第二章采煤工作面上覆岩层移动及其矿压显现规律

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第二节采煤工作面矿山压力显现规律第三节影响采煤工作面矿山压力显现的主要因素在煤层或岩层中开掘巷道和进行回采工作，成为对煤层或岩层的“采动”;采动后在煤层或岩层中形成的空间，为“采动空间”;采动空间周围的岩体统称为“围岩”；采煤工作面围岩由煤层顶板、底板和两帮构成；根据顶、底板岩层距煤层的距离和对回采工作的影响，煤层的顶、底板岩层可分为：伪顶、直接顶、基本顶和直接底。一、采煤工作面围岩构成第一节采煤工作面上覆岩层移动规律第一节采煤工作面上覆岩层移动规律①伪顶。紧贴在煤层之上，极易垮落的薄岩层。通常由炭质页岩等软弱岩层组成，厚度一般小于0.5m，随采随冒。②直接顶。位于伪顶或煤层之上，具有一定的稳定性，移架或回柱后能自行垮落的岩层。通常由泥质页岩、页岩、砂质页岩等不稳定岩层组成，具有随回柱放顶而垮落的特征。直接顶的厚度一般相当于冒落带内的岩层的厚度。③基本顶。位于直接顶或煤层之上坚硬而难垮落的岩层。通常由砂岩、石灰岩、砂砾岩等坚硬岩石所组成。④直接底。直接位于煤层下面的岩层。如为较坚硬的岩石时，可作为采煤工作面支柱的良好支座；如为泥质页岩等松软岩层时，则常造成底臌和支柱插入底板等现象。一、采煤工作面围岩构成二、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；沿软弱结构面滑动—岩体沿断层、软弱夹层和层面产生滑动；岩爆和煤爆—一般在高地应力区的坚硬岩层或煤层中；底鼓—由于煤层开挖使底板产生向采空区方向的隆起；片帮—高集中应力作用下，煤壁变形、破坏，挤入采空区；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第一节采煤工作面上覆岩层移动规律三、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2~4m。第一节采煤工作面上覆岩层移动规律裂隙带：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。第一节采煤工作面上覆岩层移动规律三、采煤工作面上覆岩层移动规律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。四、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。由于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、压力拱第一节采煤工作面上覆岩层移动规律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，其间的松软岩层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）：第一节采煤工作面上覆岩层移动规律四、裂隙带岩层的结构形式（矿压假说）（一）砌体梁结构图2-3砌体梁结构模型lTRhp)tan(0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第一节采煤工作面上覆岩层移动规律四、裂隙带岩层的结构形式（矿压假说）（二）传递岩梁结构图2-4传递岩梁结构模型第一节采煤工作面上覆岩层移动规律顶板较坚硬时，基本顶断裂可近似看做层状连续体。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。山西矿业学院(现太原理工大学)根据大同矿区多年来对坚硬顶板的矿压观测，建立了悬梁断裂瞬间力学模型。tRlLllLHqp)(6)(2122四、裂隙带岩层的结构形式（矿压假说）（三）悬梁（板）结构图2-5悬梁(板)结构模型支架的最大载荷：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。英国学者伊万斯提出了支架载荷计算式：对于无基本顶的松软岩层顶板，工作面上方多组裂隙把顶板分割成碎块。由于岩层自然平衡的结果将形成一个压力拱。/tan2klp第一节采煤工作面上覆岩层移动规律四、裂隙带岩层的结构形式（矿压假说）（四）压力拱结构图2-6压力拱结构模型第二节采煤工作面矿山压力显现规律由于采动作用促使围岩向已采动空间运动的力称为“矿山压力”。在矿山压力的作用下，通过围岩运动和支架受力表现出的矿山压力现象叫“矿山压力显现”。显现的形式：（一）顶底板移近（五）煤壁片帮（二）支架的变形与损坏（六）台阶下沉（三）顶板破碎（七）大面积冒顶或垮落（四）局部冒顶一.工作面矿压显现方式矿山压力显现的基本形式二、直接顶的运动规律（一）直接顶的分类与垮落形式依据对我国一些矿区的现场调查和研究，依据直接顶岩层的弱面情况可以将直接顶分为10种类型，不同类型的顶板有不同的垮落方式，如下表：第二节采煤工作面矿山压力显现规律第二节采煤工作面矿山压力显现规律（二）直接顶的运动形式1.直接顶缓慢下沉一般出现在薄煤层、顶板可塑性大，顶板下沉后没有断开，与底板接触。二、直接顶的运动规律（二）直接顶的运动形式二、直接顶的运动规律2.直接顶不规则垮落直接顶悬空后，在重力作用下产生弯曲，当岩层弯曲到一定程度后，伸入煤体的端部开始裂开，接下来中部裂开，最后直接顶弯曲破坏发生不规则垮落。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。第二节采煤工作面矿山压力显现规律（二）直接顶的运动形式二、直接顶的运动规律2.直接顶不规则垮落第二节采煤工作面矿山压力显现规律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（图2-10）当悬露后直接顶岩层只产生微小的下沉，悬露岩层端部即开始裂开，在岩层中部未开裂或开裂很少的情况下，岩层剪切破坏发生大面积垮落。易发生顶板沿煤壁切下的重大冒顶事故，工作面支架必须有较高的初撑力，工作阻力要能防止顶板沿煤壁线切断，而把切顶线推至控顶距之外。（2）铰接岩梁（图2-11）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。第二节采煤工作面矿山压力显现规律（二）直接顶的运动形式二、直接顶的运动规律三、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、直接顶厚度大且直接顶节理发育时，直接顶呈现缓慢下沉的运动形式。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。第二节采煤工作面矿山压力显现规律（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%特殊的砂岩、砂砾岩顶板的初次来压步距可达100~160m。qRhLt2初第二节采煤工作面矿山压力显现规律三、基本顶的运动规律（二）基本顶的初次来压2.初次来压的显现（1）工作面顶板剧烈下沉；由于基本顶断裂导致失稳运动，迫使直接顶压缩直接而迅速下沉。（2）支架载荷增加，安全阀开启，活柱下缩；基本顶突然断裂，同时要发生岩块的回转失稳，支架载荷普遍加大。（3）煤壁片帮严重；初次来压前，工作面前方支承压力峰值达到最大，可使直接顶和煤壁发生剪切破坏，从而压碎煤壁导致片帮，这一现象往往是来压征兆。（4）顶板的断裂声基本顶来压时产生闷雷声，有时伴有基本顶岩块的滑落失稳，从而导致顶板台阶下沉。qRhLt2初第二节采煤工作面矿山压力显现规律三、基本顶的运动规律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。周期来压步距L周=（1/2~1/4)L初第二节采煤工作面矿山压力显现规律（三）基本顶的周期来压三、基本顶的运动规律2.周期来压的表现形式顶板下沉速度急剧增加；下沉量增加；支架载荷普遍增加；可能引起煤壁片帮，支架折损，顶板发生台阶下沉；若支柱参数选择不合适，则可能引起局部冒顶，甚至切顶现象。第二节采煤工作面矿山压力显现规律（三）基本顶的周期来压三、基本顶的运动规律四、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/原岩应力第二节采煤工作面矿山压力显现规律采煤工作面前后方支承压力对工作面矿压显现有着很大影响。采煤工作面前方支承压力依次为原岩应力区、应力增高区、应力降低区和应力稳定区。第二节采煤工作面矿山压力显现规律四、支承压力及其显现（二）支承压力在底板中的传播分布规律（1）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°第二节采煤工作面矿山压力显现规律四、支承压力及其显现（2）煤柱下为增压区、采空区下为减压区；（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，这是深部开采巷道变形严重的主要原因。（2）围岩性质坚硬岩层应力传递的范围广，支承压力分布范围广，应力集中系数小。（3）煤质软硬煤质愈硬，强度愈高，支承压力分布范围愈小，而应力集中系数愈高，峰值点位置距煤壁愈近。（4）与煤层的相对位置远离煤层支承压力变小；接近采空区，支承压力变小。第二节采煤工作面矿山压力显现规律四、支承压力及其显现第三节影响采煤工作面矿山压力显现的主要因素一、地质因素（一）顶板岩层的影响1.直接顶的影响直接顶的完整程度和稳定性影响工作面的安全和生产效率，决定支护方式选择。直接顶稳定性取决因素：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、支架可缩量以及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