第四章 采场矿压显现基本规律

第四章采场矿压显现基本规律第一节概述在实际生产过程中，工作面常有下述一系列矿山压力现象，并且习惯上用这些现象作为衡量矿山压力显现程度的指标。1.顶板下沉一般指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板相对移近量。以S表示，有时为了对比，常常把这个指标换算为单位采高、单位推进度的顶板下沉量，即以每米采高每米推进度多少mm来表示。下图为工作面顶底板移近曲线，1为顶板绝对下沉曲线；2为顶板相对移近量（下沉）曲线；3为底版臌起曲线。2.顶板下沉速度指单位时间内的顶底板移近量，以mm/h计算。3.支柱的变形与折损4.顶板破碎情况常常以单位面积中冒落面积所占的百分数来表示。5.局部冒顶指回采工作面顶板形成的局部塌落。6.工作面顶板沿煤壁切落，或称大面积冒顶指工作面由于顶板来压导致顶板沿工作面切落，其它还有煤壁片帮，支柱插入底板，底板臌起等。第二节老顶的初次来压1.概念初次来压：把由于老顶第一次失稳而产生的工作面顶板来压，称为老顶的初次来压。初次来压步距：由开切眼至初次来压时工作面推进的距离称为老顶的初次来压步距。2.老顶初次来压时的特点1）顶板下沉量大、支柱载荷增大。2）煤壁内的支承压力增大，煤壁变形与片帮严重。增压区、减压区、稳压区。3）直接顶破碎，并有掉渣现象。4）初次来压比较突然，容易造成严重事故。初次来压步距的大小与老顶岩层的力学性质、厚度、破断岩块间互相咬合的程度等有关。同时，也与地质构造等有关。一般20~35m，个别50~70m甚至更大。根据统计，在我国现有的生产矿井中，初次来压步距为：10~30m54%30~55m37.5%其余为大于55m，最大为160m左右，如大同。第三节老顶的周期来压一、回采工作面推进对岩体结构的影响当工作面推进时，岩块A首先处于悬露状态，此时工作面支架将受到岩体A的保护，受力甚小。但当达到极限跨距时，岩层形成了断裂。此时若岩块A与岩体咬合不住，则此岩层及上覆岩层将形成一端由支架支撑而另一端由已冒落的矸石所支撑。工作面再继续推进，当工作面甩掉这些已发生错动的老顶时，工作面又将处于老顶的悬臂保护之下，从而又回复到正常状态。由于这种来压带有周期性，因此常常称为周期来压。有时即使岩层能形成砌体梁式的平衡，但岩块A由悬露到折断，其变形量同样发生周期性的变化。总结：（1）随着工作面的推进，A岩块将由稳定状态进入断裂状态。（2）A岩块的回转与B岩块的反向回转。（3）由于岩块的回转，必然导致工作面顶板的不断下沉，支架载荷增大。（4）支架性能必须与这种过程相适应，即有一定的饿可缩量，并能阻止顶板沿煤帮切落。为了防止滑落失稳，其条件应为：二、采场的周期来压由前述可知，随着回采工作面的推进，在老顶初次来压之后，裂隙带岩层形成的结构将始终经历“稳定—失稳—再稳定”的变化。这种变化将呈现周而复始的过程。1.概念：周期来压：由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象。2.周期来压的表现形式与初次来压时大致相同。（1）顶板下沉速度急剧增加，下沉量急剧增加。（2）煤壁片帮，支柱折损，支柱载荷增大。（3）顶板发生台阶下沉。3.对支架的要求BAiT)tan(（1）为了保证工作面的安全，支架必须具有足够的支撑力，以满足，防止顶板沿煤壁切落。（2）由于无法阻止岩块的回转，因此，要求支架要有一定的可缩量。（3）支架对老顶岩块的作用力P1应为A、B岩块的重量再减去断裂岩块与未断岩块的摩擦力。4周期来压时的垮顶现象第四节顶板压力的估算一、估算法[顶板压力主要来自直接顶和老顶]1.经验估算法支架受力，一为直接顶的载荷，二是老顶通过直接顶作用于支架上的载荷。（1）直接顶的载荷Q1KN/m：直接顶的厚度mL1：悬顶距m：容重KN/m3若悬顶距L1等于控顶距L，则KN/m即悬顶距为零时其载荷集度（2）老顶载荷Q21)以直接顶载荷的倍数估算老顶的载荷。0yF11LhQhLhQ1hq1例如，在多数矿井的测定中，以一般工作面为准，周期来压时形成的载荷超不过平时的两倍，因此，可得以下关系：或：老顶来压和平时来压强度的比值，称增位系数，根据我国大部分矿区单体支柱工作面的测定，占83.3%：考虑直接顶和老顶来压时的支护强度，KN/m2若取，n=2，则：所以，KN/m2平时采用低倍数，周期来压时采用高倍数，各国估算情况：德国美国日本印度2.从老顶形成结构的平衡关系估算认为：直接顶的载荷应由支架全部承受，而老顶岩层由于能形成结构，因此，支架所承受的载荷仅是由于老顶岩层结构失稳时所形成。（1）从老顶岩层的滑落失稳估算顶板压力KN（2）由老顶破断的变形失稳估算顶板压力现场实测及实验室研究中，发现顶板下沉量与支架支撑力P之间是双曲线关系，因而提出常数因此，老顶对支架的作用力：实测顶板下沉量；hnnqp1hnqq21n6.1np1pKMh12pKMp5.1~25.1KMMp)8~4()4~2(2Mp12Mp16Mp)3~2(Mp5)tan()(20000iiiiRBALShQLQPLLPiEihhKP000h：要求控制的回采工作面顶板下沉量。：顶板下沉为时，老顶岩梁在控顶范围内的作用力。有人认为：：老顶岩梁厚度；：老顶岩梁的容重；：老顶岩梁的跨度；L：控顶距；KT：支架承担岩梁重量的比例系数。应用这种方法估算顶板压力，必须确定在各种条件下允许的顶板下沉量，这种顶板下沉量能保证工作面顶板的完整性，应该说这种顶板下沉量由于使用液压支架后，已失去意义，但在单体支柱工作面还具有实用价值。3.威尔逊估算法主要思想：1）在估算顶板压力时，只考虑直接顶的形状与载荷；2）由于载荷作用位置与支架可能形成的最大反力作用位置不一定一致，从而引出由于支架与围岩相互平衡而产生的附加力的概念；3）直接顶的形状由垮落角确定。4）由于垮落角不同，将作用作用位置不同，将直接顶分为如下几类：°顶板比较破碎°破碎顶板°中等稳定顶板°稳定顶板°坚硬顶板二、实测法即从工作面支架上测定其所承受的实际载荷。第五节老顶来压的预测预报ih0K0hLKLmKTEEE0EmEEL3Q9075604510一、观测“三量”变化来预报老顶来压三量：工作面顶板下沉量下沉速度支柱载荷二、通过老顶断裂在岩体内引起的扰动来预测老顶来压1.将老顶岩层视为弹性基础梁。2.断裂前老顶所形成的最大弯距所在位置是处于煤壁之内，可深入到煤壁1.3~4.39m。3.假设老顶的最大弯距发生的位置即是老顶岩层的断裂位置。4.反弹区的范围6~15.6m，因此，布置测点时应为5~15m（超前煤壁）。第六节回采工作面前后支承压力的分布回采工作面前后的支承压力分布与采空区处理方法有关。一、采空区采用刚性支撑，如采用刀柱法（留煤柱）这时工作面前后支承压力的分布类似于巷道两侧，即前后场有几乎相等的应力分布。二、采空区处理采用垮落法或充填法此时，上覆岩层中就有可能出现砌体梁式的结构，从而使采空区后方的支承压力大为降低，而使回采工作面前方的支承压力则急剧增加。三、若采高很大或顶板岩层极为坚硬，则在悬顶时工作面前方支承压力较高，而采空区则较低。但当顶板切落时，则前方有所降低而采空区有所增加。四、如采深大或受岩性的影响，开采后岩层移动未能波及到地表，则采空区支承压力有可能恢复不到值。五、苏联实测曲线。六、根据上述分析，回采工作面前后的支承压力状态，可用图示。第七节影响回采工作面矿山压力显现的主要因素主要因素：围岩性质。H一、采高与控顶距在一定的地质条件下，采高是形成覆盖层破坏性影响的最根本因素。采高越大，覆盖层破坏越严重。并且还直接影响工作面顶板下沉量的大小。裂缝带的最终下沉量S0为：为了求取控顶距L处的顶板下沉量SL，可将离工作面一定距离的岩层移动曲线简化为直线图形。回采工作面顶板下沉量与采高及控顶距的大小成正比关系。二、工作面推进速度的影响1.工作面顶板下沉，是一个时间的过程。随着时间的增大，顶板下沉量也增大。因而有人认为“加快推进速度，缩短工作面每个循环的时间，必然可使顶板下沉量减少，这样就能把顶板压力甩掉”。2.国外测定资料证明，推进速度加快后，顶板下沉速度也同样增加了。3.根据实测，落煤与放顶时顶板下沉较激烈，平时则较为缓和。（1）落煤时，增大了回采工作面的控顶距，破坏了煤壁前方的应力平衡，支承压力就有一个向煤壁深处移动的过程；另一方面，落煤时，随着工作面的推进，使得A岩块逐渐趋向失稳。（2）放顶时，撤除了采空区一侧的支架，相当于撤除了一部分对上覆岩层的支撑力，以及相当于将P向前挪一距离，即减少了值。放顶影响范围，沿工作面上下10~20m，剧烈影响范围5~10m。)1(0ppKhmhKmhS)(tSSL4.结论（1）加快工作面推进速度事实上即是缩短落煤与放顶及由放顶到再次落煤的时间间隔，其结果必然能减少平时的时间影响所形成的顶板下沉量，但绝不能消除落煤与放顶这两个工序的绝大部分的影响。因为落煤与放顶的影响都是在一较短时间内完成的（1~2小时）。（2）加快推进速度并不可能达到使上覆岩层破断的程度，最大剪切力总是发生在靠近煤壁的咬合点上。从这个意义上讲，把矿压甩掉是不大可能的。三、开采深度的影响开采深度越大，原岩应力越大。开采深度对巷道矿山压力的显现较为明显。对于回采工作面，则有两种不同的看法。一种认为，深度虽然对回采工作面前方支承压力有很大影响，但对于回采工作面的矿山压力显现则可能影响并不十分严重。另一种认为有影响。四、煤层倾角的影响1.随着煤层倾角的增大，顶板下沉量将逐渐变小，上覆岩层的重量，由于倾角的变化，增大了沿层面的切向滑移力，而作用于层面的垂直力则变小了。2.由于倾角的增加，采空区冒落的矸石有可能沿着底板滑动，从而改变了上覆岩层的运动规律。3.倾斜长壁开采时，岩块运动方式也有改变。五、分层开采时矿山压力显现人工假顶，破碎岩块。1.老顶来压一般较缓和或不明显，来压步距小；2.支架受载小；WsinWcosW第一分层的动载变为静载。3.顶板下沉量变大。下分层工作面之上为人工假顶，下为煤底，“支架—围岩”系统的刚度比第一分层要小。