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授课老师：张小平第四章矿压及顶板控制第一节矿山压力基础知识一、矿山压力的概念矿山压力正是由于地下采掘活动的影响而引起的岩层作用在井巷、硐室和采掘工作面周围煤岩体中以及支护物上的各种力的总称，简称矿压，也称地压。在矿山压力作用下，会引起许多外在的力学现象，如顶板下沉、底板鼓起、巷道变形、岩体破坏甚至大面积冒落、煤壁片帮或突然抛出、支架变形或损坏、以及大量岩层移动、地表塌陷等。这些在矿山压力作用下，围岩或各种人工支护物呈现的各种力学现象，统称为矿山压力显现，简称矿压显现。所谓工作面顶板控制，曾称顶板管理，是指采煤工作面工作空间支护和采空区处理工作的总称。二、矿山压力分布规律采掘空间原被采物承受的载荷转移到周围支撑体上而形成的压力称为支撑压力。工作面附近的煤体、煤柱、充填物或冒落的矸石上产生了应力集中现象，这种集中应力就是支撑压力。支承压力的显现用支承压力分布范围、峰值大小及应力集中系数表示。支承压力分布范围是指支承压力连续分布的长度；支承压力的峰值是指支承压力显现区内应力的最大值；应力集中系数是支承压力峰值与原岩应力的比值。（一）采煤工作面周围支承压力分布1.采煤工作面前后方支承压力工作面前方是指工作面靠煤壁一方，也就是工作面推进的一方。工作面的后方是指工作面靠采空区一方。采煤工作面前后方支承压力分布形态，可分为应力降低区（小于原岩应力的减压区）、应力增高区（大于原岩应力的增压区）和应力不变区（等于原岩应力的稳压区）。对分布特点的解释是：⑴因为直接顶的垮落已经使它失去了完整性，采煤工作空间上方裂隙带及其上覆岩层的大部分重量，几乎都由采煤工作面前方煤壁支撑着，就象是一个悬臂梁的支点。所以工作面前方支承压力远比工作面后方支承压力大。⑵因为工作面的采煤活动打破了原来煤体中的应力平衡，引起了工作面周围应力的重新分配。工作面前后方支承压力带也随着工作面向前移动。⑶工作面的开采活动引起应力重新分配的结果就是，断裂带内形成了以煤壁及采空区垮落带为前后支承点的拱式平衡结构，采煤工作空间处于减压区范围内。2.工作面两侧的支承压力分布工作面两侧是指工作面采空区的上下侧。由于工作面采煤和区段平巷掘进也将产生支承压力区，它的分布特征和工作面前后方的支承压力基本相同。工作面周围支承压力的大小，受很多因素的影响，如工作面的开采深度、煤的软硬和顶板岩层性质等。一般的规律是：开采的深度越大，上覆岩层的重量就越大，支承压力的范围就越广，应力集中系数越大。顶板越硬，支承压力的分布范围越大，但应力集中系数较小。煤层越坚硬，支承压力分布范围越小，应力集中系数越大。工作面支承压力的表现是，导致顶板预先下沉、煤壁破碎片帮、煤和瓦斯突出以及产生冲击地压等。采取加快工作面推进速度、缩短顶板悬露时间、减小工作面控顶距等措施来降低支承压力的集中程度。（二）采空区上覆岩层移动情况一般从工作面到地表把上覆岩层根据移动的特征，分为垮落带、断裂带及弯曲带。1.垮落带垮落带是指由采矿引起的上覆岩层破坏并向采空区垮落的岩层带，曾称冒落带。垮落带的高度一般为采高的2～4倍。2.断裂带断裂带是指垮落带上方的岩层产生断裂或裂缝，但仍保持其原有层状的岩层带，曾称裂隙带。3.弯曲带弯曲带是指断裂带上方的岩层产生弯曲下沉的岩层带。断裂带上方一直到地表的岩层都为弯曲带，这部分岩层不产生断裂或只产生极小裂缝。4.节理和裂隙5.煤层倾角（二）生产技术因素1.开采深度2.工作面推进速度3.上部煤层中遗留煤柱4.采高与控顶距在一定地质条件下，采高是影响上覆岩层破坏状况的最重要的因素之一。采高越大的工作面矿压显现越严重。第二节采煤工作面顶板控制一、顶板分类按照岩层稳定性不同，将直接顶分为四类；按来压强度不同，将老顶分为四级。（一）直接顶的分类将直接顶分为四类：不稳定顶板、中等稳定顶板、稳定顶板。（二）老顶的分级老顶的来压强度主要决定于直接顶厚度与采高的比值N以及老顶来压步距L0，将老顶分为四级：不明显、明显、强烈、极强烈。二、采煤工作面顶板控制方法所谓工作面顶板控制就是采煤工作面工作空间支护和采空区处理工作的总称，曾称顶板管理。对采煤工作面进行支护的根本作用是，保证工作面正常和安全地进行生产活动。工作面支护包含“支”和“护”两个方面，“支”就是要求支柱或支架有一定的承载能力，能与工作面顶板压力相对平衡，并能防止来压时顶板沿煤壁切断。“护”则要求支架的架设能适应顶板破坏的特征，防止小岩块掉落，保证安全生产。（一）工作面支架分类及布置方式按支架的组合形式，采煤工作面支架分为单体支架和液压支架两大类。采用单体支架时工作面支架布置方式有戴帽点柱支护、棚子支护及悬臂支护等几种。1.戴帽点柱戴帽点柱支护的柱帽与顶板接触面积较小，适用于直接顶完整稳定的条件。2.棚子支护棚子支护是指工作面采用一梁两柱或一梁三柱组成的框式支架支护工作面的方式。根据直接顶的裂隙方向不同，有走向棚子和倾向棚子。棚子支护主要用于直接顶不稳定，较破碎或者直接顶为中等稳定程度的工作面。3.悬臂支架悬臂支架是用一梁一柱组成，支柱可用摩擦支柱或单体液压支柱，梁用铰接顶梁。4.液压支架液压支架可分为支撑式、掩护式、支撑掩护式三种。（二）采空区处理采空区处理的方法有全部垮落法、充填法、缓慢下沉法及煤柱支撑法四种。1.垮落法使采空区悬露顶板垮落后充填采空区的采空区处理方法叫垮落法。垮落法处理采空区的方法适用于顶板较易垮落的工作面，直接顶厚度大于采高的2～4倍时效果最好。2.充填法用充填材料充填采空区的采空区处理方法叫充填法。开采厚煤层或在建筑物下、铁路下、水体下的“三下采煤”时，为了控制地表沉陷，一般采用充填法处理采空区。分为全部充填法和局部充填法两种。在采空区通过垒矸石带的方法叫局部充填法。3.缓慢下沉法在采空区后方利用顶板下沉和底板隆起的特性任其自然合拢的采空区控制方法叫缓慢下沉法。这种方法适用于顶板岩韧性较大的薄煤层工作面。4.煤柱支撑法在采空区中留适当宽度煤柱以支撑顶板的岩层处理采空区的方法叫煤柱支撑法。煤柱支撑法适用于顶板岩石特别坚硬，人工强制放顶也很难垮落的顶板条件。但存在煤炭损失大，工作面采出率低，开切眼掘进工程量大，工作面搬家频繁等缺点。三、全部垮落法控制顶板时顶板垮落规律及安全措施（一）采煤工作面直接顶初次垮落及安全措施随着工作面煤壁向前推进，采空区的直接顶悬露面积不断扩大，所承受的矿山压力逐渐增大，当这一压力超过了直接顶所能承受的强度时，直接顶将发生下沉、离层直至垮落，称为直接顶的初次垮落。从开切眼煤壁到直接顶初次垮落时切顶线的距离，叫做直接顶初次垮落距。直接顶初次垮落一般要采取的安全措施有：⑴严格执行工作面作业规程的要求，必须在区（队）长、技术人员和矿安监员的现场监督指导下进行初次放顶。⑵加强工作面的支护，增设抬棚戗柱，增强支柱的稳定性。⑶炮采工作面应严格控制炮眼装药量，防止因装药量大造成引发顶板事故。⑷挂梁后要及时打好贴帮柱支护煤帮顶板，减少空顶时间。（二）采煤工作面老顶初次来压及安全措施老顶在采空区中第一次垮落称为老顶的初次垮落。这种由于工作面老顶初次破断在采煤工作面引起的矿压显现，称为老顶的初次来压。老顶初次来压时，采煤工作面煤壁距开切眼的距离，称为老顶的初次来压步距。老顶初次来压过程大体经过以下三个阶段：第一阶段为稳定阶段。第二阶段为老顶的活动阶段。第三阶段为老顶的来压阶段。老顶初次来压的特点有：⑴由于老顶的剧烈活动，使工作面顶板下沉量和下沉速度急剧增加。⑵老顶的活动和顶板下沉的急剧增加，使支架受力猛增，顶板破碎。⑶因老顶悬露跨度增大，煤壁内的压力过于集中，会使煤壁片帮破坏范围扩大。⑷老顶由于折断而垮落时，在采空区深处先发出沉闷的雷鸣声，而后发生剧裂的响动。回采工作面初次来压时应采取以下安全措施：⑴要掌握初次来压步距，及时采取预防措施。⑵在确定了初次来压步距后，工作面初次来压前应加强支护，检查工作面支护质量。⑶采取小进度多循环作业方式，加快工作面推进速度。⑷采空区内支柱要回收干净，使直接顶充分冒落以缓和老顶冒落时对工作面的冲击。⑸落煤后要及时架设支架，并保证足够的支架数量和支设质量。⑹对大面积悬露的坚硬顶板，要提前采取人工强制放顶措施。（三）采煤工作面老顶的周期来压及安全措施悬臂梁将始终经历稳定—失稳—稳定的变化过程，这种变化将周而复始。由于老顶周期破断在采煤工作面引起的矿压显现称为周期来压。两次周期来压的间隔时间称为来压周期。两次周期来压期间工作面推进的距离称为周期来压步距。周期来压的矿压显现是：顶板下沉速度急剧增长，顶板下沉量增大，并出现台阶下沉。使用单体支架的工作面一般应采取以下措施：⑴要掌握周期来压步距。⑵工作面周期来压时要加强支护强度和密度。⑶为了减少工作面支柱的载荷，周期来压时可适当减少控顶距离。⑷周期来压步距与地质因素有关。（四）坚硬顶板控制安全技术坚硬顶板一般是指直接顶板岩层比较完整、坚硬或没有直接顶，煤层上直接覆盖厚度较大而坚硬的砂岩、砾岩及石灰岩等。坚硬顶板工作面容易发生压垮型冒顶事故，所谓压垮型冒顶是指由垂直于岩层层面的顶板压力破坏工作面支架导致的冒顶事故。压垮型冒顶是主要顶板灾害之一，顶板大面积来压与冒落，是开采坚硬难冒顶板煤层的主要特点。长壁工作面坚硬顶板来压时的规律是：初次来压和周期来压步距大，坚硬顶板采煤工作面初次来压步距一般大于30m，整体厚砂岩或砂岩、砾岩组合顶板要大于50m，甚至大于100m。坚硬顶板工作面为防治顶板大面积来压和冒落，采取的主要安全技术措施是强制爆破顶板和注水软化顶板等。1.提前强制爆落采空区顶板⑴平行工作面长钻孔强制爆破放顶。放炮有两种方式：一种是长钻孔位于采空区上方时爆破。另一种是预裂或预爆破。⑵钻孔垂直工作面的强制放顶。⑶地面深孔爆破放顶。2.预注高压不处理坚硬顶板3.合理选择支架4.明确规定允许悬顶面积5.预测预报四、单体支柱支护工作面时的顶板控制单体支柱采煤工作面支护，主要是指采煤工作面采用木支架、摩擦式金属支柱、单体液压支柱支护。（一）支柱类型与结构性能1.木支架木支架是由木材顶柱和顶梁组成。2.摩擦式金属支柱摩擦式金属支柱是指利用摩擦力产生支撑力的可缩性支柱。摩擦式金属支柱有微增阻式和急增阻式两大类。摩擦式金属支柱一般由活性、柱体和柱锁三部分组成。3.单体液压支柱单体液压支柱是利用液体压力产生工作阻力，并实现升柱和卸载的单根可缩性支柱。单体液压支柱分为内注式和外注式两大类。单体液压支柱与金属铰接顶梁组成单体支架支护工作面，操作顺序是：挂梁—插调角楔—背顶—清理和定柱位—立柱—供液升柱。（二）支架架设要求及回柱放顶安全措施采煤工作面必须经常存有一定数量的备用支护材料。采煤工作面严禁使用折损的坑木、损坏的金属顶梁、失效的摩擦式金属支柱和失效的单体液压支柱。在同一采煤工作面中，不得使用不同类型和不同性能的支柱。摩擦式金属支柱和单体液压支柱入井前必须逐根进行压力试验。采煤工作面必须按作业规程的规定及时支护，严禁空顶作业。所有支架必须架设牢固，并有防倒柱措施。回柱放顶工要由熟悉工作面顶板管理及支护特性，并具有实际操作经验的支护工担任。必须按作业规程中顶板管理方法和本规程的规定进行回柱放顶。回柱放顶工要勤拴、勤拉、勤拣，做到回收率高、复用率高。回柱时回柱工应站到支柱的斜上方支架完好处，使用长柄工具，卸载或打松水平楔。五、特殊条件下采煤工作面顶板控制（一）初采、末采工作面的顶板控制1.单体支架工作面初采和末采的顶板控制1）单体支架工作面的初采。⑴顶板稳定，开切眼支护可直接采用铰接顶梁与单体支柱的组合，开切眼掘好后，不需改装支架，安装设备后，就可回采。⑵顶板稳定，开切眼内的巷道形式支架基本完好，先在原棚梁下打中柱，随后撤掉煤壁侧的棚腿，拉线打柱架设一排金属顶梁就可以开始回采。⑶顶板破碎，开切眼内支架破坏严重，可视顶板压力大小，拉线打柱架设一排金属顶梁后，再架一梁三柱单抬棚或双抬棚，然后撤去煤壁侧帮的棚腿，开始回采。⑷分层开采的工作面，开切眼开帮后，应先铺设人工顶，然后改变开切眼支架形式。⑸如果开切眼掘出时间长，施工质量差，支架上部有空顶时，在开帮前要用一梁三柱板梁套棚，两端