來壓）示意圖L2-周期垮落步距；h直接頂厚度；m煤層厚度,第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,當(dāng)工作面推進(jìn)到一定的距離，基本頂懸臂在自重和上覆巖層的作用下，又會產(chǎn)生斷裂垮落，這時同樣會給工作面帶來增壓現(xiàn)象。當(dāng)工作面再繼續(xù)推進(jìn)，這部分垮落的基本頂被甩入采空區(qū)，工作面又處于基本頂懸梁掩護(hù)之下，恢復(fù)到前述的狀態(tài)。,第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,繼工作面的推進(jìn)，基本頂?shù)目迓渑c工作面增壓現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)。這種垮落與來壓隨工作面推進(jìn)而周期性的出現(xiàn)，稱為基本頂周期垮落和周期來壓。兩次周期來壓之間的距離稱為周期垮落（來壓）步距。周期垮落步距同樣與基本頂巖性有關(guān)，一般為6m30m，多數(shù)為10m15m。,第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,由于周期來壓前，基本頂呈懸梁狀態(tài)，而初次來壓前，基本頂呈雙支板梁狀態(tài)。因此，在工作面內(nèi)，周期來壓步距小于初次來壓步距，它們的關(guān)系大致為：L2=（1/21/4）L1周期來壓特點(diǎn)與初次來壓類似。四、頂板下沉在工作面推進(jìn)過程中，采空區(qū)不斷擴(kuò)大，上覆巖層移動下沉而破壞，根據(jù)破壞的特征，上覆巖層沿豎直方向自下而上可分為三帶：冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。在這三帶中，冒落帶和裂隙帶直接關(guān)系到工作面的頂板管理，彎曲下沉帶對工作面沒有多大影響。,第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,（一）冒落帶易冒落的直接頂，不規(guī)則垮落，碎脹的巖塊將填滿采空區(qū)，形成冒落帶，支撐老頂。當(dāng)松軟巖層很厚時，冒落的高度可視為直接頂?shù)暮穸?。?dāng)直接頂厚度不大，冒落的巖塊填不滿采空區(qū)，老頂懸空，這種情況下，老頂也將發(fā)生部分垮落，使工作面壓力增加。,第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,圖115巖層移動推測圖(a)巖層內(nèi)部破壞推測圖；(b)裂隙帶巖層移動曲線；（c）沿工作面推進(jìn)方向的分區(qū)1冒落帶；2裂隙帶；3彎曲下沉帶A-煤壁支撐區(qū);B-離層區(qū);C-重新壓實(shí)區(qū),第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,根據(jù)采高（煤層厚度）M，可按下式估算直接頂?shù)拿奥浜穸龋篽=式中h直接頂?shù)拿奥浜穸龋╩）；M采高（煤層高度）（m）；k頂板巖層碎脹系數(shù)（一般為1.31.5）。,（二）裂隙帶位于冒落帶之上的老頂巖層，總是一端支承在煤壁上，另一端支承在采空區(qū)的碎石充填堆上。在上覆巖層的壓力作用下，冒落的巖塊逐漸壓實(shí)。因此，上覆巖層也隨之逐步彎曲下沉，成段拆斷或產(chǎn)生許多裂隙，但不冒落仍整齊排列，形成裂隙帶。其厚度根據(jù)實(shí)測一般為采高（煤層厚度）的717倍左右。,由于裂隙帶內(nèi)巖層的性質(zhì)和厚度不一致，所以各層的彎曲下沉量不同，這樣必然產(chǎn)生離層現(xiàn)象。如直接頂比較厚，沒有全部跨落，而直接頂?shù)膹?qiáng)度一般又小于老頂強(qiáng)度，因此，在直接頂與老頂之間也會產(chǎn)生離層。離層現(xiàn)象，往往可能產(chǎn)生沖擊地壓，引起工作面切頂、折斷支架，造成重大事故。,裂隙帶巖層在水平方向上又可劃分為三個區(qū)A區(qū)：從工作面前方30、40m開始到工作面后方24m，該區(qū)內(nèi)頂板變形特點(diǎn)是水平位移劇烈，垂直位移微小，甚至有些情況下，頂板還會有上升現(xiàn)象。顯然是由于工作面煤壁支撐使頂板呈張拉變形的結(jié)果，所以稱煤壁支撐區(qū)。,裂隙帶巖層在水平方向上又可劃分為三個區(qū)B區(qū)：從工作面后方24m至30m左右，頂板劇烈下沉破斷，且各巖層下沉速度由下向上逐漸減小，層與層之間產(chǎn)生離層，稱為離層區(qū)。C區(qū)：工作面后方30m以遠(yuǎn)，已斷裂的巖塊又重新受到采空區(qū)冒落矸石的支撐，由下向上各巖層的下沉速度逐漸增大，層間進(jìn)人相互壓實(shí)的過程稱重新壓實(shí)區(qū)。,第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,由此可見，A區(qū)和C區(qū)的巖層分別為煤壁（剛性體）和矸石（柔性體）所支撐，B區(qū)的巖層則離層懸空，說明工作面的覆巖中存在著某種“結(jié)構(gòu)”使之實(shí)現(xiàn)平衡，而工作面在這種“結(jié)構(gòu)”保護(hù)下完成采煤作業(yè)過程。工作面支架的任務(wù)，就是有效地控制礦山壓力并盡可能使其上覆巖層不離層，尤其是直接頂不離層。為此，要求支架有足夠的支撐力（工作阻力）和一定的可縮性。,第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律,支撐力大，可減少上覆巖層下沉量，從而減少離層的可能性，但是支撐力再大，也不可能避免上履巖層的撓曲下沉。因此，要求支架有一定的可縮量，否則支架會被壓斷。(三)彎曲下沉帶裂隙帶上方直到地表的巖層為彎曲下沉帶，這部分巖層不產(chǎn)生裂隙或僅產(chǎn)生極微小的裂隙，并在采空區(qū)上方的地面形成一個比開采范圍大的空間。,第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇,為了保證回采空間的安全，對工作面顯現(xiàn)的礦山壓力，必須有效地控制。工作面支架就是控制礦壓的一種結(jié)構(gòu)物。按支架的組合形式，工作面支架可分為兩類：單體支架和液壓自移式支架。一、單體支架單體支架是指，由單體支柱與橫梁或柱帽組成的支架。前者稱為懸臂支架或棚子支架；后者稱為帶帽頂柱（點(diǎn)柱）。常用的支柱有：木支柱、剛性金屬支柱、摩擦式金屬支柱、液壓支柱。常用的橫（頂）梁有：木頂梁和金屬頂梁。,第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇,木支柱的工作性能差、利用率低、消耗量大、且資源有限，因此使用很少。剛性金屬支柱是由鋼管或鋼軌加工制成，本身無縮性，工作時頂部的木質(zhì)柱帽，具有較小的可縮性。一般只適用于極薄煤層，或頂板下沉量極小且煤層厚度變化不大的薄煤層。摩擦式金屬支柱有兩種：急增阻式的HZJA型；微增阻式HZWA型。,第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇,HZJA1-柱體；2-活柱；3-頂蓋4-鎖箍5-水平楔；6-底座,HZJA-1000型支柱工作特性曲線1實(shí)驗(yàn)室測定結(jié)果；23333井下測定結(jié)果,第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇,液壓支柱是利用高壓油或乳化液來升柱支撐頂板。高壓油（乳化液）由外部泵站供給，也可把油事先注入支柱內(nèi)，再靠支柱本身內(nèi)的油泵加壓為高壓油。前者稱為外注式支柱；后者稱為內(nèi)注式支柱。,HZWA型金屬支柱特性曲線L1自動夾緊時的可縮量；L2最大工作阻力時的可縮量；P0初撐力；P0始動阻力；P1初始工作阻力；P2最大工作阻力,第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇,升柱架設(shè)支柱時，液壓支柱的初撐力可達(dá)7t11t。當(dāng)頂板下沉壓縮下沿腔內(nèi)的油時，支柱的工作阻力急增到額定工作阻力，此時，支柱有微小的壓縮，如頂板繼續(xù)下沉。當(dāng)下油腔內(nèi)的油壓大于支柱的額定工作阻力時，安全閥打開，油外泄?；钪驴s。工作阻力略有下降，油壓也隨之下降，安全閥又重新交替啟閉。這樣，保證支柱工作阻力基本恒定，同時又能隨頂板下沉而下縮，這種支柱又稱為恒阻式支柱，它的特性曲線如圖所示。,外注式單體液壓支柱圖1頂蓋；2三用閥；3活柱體；4油缸；5復(fù)位彈簧6活塞；7底座；8卸載手把；9-注液槍；10泵站供液；11注液時操縱手把方向；12-卸載時動作方向,單體液壓支柱的工作特性曲線P0初撐力；P1工作阻力；LY增阻期下縮量,HDJA型金屬頂梁1接頭；2梁體；3耳子；4銷子；5調(diào)角楔,第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇,單體液壓支柱適用于傾角小于25的緩斜或近水平煤層，當(dāng)采取可靠的安全措施時，可在2535的傾斜煤層中使用，也可用煤層底板比較堅(jiān)硬，抗壓強(qiáng)度一般應(yīng)大于20MPa的非炮采工作面。單體液壓支柱應(yīng)與鉸接頂梁配套使用，不能與木頂梁配套使用。頂梁中使用最多的是金屬鉸接頂梁。頂梁一般利用15kg/m，18kg/m，24kg/m的礦用鋼軌制成。,第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇,二、自移式液壓支架（液壓支架）自移式液壓支架是一種維護(hù)回采空間的機(jī)械化支護(hù)設(shè)備。它以高壓液體為動力，使支護(hù)頂板、移架、切頂、推移輸送機(jī)等工序一起完成。實(shí)踐表明：液壓支架具有支護(hù)性能好、強(qiáng)度高、移設(shè)速度快、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。它與可彎曲輸送機(jī)和采煤機(jī)為配合使用，就組成了回采工作面的綜合機(jī)械化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了綜合機(jī)械化采煤。按液壓支架與圍巖的相互作用，可分為：支撐式、掩護(hù)式、支撐掩護(hù)式三種。,第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇,（一）支撐式液壓支架這種液壓支架是最早的一種類型，應(yīng)用仍較廣泛。按其構(gòu)造與動作的不同，有垛式和節(jié)式兩種。垛式液壓支架的外形和作用好象木垛一樣，礦稱為垛式液壓支架。它由頂梁1、立柱2、擋矸簾3、底座箱4、推移千斤頂5、操作控制裝置等組成。節(jié)式液壓支架由前后立柱、頂梁、底座組成一個框節(jié)。通常由兩個框節(jié)組成一架節(jié)式支架，有時也可由三節(jié)或更多框節(jié)組成，故稱為節(jié)式液壓支架。各框節(jié)之間有一定的連接，移架時，主、副架互為支點(diǎn)，交錯前移。,圖1113垛式液壓支架1頂梁；2前梁；3立柱；4控制閥；5推移裝置；6底座,圖1114節(jié)式液壓支架1前梁；2立柱；3底座；4千斤頂；5閥座；6彈簧鋼帶,第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇,（二）掩護(hù)式液壓支架這種支架一般由頂梁、掩護(hù)梁、底座、立柱、連桿、推移和操縱裝置等組成。這種支架的頂梁較短，掩護(hù)梁較長，其上、下端分別與頂梁和底座鉸接，而立柱一般是支承在掩護(hù)梁與底座之間，承受掩護(hù)梁上的矸石，故稱為掩護(hù)式支架。（三）支撐掩護(hù)式液壓支架實(shí)質(zhì)上就是支撐式和掩護(hù)式的組合型支架。這以支撐為主，同時又有掩護(hù)作用，故稱為支撐掩護(hù)式支架。它由較長的頂梁、較短的掩護(hù)梁、四根立柱組成。,圖1115VOB-HP116型掩護(hù)支架外形1-托梁；2-掩護(hù)梁；3-底座；4-立柱；5護(hù)幫板,圖1116支撐掩護(hù)式液壓支架1、2護(hù)幫裝置；3前梁；4頂梁；5、6立柱；7掩護(hù)梁；8、9連桿；10底座；11推移裝置,第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇,（四）液壓支架的選型影響液壓支架選型的主要因素是：地質(zhì)條件（頂板的穩(wěn)定性、巖性、厚度）；底板的穩(wěn)定性；煤的厚度（采高）、傾角、地質(zhì)構(gòu)造、沼氣含量和技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件。如頂板不穩(wěn)定，起伏不平，支架的整體頂梁不能有效地支撐頂板，這時就應(yīng)選用鉸接頂梁支架。根據(jù)頂板巖性的不同，可采用支撐式、掩護(hù)式、支撐掩護(hù)式。,第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇,因?yàn)橹Ъ苤饕侵沃苯禹數(shù)闹亓?，所以支架的工作阻力，決定于直接頂?shù)膸r性、厚度（重量）。因此，一般要求支架的工作阻力大于或等于46倍采高的直接頂?shù)闹亓?；支架的初撐力一般要求為工作阻力?0%40%。為了避免頂板過早下沉，要求支架的初撐力大些為好，新型支架的初