礦山壓力及其控制課件

郭俊廷試制

《采煤概論》精品課程第四篇準(zhǔn)備方式與采煤方法第11章礦山壓力及其控制1/3/2023郭俊廷試制

《采煤概論》精品課程第四篇準(zhǔn)備方式與采煤方法1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1/3/2023主要內(nèi)容第11章礦山壓力及其控制12/12/20222第一節(jié)煤層圍巖分類圍巖的性質(zhì)，尤其是它的力學(xué)性質(zhì)對采掘工作面的壓力顯現(xiàn)影響最大。巖石通常為脆性體，有些為彈塑性體，它的力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為：σ壓＞σ剪＞σ彎＞σ拉抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，一般抗拉強(qiáng)度只有其抗壓強(qiáng)度的1/15～1/20巖石破碎通常表現(xiàn)為拉性；有時也表現(xiàn)為剪性，如彈塑性巖石。由于巖石為非均質(zhì)體，組成的成分又不同，再加原生和次生的影響，從而形成了它的復(fù)雜的力學(xué)性質(zhì)—異向性。例如，巖層中具有層理、節(jié)理等弱面，沿這些弱面方向的巖石抗拉強(qiáng)度，遠(yuǎn)小于其它方向的抗拉強(qiáng)度，有些甚至完全失去抗拉能力。又如雖屬同種巖石，由于構(gòu)造裂隙影響，它們的力學(xué)性質(zhì)，往往相差很大。1/3/2023第一節(jié)煤層圍巖分類圍巖的性質(zhì)，尤其是它的力學(xué)性質(zhì)對采3第一節(jié)煤層圍巖分類對采煤工作面影響最大的圍巖是煤層頂部巖層。因此，通常在研究煤層圍巖性質(zhì)時，重點(diǎn)研究煤層頂板性質(zhì)，至于煤層底部巖層，只有在急傾斜煤層開采時，才具有實(shí)際意義。根據(jù)我國巖層的實(shí)際情況，一般把直接頂分為三類：一類直接頂（不穩(wěn)定）——回采時不及時支護(hù)，很易造成局部冒頂，如頁巖、煤皮、再生頂板等；二類直接頂（中等穩(wěn)定）——頂板雖有裂隙，但仍比較完整，如砂質(zhì)頁巖；三類直接頂（穩(wěn)定）——頂板允許懸露較大面積而不垮落，直接頂完整，如砂巖或堅硬的砂質(zhì)頁巖。1/3/2023第一節(jié)煤層圍巖分類對采煤工作面影響最大的圍巖是煤層頂4第一節(jié)煤層圍巖分類基本頂（老頂）分類尚無統(tǒng)一規(guī)定，現(xiàn)根據(jù)基本頂對工作面的壓力（初次和周期來壓）及初次來壓的步距，把老頂分為四類介紹如下：Ⅰ類基本頂——初次和周期來壓不明顯，來壓時緩和無沖擊。來壓的大小相當(dāng)于或小于6～8倍采高的頂板巖層重量。初次來壓步距大于25m。Ⅱ類基本頂——初次和周期來壓很明顯，來壓的大小相當(dāng)于8～12倍采高的頂板巖層重量。初次來壓步距大于25m～50m。Ⅲ類基本頂——初次和周期來壓強(qiáng)烈，來壓的大小相當(dāng)于12～14倍采高的頂板巖層重量。初次來壓步距大于25m～50m。Ⅳ類基本頂——平時頂板無壓力，采空區(qū)懸露面積達(dá)幾千甚至上萬m2不垮落，初次和周期來壓時，頂板垮落常形成狂風(fēng)、巨響。初次來壓步距大于50m，甚至可達(dá)100m～150m。這種頂板多為極堅硬的厚砂巖或礫巖。1/3/2023第一節(jié)煤層圍巖分類基本頂（老頂）分類尚無統(tǒng)一規(guī)定，現(xiàn)5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γH（γ—巖層的容重，t/m3；H—煤層距地面的深度，m）。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γH的1.25～2.5倍，最大值可為原始應(yīng)力的2～4倍或更大。1/3/2023第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律一、支承壓力12/126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；γ—上覆巖層的容重1/3/2023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7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2m～3m起直至10m～45m，有時可達(dá)近100m，最大支承壓力區(qū)，約距煤壁5m～15m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。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)1/3/2023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，8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。1/3/2023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9第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律（二）影響支承壓力大小、分布的因素支承壓力的大小及其分布與頂板懸露的面積和時間、開采深度、采空區(qū)充填程度、頂?shù)装鍘r性、煤質(zhì)軟硬有關(guān)。采空區(qū)頂板懸露面積越大，時間越長，頂板壓力就越大，而支承壓力的分布范圍和集中程度越大。開采深度越大，懸露頂板的重量越大，支承壓力也越大。采空區(qū)充填程度越密實(shí)，煤壁內(nèi)支承壓力越小。例如采用全部充填時，上部頂板下沉后，很快就會被充填物支撐，這時懸露頂板巖層的重量轉(zhuǎn)移到周圍煤體上的壓力就小。因此，采用全部充填法處理采空區(qū)比采用全部垮落法處理采空區(qū)時，煤壁內(nèi)的支承壓力分布范圍和大小要小得多。1/3/2023第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律（二）影響支承壓力大小10第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律頂板巖層越堅硬，頂板壓力分布越均勻，支承壓力的集中程度就比較小。例如，砂巖頂板，支承壓力的影響范圍可達(dá)到工作面前方100m左右；泥質(zhì)頁巖頂板，支承壓力的影響范圍不到30m～40m。若頂板的裂隙發(fā)育，則支承壓力比較集中，影響范圍也較小。底板巖層堅硬，支承壓力影響范圍大，但集中程度小。煤質(zhì)堅硬，支承壓力比較集中，影響范圍較小；反之，煤質(zhì)松軟，變形和破壞程度越大，則支承壓力分布范圍越大，集中程度越低。1/3/2023第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律頂板巖層越堅硬，頂板壓11第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律（三）支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律由于支承壓力的作用，可導(dǎo)致頂板預(yù)先下沉、煤壁破碎片幫、產(chǎn)生沖擊地壓、煤和沼氣突出等現(xiàn)象。在支承壓力的作用下，工作面前方尚未懸露的頂板，已經(jīng)開始下沉。一些實(shí)際資料表明，頂板下沉量可達(dá)15mm～60mm，甚至達(dá)100mm。當(dāng)頂板比較堅硬，煤層較厚或較軟時，頂板下沉量較大。由于頂板預(yù)先下沉，可能產(chǎn)生裂隙，因而增加了工作面和工作面前方區(qū)段平巷的壓力。為了防止區(qū)段平巷的支架壓壞，事先必須采取措施，如增設(shè)抬棚、斜撐支架等。工作面的煤壁，在支承壓力作用下，產(chǎn)生變形破壞，導(dǎo)致煤壁破碎片幫成斜面；破碎范圍與煤質(zhì)硬度和支承壓力大小有關(guān)，一般為1m～3m；工作面前方煤壁內(nèi)支承壓力的峰值，向煤壁內(nèi)轉(zhuǎn)移，增壓區(qū)（支承壓力區(qū)）斜向煤壁里面；減壓區(qū)擴(kuò)大；穩(wěn)壓區(qū)向煤壁里面轉(zhuǎn)移。1/3/2023第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律（三）支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律12第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律煤層壓碎，雖增加了片幫的機(jī)會，對安全不利，但可減輕落煤工作，淺截式采煤機(jī)就是采落壓碎范圍內(nèi)的煤，因而破落煤時阻力小。當(dāng)頂、底板均為厚而堅硬的巖層，煤質(zhì)很堅硬；開采深度又較大；形成很大的支承壓力時，就可能產(chǎn)生沖擊地壓。沖擊地壓是礦山壓力顯現(xiàn)中最猛烈的形式。沖擊地壓是煤和巖層在礦壓作用下，急劇地破碎和被拋出的現(xiàn)象。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。1/3/2023第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律煤層壓碎，雖增加了片幫13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。綜上所述，生產(chǎn)中必須重視支承壓力的作用和影響，在開采自然條件不能改變的情況下，從開采技術(shù)上，應(yīng)盡量設(shè)法減輕支承壓力集中程度，除上述措施外，還可采取加快工作面推進(jìn)速度，減少頂板懸露時間；縮小控頂距，減小支承壓力。1/3/2023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14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。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)2d～3d?；卷敵醮慰迓鋾r，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20m～35m，少數(shù)達(dá)50m～70m。1/3/2023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1215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。圖5—3基本頂初次垮落L1--初次垮落步距1/3/2023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：圖516第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律三、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5—4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1/3/2023第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律三、周期來壓圖5—417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)。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6m～30m，多數(shù)為10m～15m。1/3/2023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18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=（1/2～1/4）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。1/3/2023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19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)暮穸取．?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。圖5—5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1/3/2023第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律（一）冒落帶圖5—5巖20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1.3～1.5）。1/3/2023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）M21第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律（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7～17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)1/3/2023第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律（二）裂隙帶12/1222第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律A區(qū)：從工作面前方30、40m開始到工作面后方2~4m，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)。B區(qū)：從工作面后方2~4m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)。1/3/2023第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律A區(qū)：從工作面前方3023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。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。為避免支架折斷而產(chǎn)生離層，要求支架可縮量與頂板下沉量一致。(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。1/3/2023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24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。1/3/2023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25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。1/3/2023第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇12/12/20226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；2—井下測定結(jié)果1/3/2023第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇HZJAHZJA27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

ΔL1—自動夾緊時的可縮量；ΔL2—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1/3/2023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28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)7t～11t。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。1/3/2023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29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；ΔLY—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1/3/2023外注式單體液壓支柱圖單體液壓支柱的工作特性曲線HDJA型金屬30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25～35°的傾斜煤層中使用，也可用煤層底板比較堅硬，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。1/3/2023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31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）為了解決支護(hù)與落煤不相適應(yīng)的情況，必須實(shí)行支護(hù)工作機(jī)械化。自移式液壓支架就是一種維護(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。目前國產(chǎn)的液壓支架類型有：BZZC型、TZ型、WKM—400型、DM—400型、ZYZ型、ZY型等。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。1/3/2023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32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。垛式液壓支架工作阻力大，側(cè)向穩(wěn)定性和切頂性能好，工作空間較大，易滿足通風(fēng)要求；但由于頂梁比較寬長，移加時頂板懸露面積較大，在直接頂破碎的條件下使用是困難的。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。與垛式比較，結(jié)構(gòu)較靈巧、重量較輕、移架時頂板懸露面積較小、對頂板適應(yīng)性較好；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、維護(hù)費(fèi)高。一般適用于中硬或較松軟的頂板，厚度為0.6m～3.2m的煤層。1/3/2023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33圖11—13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11—14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1/3/2023圖11—13垛式液壓支架圖11—14節(jié)式液壓34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。這種支架防護(hù)性能好，尤其是破碎頂板情況下更為突出。但支撐力較??；切頂性能較差；工作空間較小，不利于操作和通風(fēng)。（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。1/3/2023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35圖11—15掩護(hù)式液壓支架1—掩護(hù)梁；2—頂梁；3—立柱；4—側(cè)護(hù)板；5—連桿；6—推移千斤頂；7—底座圖11—16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1/3/2023圖11—15掩護(hù)式液壓支架圖11—16支撐掩護(hù)36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。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4～6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，新型支架的初撐力可達(dá)工作阻力的80%以上。1/3/2023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37第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇支架的高度應(yīng)與煤層厚度（采高）變化相適應(yīng)。支架的最小高度，應(yīng)根據(jù)煤層的最小厚度（采高）和周期來壓時頂板最大下沉量來選擇，即支架的最小高度應(yīng)略小于煤層的最小厚度（采高）減去頂板最大下沉量。煤層的傾角，直接影響支架的穩(wěn)定性，傾角增大，支架將發(fā)生下滑、翻倒。因此，當(dāng)煤層傾角大于10°時，就應(yīng)安設(shè)防滑、防倒裝置。工作面內(nèi)，不應(yīng)有落差大于0.6m的斷層，如落差過大，支架遷移困難，往往工作面被迫搬遷。瓦斯含量大的煤層，支架斷面（工作空間）就應(yīng)滿足通風(fēng)要求，同時還應(yīng)便于行人和操作。1/3/2023第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇支架的高度應(yīng)與煤層38第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇隨著開采技術(shù)的發(fā)展，近年來國外出現(xiàn)各種新型支架，如履帶式液壓支架，能在頂?shù)装逯g帶壓移架，以適應(yīng)松軟頂板的特點(diǎn)；雙輸送機(jī)垛式液壓支架，它具有伸縮頂梁和鉸接后梁，以適應(yīng)放頂煤采煤的要求；具有貼幫板的液壓支架，以適應(yīng)松軟煤層片幫的要求。隨著掘—采機(jī)械的出現(xiàn)而產(chǎn)生的掘巷（迎面）采煤法、煤房采煤，國外研制了拱形鋼梁和樹脂錨桿支架，以適應(yīng)這種采煤法的大斷面巷道的要求。工作面支架，除上述單體支架和液壓支架兩類以外，在特殊情況下，如工作面冒頂、放頂、周期來壓、遇到斷層等，還可采用特種支架—木垛、斜撐、抬棚、叢柱、排柱等。1/3/2023第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇隨著開采技術(shù)的發(fā)展39復(fù)習(xí)思考題1．什么叫礦山壓力？2．什么叫礦山壓力顯現(xiàn)3．直接頂如何分類？分哪幾類？4．基本頂如何分級？分哪幾級？5．解釋最大、最小控頂距，放頂步距的概念。6．什么叫支承壓力？工作面周圍支承壓力是如何分布的？

1/3/2023復(fù)習(xí)思考題1．什么叫礦山壓力？12/12/202240郭俊廷試制

《采煤概論》精品課程第四篇準(zhǔn)備方式與采煤方法第11章礦山壓力及其控制1/3/2023郭俊廷試制

《采煤概論》精品課程第四篇準(zhǔn)備方式與采煤方法41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1/3/2023主要內(nèi)容第11章礦山壓力及其控制12/12/202242第一節(jié)煤層圍巖分類圍巖的性質(zhì)，尤其是它的力學(xué)性質(zhì)對采掘工作面的壓力顯現(xiàn)影響最大。巖石通常為脆性體，有些為彈塑性體，它的力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為：σ壓＞σ剪＞σ彎＞σ拉抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，一般抗拉強(qiáng)度只有其抗壓強(qiáng)度的1/15～1/20巖石破碎通常表現(xiàn)為拉性；有時也表現(xiàn)為剪性，如彈塑性巖石。由于巖石為非均質(zhì)體，組成的成分又不同，再加原生和次生的影響，從而形成了它的復(fù)雜的力學(xué)性質(zhì)—異向性。例如，巖層中具有層理、節(jié)理等弱面，沿這些弱面方向的巖石抗拉強(qiáng)度，遠(yuǎn)小于其它方向的抗拉強(qiáng)度，有些甚至完全失去抗拉能力。又如雖屬同種巖石，由于構(gòu)造裂隙影響，它們的力學(xué)性質(zhì)，往往相差很大。1/3/2023第一節(jié)煤層圍巖分類圍巖的性質(zhì)，尤其是它的力學(xué)性質(zhì)對采43第一節(jié)煤層圍巖分類對采煤工作面影響最大的圍巖是煤層頂部巖層。因此，通常在研究煤層圍巖性質(zhì)時，重點(diǎn)研究煤層頂板性質(zhì)，至于煤層底部巖層，只有在急傾斜煤層開采時，才具有實(shí)際意義。根據(jù)我國巖層的實(shí)際情況，一般把直接頂分為三類：一類直接頂（不穩(wěn)定）——回采時不及時支護(hù)，很易造成局部冒頂，如頁巖、煤皮、再生頂板等；二類直接頂（中等穩(wěn)定）——頂板雖有裂隙，但仍比較完整，如砂質(zhì)頁巖；三類直接頂（穩(wěn)定）——頂板允許懸露較大面積而不垮落，直接頂完整，如砂巖或堅硬的砂質(zhì)頁巖。1/3/2023第一節(jié)煤層圍巖分類對采煤工作面影響最大的圍巖是煤層頂44第一節(jié)煤層圍巖分類基本頂（老頂）分類尚無統(tǒng)一規(guī)定，現(xiàn)根據(jù)基本頂對工作面的壓力（初次和周期來壓）及初次來壓的步距，把老頂分為四類介紹如下：Ⅰ類基本頂——初次和周期來壓不明顯，來壓時緩和無沖擊。來壓的大小相當(dāng)于或小于6～8倍采高的頂板巖層重量。初次來壓步距大于25m。Ⅱ類基本頂——初次和周期來壓很明顯，來壓的大小相當(dāng)于8～12倍采高的頂板巖層重量。初次來壓步距大于25m～50m。Ⅲ類基本頂——初次和周期來壓強(qiáng)烈，來壓的大小相當(dāng)于12～14倍采高的頂板巖層重量。初次來壓步距大于25m～50m。Ⅳ類基本頂——平時頂板無壓力，采空區(qū)懸露面積達(dá)幾千甚至上萬m2不垮落，初次和周期來壓時，頂板垮落常形成狂風(fēng)、巨響。初次來壓步距大于50m，甚至可達(dá)100m～150m。這種頂板多為極堅硬的厚砂巖或礫巖。1/3/2023第一節(jié)煤層圍巖分類基本頂（老頂）分類尚無統(tǒng)一規(guī)定，現(xiàn)45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γH（γ—巖層的容重，t/m3；H—煤層距地面的深度，m）。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γH的1.25～2.5倍，最大值可為原始應(yīng)力的2～4倍或更大。1/3/2023第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律一、支承壓力12/1246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；γ—上覆巖層的容重1/3/2023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47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2m～3m起直至10m～45m，有時可達(dá)近100m，最大支承壓力區(qū)，約距煤壁5m～15m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。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)1/3/2023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，48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。1/3/2023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49第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律（二）影響支承壓力大小、分布的因素支承壓力的大小及其分布與頂板懸露的面積和時間、開采深度、采空區(qū)充填程度、頂?shù)装鍘r性、煤質(zhì)軟硬有關(guān)。采空區(qū)頂板懸露面積越大，時間越長，頂板壓力就越大，而支承壓力的分布范圍和集中程度越大。開采深度越大，懸露頂板的重量越大，支承壓力也越大。采空區(qū)充填程度越密實(shí)，煤壁內(nèi)支承壓力越小。例如采用全部充填時，上部頂板下沉后，很快就會被充填物支撐，這時懸露頂板巖層的重量轉(zhuǎn)移到周圍煤體上的壓力就小。因此，采用全部充填法處理采空區(qū)比采用全部垮落法處理采空區(qū)時，煤壁內(nèi)的支承壓力分布范圍和大小要小得多。1/3/2023第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律（二）影響支承壓力大小50第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律頂板巖層越堅硬，頂板壓力分布越均勻，支承壓力的集中程度就比較小。例如，砂巖頂板，支承壓力的影響范圍可達(dá)到工作面前方100m左右；泥質(zhì)頁巖頂板，支承壓力的影響范圍不到30m～40m。若頂板的裂隙發(fā)育，則支承壓力比較集中，影響范圍也較小。底板巖層堅硬，支承壓力影響范圍大，但集中程度小。煤質(zhì)堅硬，支承壓力比較集中，影響范圍較?。环粗?，煤質(zhì)松軟，變形和破壞程度越大，則支承壓力分布范圍越大，集中程度越低。1/3/2023第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律頂板巖層越堅硬，頂板壓51第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律（三）支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律由于支承壓力的作用，可導(dǎo)致頂板預(yù)先下沉、煤壁破碎片幫、產(chǎn)生沖擊地壓、煤和沼氣突出等現(xiàn)象。在支承壓力的作用下，工作面前方尚未懸露的頂板，已經(jīng)開始下沉。一些實(shí)際資料表明，頂板下沉量可達(dá)15mm～60mm，甚至達(dá)100mm。當(dāng)頂板比較堅硬，煤層較厚或較軟時，頂板下沉量較大。由于頂板預(yù)先下沉，可能產(chǎn)生裂隙，因而增加了工作面和工作面前方區(qū)段平巷的壓力。為了防止區(qū)段平巷的支架壓壞，事先必須采取措施，如增設(shè)抬棚、斜撐支架等。工作面的煤壁，在支承壓力作用下，產(chǎn)生變形破壞，導(dǎo)致煤壁破碎片幫成斜面；破碎范圍與煤質(zhì)硬度和支承壓力大小有關(guān)，一般為1m～3m；工作面前方煤壁內(nèi)支承壓力的峰值，向煤壁內(nèi)轉(zhuǎn)移，增壓區(qū)（支承壓力區(qū)）斜向煤壁里面；減壓區(qū)擴(kuò)大；穩(wěn)壓區(qū)向煤壁里面轉(zhuǎn)移。1/3/2023第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律（三）支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律52第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律煤層壓碎，雖增加了片幫的機(jī)會，對安全不利，但可減輕落煤工作，淺截式采煤機(jī)就是采落壓碎范圍內(nèi)的煤，因而破落煤時阻力小。當(dāng)頂、底板均為厚而堅硬的巖層，煤質(zhì)很堅硬；開采深度又較大；形成很大的支承壓力時，就可能產(chǎn)生沖擊地壓。沖擊地壓是礦山壓力顯現(xiàn)中最猛烈的形式。沖擊地壓是煤和巖層在礦壓作用下，急劇地破碎和被拋出的現(xiàn)象。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。1/3/2023第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律煤層壓碎，雖增加了片幫53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。綜上所述，生產(chǎn)中必須重視支承壓力的作用和影響，在開采自然條件不能改變的情況下，從開采技術(shù)上，應(yīng)盡量設(shè)法減輕支承壓力集中程度，除上述措施外，還可采取加快工作面推進(jìn)速度，減少頂板懸露時間；縮小控頂距，減小支承壓力。1/3/2023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54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。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)2d～3d。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20m～35m，少數(shù)達(dá)50m～70m。1/3/2023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1255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。圖5—3基本頂初次垮落L1--初次垮落步距1/3/2023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：圖556第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律三、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?。上覆巖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5—4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1/3/2023第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律三、周期來壓圖5—457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)。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6m～30m，多數(shù)為10m～15m。1/3/2023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58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=（1/2～1/4）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。1/3/2023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59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。圖5—5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1/3/2023第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律（一）冒落帶圖5—5巖60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1.3～1.5）。1/3/2023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）M61第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律（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7～17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)1/3/2023第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律（二）裂隙帶12/1262第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律A區(qū)：從工作面前方30、40m開始到工作面后方2~4m，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)。B區(qū)：從工作面后方2~4m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)。1/3/2023第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律A區(qū)：從工作面前方3063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。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。為避免支架折斷而產(chǎn)生離層，要求支架可縮量與頂板下沉量一致。(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。1/3/2023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64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。1/3/2023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65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。1/3/2023第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇12/12/20266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；2—井下測定結(jié)果1/3/2023第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇HZJAHZJA67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

ΔL1—自動夾緊時的可縮量；ΔL2—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1/3/2023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68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)7t～11t。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。1/3/2023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69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；ΔLY—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1/3/2023外注式單體液壓支柱圖單體液壓支柱的工作特性曲線HDJA型金屬70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25～35°的傾斜煤層中使用，也可用煤層底板比較堅硬，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。1/3/2023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71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）為了解決支護(hù)與落煤不相適應(yīng)的情況，必須實(shí)行支護(hù)工作機(jī)械化。自移式液壓支架就是一種維護(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。目前國產(chǎn)的液壓支架類型有：BZZC型、TZ型、WKM—400型、DM—400型、ZYZ型、ZY型等。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。1/3/2023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72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