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1、第二篇 采煤方法,第六章 采煤工作面矿山压力 基本规律,第一节 矿山压力基本概念,矿山压力会引起顶板事故、冲击地压、煤与瓦斯突出等事故。 我国煤矿顶板事故在整个煤矿安全事故中所占比重超过40%，每年顶板事故影响的产量约占总产量的5%左右,一、矿山压力的概念 矿山压力：就是由于井下采掘工作破坏了岩体中原岩应力平衡状态，引起应力重新分布，我们把存在于采掘空间周围岩体内和作用在支护物上的力称为矿山压力，简称“矿压”。 采动前，原始岩体中已经存在的应力是矿山压力产生的来源。如：自重应力、构造应力、遇水膨胀应力、温度应力。,第一节 矿山压力基本概念,二、矿山压力来源 采动前，原始岩体中已经存在的应力是矿
2、山压力产生的根源。井下深部原岩处于复杂的受力状态。承受着上覆岩层重量引起的自重应力，地质构造引起的构造应力，遇水膨胀和温度变化引起的应力等。 （一）自重应力 （二）构造应力 （三）膨胀应力： 遇水膨胀和温度变化与气体压力引起的应力,自重应力,第一节 矿山压力基本概念,（一）自重应力,1=,2=3 =1,=/1-,max=(1-2)/2,泊松比：在材料的比例极限中，由均匀分布的纵向应力横向应变与相应的 纵向应变之比的绝对值。 越大越大 硬岩大 ，软岩小 当=0.5时有1=2=3=，形成所谓的静水压力状态，即岩体深部的 原岩垂直应力与其上覆岩层重量成正比，侧向应力大致与垂直应力相等。,（二）构造应
3、力 特点： （1）构造应力以水平应力为主，并以压应力为主。 （2）在构造应力场中，主应力的大小和方向可能有很大的变化；两个方向的水平应力值（2和3）通常不相等。 （3）水平应力大于垂直应力，即 （4）构造应力在坚硬岩石中出现一般比较普遍。,三、矿山压力显现,在矿山压力作用下，围岩和支架所表现出来的力学宏观现象，如围岩变形，离层，破坏和冒落，支架受力变化和折损，煤（岩）突出，充填物产生压缩和地面塌陷等，称为矿山压力显现，简称矿压显现。 采煤工作面矿压显现的主要形式：工作面顶板下沉、支架变形与折损、顶板破碎或大面积冒落、煤壁片帮、支柱插入底板、底板膨胀鼓起等。 把所有人为的调节、改变和利用矿山压力
4、的各种技术措施，叫做矿山压力控制，简称矿压控制。,第二节 采煤工作面围岩移动特征,采煤工作面上方的岩层顶板 下方的岩层底板 顶板分类： 伪顶：位于煤层之上随采随落的极不稳定岩层，厚度 一般0.30.5m以下； 直接顶：位于伪顶或直接位于煤层之上，具有一定稳 定性，随移架或回柱放顶后能自行垮落的岩 层； 基本顶：位于直接顶或煤层之上，厚而坚硬难垮落的 岩层。,1、基本顶；2、直接顶；3、伪顶；4、煤层；5、底板岩层,煤层顶底板岩层,一、 直接顶初次垮落,采煤工作面自切眼推进一段距离后，直接顶悬露达到一定跨度，就要对采空区顶板进行初次放顶，使直接顶垮落下来，这一过程称作直接顶的初次垮落。 直接顶初
5、次垮落的跨距称为初次垮落距。初次跨落距的大小取决于直接顶岩层的强度、分层厚度和直接顶内节理裂隙的发育程度等，一般为612m。由于岩层破碎后体积将产生碎胀，直接顶垮落后堆积的高度要大于原来的厚度。 Kp=V/V 式中： Kp碎胀系数 ， V 跨落岩层原来的体积 V破碎后的体积,几种岩石的碎胀系数表,岩石碎胀后，在其上部岩层压力作用下，逐渐压实，使碎胀系数变小，岩块压实后的体积与破碎前原始体积之比称为残余碎胀系数以KP表示。,若垮落岩层原来的体积为V，破碎后的体积为V/，则两者之比值称为碎胀系数，以KP 表示，即KPV/V 若直接顶岩层的总厚度为h，则它冒落后堆积的高度为 KPh，它与基本顶之间可
6、能留下的空隙 ： hmKPhmh（KP1） 当mh（KP1）时，则 0，即冒落的直接顶将充满采空区。若不计基本顶下沉，形成充满采空区所需直接顶的厚度为： h,减小直接顶垮落后岩堆与基本顶之间的空隙 ，有利于控制基本顶活动。,二、基本顶的初次垮落,（一）基本顶初次垮落前岩层结构 若0，随直接顶初次垮落，基本顶在一定范围内呈现悬露状态，此时可将基本顶视为一边由采煤工作面煤壁支承，另外三边由煤柱支承的一个“板”的结构。但由于基本顶在采煤工作面方向上的长度远大于推进方向长度，可将其视为一端由采煤工作面煤壁支承，一端由煤柱支承的两端支撑的梁结构。 若上覆岩层的强度低于基本顶的强度时，则上浮岩层的重量将通
7、过梁传递至采煤工作面煤壁和后方煤柱上。,（二）基本顶初次垮落与初次来压 随采煤面继续推进，基本顶悬露跨度逐渐增大，产生弯曲，达到一定（极限）跨度时，发生垮落。基本顶第一次垮落称为基本顶初次垮落。 基本顶由开始破坏直至垮落一般要持续一定时间，上方有时在基本顶垮落前二三天，即出现顶板断裂的声响等来压预兆。 基本顶初次来压现象：在垮落前12h采空区上方可能有轰隆隆巨响，通常煤壁片帮严重，顶板产生裂缝或掉碴，顶板下沉量和下沉速度明显增加，支架载荷迅速增高的现象。,（三）基本顶初次垮落步距确定,基本顶初次垮落时，其最大悬露跨度L初称为基本顶初次垮落步距。 1、一般情况下，视基本顶为两端固定梁,视基本顶为
8、梁时的受力分析图,极限垮距（只考虑按弯距计算） L初：,2、浅部煤层情况下，近似视基本顶为简支梁 极限垮距L初：,基本顶断裂后的平衡拱结构,基本顶岩梁达到极限跨距断裂后，并不一定立即垮落，断裂岩块间由于回旋形成挤压，能形成平衡拱式的结构。,基本顶断裂后形成的平衡拱,基本顶断裂后的形成平衡拱结构条件 1、咬合点处形成的压应力应小于岩块的抗压强度。 岩石将破坏。 2、在挤压过程中要求岩石具有一定的厚度，从而保证b铰点在a、c铰接点连接之上，才能形成三角拱式的平衡。 3、拱两端点支座处，岩块与煤壁的摩擦力要大于支座反力，即fF。,三、基本顶的周期来压,（一）基本顶来压前的状态 基本顶初次垮落后，随着
9、采煤工作面继续推进，工作面上方的基本顶岩层由两端固定梁状态转变为悬臂梁状态。如图所示：,当采煤工作面继续推进，基本顶悬挂臂跨度达到极限跨度时，基本顶在其自重及上覆岩层载荷的作用下，将沿采煤工作面煤壁甚至煤壁之内发生折断和垮落。 随着采煤工作面的推进，基本顶这种“稳定失稳再稳定”现象，将周而复始地出现，使采煤工作面矿山压力周期性明显增大。这种基本顶的周期性破断失稳对工作面产生的周期性的来压显现，称为基本顶的周期来压。,（二）基本顶周期来压及矿压显现特征,基本顶周期来压及矿压显现特征,1、直接顶；2、支架；3、已断裂基本顶；4、冒落矸石,（三）周期来压步距的确定,基本顶两次周期来压间隔时间称为来压
10、周期。 在来压周期内采煤工作面推进的距离称为周期来压步距，用L周表示。 比较上式，知 L周（0.50.25）L初。,（四）周期来压的分析,咬合点的平衡,四、工作面上覆岩层移动规律,根据岩层移动特征，可将煤层的上覆岩层分为冒落带()、裂隙带()、弯曲下沉带()。如图所示：,作业： 1、简述矿山压力、矿压显现的基本概念。 2、简述直接顶的初次垮落、基本顶的初次来压和周期来压的基本概念。,第三节 采煤工作面矿山压力显现规律,一、采煤工作面支承压力显现规律 煤层采出后,在围岩应力重新分布的范围内,作用在煤层、岩层和矸石上的垂直压力称为“支承压力”。 支承压力显现特征可用支承压力分布范围、峰值的位置及应
11、力集中系数表示。 （一）采煤工作面前后方支承压力分布 采煤工作面前后方支承压力分布与采空区处理方法有关，对于采用全部垮落法管理顶板的采煤工作面，其前后方支承压力分布如下图所示：,采煤工作面前后方支承压力分布的特点,1、采煤工作面前方煤壁一端支承着工作面上方裂隙带及其上覆岩层的大部分重量，即工作面前方支承压力远比工作面后方大。 2、由于采煤工作面的推进，煤壁和采空区冒落带是向前移动的，因此工作面前后方支承压力是移动支承压力。 3、由于裂缝带形成了以煤壁和采空区冒落带为前后支承点的半拱式平衡，所以采煤工作面处于减压力范围。,4、采煤工作面前方形成的支承压力，最大值发生在工作面中部前方，峰值可达原岩
12、应力的24倍，即应力集中系数K值的变化范围为2.04.0。前方支承压力的峰值位置可深入煤体内210m，其影响范围可达采煤工作面前方90100m。,（二）采煤工作面两侧支承压力分布,采煤工作面两侧的支承压力是指工作面两侧煤柱或煤体上的支承压力。,卸载带；支承压力带；原岩应力带； 采后应力稳定带；lmax峰值位置,1、采煤工作面两侧的支承压力剧烈影响区并不在煤体的边缘，而是位于煤体边缘有一定距离的地带。 2、采煤工作面两侧煤体边缘处于应力降低区，支承压力低于原岩应力。 3、采煤工作面两侧支承压力从形成到向煤体深部转移要经过一段时间过程，所以要使沿空掘巷保持稳定，必须从时间上避开未稳定的支承压力作用
13、期。,采煤工作面两侧支承压力分布规律,二、支承压力在底板中的传递,采煤工作面采动后，在工作面四周形成的支承压力将向煤层底板进行传递，尤其采煤工作面两侧支承压力的传递，对下部煤层开采巷道布置产生重要影响。 底板岩层内压应力的大小与煤柱上方的支承压力成正比。,底板岩层中的应力分布,1、2支承压力曲线；3原岩应力曲线； 4、5应力增高区边界线；6应力降低区边界线,煤层底板巷道位置选择,（1）巷道与煤层底板的垂直距离不小于一定数值h。H与围岩性质的关系见下表。,煤层底板巷道位置选择,（2）巷道布置在煤柱向底板传递力的影响角以外。若巷道布置在煤柱影响角以内，即使巷道位于较稳定的岩层内，也要受到应力升高的
14、影响。 为使巷道布置在煤柱影响角以外，巷道离煤柱边界的水平距离S为： 煤层倾角； 的余角； 煤柱影响角，一般在2555间。通常支承压力越大和煤柱尺寸越小，其值越大。,煤层底板巷道位置选择,巷道位置选择示意图,巷道至煤壁边缘水平距离的计算图,第四节 采煤工作面顶板分类,科学的分类可为顶板控制、支架选型、合理确定支护参数以及为采空区处理方法提供依据。 一、直接顶分类 强度指数 D10RcC1C2 式中 Rc岩石单向抗压强度，MPa； C1节理裂隙影响系数； C2分层厚度影响系数。,二、基本顶分级,基本顶来压强度主要决定于直接顶厚度h与采高m的比值N及基本顶初次来压步距L。根据N和L两个指标，将基本顶分为四级。,采煤工作面顶板分类,作业： 1、简述开采后上覆岩层移动特征。 2、采煤工作面两侧支承压力分布有何特征？,谢谢大家！,