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第六章采煤工作面矿山压力规律【学习要求】通过学习，掌握矿山压力基本概念、采煤工作面围岩移动特征、采煤工作面矿山压力显现规律；了解采煤工作面顶板分类。第一节矿山压力基本概念一、矿山压力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。二、矿山压力来源（一）自重应力（二）构造应力σ1σ2σ3σ2σ1σ3H地表自重应力（一）自重应力●前苏联学者“金尼克”按照弹性力学概念提出的假说。认为:地下岩体处于均质弹性体，三向应力平衡状态之下。σ1＝γHσ2＝σ3＝λσ1而λ＝μ／1-μ故σ2＝σ3＝（μ／1-μ）σ1σ2＝σ3＝（μ／1-μ）γH其中：γ—岩石容重λ—侧压系数μ—单元体岩层的泊松比如:坚硬岩层μ=0.1—0.15页岩μ=0.3—0.35泥页岩μ=0.5σ1σ2σ3σ2σ1σ3H地表（一）自重应力●瑞士学者“海姆”提出“静水应力状态”假说。认为:岩体深部的原岩垂直应力与上覆原岩重量成正比,侧向应力大致与垂直应力相等。即σ1＝σ2＝σ3＝γH而前面σ2＝σ3＝λσ1λ＝μ／1-μσ2＝σ3＝（μ／1-μ）σ1当μ=0.5时λ＝μ／1-μ＝0.5／1-0.5＝1则假说成立,即:σ1＝σ2＝σ3＝γH在水平应力与垂直应力一致的时候，对巷道维护不利！尤其对深部矿井的巷道维护不利。（二）构造应力由地壳构造运动在岩体中引起的内应力，任何一种地壳构造的形迹都反映着构造应力的作用。特点：1、通常构造应力是以水平压应力为主的；（李四光的版块学说）2、主应力大小、方向有很大变化，即σ2≠σ3；3、观测表明，水平应力大于垂直应力；4、构造应力在坚硬岩层中普遍存在，软岩中较少。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。第二节采煤工作面围岩移动特征第二节采煤工作面围岩移动特征采煤工作面上方的岩层——顶板采煤工作面下方的岩层——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0.3～0.5m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，也称老顶。123451、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。Kp=V′/VKp---岩石碎胀系数V′--岩石破碎后的体积V---岩石破碎前的体积直接顶垮落后，有两种可能：1、充填满采空区即△＝0＝+－＝＝＝／)1(hppKhKmhh)1(hppKhKmhhpKhpKhh)1(hppKhKmhh)1(hppKhKmh)1(hppKhKmh)1(hppKhKmh一、直接顶初次垮落2、充填不满采空区即△＞0△＝+-＝+（1-）＝-●充填满采空区对矿压控制非常有利，通常认，直接顶垮落4-8倍的采高就可实现。●充填不满采空区是现时生产中常见的现象。)1(hppKhKmhh)1(hppKhKmhhpKh)1(hppKhKmh)1(hppKhKmh)1(hppKhKmhh二、基本顶的初次垮落（一）基本顶初次垮落前岩层结构若Δ0，随直接顶初次垮落，，基本顶在一定范围内呈现悬露状态，可视为“板”;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。（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，达到一定跨度时，发生垮落。基本顶第一次垮落称为基本顶初次垮落。（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qDxD`LR1R2QxQ图M图xM1M2xy视基本顶为梁时的受力分析图极限垮距（只考虑按弯距计算）L初：qRhT2L初qLxRRMMⅠⅠσxσxτxyycchb=12、浅部煤层情况下，近似视基本顶为简支梁极限垮距L初：qRhT32L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F(qL)/2LabcFhL/2L/4三、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。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12341、直接顶；2、支架；3、已断裂基本顶；4、冒落矸石（三）基本顶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＝（0.5～0.25）L初。周初周＝L63LLqRhT（四）周期来压的分析ATTRBTNFRO(a)ATTRBTNFRO(b)Oθθθ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(Ⅰ)、裂缝带(Ⅱ)、弯曲下沉带(Ⅲ)。1234(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)3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支承压力显现特征可用支承压力带、峰值的位置及应力集中系数表示。（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：回采工作面前后方支承压力分布状态a：应力降低区b：应力增高区c：应力稳定区(俗称:横三区)采煤工作面前后方支承压力分布的特点1、工作面前方支承压力远比工作面后方大。最大值一般发生在工作面中部前方的2--10米处，影响范围可达100米。2、由于采煤工作面的推进，煤壁和采空区冒落带是向前移的，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带（应力降低区）范围,对顶板维护和机组割煤非常有利。（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。Ⅰ－卸载带；Ⅱ－支承压力带；Ⅲ－原岩应力带；Ⅳ－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,属于固定支承压力。8-25米护巷煤柱恰好在此范围。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，巷道在此范围则有利于维护，这就是无煤柱开采的理论依据。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期，一般3-10个月。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GG1effded1、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。巷道类型岩石种类和特性合理垂距/m围岩稳定巷道砂岩、石灰岩、其他坚硬岩石6围岩中等稳定的巷道粉砂岩、砂页岩、中硬铝土页岩等10围岩较松软的巷道塑性较大的泥质页岩、页岩、煤质页岩等15～20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：α－煤层倾角；θ－φ的余角；φ－煤柱影响角，一般在25～55°间。通常支承压力越大和煤柱尺寸越小，其值越大。sin)sin(hS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D＝10RcC1C2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。类别指标ⅠⅡⅢⅣ不稳定顶板中等稳定顶板稳定顶板坚硬顶板主要指标强度指数D3031～7071～120120无直接顶。岩层厚度在2～5m以上，σ60～80MPa，I和h大于1m的整体岩层，即基本顶。参考指标直接顶初次垮落步距L/m89～1819～2525直接顶分类二、基本顶分级基本顶来压强度主要决定于直接顶厚度Σh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。分级ⅠⅡⅢⅣ基本顶来压显现不明显明显强烈非常强烈指标N3～50.3N≥3～5，L＝25～500.3N≤3～5，L50N≤0.3，L＝25～50N≤0.3L50作业P101页1、3、5、6、7题