第八章采場礦山壓力及其控制

1、 第八章第八章 采場礦山壓采場礦山壓力及其控制力及其控制 第一節(jié)第一節(jié) 采場礦山壓力及其顯現(xiàn)采場礦山壓力及其顯現(xiàn) 一、采場礦山壓力的基本概念一、采場礦山壓力的基本概念 1、原巖體： 地殼中沒有受到人類工程活動(dòng)（如礦井中開 掘巷道等）影響的巖體稱為原巖體，簡稱原巖。 2、原巖應(yīng)力： 地下煤、巖體未采動(dòng)以前，由于自重作用在其內(nèi)部引起的應(yīng)力，通常稱為原巖應(yīng)力。 3、原巖應(yīng)力場： 天然存在于原巖內(nèi)而與任何人為因素?zé)o關(guān)的應(yīng)力場稱為原巖應(yīng)力場。 4、二次應(yīng)力場： 當(dāng)在煤、巖體內(nèi)開掘巷道或進(jìn)行開采，破壞了原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使巷道或采場的周圍巖體內(nèi)應(yīng)力重新分布。在應(yīng)力重新分布過程中，引起巷道和回采工作面周圍

2、的煤、巖體發(fā)生變形、破壞，直到煤、巖體內(nèi)部應(yīng)力重新平衡為止。此時(shí)，巷道和回采工作面周圍煤巖體內(nèi)形成一個(gè)與原巖應(yīng)力場截然不同的新的應(yīng)力場，有時(shí)稱為二次應(yīng)力場。 5、礦山壓力： 在地下進(jìn)行開采而在井巷、硐室及回采工作面周圍煤、巖體內(nèi)和各種支護(hù)場上所引起的力，稱為礦山壓力，簡稱為礦壓或地壓、巖壓等。 6、礦壓顯現(xiàn)： 在礦山壓力作用下，將引起一系列力學(xué)現(xiàn)象，如頂板下沉和冒落、底板鼓起、煤壁片幫、支架變形和破壞、充填物沉縮、巖層和地表移動(dòng)、沖擊地壓等。這些由于礦山壓力作用，使圍巖、煤和各種支護(hù)物產(chǎn)生的種種力學(xué)現(xiàn)象，統(tǒng)稱為礦山壓力顯現(xiàn)，簡稱礦壓顯現(xiàn)。 7、礦壓控制 為了安全有效地進(jìn)行開采工作，就必須采取各

3、種技術(shù)措施控制礦山壓力，包括對巷道及回采工作空間進(jìn)行支護(hù)，對采空區(qū)進(jìn)行充填或人為的方法使采空區(qū)頂板按預(yù)定要求冒落等。所以這些人為地調(diào)節(jié)、改變和利用礦山壓力作用的各種措施，稱為礦山壓力控制礦山壓力控制，簡稱礦壓控制。 二、采場礦山壓力顯現(xiàn)的一般規(guī)律二、采場礦山壓力顯現(xiàn)的一般規(guī)律（一）工作面的初次來壓（一）工作面的初次來壓 1 1、初次垮落距、初次垮落距 當(dāng)工作面自開切眼推進(jìn)一段距離后，直接頂懸露達(dá)到一定跨度。采空區(qū)的支架撤出而進(jìn)行初次放頂，直接頂開始冒落，此時(shí)直接頂?shù)目缇喾Q為初次垮落距。常把直接頂?shù)谝淮未竺娣e垮落稱為直接頂初次垮落距。 2 2、巖石碎脹系數(shù)、巖石碎脹系數(shù) 直接頂垮落時(shí)，巖層由整體

4、到破碎引起了體積膨脹，一般稱為巖石碎脹系數(shù)。 3 3、支承壓力、支承壓力 直接頂破碎冒落的巖塊松散地填滿采空區(qū)，這時(shí)在回采工作面兩側(cè)的煤壁上形成了大于原巖應(yīng)力的集中應(yīng)力帶，這個(gè)帶內(nèi)的應(yīng)力為支承壓力。因此，支承壓力就是指在巖體中開掘巷道，在煤層中進(jìn)行回采時(shí)，巷道兩側(cè)或回采工作面周圍煤壁形成的高于原巖應(yīng)力的垂直集中應(yīng)力。 4 4、免壓帶、免壓帶 由于直接頂冒落，老頂巖層象“梁”一樣支承采空區(qū)兩側(cè)煤壁上，上覆巖層的重量由老頂傳遞給工作面兩側(cè)的煤壁，此時(shí)煤壁上最大的集中應(yīng)力為,而采空區(qū)本身及其底板的部分巖層應(yīng)力將低于原巖應(yīng)力，一般稱為“免壓帶”。 5 5、初次來壓步距、初次來壓步距 把老頂?shù)谝淮问Х€(wěn)而

5、產(chǎn)生的工作面頂板普遍來壓現(xiàn)象稱為老頂?shù)某醮蝸韷骸０褟拈_切眼到初次來壓時(shí)，工作面推進(jìn)的距離稱為老頂?shù)某醮蝸韷翰骄唷?初次來壓步距與老頂巖層的強(qiáng)度、厚度及節(jié)理裂隙發(fā)育程度，破斷巖塊之間互相咬合條件等因素有關(guān)。一般為2035m，有個(gè)別礦區(qū)可達(dá)5070，甚至更大。圖圖8-1 8-1 老頂初次來壓前應(yīng)力分布老頂初次來壓前應(yīng)力分布a-a-集中應(yīng)力帶；集中應(yīng)力帶；b b免壓帶免壓帶a aa ab b（二）老頂?shù)闹芷趤韷海ǘ├享數(shù)闹芷趤韷?1 1、老頂?shù)闹芷趤韷?、老頂?shù)闹芷趤韷?老頂初次來壓后，隨著回采工作面繼續(xù)推進(jìn)，老頂老頂初次來壓后，隨著回采工作面繼續(xù)推進(jìn)，老頂巖層將形成新的穩(wěn)定，這種穩(wěn)定狀態(tài)隨工作面的

6、不斷推巖層將形成新的穩(wěn)定，這種穩(wěn)定狀態(tài)隨工作面的不斷推進(jìn)可能再次被打破。由此可知，隨著回采工作面的不斷進(jìn)可能再次被打破。由此可知，隨著回采工作面的不斷推進(jìn)，老頂巖層將經(jīng)歷推進(jìn)，老頂巖層將經(jīng)歷“穩(wěn)定穩(wěn)定失穩(wěn)失穩(wěn)再穩(wěn)定再穩(wěn)定”的周期的周期性變化，這種由于裂隙帶（老頂）巖層周期性失穩(wěn)而導(dǎo)性變化，這種由于裂隙帶（老頂）巖層周期性失穩(wěn)而導(dǎo)致頂板來壓現(xiàn)象稱為老頂?shù)闹芷趤韷骸Ｖ马敯鍋韷含F(xiàn)象稱為老頂?shù)闹芷趤韷骸?周期來壓的主要表現(xiàn)： 頂板下沉速度急劇增加，頂板下沉量大，支柱載荷普遍增加，還可引起煤壁嚴(yán)重片幫，支柱折損等現(xiàn)象。從而可能導(dǎo)致局部冒頂，甚至切頂?shù)仁鹿省?因此，預(yù)防周期來壓造成事故，應(yīng)準(zhǔn)確判斷周期來壓

7、的預(yù)兆，加強(qiáng)周期來壓的預(yù)報(bào)工作，及時(shí)采取加強(qiáng)支護(hù)措施等。（三）回采后（三）回采后“三帶三帶”的形成及工作面前后方的的形成及工作面前后方的應(yīng)力分布狀態(tài)應(yīng)力分布狀態(tài)1 1、回采后、回采后“三帶三帶”的形成的形成(1) (1) 冒落帶：冒落帶： 回采工作面初次來壓后，隨回采工作面的繼續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)寬度不斷增大，在回采后的采空區(qū)上方形成不同特征的變形帶。其中，在采空區(qū)上方的最下部巖層破斷后，巖塊呈不規(guī)則垮落，排列極不整齊，碎脹系數(shù)較大，一般可達(dá)1.31.5。經(jīng)壓實(shí)后，碎脹系數(shù)可降到1.03左右，此帶多數(shù)情況下是由冒落的直接頂巖層所形成的，稱為冒落帶。（2 2）裂隙帶：）裂隙帶： 冒落帶往上的巖層雖已斷

8、裂，但巖塊仍整齊排列，巖塊間存在力的聯(lián)系，其巖塊的碎脹系數(shù)較小，一般小于1.1，一般是由老頂?shù)膸r層組成，此帶稱為裂隙帶。（3 3）下沉帶：）下沉帶： 在裂隙帶之上直至地表，巖層不斷裂，只有較少的裂隙，巖層呈彎曲下沉狀態(tài)，此帶稱為彎曲下沉帶。以上“三帶”統(tǒng)稱為“豎三帶”，這“三帶”，除個(gè)別厚而堅(jiān)硬的頂板巖層外，在絕大多數(shù)的頂板條件下，普遍存在。圖圖8-2 8-2 開采后巖層移動(dòng)概貌開采后巖層移動(dòng)概貌1 1地表塌陷區(qū)；地表塌陷區(qū)；2 2巖層開始移動(dòng)；巖層開始移動(dòng)；3 3巖層移動(dòng)穩(wěn)定邊界線；巖層移動(dòng)穩(wěn)定邊界線；4 4離層現(xiàn)象離層現(xiàn)象（I I）冒落帶（冒落帶（IIII）- -裂隙帶（裂隙帶（IIIII

9、I）彎曲下沉帶彎曲下沉帶2 2、回采工作面前后方的應(yīng)力分布、回采工作面前后方的應(yīng)力分布（1 1）砌體梁的形成）砌體梁的形成 在采空區(qū)上方，裂隙帶斷裂的巖塊間排列整齊，巖塊的回轉(zhuǎn)受到受到相鄰巖塊的擠壓作用，特別是較堅(jiān)硬的巖層。因此，巖塊之間就象建筑磚石結(jié)構(gòu)的砌體一樣，由于巖塊之間的互相擠壓咬合，在巖層移動(dòng)過程中可能形成鉸接的“梁式平衡”。當(dāng)周期來壓后，這種巖層似一端支承于煤壁上，而另一端則在采空區(qū)冒落的巖塊上的“梁”。顯然，這種梁是由于各個(gè)巖塊相互咬合擠壓而成，其形成如同“砌體”一樣，所以稱為“砌體梁”。圖圖8-3 8-3 巖層移動(dòng)巖層移動(dòng)“砌體鉸接梁砌體鉸接梁”圖形圖形I I巖層原位置；巖層原

10、位置；IIII巖層移動(dòng)后位置巖層移動(dòng)后位置 （2 2）“三區(qū)三區(qū)”的形成的形成 1 1）增壓區(qū)）增壓區(qū) 由于“砌體梁”的存在，上覆巖層的重量將通過“梁”而傳遞到工作面前方煤壁上及采空區(qū)后方已冒落的巖塊上，形成了“煤壁已冒落的矸石”支撐上覆巖層的支撐體系。因而形成了工作面前方煤壁上的應(yīng)力增高區(qū)a（增壓區(qū)），其影響范圍可深入工作面前方煤壁內(nèi)3040m，甚至更遠(yuǎn)。 2 2）穩(wěn)壓區(qū)）穩(wěn)壓區(qū) 在采空區(qū)后方已冒落的矸石上可能形成略高于或等于原巖應(yīng)力的應(yīng)力不變區(qū)c（穩(wěn)壓區(qū)），一般在工作面后方5060m冒落矸石已處在壓實(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。 3 3）減壓區(qū)）減壓區(qū) 根據(jù)煤壁與冒落帶巖層的力學(xué)性能不同，在回采工作空間及部

11、分采空區(qū)受力遠(yuǎn)小于原巖應(yīng)力，因而形成了應(yīng)力降低區(qū)b（減壓區(qū)）。 圖圖8-4 8-4 工作面前后支承壓力的分布工作面前后支承壓力的分布 第二節(jié)第二節(jié) 回采工作面回采工作面頂板支護(hù)頂板支護(hù) 眾所周知,回采工作面是地下移動(dòng)著的工作空間，為了保證生產(chǎn)工作的正常進(jìn)行與礦工的安全必須對它進(jìn)行維護(hù)。然而回采工作面的礦山壓力顯現(xiàn)又決定于回采工作面周圍所處的圍巖和開采條件。因此為了確保回采工作空間的安全，必須對回采工作形成的礦山壓力加以控制。從某種意義上講，維護(hù)工作空間就是控制礦山壓力的作用與影響，控制礦山壓力的基本手段之一就是回采工作面支架。一、回采工作面支架一、回采工作面支架（一）支柱的工作特性（一）支柱的

12、工作特性 1 1、支柱的撐力與阻力的含義、支柱的撐力與阻力的含義 (1)撐力：支柱支撐頂板會(huì)產(chǎn)生兩種不同的力，即支柱對頂板的主動(dòng)作用力稱為支柱的撐力。 (2)工作阻力：支柱支撐頂板后，受礦山壓力作用而反映出來的力稱為支柱的阻力，又稱工作阻力。 工作面支架形成的構(gòu)筑物必須與開采后形成的上覆巖層大結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，回采工作面支架必須具備一定的支撐能力和一定的可縮性。 支架的性能常用支架特性曲線表示，即反映支架“工作阻力可縮量”的關(guān)系曲線，稱為支架特性曲線（“P”曲線）。2、支柱的工作特性種類支柱的工作特性一般可分為三種：（1）急增阻式（2）微增阻式（3）恒阻式（二）單體支柱的種類 目前我國煤礦中使用的單

13、體支柱主要有兩種：單體摩擦式金屬支柱和單體液壓支柱。（三）液壓支架 將一組液壓支柱、底座與頂梁組成一整體結(jié)構(gòu)，以液壓為動(dòng)力使其聯(lián)合移動(dòng)，完全實(shí)現(xiàn)支架與回撤的自動(dòng)化，稱之為液壓自移支架。液壓支架的出現(xiàn)，使得與移溜互相配合形成支架與推移輸送同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 液壓支架的結(jié)構(gòu)雖然繁多，但對其分類，可概括為兩種基本觀點(diǎn)。1 1按對頂板的支撐面積與掩護(hù)面積的比值進(jìn)行分類按對頂板的支撐面積與掩護(hù)面積的比值進(jìn)行分類（1）支撐式。此類支架對頂板只起支撐作用而無掩護(hù)作用，也即掩護(hù)部分在水平面上的投影Ls0；（2）支撐掩護(hù)式。支架對頂板支撐的頂梁長度大于掩護(hù)梁在水平面上投影的長度，即LpL

14、s；（3）掩護(hù)支撐式。支架對頂板掩護(hù)部分的長度大于支撐部分的長度，LsLp；（4）掩護(hù)式。Lp0； 2按支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類 液壓支架分為：支撐式和掩護(hù)式（見圖P201） 二、采場支護(hù)方法二、采場支護(hù)方法 采場內(nèi)的支柱和頂梁的配合及其排列方式，稱為采場支護(hù)方式。 ( (一一) )采場基本支架的布置方式采場基本支架的布置方式 1 1帶帽點(diǎn)柱帶帽點(diǎn)柱 其在工作面的排列方式有兩種： （1）矩形排列 （2）三角形排列 這種布置方式主要適用于頂板完整的工作面或薄煤層工作面中。 2 2棚子棚子 根據(jù)直接頂巖層裂隙的方向，棚子可分為走向棚子和傾斜棚子。 當(dāng)裂隙平行于工作面時(shí)，可采用走向棚子，反之，應(yīng)采用傾斜棚子

15、。走向棚子根據(jù)頂板壓力大小又有兩種布置方式：（1）連鎖式走向棚。 這種支護(hù)方式適用于頂板壓力大的情況。 （2）對接式走向棚。 這種布置方式在頂板壓力不大的條件下采用。 3 3懸臂式支架懸臂式支架 由單體支柱與金屬頂梁組合而成的一種單體支架。按頂梁與支柱的關(guān)系，可分為正懸臂與倒懸臂兩種。 按梁的排列特點(diǎn)可分為齊梁式和錯(cuò)梁式兩種。 一般情況下，多選用正懸臂的齊梁直線柱布置方式當(dāng)頂板破碎時(shí)，可采用正倒懸臂的錯(cuò)梁直線柱布置方式。 （二）采場端頭支護(hù)（二）采場端頭支護(hù) 1、普采面端頭支護(hù) （1）單體支柱加鉸接頂梁構(gòu)成的端頭支架。 為保證跨度大處頂梁鉸接點(diǎn)固定，可采用雙鉤雙楔梁，或?qū)⑵胀ㄣq接頂梁反用，使楔

16、鉤朝上。 （2）用45對長鋼梁與單體支柱組成大跨度的走向邁步抬棚。 這種形式即有利于端頭頂板維護(hù)，又有利于輸送機(jī)移置。（3）用基本支架與走向邁步抬棚綜合支護(hù)。 除上述端頭支護(hù)外，在端頭與平巷交會(huì)處的平巷內(nèi)，還可采用走向托梁或“”字鉸接頂梁與單體支柱組成的支架支護(hù)。 2、綜采面的端頭支護(hù) 綜采面工作面的端部與山下巷的交匯處設(shè)備集中，頂板懸露面積大，通常需要采用特殊措施加強(qiáng)維護(hù)，這就是端頭支護(hù)。綜采面的端頭支護(hù)方式主要有三種 （1）采用普采面的單體支柱與長鋼梁組成的走向邁步抬棚。 該方式雖然支設(shè)麻煩，勞動(dòng)強(qiáng)度大，但適用性強(qiáng)，有利于工作面排頭支架的穩(wěn)定。（2）采用專門的自移式端頭支架。 這種支架結(jié)構(gòu)

17、復(fù)雜，對平巷條件適應(yīng)性差；但能使支架支設(shè)和回收以及各種設(shè)備的移置等實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，移動(dòng)速度快，可提高工作面的推進(jìn)速度。（3）采用與工作面同類型的液壓支架支護(hù)端頭。 這種方式在傾角較小，頂板壓力不大的綜采面中采用。 第三節(jié)第三節(jié) 回采工作面采空區(qū)處理回采工作面采空區(qū)處理 一、采空區(qū)處理一、采空區(qū)處理 回采工作面是一個(gè)不斷移動(dòng)的空間，隨著采面的推移，頂板懸面積越來越大，為了避免頂板垮落威脅工作面的安全，因此，在保證足夠的工作空間的條件下，對多余的空間進(jìn)行處理，這種多余的空間一般稱作采空區(qū)。由于對采空區(qū)處理主要是指控制頂板巖層的過大懸露，所以采空區(qū)處理方法也常稱為頂板管理方法。 根據(jù)頂板巖層性質(zhì)及地表保

18、護(hù)要求等條件不同，采空區(qū)處理方法一般有如下幾種： 1. 1.全部垮落法全部垮落法 這種方法的實(shí)質(zhì)是：當(dāng)工作面自開切眼推進(jìn)一定距離（一般為620m）后，有步驟地主動(dòng)撤除采空區(qū)內(nèi)的支架，使直接頂冒落下來，而且冒落后破碎的矸石體積膨脹而充填了采空區(qū)，從而減輕工作面和防止對工作面產(chǎn)生不良影響。 全部垮落法處理采空區(qū)通常適用于直接頂易于垮落或具有中等冒落性質(zhì)的頂板。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、方便以及煤炭損失少，因此條件適宜時(shí)，應(yīng)盡可能采用。 2.2.煤柱支撐法（又稱刀柱法）煤柱支撐法（又稱刀柱法） 此法是當(dāng)工作推進(jìn)一定距離后，留下適當(dāng)寬度的煤柱（刀柱）支撐頂板，而后在煤柱另一側(cè)重掘開切眼進(jìn)行回采工作。 煤柱支撐法雖然簡化了采空區(qū)處理工作，但煤損大，掘進(jìn)工程量大，工作面搬家次數(shù)多。所以，只有在極堅(jiān)硬的頂板沒有其它更好的頂板管理方法時(shí)采用。 3. 3.緩慢下沉法緩慢下沉法 當(dāng)煤層較薄時(shí)，頂板巖層具有塑性彎曲能力，頂板在采空區(qū)內(nèi)下沉未發(fā)生垮落之前就已與頂板接觸