第11章矿山压力及其控制

2019年9月10日星期二郭俊廷试制《采煤概论》精品课程第四篇准备方式与采煤方法第11章矿山压力及其控制2019年9月10日星期二主要内容第11章矿山压力及其控制第一节上煤层围岩分类第二节工作面矿山压力的显现影响第三节工作面支架的结构、性能和选择复习思考题2019年9月10日星期二第一节煤层围岩分类围岩的性质，尤其是它的力学性质对采掘工作面的压力显现影响最大。岩石通常为脆性体，有些为弹塑性体，它的力学性质表现为：σ压＞σ剪＞σ弯＞σ拉抗拉强度远小于抗压强度，一般抗拉强度只有其抗压强度的1/15～1/20岩石破碎通常表现为拉性；有时也表现为剪性，如弹塑性岩石。由于岩石为非均质体，组成的成分又不同，再加原生和次生的影响，从而形成了它的复杂的力学性质—异向性。例如，岩层中具有层理、节理等弱面，沿这些弱面方向的岩石抗拉强度，远小于其它方向的抗拉强度，有些甚至完全失去抗拉能力。又如虽属同种岩石，由于构造裂隙影响，它们的力学性质，往往相差很大。2019年9月10日星期二第一节煤层围岩分类对采煤工作面影响最大的围岩是煤层顶部岩层。因此，通常在研究煤层围岩性质时，重点研究煤层顶板性质，至于煤层底部岩层，只有在急倾斜煤层开采时，才具有实际意义。根据我国岩层的实际情况，一般把直接顶分为三类：一类直接顶（不稳定）——回采时不及时支护，很易造成局部冒顶，如页岩、煤皮、再生顶板等；二类直接顶（中等稳定）——顶板虽有裂隙，但仍比较完整，如砂质页岩；三类直接顶（稳定）——顶板允许悬露较大面积而不垮落，直接顶完整，如砂岩或坚硬的砂质页岩。2019年9月10日星期二第一节煤层围岩分类基本顶（老顶）分类尚无统一规定，现根据基本顶对工作面的压力（初次和周期来压）及初次来压的步距，把老顶分为四类介绍如下：Ⅰ类基本顶——初次和周期来压不明显，来压时缓和无冲击。来压的大小相当于或小于6～8倍采高的顶板岩层重量。初次来压步距大于25m。Ⅱ类基本顶——初次和周期来压很明显，来压的大小相当于8～12倍采高的顶板岩层重量。初次来压步距大于25m～50m。Ⅲ类基本顶——初次和周期来压强烈，来压的大小相当于12～14倍采高的顶板岩层重量。初次来压步距大于25m～50m。Ⅳ类基本顶——平时顶板无压力，采空区悬露面积达几千甚至上万m2不垮落，初次和周期来压时，顶板垮落常形成狂风、巨响。初次来压步距大于50m，甚至可达100m～150m。这种顶板多为极坚硬的厚砂岩或砾岩。2019年9月10日星期二第二节工作面矿山压力的显现规律一、支承压力（一）支承压力的形成当煤体未采动前，煤体内的应力处于平衡状态，煤体上所受的力为上覆岩层的重力γH（γ—岩层的容重，t/m3；H—煤层距地面的深度，m）。当在煤体内开掘切眼后，破坏了应力的平衡状态，引起应力重新分布。这时在切割眼上部顶板内形成了自然平衡“压力拱”。切眼上部岩体重量Q由两侧煤壁平均分担。因此，在切割眼两帮煤体中，产生了应力集中现象，这种集中应力称为支撑压力。它的大小为原始应力γH的1.25～2.5倍，最大值可为原始应力的2～4倍或更大。2019年9月10日星期二第二节工作面矿山压力的显现规律煤体内开掘切割眼后应力重新分布a—切眼宽度；Q—切眼上部岩体重量；H—煤层距地面深度；γ—上覆岩层的容重2019年9月10日星期二第二节工作面矿山压力的显现规律由于“压力拱”的存在，切割眼处于减压状态。随着工作面推进，切割眼扩大了，“压力拱”破坏而消失，在工作面前方的煤体中，同样产生支承压力带，其范围自工作面前方2m～3m起直至10m～45m，有时可达近100m，最大支承压力区，约距煤壁5m～15m左右；在工作面后方，当采空区充填物压实到一定程度后，也产生支承压力带。前后两个支承压力带，随工作面推进而移动，即移动支撑压力。工作面围岩应力分布a—增压区；b—减压区；c—稳压区2019年9月10日星期二第二节工作面矿山压力的显现规律从图看出，由于采动影响的结果，在工作面前方煤体中和工作面后方的采空区内，根据压力分布不同可分为三个区：a——增压（支承压力）区，它的应力大于原始应力；b——减压区，它的应力小于原始应力；c——稳压区，它的应力等于原始应力。在采煤工作面上下两端的区段煤柱内，也由于采煤和掘进区段平巷而形成支承压力，它的分布特征和工作面前方的支承压力基本相同。当采煤工作面推进较长距离后，区段煤柱内的支承压力，可随顶板垮落而逐渐消失。2019年9月10日星期二第二节工作面矿山压力的显现规律（二）影响支承压力大小、分布的因素支承压力的大小及其分布与顶板悬露的面积和时间、开采深度、采空区充填程度、顶底板岩性、煤质软硬有关。采空区顶板悬露面积越大，时间越长，顶板压力就越大，而支承压力的分布范围和集中程度越大。开采深度越大，悬露顶板的重量越大，支承压力也越大。采空区充填程度越密实，煤壁内支承压力越小。例如采用全部充填时，上部顶板下沉后，很快就会被充填物支撑，这时悬露顶板岩层的重量转移到周围煤体上的压力就小。因此，采用全部充填法处理采空区比采用全部垮落法处理采空区时，煤壁内的支承压力分布范围和大小要小得多。2019年9月10日星期二第二节工作面矿山压力的显现规律顶板岩层越坚硬，顶板压力分布越均匀，支承压力的集中程度就比较小。例如，砂岩顶板，支承压力的影响范围可达到工作面前方100m左右；泥质页岩顶板，支承压力的影响范围不到30m～40m。若顶板的裂隙发育，则支承压力比较集中，影响范围也较小。底板岩层坚硬，支承压力影响范围大，但集中程度小。煤质坚硬，支承压力比较集中，影响范围较小；反之，煤质松软，变形和破坏程度越大，则支承压力分布范围越大，集中程度越低。2019年9月10日星期二第二节工作面矿山压力的显现规律（三）支承压力显现规律由于支承压力的作用，可导致顶板预先下沉、煤壁破碎片帮、产生冲击地压、煤和沼气突出等现象。在支承压力的作用下，工作面前方尚未悬露的顶板，已经开始下沉。一些实际资料表明，顶板下沉量可达15mm～60mm，甚至达100mm。当顶板比较坚硬，煤层较厚或较软时，顶板下沉量较大。由于顶板预先下沉，可能产生裂隙，因而增加了工作面和工作面前方区段平巷的压力。为了防止区段平巷的支架压坏，事先必须采取措施，如增设抬棚、斜撑支架等。工作面的煤壁，在支承压力作用下，产生变形破坏，导致煤壁破碎片帮成斜面；破碎范围与煤质硬度和支承压力大小有关，一般为1m～3m；工作面前方煤壁内支承压力的峰值，向煤壁内转移，增压区（支承压力区）斜向煤壁里面；减压区扩大；稳压区向煤壁里面转移。2019年9月10日星期二第二节工作面矿山压力的显现规律煤层压碎，虽增加了片帮的机会，对安全不利，但可减轻落煤工作，浅截式采煤机就是采落压碎范围内的煤，因而破落煤时阻力小。当顶、底板均为厚而坚硬的岩层，煤质很坚硬；开采深度又较大；形成很大的支承压力时，就可能产生冲击地压。冲击地压是矿山压力显现中最猛烈的形式。冲击地压是煤和岩层在矿压作用下，急剧地破碎和被抛出的现象。在我国煤矿里，常常听到煤层内轰鸣声，有时可能发生煤被压出或顶板下沉及断裂现象，这些都是轻微冲击地压的显现。大规模的冲击地压发生时，可能抛出大量碎煤、冲倒支架、压垮煤柱、顶板大量垮落，造成暴风袭击或巨大震动，有时还会波及地面，甚至影响范围达几公里。2019年9月10日星期二第二节工作面矿山压力的显现规律冲击地压在煤矿中经常会遇到，尤其是随开采深度的增加，更会频繁出现。为了避免冲击地压发生而造成重大事故，必须降低支承压力的集中程度，例如采用充填法处理采空区；采空区内不留煤柱；避免两上工作面相向回采，以防止形成支承压力的重叠。支承压力集中程度高，不仅可能产生煤层突出，还可能伴随大量沼气突出，造成煤和沼气突出事故。综上所述，生产中必须重视支承压力的作用和影响，在开采自然条件不能改变的情况下，从开采技术上，应尽量设法减轻支承压力集中程度，除上述措施外，还可采取加快工作面推进速度，减少顶板悬露时间；缩小控顶距，减小支承压力。2019年9月10日星期二第二节工作面矿山压力的显现规律二、工作面初次来压当工作面从切割眼向前推进，顶板悬露面积随之扩大，直接顶垮落充填采空区，基本顶仍完整地支承在两帮煤壁上，形成双支板梁构件。当板梁垮度随着工作面推进增大到一定的范围，由于基本顶的自重和上覆岩层的作用下，使基本顶断裂垮落。这时，工作面已不再处于基本顶掩护之下，顶板迅速下沉而破碎，通常把基本顶第一次大面积垮落称为初次垮落。由于基本顶初次垮落，使工作面压力增大，故称为初次来压。初次来压对工作面影响一般持续2d～3d。基本顶初次垮落时，工作面距切割煤壁的距离L1称为初次垮落步距或初次来压步距。L1值与基本顶岩性、厚度以及地质构造等因素有关，一般为20m～35m，少数达50m～70m。2019年9月10日星期二第二节工作面矿山压力的显现规律初次来压的特点是：工作面顶板下沉量和下沉速度急增，甚至出现台阶式下沉；顶板破碎；甚至出现也煤壁平行的裂隙，有时发出巨大的断裂声；支架受力增加，采空区掉块；煤壁严重片帮。初次来压时，工作面要采取措施，如沿放顶线加强支护（增设排柱、木垛、斜撑、抬棚）、强制放落顶板等。图5—3基本顶初次垮落L1--初次垮落步距2019年9月10日星期二第二节工作面矿山压力的显现规律三、周期来压基本顶初次垮落后，工作面暂时免除了基本顶下沉的影响，支架受力减轻，基本顶由双支板梁变为悬臂梁。上覆岩层的重量主要由基本老顶悬臂梁直接传给煤壁，部分由垮落的矸石承担。图5—4基本顶周期垮落（来压）示意图L2--周期垮落步距；h—直接顶厚度；m—煤层厚度2019年9月10日星期二第二节工作面矿山压力的显现规律当工作面推进到一定的距离，基本顶悬臂在自重和上覆岩层的作用下，又会产生断裂垮落，这时同样会给工作面带来增压现象。当工作面再继续推进，这部分垮落的基本顶被甩入采空区，工作面又处于基本顶悬梁掩护之下，恢复到前述的状态。继工作面的推进，基本顶的垮落与工作面增压现象重复出现。这种垮落与来压随工作面推进而周期性的出现，称为基本顶周期垮落和周期来压。两次周期来压之间的距离称为周期垮落（来压）步距。周期垮落步距同样与基本顶岩性有关，一般为6m～30m，多数为10m～15m。2019年9月10日星期二第二节工作面矿山压力的显现规律由于周期来压前，基本顶呈悬梁状态，而初次来压前，基本顶呈双支板梁状态。因此，在工作面内，周期来压步距小于初次来压步距，它们的关系大致为：L2=（1/2～1/4）L1周期来压特点与初次来压类似。四、顶板下沉在工作面推进过程中，采空区不断扩大，上覆岩层移动下沉而破坏，根据破坏的特征，上覆岩层沿竖直方向自下而上可分为三带：冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。在这三带中，冒落带和裂隙带直接关系到工作面的顶板管理，弯曲下沉带对工作面没有多大影响。2019年9月10日星期二第二节工作面矿山压力的显现规律（一）冒落带易冒落的直接顶，不规则垮落，碎胀的岩块将填满采空区，形成冒落带，支撑老顶。当松软岩层很厚时，冒落的高度可视为直接顶的厚度。当直接顶厚度不大，冒落的岩块填不满采空区，老顶悬空，这种情况下，老顶也将发生部分垮落，使工作面压力增加。图5—5岩层移动推测图(a)岩层内部破坏推测图；(b)裂隙带岩层移动曲线；（c）沿工作面推进方向的分区1—冒落带；2—裂隙带；3—弯曲下沉带2019年9月10日星期二第二节工作面矿山压力的显现规律根据采高（煤层厚度）M，可按下式估算直接顶的冒落厚度：h=式中h—直接顶的冒落厚度（m）；M—采高（煤层高度）（m）；k—顶板岩层碎胀系数（一般为1.3～1.5）。1km2019年9月10日星期二第二节工作面矿山压力的显现规律（二）裂隙带位于冒落带之上的老顶岩层，总是一端支承在煤壁上，另一端支承在采空区的碎石充填堆上。在上覆岩层的压力作用下，冒落的岩块逐渐压实。因此，上覆岩层也随之逐步弯曲下沉，成段拆断或产生许