第二章采煤工作面上覆岩层移动及其矿

第二章采煤工作面上覆岩层移动及其矿压显现规律第一节采煤工作面上覆岩层移动规律•一、采煤工作面围岩构成采动、采动空间、围岩（顶板+底板+两帮）伪顶、直接顶、基本顶、直接底二、采动岩体破坏的基本形式•岩体中存在结构面（弱面），采动破坏往往是弱面的分离。•破坏形式：冒落—岩石在拉应力作用下，从岩体中分离成岩块，在重力作用下下落充填采空区。离层—岩层的层面或层理面间张开的现象。层间错动—相邻岩层沿层面或软弱面发生相对滑移。剪切破坏和塑性变形—剪应力作用产生的成组滑移面。块体滚动—已破坏的岩块滚动下移；结构体转动。滑动—岩体沿断层、软弱夹层和层面产生滑动。岩爆、煤爆底鼓片帮•力学机理：张破坏、剪破坏、结构体滚动、结构体沿结构面滑移和错动三、采煤工作面上覆岩层移动规律•采煤工作面的矿压显现规律与开采后上覆岩层移动规律直接相关。•垂直方向“三带”冒落带：直接顶破碎堆积而成，岩块不连续、不规则排列，堆积高度（2~4）m。裂隙带：岩层断裂，岩块有规则排列。弯曲下沉带：裂隙带之上，岩层呈弯曲下沉，地表形成椭圆形移动盆地，aa区为压缩变形，ab区为拉伸变形。裂隙带水平方向“三区”•（1）煤壁支撑影响区A：水平位移大，垂直位移小。•（2）离层区B：顶板急剧下沉、断裂，下沉速度由下向上逐渐减小，岩层间出现离层现象。•（3）重新压实区C：工作面后方30m以外，断裂岩层被冒落带矸石支撑，裂隙带岩层由上而下下沉速度逐渐减小，层间离层被压实。裂隙带岩层的结构形式（矿压假说）•实测证明，支架的载荷远远小于上覆岩层的重力，工作面附近区域的岩层运动影响支承压力的分布和支架的载荷，这个范围就是冒落带加裂隙带，大约相当于6~8倍采高。•由三区的划分可知，煤壁支撑区的岩层由煤壁支撑，重新压实区的岩层由矸石支撑，离层区的岩层部分由支架支撑，大部处于悬空无支撑状态。由工作面支架的压力小于上覆岩体的重力，说明工作面上方的岩体存在一种平衡结构，支撑着上覆岩体的压力，工作面在这种结构的保护之下。•有关岩体结构的形式的假说称为采场矿压理论。•结构形式：砌体梁、传递岩梁、悬梁（板）结构、压力拱（一）砌体梁结构•中国矿大钱鸣高院士提出。裂隙带岩层为坚硬岩层，断裂后的岩块象砌体一样挤压成一个能够承载的结构，之间的软岩可视为作用在岩梁上的载荷。•砌体梁结构为半拱式平衡结构。块体间依靠水平挤压力产生的摩擦力平衡岩块的自重和上覆岩层传递的载荷。支架的载荷（支护强度）lTRhp)tan(0（二）传递岩梁结构•山东科大宋振骐院士提出。一组或几组基本顶的断裂岩块的相互咬合，形成一种能向煤壁前方和采空区矸石上传递力的结构，称为传递岩梁。支架承担岩梁的作用力的大小，由其对岩梁运动的控制要求而定。位态方程如下：iaThhlKHLhfp221（三）悬梁（板）结构•坚硬的顶板在初次来压后，可视为一端固定于工作面前方煤体上的悬臂岩梁（岩板），随工作面推进，悬臂长度增大，达极限长度时，悬梁破断，工作面出现来压现象。支架的最大载荷：tRlLllLHqp)(6)(2122（四）压力拱结构•松软顶板形成压力拱。拱的一个支点在工作面前方的煤壁上，另一支点在采空区已垮落的矸石上。工作面支架主要承受拱内部分岩石的重量及拱运动时的附加载荷。/tan2klp第二节采煤工作面矿山压力显现规律•一.工作面矿压显现方式•由于采动作用促使围岩向采动空间运动的力叫矿山压力。以围岩运动和支架受力表现出的现象叫矿山压力显现。•显现的形式：•（一）顶底板移近•（二）支架的变形与损坏•（三）顶板破碎•（四）局部冒顶•（五）煤壁片帮•（六）台阶下沉•（七）大面积冒顶和垮落二、直接顶的运动规律•（一）直接顶的分类与垮落形式（二）直接顶的运动形式•1.直接顶缓慢下沉•薄煤层、顶板可塑性大，顶板下沉后没有断开与底板接触。2.直接顶弯曲断裂•直接顶悬空后，在重力作用下产生弯曲，先在煤壁端上部拉开，然后在中间下部裂开，最后不规则垮落。•直接顶垮落步距——从切眼到直接顶初次垮落的距离。是判断直接顶稳定性的指标，可作为直接顶分类的依据。直接顶冒落高度的确定•采空区充满程度的判断•充满条件)1(ppkhmhkmh1pkmh3.直接顶的规则垮落•（1）直接顶剪切断裂•直接顶岩层弯曲下沉量很小时，端部裂开，整体剪切下落。•（2）铰接岩梁•岩梁两端先裂开，然后中部裂开下沉，两块相互咬合形成铰接岩梁结构。三、基本顶的运动规律•（一）基本顶的运动形式•1.基本顶缓慢下沉•采高小、直接顶厚度大，采空区充满程度好，基本顶弯曲断裂后在矸石支撑下缓慢下沉。此时，基本顶能形成传力结构，将自身的重量和上覆岩层的部分重量传递到前方煤壁和后方采空区矸石上，工作面内矿压显现不明显。•2.基本的呈长岩梁折断•直接顶冒落后不能充满采空区，基本顶按一定的跨度，周期性折断，岩梁长度较大。三、基本顶的运动规律•（二）基本顶的初次来压•1.初次来压的形成基本顶视为四周固支的板，当工作面由切眼向前推进，直接顶垮落后，悬空面积越来越大，达到极限跨度时，岩板发生断裂破坏，进一步岩块要发生下沉垮落。在这过程中，采煤工作面有明显的矿压显现。•基本顶初次折断或初次垮落前后工作面的普遍来压现象叫基本顶的初次来压。•初次来压步距L：由开切眼到基本顶初次垮落时工作面推进的距离。•L与岩性、厚度、载荷有关。统计数字：10~30m54%30~55m37.5%55m8.5%•2.初次来压的显现（1）工作面顶板剧烈下沉；（2）支架载荷增加，安全阀开启，活柱下缩；（3）煤壁片帮严重；（4）顶板的断裂声qRhLt2初（三）基本顶的周期来压•1.周期来压的形成基本顶初次断裂后，随工作面推进，工作面上方的基本顶呈悬梁状态，当悬臂长度达到极限值时在煤壁或在煤壁前方折断下沉，工作面出现来压现象，这种折断周期性出现，工作面呈现周期性来压，称基本顶周期来压。步距L周=（1/2~1/4)L初•2.周期来压的表现形式下沉速度增大，下沉量增加；支架载荷增加；煤壁片帮；顶板台阶下沉，切顶。四、支承压力及其显现•（一）支承压力的定义•煤层回采后导致围岩应力重新分布，作用于煤层、岩层、矸石上垂直应力称为支承压力。•采煤工作面周围支承压力分布分布特征：范围、峰值位置、峰值大小应力集中系数k=支承压力峰值/原岩应力采煤工作面前后方支承压力分布曲线（二)支承压力在底板中的传播•分布规律•（1）煤柱下为增压区、采空区下为减压区；•（2）随深度增加，支承压力逐渐减小，影响范围扩大；影响角φ与岩性和煤层倾角有关；沿走向φ=15°~35°，倾斜方向φ=25~55°•（3）底板坚硬，影响深度小但扩展角大；岩层松软，影响深度大。（三）支承压力的影响因素•1.开采深度随深度增加，原岩应力增加，支承压力也增加。•2.围岩性质坚硬岩层影响范围广。（3）煤质煤体坚硬，支承压力分布范围小，集中系数高，峰值位置距煤壁近。（4）与煤层的相对位置接近采空区，支承压力变小，远离煤层支承压力变小第三节影响采煤工作面矿山压力显现的主要因素•地质因素：顶底板、倾角、开采深度等技术因素：采高、控顶距、采煤工序、推进速度•一、地质因素（一）顶板岩层的影响1.直接顶直接顶的稳定性影响工作面的安全和生产效率，决定支护方式选择。直接顶稳定性取因素1）岩层力学强度；2）层理和裂隙的发育程度。2.基本顶的影响基本顶的运动是工作面矿压显现的原因。基本顶的来压强度对工作面的支护强度、支柱可缩量采空区处理方法起决定作用。基本顶对工作面来压影响程度与直接顶的厚度紧密相关。直接顶厚，冒落后能充满采空区，基本顶破断后形成的结构易于平衡，或呈缓慢下沉，则周期来压较弱。反之则较强。（二）开采深度开采速度h→原岩应力σz→支承压力kσ开采深度对巷道矿压显现影响很明显。深部巷道变形量大，支架损坏严重、支护困难。对采煤工作面矿压显现影响不明显。工作面的支护强度与深度无直接关系。解释原因：岩体结构的存在。（三）煤层倾角顶板下沉量、支架载荷与倾角关系：α大→s小；α大→p小由于矸石滚动下滑对工作面下部采空区的充填作用，出现工作面下部来压强度小于中上部。中上部来压时间超前下部。二、技术因素•（一）采高与控顶距•采高和控顶距越大，顶板下沉和煤壁片帮越严重。•顶板下沉量S=ηML•（二）采煤工序与推进速度•采煤工序中落煤和放顶对顶板下沉量影响最大，会引起顶板下沉速度极大增加。落煤扩大了控顶距，回柱减少了支撑力，同时改变了支护系统合力的作用位置，使直接顶失去了平衡，引起顶板急剧下沉。•落煤和放顶占循环下沉量70%左右，无工序占30%。•推进速度加快缩短了无工序时间，加快了落煤和放顶工序的交替，可以减少一部分顶板下沉量，但不能消除由于落煤和放顶剧烈影响造成的部分顶板下沉量。