第二章采煤工作面上覆巖層移動(dòng)及其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

第二章采煤任務(wù)面上覆巖層挪動(dòng)及其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律第一節(jié)采煤任務(wù)面上覆巖層挪動(dòng)規(guī)律第二節(jié)采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律第三節(jié)影響采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)的主要要素在煤層或巖層中開掘巷道和進(jìn)展回采任務(wù)，成為對(duì)煤層或巖層的“采動(dòng)〞;采動(dòng)后在煤層或巖層中構(gòu)成的空間，為“采動(dòng)空間〞;采動(dòng)空間周圍的巖體統(tǒng)稱為“圍巖〞；采煤任務(wù)面圍巖由煤層頂板、底板和兩幫構(gòu)成；根據(jù)頂、底板巖層距煤層的間隔和對(duì)回采任務(wù)的影響，煤層的頂、底板巖層可分為：偽頂、直接頂、根本頂和直接底。一、采煤任務(wù)面圍巖構(gòu)成第一節(jié)采煤任務(wù)面上覆巖層挪動(dòng)規(guī)律第一節(jié)采煤任務(wù)面上覆巖層挪動(dòng)規(guī)律偽頂。緊貼在煤層之上，極易垮落的薄巖層。通常由炭質(zhì)頁巖等脆弱巖層組成，厚度普通小于0.5m，隨采隨冒。直接頂。位于偽頂或煤層之上，具有一定的穩(wěn)定性，移架或回柱后能自行垮落的巖層。通常由泥質(zhì)頁巖、頁巖、砂質(zhì)頁巖等不穩(wěn)定巖層組成，具有隨回柱放頂而垮落的特征。直接頂?shù)暮穸绕胀ㄏ喈?dāng)于冒落帶內(nèi)的巖層的厚度。根本頂。位于直接頂或煤層之上鞏固而難垮落的巖層。通常由砂巖、石灰?guī)r、砂礫巖等鞏固巖石所組成。直接底。直接位于煤層下面的巖層。如為較鞏固的巖石時(shí)，可作為采煤任務(wù)面支柱的良好支座；如為泥質(zhì)頁巖等松軟巖層時(shí)，那么常呵斥底臌和支柱插入底板等景象。一、采煤任務(wù)面圍巖構(gòu)成二、采動(dòng)巖體破壞的根本方式巖體中存在構(gòu)造面(弱面)，采動(dòng)破壞往往是弱面的分別。破壞方式：冒落—巖石在拉應(yīng)力作用下，從巖體中分別成巖塊，在重力作用下下落充填采空區(qū)；離層—巖層的層面或?qū)永砻骈g張開的景象；層間錯(cuò)動(dòng)—相鄰巖層沿層面或脆弱面發(fā)生相對(duì)滑移；剪切破壞和塑性變形—剪應(yīng)力作用產(chǎn)生的成組滑移面；塊體滾動(dòng)—已破壞的巖塊滾動(dòng)下移；構(gòu)造體轉(zhuǎn)動(dòng)；沿脆弱構(gòu)造面滑動(dòng)—巖體沿?cái)鄬?、脆弱夾層和層面產(chǎn)生滑動(dòng)；巖爆和煤爆—普通在高地應(yīng)力區(qū)的鞏固巖層或煤層中；底鼓—由于煤層開挖使底板產(chǎn)生向采空區(qū)方向的隆起；片幫—高集中應(yīng)力作用下，煤壁變形、破壞，擠入采空區(qū)；力學(xué)機(jī)理：張破壞、剪破壞、構(gòu)造體滾動(dòng)、構(gòu)造體沿構(gòu)造面滑移和錯(cuò)動(dòng)第一節(jié)采煤任務(wù)面上覆巖層挪動(dòng)規(guī)律三、采煤任務(wù)面上覆巖層挪動(dòng)規(guī)律采煤任務(wù)面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與開采后上覆巖層挪動(dòng)規(guī)律直接相關(guān)。垂直方向“三帶〞冒落帶：直接頂破碎堆積而成，巖塊不延續(xù)、不規(guī)那么陳列，堆積高度2~4m。第一節(jié)采煤任務(wù)面上覆巖層挪動(dòng)規(guī)律裂隙帶：巖層斷裂，巖塊有規(guī)那么陳列。彎曲下沉帶：裂隙帶之上，巖層呈彎曲下沉，地表構(gòu)成橢圓形挪動(dòng)盆地，aa區(qū)為緊縮變形，ab區(qū)為拉伸變形。第一節(jié)采煤任務(wù)面上覆巖層挪動(dòng)規(guī)律三、采煤任務(wù)面上覆巖層挪動(dòng)規(guī)律裂隙帶程度方向“三區(qū)〞〔1〕煤壁支撐影響區(qū)A：程度位移大，垂直位移小?！?〕離層區(qū)B：頂板急劇下沉、斷裂，下沉速度由下向上逐漸減小，巖層間出現(xiàn)離層景象?！?〕重新壓實(shí)區(qū)C：任務(wù)面后方30m以外，斷裂巖層被冒落帶矸石支撐，裂隙帶巖層由上而下下沉速度逐漸減小，層間離層被壓實(shí)。四、裂隙帶巖層的構(gòu)造方式〔礦壓假說〕實(shí)測(cè)證明，支架的載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上覆巖層的重力，任務(wù)面附近區(qū)域的巖層運(yùn)動(dòng)影響支承壓力的分布和支架的載荷，這個(gè)范圍就是冒落帶加裂隙帶，大約相當(dāng)于6~8倍采高。由三區(qū)的劃分可知，煤壁支撐區(qū)的巖層由煤壁支撐，重新壓實(shí)區(qū)的巖層由矸石支撐，離層區(qū)的巖層部分由支架支撐，大部處于懸空無支撐形狀。由于任務(wù)面支架的壓力小于上覆巖體的重力，闡明任務(wù)面上方的巖體存在一種平衡構(gòu)造，支撐著上覆巖體的壓力，任務(wù)面在這種構(gòu)造的維護(hù)之下。有關(guān)巖體構(gòu)造的方式的假說稱為采場(chǎng)礦壓實(shí)際。構(gòu)造方式：砌體梁、傳送巖梁、懸梁〔板〕構(gòu)造、壓力拱第一節(jié)采煤任務(wù)面上覆巖層挪動(dòng)規(guī)律中國礦大錢鳴高院士提出。裂隙帶巖層為鞏固巖層，斷裂后的巖塊象砌體一樣擠壓成一個(gè)可以承載的構(gòu)造，其間的松軟巖層可視為作用在巖梁上的載荷。砌體梁構(gòu)造為半拱式平衡構(gòu)造。塊體間依托程度擠壓力產(chǎn)生的摩擦力平衡巖塊的自重和上覆巖層傳送的載荷。支架的載荷〔支護(hù)強(qiáng)度〕：第一節(jié)采煤任務(wù)面上覆巖層挪動(dòng)規(guī)律四、裂隙帶巖層的構(gòu)造方式〔礦壓假說〕

〔一〕砌體梁構(gòu)造圖2-3砌體梁構(gòu)造模型山東科大宋振騏院士提出。一組或幾組根本頂?shù)臄嗔褞r塊的相互咬合，構(gòu)成一種能向煤壁前方和采空區(qū)矸石上傳送力的構(gòu)造，稱為傳送巖梁。支架承當(dāng)巖梁的作用力的大小，由其對(duì)巖梁運(yùn)動(dòng)的控制要求而定。位態(tài)方程如下：第一節(jié)采煤任務(wù)面上覆巖層挪動(dòng)規(guī)律四、裂隙帶巖層的構(gòu)造方式〔礦壓假說〕

〔二〕傳送巖梁構(gòu)造圖2-4傳送巖梁構(gòu)造模型第一節(jié)采煤任務(wù)面上覆巖層挪動(dòng)規(guī)律頂板較鞏固時(shí)，根本頂斷裂可近似看做層狀延續(xù)體。鞏固的頂板在初次來壓后，可視為一端固定于任務(wù)面前方煤體上的懸臂巖梁(巖板)，隨任務(wù)面推進(jìn)，懸臂長(zhǎng)度增大，達(dá)極限長(zhǎng)度時(shí)，懸梁破斷，任務(wù)面出現(xiàn)來壓景象。山西礦業(yè)學(xué)院(現(xiàn)太原理工大學(xué))根據(jù)大同礦區(qū)多年來對(duì)鞏固頂板的礦壓觀測(cè)，建立了懸梁斷裂瞬間力學(xué)模型。四、裂隙帶巖層的構(gòu)造方式〔礦壓假說〕

〔三〕懸梁〔板〕構(gòu)造圖2-5懸梁(板)構(gòu)造模型支架的最大載荷：拱的一個(gè)支點(diǎn)在任務(wù)面前方的煤壁上，另一支點(diǎn)在采空區(qū)已垮落的矸石上。任務(wù)面支架主要接受拱內(nèi)部分巖石的分量及拱運(yùn)動(dòng)時(shí)的附加載荷。英國學(xué)者伊萬斯提出了支架載荷計(jì)算式：對(duì)于無根本頂?shù)乃绍泿r層頂板，任務(wù)面上方多組裂隙把頂板分割成碎塊。由于巖層自然平衡的結(jié)果將構(gòu)成一個(gè)壓力拱。第一節(jié)采煤任務(wù)面上覆巖層挪動(dòng)規(guī)律四、裂隙帶巖層的構(gòu)造方式〔礦壓假說〕

〔四〕壓力拱構(gòu)造圖2-6壓力拱構(gòu)造模型第二節(jié)采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律由于采動(dòng)作用促使圍巖向已采動(dòng)空間運(yùn)動(dòng)的力稱為“礦山壓力〞。在礦山壓力的作用下，經(jīng)過圍巖運(yùn)動(dòng)和支架受力表現(xiàn)出的礦山壓力景象叫“礦山壓力顯現(xiàn)〞。顯現(xiàn)的方式：〔一〕頂?shù)装逡平参濉趁罕谄瑤汀捕持Ъ艿淖冃闻c損壞〔六〕臺(tái)階下沉〔三〕頂板破碎〔七〕大面積冒頂或垮落〔四〕部分冒頂一.任務(wù)面礦壓顯現(xiàn)方式礦山壓力顯現(xiàn)的根本方式二、直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律〔一〕直接頂?shù)姆诸惻c垮落方式根據(jù)對(duì)我國一些礦區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和研討，根據(jù)直接頂巖層的弱面情況可以將直接頂分為10種類型，不同類型的頂板有不同的垮落方式，如下表：第二節(jié)采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律第二節(jié)采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律〔二〕直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)方式1.直接頂緩慢下沉普通出如今薄煤層、頂板可塑性大，頂板下沉后沒有斷開，與底板接觸。二、直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律〔二〕直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)方式二、直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律2.直接頂不規(guī)那么垮落直接頂懸空后，在重力作用下產(chǎn)生彎曲，當(dāng)巖層彎曲到一定程度后，伸入煤體的端部開場(chǎng)裂開，接下來中部裂開，最后直接頂彎曲破壞發(fā)生不規(guī)那么垮落。直接頂垮落步距——從切眼到直接頂初次垮落的間隔。是判別直接頂穩(wěn)定性的目的，可作為直接頂分類的根據(jù)。第二節(jié)采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律〔二〕直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)方式二、直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律2.直接頂不規(guī)那么垮落第二節(jié)采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律直接頂冒落高度確實(shí)定采空區(qū)充溢程度的判別充溢條件3.直接頂?shù)囊?guī)那么垮落〔1〕直接頂剪切斷裂〔圖2-10〕當(dāng)懸露后直接頂巖層只產(chǎn)生微小的下沉，懸露巖層端部即開場(chǎng)裂開，在巖層中部未開裂或開裂很少的情況下，巖層剪切破壞發(fā)生大面積垮落。易發(fā)生頂板沿煤壁切下的艱苦冒頂事故，任務(wù)面支架必需有較高的初撐力，任務(wù)阻力要能防止頂板沿煤壁線切斷，而把切頂線推至控頂距之外?！?〕鉸接巖梁〔圖2-11〕巖梁兩端先裂開，然后中部裂開下沉，兩塊相互咬合構(gòu)成鉸接巖梁構(gòu)造。第二節(jié)采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律〔二〕直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)方式二、直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律三、根本頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律〔一〕根本頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)方式1.根本頂緩慢下沉采高小、直接頂厚度大且直接頂節(jié)理發(fā)育時(shí)，直接頂呈現(xiàn)緩慢下沉的運(yùn)動(dòng)方式。采空區(qū)充溢程度好，根本頂彎曲斷裂后在矸石支撐下緩慢下沉。此時(shí)，根本頂能構(gòu)成傳力構(gòu)造，將本身的分量和上覆巖層的部分分量傳送到前方煤壁和后方采空區(qū)矸石上，任務(wù)面內(nèi)礦壓顯現(xiàn)不明顯。2.根本的呈長(zhǎng)巖梁折斷直接頂冒落后不能充溢采空區(qū)，根本頂按一定的跨度，周期性折斷，巖梁長(zhǎng)度較大。第二節(jié)采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律〔二〕根本頂?shù)某醮蝸韷?.初次來壓的構(gòu)成根本頂視為周圍固支的板，當(dāng)任務(wù)面由切眼向前推進(jìn)，直接頂垮落后，懸空面積越來越大，到達(dá)極限跨度時(shí)，巖板發(fā)生斷裂破壞，進(jìn)一步巖塊要發(fā)生下沉垮落。在這過程中，采煤任務(wù)面有明顯的礦壓顯現(xiàn)。根本頂初次折斷或初次垮落前后任務(wù)面的普遍來壓景象叫根本頂?shù)某醮蝸韷?。初次來壓步距L：由開切眼到根本頂初次垮落時(shí)任務(wù)面推進(jìn)的間隔。L與巖性、厚度、載荷有關(guān)。統(tǒng)計(jì)數(shù)字：10~30m54%；30~55m37.5%；>55m8.5%特殊的砂巖、砂礫巖頂板的初次來壓步距可達(dá)100~160m。第二節(jié)采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律三、根本頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律〔二〕根本頂?shù)某醮蝸韷?.初次來壓的顯現(xiàn)〔1〕任務(wù)面頂板猛烈下沉；由于根本頂斷裂導(dǎo)致失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，迫使直接頂緊縮直接而迅速下沉。〔2〕支架載荷添加，平安閥開啟，活柱下縮；根本頂忽然斷裂，同時(shí)要發(fā)生巖塊的回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，支架載荷普遍加大?！?〕煤壁片幫嚴(yán)重；初次來壓前，任務(wù)面前方支承壓力峰值到達(dá)最大，可使直接頂和煤壁發(fā)生剪切破壞，從而壓碎煤壁導(dǎo)致片幫，這一景象往往是來壓征兆?！?〕頂板的斷裂聲根本頂來壓時(shí)產(chǎn)生悶雷聲，有時(shí)伴有根本頂巖塊的滑落失穩(wěn)，從而導(dǎo)致頂板臺(tái)階下沉。第二節(jié)采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律三、根本頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律1.周期來壓的構(gòu)成根本頂初次斷裂后，隨任務(wù)面推進(jìn)，任務(wù)面上方的根本頂呈懸梁形狀，當(dāng)懸臂長(zhǎng)度到達(dá)極限值時(shí)在煤壁或在煤壁前方折斷下沉，任務(wù)面出現(xiàn)來壓景象，這種折斷周期性出現(xiàn)，任務(wù)面呈現(xiàn)周期性來壓，稱根本頂周期來壓。周期來壓步距L周=〔1/2~1/4)L初第二節(jié)采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律〔三〕根本頂?shù)闹芷趤韷喝⒏卷數(shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律2.周期來壓的表現(xiàn)方式頂板下沉速度急劇添加；下沉量添加；支架載荷普遍添加；能夠引起煤壁片幫，支架折損，頂板發(fā)生臺(tái)階下沉；假設(shè)支柱參數(shù)選擇不適宜，那么能夠引起部分冒頂，甚至切頂景象。第二節(jié)采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律〔三〕根本頂?shù)闹芷趤韷喝?、根本頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律四、支承壓力及其顯現(xiàn)〔一〕支承壓力的定義煤層回采后導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布，作用于煤層、巖層、矸石上垂直應(yīng)力稱為支承壓力。采煤任務(wù)面周圍支承壓力分布分布特征：范圍、峰值位置、峰值大小應(yīng)力集中系數(shù)k=支承壓力峰值/原巖應(yīng)力第二節(jié)采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律采煤任務(wù)面前后方支承壓力對(duì)任務(wù)面礦壓顯現(xiàn)有著很大影響。采煤任務(wù)面前方支承壓力依次為原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)。第二節(jié)采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律四、支承壓力及其顯現(xiàn)〔二〕支承壓力在底板中的傳播分布規(guī)律〔1〕隨深度添加，支承壓力逐漸減小，影響范圍擴(kuò)展；影響角φ與巖性和煤層傾角有關(guān)；沿走向φ=15°~35°，傾斜方向φ=25~55°第二節(jié)采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律四、支承壓力及其顯現(xiàn)〔2〕煤柱下為增壓區(qū)、采空區(qū)下為減壓區(qū)；〔3〕底板鞏固，影響深度小但擴(kuò)展角大；巖層松軟，影響深度大。〔三〕支承壓力的影響要素〔1〕開采深度隨深度添加，原巖應(yīng)力添加，支承壓力也添加，這是深部開采巷道變形嚴(yán)重的主要緣由?！?〕圍巖性質(zhì)鞏固巖層應(yīng)力傳送的范圍廣，支承壓力分布范圍廣，應(yīng)力集中系數(shù)小?！?〕煤質(zhì)軟硬煤質(zhì)愈硬，強(qiáng)度愈高，支承壓力分布范圍愈小，而應(yīng)力集中系數(shù)愈高，峰值點(diǎn)位置距煤壁愈近?！?〕與煤層的相對(duì)位置遠(yuǎn)離煤層支承壓力變??；接近采空區(qū)，支承壓力變小。第二節(jié)采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律四、支承壓力及其顯現(xiàn)第三節(jié)影響采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)的主要要素一、地質(zhì)要素〔一〕頂板巖層的影響1.直接頂?shù)挠绊懼苯禹數(shù)耐旰贸潭群头€(wěn)定性影響任務(wù)面的平安和消費(fèi)效率，決議支護(hù)方式選擇。直接頂穩(wěn)定性取決要素：1〕巖層力學(xué)強(qiáng)度；2〕層理和裂隙的發(fā)育程度。2.根本頂?shù)挠绊懜卷數(shù)倪\(yùn)動(dòng)是任務(wù)面礦壓顯現(xiàn)的緣由。根本頂?shù)膩韷簭?qiáng)度對(duì)任務(wù)面的支護(hù)強(qiáng)度、支架可縮量以及采空區(qū)處置方法起決議作用。根本頂對(duì)任務(wù)面來壓影響程度與直接頂?shù)暮穸葒?yán)密相關(guān)。直接頂厚，冒落后能充溢采空區(qū)，根本頂破斷后構(gòu)成的構(gòu)造易于平衡，或呈緩慢下沉，那么周期來壓較弱。反之那么較強(qiáng)。地質(zhì)要素：頂?shù)装?、煤層傾角、開采深度等；技術(shù)要素：采高和控頂距、采煤工序、推進(jìn)速度。第三節(jié)影響采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)的主要要素一、地質(zhì)要素〔二〕開采深度開采速度h→原巖應(yīng)力σz→支承壓力峰值kσ開采深度對(duì)巷道礦壓顯現(xiàn)影響很明