矿山压力与顶板控制

矿上压力与顶板控制生产技术部穆秉清一、采场矿压基本理论1、矿山压力与矿山压力显现⑴矿山压力及其在围岩中的分布矿山压力的概念开掘巷道和进行回采工作采动在煤或岩层中形成的空间采动空间采动后采动空间周围的岩体围岩促使围岩运动的力矿山压力ABBTD地应力:在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因使地壳物质产生了内应力效应，这种应力称为地应力，它是地壳应力的统称。地应力是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力，广义上也指地球体内的应力。它包括由地热﹑重力﹑地球自转速度变化及其他因素产生的应力。矿山压力：地下煤层开采以后，围岩发生变形和位移、同时围岩内的应力也发生变化，甚至改变了原有的性质。这种引起围岩位移的力和围岩体中变化后的应力就叫矿山压力。矿山压力的来源矿山压力根源？采动前的原岩应力1.岩层重力2.构造运动作用力3.岩体膨胀作用力各点主应力的大小、方向、垂直应力与水平应力之间的比值等决定了采动后围岩应力重新分布的规律(a)开采前(b)开采后图2.1开采前后应力分布Hq=rH开采前后应力分布11113333第二章第4页矿山压力显现：在矿山压力作用下发生的围岩运动以及由此产出的支护受力或变形等现象围岩运动支架受力两帮运动顶板运动底板运动载荷增减支架压折支架变形⑵矿山压力显现(a)(b)(c)(d)图2.2矿山压力显现的基本形式冒顶、片帮两帮鼓出顶底板移近顶板下沉与支架承载3、矿山压力显现是矿山压力作用下围岩运动和支架受力的结果。矿山压力显现的相对性巷道围岩运动的相对性支架受力的相对性矿山压力与矿山压力显现间的辩证关系矿山压力的存在是绝对的，而显现是相对的压力显现强烈的部位不一定是压力高峰的位置，但对某一点是相关的（例:煤壁前方支承压力与下沉量关系）二、矿压观测（常规矿山压力监测技术）（一）、概述矿山压力监测就是利用矿压仪器仪表实测及宏观观察采场及巷道的围岩应力分布特征、围岩变形、位移、顶底板破坏特征、支架受载及压缩等一系列矿山压力显现现象，采用合理的数学方法对各种矿山压力显现监测信息进行分析，总结采场及巷道矿压显现规律，预报矿压显现的发展趋势，用以解决具体的生产技术问题。同时，在汇总大量监测数据与资料的基础上，总结出矿山压力的普遍规律，促进矿山压力理论研究的发展。由于现场监测获得的资料是反映多种因素综合作用下的实际情况，利用这些较为可靠的资料论证分析，就可以解决某个矿井或某个采煤工作面的具体矿压问题。（二）、矿压监测的目的和任务矿压监测的主要目的和任务是：1、掌握采场上覆岩层运动规律，确定需控岩层，建立采场支架与顶板相互关系，进行老顶来压的监测预报。根据采场顶板来压的特点提出合理的顶板管理措施，如支护方式、支护强度、回采工艺等等，为工作面安全、高效创造良好的技术条件；2、划分采场煤层直接顶的类别和老顶的级别，为支架选型和确定其合理技术参数提供依据；3、对正在使用的新型支护的适应性进行考察。即从矿山压力控制的角度对在既定条件下使用的支架从型式、特性、参数和使用效果等方面进行适应性评价。提出合理的支架结构、架型、工作阻力、支柱可缩量等；4、研究分析采场底板破坏规律。对工作面底板进行分类，并提出松软底板控制技术措施，达到提高支护质量的目的；5、研究掌握采动影响和支承压力分布规律。包括改进相邻采区或近距离煤层的开采顺序、确定煤柱的合理位置和尺寸，确定回采巷道断面形状、规格、及支架参数，确定煤壁前方巷道加强维护范围、沿空留巷和沿空送巷的支护措施、确定采场端头支护技术措施等，以便保证安全生产，提高资源回收率，提高技术经济效果；6、掌握巷道围岩活动规律，实现围岩控制的科学化。包括:选择巷道开掘的合理位置和时间，确定围岩松动范围，研究巷道围岩变形规律，进行围岩稳定性分类，确定合理的巷道支护型式、支架参数，对巷道、硐室的稳定性进行监测预报；7、对采用采掘新工艺、新技术(包括新采煤方法、新支护型式、新工艺组织等)进行资料积累，从矿山压力角度对应用效果提出评定性意见，例如研究和评价厚煤层放顶煤开采的顶煤可放性；8、对采掘工作面进行支护质量监测。其任务包括:监测日常生产过程中支架工作质量、围岩活动状况、不安全隐患情况等与安全生产有关的技术因素，监测和评价支架的井下实际支撑能力，以达到保证采掘工作面支护质量良好，安全生产可靠的目的，在保证采掘工作面顶板安全的前提下充分发挥支架的有效工作阻力；9、解决矿山压力与围岩运动控制方面的难题。监测分析采场矿山压力分布和围岩运动规律、巷道大变形特性，从矿山压力与围岩控制原理出发，提出采场坚硬顶板和破碎顶板的控制技术、软岩和动压巷道大变形控制技术等；10、研究冲击地压等矿井动力现象的综合防治技术。包括冲击地压的监测、危险区域的确定、煤层注水和松动爆破措施的制定，开采解放层的设计等。（三）、现场矿山压力监测步骤1、准备工作监测准备工作一般包括：收集监测工作面内的地质、生产技术资料；根据监测目的和任务确定监测内容；选定监测方案和测区布置系统；编制矿山压力监测计划；培训监测人员；准备矿压监测仪器和工具及井下监测所必须的数据记录和整理表格等等。收集监测范围内的地质及生产技术资料，对监测预报过程中数据分析整理有指导作用。地质资料一般包括:围岩性质及柱状，分层厚度及力学特性;围岩地质构造:煤层赋存情况及对开采的影响程度；围岩节理、裂隙发育情况。生产技术资料一般包括:工作面或巷道技术参数；开采方式、支护形式及参数；支架型式及性能；邻面开采情况；生产作业方式等等。具体内容应根据监测目的和分析需要来确定。矿压监测计划是现场矿压监测研究工作的准则，编制矿压监测计划是现场矿压监测研究的主要工作之一。矿压监测计划包括以下内容：监测区域的地质及生产技术条件；矿压监测的目的及任务；测区布置、监测内容及方法；监测效果预计；监测工作制度；监测记录表格及资料整理表格设计。回采工作面矿压监测主要指标有：三量观测、超前压力和巷道变形量观测、顶板破碎度的观测、统计观测（包括片帮、支架接顶情况、顶板冒落情况等。2、日常监测预报现场矿压监测工作要确保数据的可靠性、准确性、连续性和及时性,监测工作人员必须做到以下几点。(1)了解矿压观测工作的目的、意义和任务，掌握基本的矿山压力监测方法，具有较强的责任心，诚实细心地测读每一个测量数据；(2)正确使用矿压仪器仪表。仪器仪表安装、测读必须符合要求,保持监测资料的连续性和准确性；(3)明确所监测数据的用途，测取最有代表性的观测数据，即最能为观测目的和任务服务的数据；(4)观测数据必须在井下及时记录，对于特殊情况或必须说明的问题，应在备注栏内记录清楚，对典型矿山压力现象应附有现场实际素描草图；(5)连续观测时，要严格执行井下交接班制度.本班记录交给下一班，以便连续记录。上班记录及时带到井上交资料整理人员，并说明监测情况；(6)如果在井下监测中，发现监测仪器不正常或顶板异常，应及时向负责人汇报，以便及时处理。正常的矿压监测阶段，要及时初步整理观测资料，以便发现和检查观测中所存在或出现的问题，发现资料缺少时应及时进行补测。同时及时掌握监测过程中的矿压显现和岩层运动规律，预报矿压显现情况。必要时，可以发出矿压监测简报，指导生产。特别是进行老顶来压监测预报时，应及时分析顶板活动状态及支承压力分布情况，来压前夕发出预报，及时为生产服务。整理资料时要实事求是，不许对原始资料进行随意涂改，以保证井下原始资料的真实性。日常资料整理一般应及时绘制各种矿山压力监测曲线图。3、矿压监测的技术总结现场矿压监测完成一个阶段后(如完成一个采场的监测工作或一条巷道的监测工作以及某一专项监测工作)，要对监测资料进行系统的整理、分析。在平时资料整理的基础上，按数理统计方法分析规律，对监测内容按不同地质条件和生产技术条件进行对比，从中找出各矿压参数之间以及矿压参数与地质及生产技术因素之间的关系。从局部到整体，从现象到本质，阐述所监测采场或巷道的矿压规律。对所监测采场或巷道从工艺、支护、矿压规律、围岩适应性等方面给予评价和建议，并依此提出围岩控制的合理技术方案。汇总编写成矿压监测报告。三、综采（高档）工作面矿压观测（一）综采（高档）工作面矿压观测内容和方法1、综采（高档）工作面支架初撑力和工作阻力的观测：综采工作面必须安装能够24小时或以上的连续记录测试液压支架初撑力、工作阻力的仪器、仪表，及时进行监测。该仪器采用机械式、电子式或在线监测均可，其测线布置为：当工作面长度小于等于150米，至少按“三区五线”布置，即头、中、尾三个测区，头和尾各设置一条测线，中部三条测线；当工作面长度大于150米，至少增加两条测线，即在头中部、尾中部增加两条测线，或每10架设置一条测线。为了保证提高初撑力，每个支架应按压力表，机械式或电子式均可。高档工作面有切顶墩柱的必须安装能够24小时或以上连续记录测试液压支架初撑力、工作阻力的仪器、仪表，及时进行监测。该仪器采用机械式、电子式均可，其测线按“三区五线”布置，即头、中、尾三个测区，头和尾各设置一条测线，中部三条测线；单体支柱每10m一条测线，用监测单体支柱的压力表测试其初撑力和工作阻力。2、支架（支柱）活柱下下缩量的观测：采用测尺或钢卷尺及电子式（位移传感器）测量支架（支柱）活柱下缩量。一般综采（高档）工作面只监测压力，即监测初撑力和工作阻力，对于顶板来压时顶板下沉量比较大的综采（高档）工作面则应监测支架活柱下缩量。3、端头和超前支护工作阻力和初撑力的观测：综采（高档）工作面端头和超前支护必须有监测单体支柱压力的仪器、仪表，及时检查单体支柱的初撑力和工作阻力。对于端头和超前矿压显现不明显的用单体支柱压力检查仪即可；对于端头和超前矿压显现明显的，应安装24小时或以上的连续记录仪，以便进行分析。4、巷道变形量的观测：对于回采巷道变形较大的还应进行巷道变形量的观测，采用基点法或巷道围岩变形仪进行观测。5、统计观测：统计观测内容包括：端面距、工作面悬板和古塘塌落情况、机道顶板情况、煤壁片帮、支架（支柱）状况、支架（支柱）接顶、端头支护、超前支护等。这些观测应对时间和位置详细记录。综采支架压力计算机监测系统(1)用途它是一种适用于煤矿安全高效工作面综采支架压力参数进行远距离监测的分布式在线监测系统。(2)系统结构系统组成结构见图1-5。系统分井下、井上两大部分，井下部分包括：工作面压力分机、通讯分机、本安电源、通讯电缆等，工作面内可连接1-46个压力分机，分机之间有专用电缆串联至通讯分机，通讯分机的输出数据信号通过电话通讯线路发送至井上。井上部分包括：接收机、计算机、打印机等。接收机内置数据收发单元完成数据存储和与PC计算机的数据通讯，接收机输出信号与PC计算机的RS-232接口连接。(3)技术指标巡测周期：≤5S通讯方式：异步串行通讯，1200bps系统分机容量：1～32台（0～128个测点）通讯距离：1Km巡测精度：2.5%传感器量程：0～60MPaZYDC-1综采支架压力计算机监测系统工作面支架测点超前支护上8503工作面顶板动态仪测点巷道断面收缩测点超前支护阻力测点运输顺槽轨道顺槽（二）综采（高档）工作面矿压观测监测数据及整理分析总结1、观测的目的、项目和方法：说明观测的主要任务、项目、采用的仪器、测站设置、观测方法及记录整理方法等。2、测区地质和生产技术条件：①说明观测工作面的地质条件:煤层名称，采高,顶底板岩性、厚度、岩石强度、裂隙及构造发育情况，倾角、采深等（附柱状图）。②说明观测工作面的开采系统、开采要素、工作面周围的回采状况与采空区的相对空间关系等（附采区平面图）。③说明观测工作面的支架（支柱）型号及参数、支架规格、采煤机型号及工作方式、控顶距、端头支护方式及劳动组织等（附支架总图及主要技术特征表）。3.日常数据整理与分析综采支架压力计算机监测系统记录的P-t曲线包含了很丰富的内容。但直接看记录曲线很不直观，必须加以整理和计算才能成为研究分析支架阻力变化规律的有用资料