采煤工作面礦山壓力基本規(guī)律

1、第二篇 采煤方法第六章 采煤工作面礦山壓力基本規(guī)律1第一節(jié) 礦山壓力基本概念 礦山壓力會(huì)引起頂板事故、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等事故。我國(guó)煤礦頂板事故在整個(gè)煤礦安全事故中所占比重超過(guò)40%，每年頂板事故影響的產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的5%左右2一、礦山壓力的概念 礦山壓力：就是由于井下采掘工作破壞了巖體中原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布，我們把存在于采掘空間周?chē)鷰r體內(nèi)和作用在支護(hù)物上的力稱(chēng)為礦山壓力，簡(jiǎn)稱(chēng)“礦壓”。采動(dòng)前，原始巖體中已經(jīng)存在的應(yīng)力是礦山壓力產(chǎn)生的來(lái)源。如：自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、遇水膨脹應(yīng)力、溫度應(yīng)力。第一節(jié) 礦山壓力基本概念3二、礦山壓力來(lái)源 采動(dòng)前，原始巖體中已經(jīng)存在的應(yīng)力是礦山壓力產(chǎn)生

2、的根源。井下深部原巖處于復(fù)雜的受力狀態(tài)。承受著上覆巖層重量引起的自重應(yīng)力，地質(zhì)構(gòu)造引起的構(gòu)造應(yīng)力，遇水膨脹和溫度變化引起的應(yīng)力等。（一）自重應(yīng)力（二）構(gòu)造應(yīng)力（三）膨脹應(yīng)力： 遇水膨脹和溫度變化與氣體壓力引起的應(yīng)力 自重應(yīng)力第一節(jié) 礦山壓力基本概念4（一）自重應(yīng)力1=2=3 =1 =/1- max=(1-2)/2泊松比：在材料的比例極限中，由均勻分布的縱向應(yīng)力橫向應(yīng)變與相應(yīng)的縱向應(yīng)變之比的絕對(duì)值。越大越大 硬巖大 ，軟巖小當(dāng)=0.5時(shí)有1=2=3=，形成所謂的靜水壓力狀態(tài)，即巖體深部的 原巖垂直應(yīng)力與其上覆巖層重量成正比，側(cè)向應(yīng)力大致與垂直應(yīng)力相等。5（二）構(gòu)造應(yīng)力 特點(diǎn)：（1）構(gòu)造應(yīng)力以水平

3、應(yīng)力為主，并以壓應(yīng)力為主。（2）在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中，主應(yīng)力的大小和方向可能有很大的變化；兩個(gè)方向的水平應(yīng)力值（2和3）通常不相等。（3）水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，即 （4）構(gòu)造應(yīng)力在堅(jiān)硬巖石中出現(xiàn)一般比較普遍。6三、礦山壓力顯現(xiàn) 在礦山壓力作用下，圍巖和支架所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)宏觀現(xiàn)象，如圍巖變形，離層，破壞和冒落，支架受力變化和折損，煤（巖）突出，充填物產(chǎn)生壓縮和地面塌陷等，稱(chēng)為礦山壓力顯現(xiàn)，簡(jiǎn)稱(chēng)礦壓顯現(xiàn)。 采煤工作面礦壓顯現(xiàn)的主要形式：工作面頂板下沉、支架變形與折損、頂板破碎或大面積冒落、煤壁片幫、支柱插入底板、底板膨脹鼓起等。 把所有人為的調(diào)節(jié)、改變和利用礦山壓力的各種技術(shù)措施，叫做礦山壓力控制，簡(jiǎn)

4、稱(chēng)礦壓控制。7第二節(jié) 采煤工作面圍巖移動(dòng)特征 采煤工作面上方的巖層頂板 下方的巖層底板頂板分類(lèi)：偽頂：位于煤層之上隨采隨落的極不穩(wěn)定巖層，厚度 一般0.30.5m以下；直接頂：位于偽頂或直接位于煤層之上，具有一定穩(wěn) 定性，隨移架或回柱放頂后能自行垮落的巖 層；基本頂：位于直接頂或煤層之上，厚而堅(jiān)硬難垮落的 巖層。81、基本頂；2、直接頂；3、偽頂；4、煤層；5、底板巖層煤層頂?shù)装鍘r層9一、 直接頂初次垮落 采煤工作面自切眼推進(jìn)一段距離后，直接頂懸露達(dá)到一定跨度，就要對(duì)采空區(qū)頂板進(jìn)行初次放頂，使直接頂垮落下來(lái)，這一過(guò)程稱(chēng)作直接頂?shù)某醮慰迓洹?直接頂初次垮落的跨距稱(chēng)為初次垮落距。初次跨落距的大小取

5、決于直接頂巖層的強(qiáng)度、分層厚度和直接頂內(nèi)節(jié)理裂隙的發(fā)育程度等，一般為612m。由于巖層破碎后體積將產(chǎn)生碎脹，直接頂垮落后堆積的高度要大于原來(lái)的厚度。 Kp=V/V 式中： Kp碎脹系數(shù) ， V 跨落巖層原來(lái)的體積 V破碎后的體積10巖石名稱(chēng)碎脹系數(shù)初始KP殘余KP砂1.061.151.011.03粘土1.02以下1.031.07碎煤1.20以下1.05粘土頁(yè)巖1.401.10砂質(zhì)頁(yè)巖1.601.801.101.15硬砂巖1.501.80幾種巖石的碎脹系數(shù)表 巖石碎脹后，在其上部巖層壓力作用下，逐漸壓實(shí)，使碎脹系數(shù)變小，巖塊壓實(shí)后的體積與破碎前原始體積之比稱(chēng)為殘余碎脹系數(shù)以KP表示。11 若垮落

6、巖層原來(lái)的體積為V，破碎后的體積為V/，則兩者之比值稱(chēng)為碎脹系數(shù)，以KP 表示，即KPV/V 若直接頂巖層的總厚度為h，則它冒落后堆積的高度為 KPh，它與基本頂之間可能留下的空隙 ： hmKPhmh（KP1） 當(dāng)mh（KP1）時(shí)，則 0，即冒落的直接頂將充滿(mǎn)采空區(qū)。若不計(jì)基本頂下沉，形成充滿(mǎn)采空區(qū)所需直接頂?shù)暮穸葹椋?hmKP-1 減小直接頂垮落后巖堆與基本頂之間的空隙 ，有利于控制基本頂活動(dòng)。12二、基本頂?shù)某醮慰迓洌ㄒ唬┗卷敵醮慰迓淝皫r層結(jié)構(gòu) 若0，隨直接頂初次垮落，基本頂在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)懸露狀態(tài)，此時(shí)可將基本頂視為一邊由采煤工作面煤壁支承，另外三邊由煤柱支承的一個(gè)“板”的結(jié)構(gòu)。但由于

7、基本頂在采煤工作面方向上的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于推進(jìn)方向長(zhǎng)度，可將其視為一端由采煤工作面煤壁支承，一端由煤柱支承的兩端支撐的梁結(jié)構(gòu)。 若上覆巖層的強(qiáng)度低于基本頂?shù)膹?qiáng)度時(shí)，則上浮巖層的重量將通過(guò)梁傳遞至采煤工作面煤壁和后方煤柱上。13（二）基本頂初次垮落與初次來(lái)壓 隨采煤面繼續(xù)推進(jìn)，基本頂懸露跨度逐漸增大，產(chǎn)生彎曲，達(dá)到一定（極限）跨度時(shí)，發(fā)生垮落?；卷?shù)谝淮慰迓浞Q(chēng)為基本頂初次垮落。 基本頂由開(kāi)始破壞直至垮落一般要持續(xù)一定時(shí)間，上方有時(shí)在基本頂垮落前二三天，即出現(xiàn)頂板斷裂的聲響等來(lái)壓預(yù)兆。 基本頂初次來(lái)壓現(xiàn)象：在垮落前12h采空區(qū)上方可能有轟隆隆巨響，通常煤壁片幫嚴(yán)重，頂板產(chǎn)生裂縫或掉碴，頂板下沉量和下沉

8、速度明顯增加，支架載荷迅速增高的現(xiàn)象。 14（三）基本頂初次垮落步距確定 基本頂初次垮落時(shí)，其最大懸露跨度L初稱(chēng)為基本頂初次垮落步距。1、一般情況下，視基本頂為兩端固定梁視基本頂為梁時(shí)的受力分析圖15 極限垮距（只考慮按彎距計(jì)算） L初：2、淺部煤層情況下，近似視基本頂為簡(jiǎn)支梁 極限垮距L初：16基本頂斷裂后的平衡拱結(jié)構(gòu) 基本頂巖梁達(dá)到極限跨距斷裂后，并不一定立即垮落，斷裂巖塊間由于回旋形成擠壓，能形成平衡拱式的結(jié)構(gòu)?；卷敂嗔押笮纬傻钠胶夤?7基本頂斷裂后的形成平衡拱結(jié)構(gòu)條件1、咬合點(diǎn)處形成的壓應(yīng)力應(yīng)小于巖塊的抗壓強(qiáng)度。巖石將破壞。2、在擠壓過(guò)程中要求巖石具有一定的厚度，從而保證b鉸點(diǎn)在a、

9、c鉸接點(diǎn)連接之上，才能形成三角拱式的平衡。3、拱兩端點(diǎn)支座處，巖塊與煤壁的摩擦力要大于支座反力，即fF。18三、基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓（一）基本頂來(lái)壓前的狀態(tài) 基本頂初次垮落后，隨著采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)，工作面上方的基本頂巖層由兩端固定梁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閼冶哿籂顟B(tài)。如圖所示：19 當(dāng)采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)，基本頂懸掛臂跨度達(dá)到極限跨度時(shí)，基本頂在其自重及上覆巖層載荷的作用下，將沿采煤工作面煤壁甚至煤壁之內(nèi)發(fā)生折斷和垮落。 隨著采煤工作面的推進(jìn)，基本頂這種“穩(wěn)定失穩(wěn)再穩(wěn)定”現(xiàn)象，將周而復(fù)始地出現(xiàn)，使采煤工作面礦山壓力周期性明顯增大。這種基本頂?shù)闹芷谛云茢嗍Х€(wěn)對(duì)工作面產(chǎn)生的周期性的來(lái)壓顯現(xiàn)，稱(chēng)為基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓。（

10、二）基本頂周期來(lái)壓及礦壓顯現(xiàn)特征20基本頂周期來(lái)壓及礦壓顯現(xiàn)特征1、直接頂；2、支架；3、已斷裂基本頂；4、冒落矸石21（三）周期來(lái)壓步距的確定 基本頂兩次周期來(lái)壓間隔時(shí)間稱(chēng)為來(lái)壓周期。 在來(lái)壓周期內(nèi)采煤工作面推進(jìn)的距離稱(chēng)為周期來(lái)壓步距，用L周表示。比較上式，知L周（0.50.25）L初。22（四）周期來(lái)壓的分析咬合點(diǎn)的平衡23四、工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律 根據(jù)巖層移動(dòng)特征，可將煤層的上覆巖層分為冒落帶()、裂隙帶()、彎曲下沉帶()。如圖所示：24 作業(yè)： 1、簡(jiǎn)述礦山壓力、礦壓顯現(xiàn)的基本概念。 2、簡(jiǎn)述直接頂?shù)某醮慰迓洹⒒卷數(shù)某醮蝸?lái)壓和周期來(lái)壓的基本概念。25第三節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)

11、規(guī)律一、采煤工作面支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律 煤層采出后,在圍巖應(yīng)力重新分布的范圍內(nèi),作用在煤層、巖層和矸石上的垂直壓力稱(chēng)為“支承壓力”。 支承壓力顯現(xiàn)特征可用支承壓力分布范圍、峰值的位置及應(yīng)力集中系數(shù)表示。（一）采煤工作面前后方支承壓力分布 采煤工作面前后方支承壓力分布與采空區(qū)處理方法有關(guān)，對(duì)于采用全部垮落法管理頂板的采煤工作面，其前后方支承壓力分布如下圖所示：2627采煤工作面前后方支承壓力分布的特點(diǎn) 1、采煤工作面前方煤壁一端支承著工作面上方裂隙帶及其上覆巖層的大部分重量，即工作面前方支承壓力遠(yuǎn)比工作面后方大。 2、由于采煤工作面的推進(jìn)，煤壁和采空區(qū)冒落帶是向前移動(dòng)的，因此工作面前后方支承壓力是移

12、動(dòng)支承壓力。 3、由于裂縫帶形成了以煤壁和采空區(qū)冒落帶為前后支承點(diǎn)的半拱式平衡，所以采煤工作面處于減壓力范圍。28 4、采煤工作面前方形成的支承壓力，最大值發(fā)生在工作面中部前方，峰值可達(dá)原巖應(yīng)力的24倍，即應(yīng)力集中系數(shù)K值的變化范圍為2.04.0。前方支承壓力的峰值位置可深入煤體內(nèi)210m，其影響范圍可達(dá)采煤工作面前方90100m。29（二）采煤工作面兩側(cè)支承壓力分布 采煤工作面兩側(cè)的支承壓力是指工作面兩側(cè)煤柱或煤體上的支承壓力。卸載帶；支承壓力帶；原巖應(yīng)力帶；采后應(yīng)力穩(wěn)定帶；lmax峰值位置30 1、采煤工作面兩側(cè)的支承壓力劇烈影響區(qū)并不在煤體的邊緣，而是位于煤體邊緣有一定距離的地帶。 2、

13、采煤工作面兩側(cè)煤體邊緣處于應(yīng)力降低區(qū)，支承壓力低于原巖應(yīng)力。 3、采煤工作面兩側(cè)支承壓力從形成到向煤體深部轉(zhuǎn)移要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間過(guò)程，所以要使沿空掘巷保持穩(wěn)定，必須從時(shí)間上避開(kāi)未穩(wěn)定的支承壓力作用期。采煤工作面兩側(cè)支承壓力分布規(guī)律31二、支承壓力在底板中的傳遞 采煤工作面采動(dòng)后，在工作面四周形成的支承壓力將向煤層底板進(jìn)行傳遞，尤其采煤工作面兩側(cè)支承壓力的傳遞，對(duì)下部煤層開(kāi)采巷道布置產(chǎn)生重要影響。 底板巖層內(nèi)壓應(yīng)力的大小與煤柱上方的支承壓力成正比。32底板巖層中的應(yīng)力分布1、2支承壓力曲線；3原巖應(yīng)力曲線；4、5應(yīng)力增高區(qū)邊界線；6應(yīng)力降低區(qū)邊界線33煤層底板巷道位置選擇（1）巷道與煤層底板的垂直距

14、離不小于一定數(shù)值h。H與圍巖性質(zhì)的關(guān)系見(jiàn)下表。巷道類(lèi)型巖石種類(lèi)和特性合理垂距/m圍巖穩(wěn)定巷道砂巖、石灰?guī)r、其他堅(jiān)硬巖石6圍巖中等穩(wěn)定的巷道粉砂巖、砂頁(yè)巖、中硬鋁土頁(yè)巖等10圍巖較松軟的巷道塑性較大的泥質(zhì)頁(yè)巖、頁(yè)巖、煤質(zhì)頁(yè)巖等152034煤層底板巷道位置選擇（2）巷道布置在煤柱向底板傳遞力的影響角以外。若巷道布置在煤柱影響角以?xún)?nèi)，即使巷道位于較穩(wěn)定的巖層內(nèi)，也要受到應(yīng)力升高的影響。 為使巷道布置在煤柱影響角以外，巷道離煤柱邊界的水平距離S為： 煤層傾角； 的余角； 煤柱影響角，一般在2555間。通常支承壓力越大和煤柱尺寸越小，其值越大。35煤層底板巷道位置選擇巷道位置選擇示意圖巷道至煤壁邊緣水平

15、距離的計(jì)算圖36第四節(jié) 采煤工作面頂板分類(lèi) 科學(xué)的分類(lèi)可為頂板控制、支架選型、合理確定支護(hù)參數(shù)以及為采空區(qū)處理方法提供依據(jù)。一、直接頂分類(lèi) 強(qiáng)度指數(shù) D10RcC1C2式中 Rc巖石單向抗壓強(qiáng)度，MPa； C1節(jié)理裂隙影響系數(shù)； C2分層厚度影響系數(shù)。37 類(lèi)別 指標(biāo) 不穩(wěn)定頂板 中等穩(wěn)定頂板穩(wěn)定頂板堅(jiān)硬頂板主要指標(biāo)強(qiáng)度指數(shù) D30317071120120 無(wú)直接頂。巖層厚度在25m以上，6080MPa，I和h大于1m的整體巖層，即基本頂。參考指標(biāo) 直接頂初次垮落步距 L/m891819252538二、基本頂分級(jí) 基本頂來(lái)壓強(qiáng)度主要決定于直接頂厚度h與采高m的比值N及基本頂初次來(lái)壓步距L。根據(jù)N和L兩個(gè)指標(biāo)，將基本頂分為四級(jí)。分級(jí) 基本頂來(lái)壓顯現(xiàn)不明顯 明顯 強(qiáng)烈 非常 強(qiáng)烈指標(biāo)N350.3N35，L25500.350N 0.3，L2550N0