第4章采煤工作面矿山压力显现规律

本章介绍：矿压显现指标老顶初次来压、周期来压顶板压力估算影响矿压显现的因素放顶煤开采矿压显现规律第四章采场矿山压力显现基本规律第一节矿压显现指标一、矿压显现：在矿山压力作用下，煤岩体及支护物所表现出的种种力学现象。二、矿压显现指标：1、顶板下沉S（mm）——煤壁到采空区边缘范围内顶、底板间相对位移。2、顶板下沉速度V（mm/h）——单位时间顶板下沉量。3、支柱变形与折损——观察喷液、下缩、压裂、折断等。4、顶板破碎度——单位面积中顶板冒落面积所占百分比。5、局部冒顶——小范围顶板垮落。6、大面积冒顶——顶板沿工作面煤壁切落。工作面顶底板移近曲线1—顶板绝对下沉曲线；2—顶板相对移近量（下沉）曲线；3—底版臌起曲线第二节老顶初次来压一、初次来压的形成：初采——初次放顶——老顶悬露跨度增大——老顶断裂——形成平衡结构——失稳——初次来压初次来压——老顶初次断裂或或垮落前后工作面的矿压显现称为初次来压（老顶平衡结构第一次失稳而施加给工作面以大型压力的过程）。初次来压步距——第一次来压时，工作面距开切眼的距离（推进距离）。二、初次来压时矿压显现特点：1、来压前，顶板压力无明显增大；2、煤壁内部支承压力增高，煤壁片帮严重；3、顶板有板炮声响；4、顶板下沉速度急剧增加，由1mm/h到5～20mm/h；5、支柱载荷急剧增加；6、顶板出现切断（直接顶沿煤壁切断）。三、预防措施：初次来压前无明显征兆，工作面顶板压力不大，致使支架稳定性差，来压猛，易造成顶板事故。1、增大支撑力2、增加稳定性3、加强矿压观测及地质、开采资料4、加强日常支护质量管理。四、来压条件：1、有老顶存在；2、直接顶垮落后不能充填满采空区。五、初次来压步距和来压强度影响因素1、老顶的力学性质、厚度、破断岩块之间的相互咬合情况；2、地质构造。第三节老顶周期来压一、周期来压的形成：初次来压——老顶悬顶跨度增大——老顶断裂——平衡结构——失稳——周期来压。周期来压——老顶平衡结构周期性失稳而施加给工作面以大型压力的过程。周期来压步距——两次来压期间工作面推进距离。（周期来压步距=1/2初次来压步距）二、周期来压时的矿压显现：1、顶板下沉量急剧增加；2、支柱载荷普遍增加；3、煤壁片帮严重；4、当支撑力不足时，工作面回出现台阶下沉；5、如果支护参数选择不合理，会发生冒顶、切顶。（周期来压显现一般较初次来压时有所缓和）三、预防措施：同初次来压，同时加强统计观测。煤（矿）层采出后，在围岩应力重新分布的范围内，作用在煤（岩）层和矸石上的垂直压力。支承压力来源于重量。支承压力分布范围将包括高于和低于原岩应力的整个区域。在单一自重应力场条件下,若煤（岩）层水平赋存，则其支承压力的分布见图4.1所示：第四节采场围岩支承压压力分布规律一、支承压力及基本概念上覆岩层运动状态与支承压力分布ss3s2s1L3=L4=...=LnL2L1m4m3m1m2s1ss3s2s1L3=L4=...=LnL2L1m4m3m1m2s11）支承压力大小表达式直接覆盖岩梁的单位重量直接覆盖岩梁悬跨度部分传递至该处的作用力niniixiiiiiyCLmm11niiim1来源2）支承压力与支承压力显现的关系支承压力的存在是绝对的。支承压力的显现是支承压力作用的结果，就其显现的形式和程度而言，则是相对的，有条件的。4.1.2采场支承压力分布的基本规律在工作面中部沿走向作一剖面，（如图4.2所示）。其分布的基本规律：回采工作面前后方支承压力的分布可分为四个区域，即工作面前方的原岩应力区（A）、应力增高区（B）、工作面后方的应力降低区（C）和应力稳定区（D）。ABCDⅠⅡⅣⅤKHHH在工作面采空区沿倾斜作一剖面，（如图4.3所示）其分布的基本规律：即在采空区存在应力降低区C，煤柱上存在高应力区B2，以及上一个工作面采空区的压力稳定区D。AB1CB2CDHHHK1HK2HA－原岩应力区；B1、B2－应力增高区；C－应力降低区；D－应力稳定区影响因素原岩应力、采空区的形状和尺寸、采空区上覆岩层的性质及动态、煤柱的强度及其周围采动状况以及煤层的开采厚度等。图4.2采煤工作面前后方的应力分布ABCDⅠⅡⅣⅤKHHHⅠ－工作面前方应力变化区；Ⅱ－工作面控顶区；Ⅲ－垮落岩石松散区；Ⅳ－垮落岩石逐渐压缩区；Ⅴ－垮落岩石压实区；A－原岩应力区；B－应力增高区；C－应力降低区；D－应力稳定区图4.3已采区及其两侧煤柱的应力分布AB1CB2CDHHHK1HK2HA－原岩应力区；B1、B2－应力增高区；C－应力降低区；D－应力稳定区两侧煤柱的应力分布图4.6正常推进阶段支承压力分布（a）（b）正常推进阶段支承压力分布图4.6正常推进阶段支承压力分布123b（c）21bacc（d）岩梁端部断裂前夕岩梁断裂结束时x第四节顶板压力的估算顶板压力是工作面支护设计的一个重要参数。一、估算法：1、经验估算法：实质——以直接顶沿煤壁断裂、老顶平衡结构失稳时最不利状态作为顶板压力估算的依据（最大可能载荷）。1）直接顶载荷：LhLhQ11hq11q2）老顶载荷：（按直接顶载荷的倍数估算）经大量观测，最大压力时也不超过平时的2倍。故：因且所以有：即：顶板压力相当于4~8倍采高岩柱重量。hhnqqp2212q1pKMh5.1~25.1pKMKMpp4~2212Mp8~42、从老顶结构平衡关系估算：实质：直接顶载荷全部由支架承担，老顶载荷仅当老顶结构失稳时产生。（失稳：滑落失落、变形失稳）1）滑落失稳估算：老顶载荷=两岩块重量-咬合处摩擦力tan200HQLQFiiBA2）变形失稳估算：支撑力与顶板下沉量为双曲线关系：即：式中：——实测顶板下沉量；——要求控制顶板的下沉量；——顶板下沉量为时，老顶的作用力。PhEiPih0h0K实测要求00hKhPiEiTTEEELKLmK000hhKPiEi0hih0K0hTLELEmE（承载系数）3、威尔逊估算法：实质——只估算直接顶载荷，载荷与支撑力不同线，从而有附加载荷。的大小受直接顶垮落角的影响。所需支撑力P依据直接顶形状，按照力系平衡求出。二、实测法3Q3Q第五节影响采场矿山压力显现的主要因素一、采高与控顶距：图中：L——控顶距So—顶板最终下沉量SL—控顶范围内最大下沉量Lo—弯曲老顶前后最大曲率点间距有：且：00Khhms00LsLsL故有：因为故：即：其中0000LLKhhmLLssL1PKmhLmLKKLLKmKKmmsppPL0000111111LmLKKKsppL0011LmsL0011LKKKpp由（硬岩取小，软岩取大）顶板下沉量与采高、控顶距成正比；采高增大，上覆岩层活动范围大，不易形成平衡结构；采高增大，煤壁不稳定，矿压显现严重；控顶距增大，顶板稳定性差。二、工作面推进速度及工序：1、推进速度影响=时间对顶板下沉（变形）的影响。加快推进速度减少控顶时间减少无工序下沉量。对破碎顶板，加快推进速度，可改善顶板状况。LmsL05.0~025.02、工序影响：落煤引起顶板下沉速度增加；放炮影响范围：上、下15m，剧烈区上、下5m放顶引起顶板下沉速度增加；影响范围：上20m下10m剧烈范围：上15m下5m落煤、放顶——改变顶板支撑条件，顶板移动加强。注意：加快推进速度，不能减弱工序对顶板下沉的影响（“甩”掉矿压）。当顶板比较破碎时，加快推进速度可改善顶板状态。落煤、放顶两工序要相距10—15m以上。三、采深：片帮几率↑H↑→γH↑→KγH↑塑性增强，变形↑支架载荷↑弹性能↑采深对巷道影响很大，对回采工作面影响不明显。原因：巷道位于高应力场内，围岩承受高应力作用，变形增大。工作面顶板在上覆岩层平衡结构保护之下，受力变化不大。四、倾角：垂直层面应力↓冒落矸石充填方式改变矿压规律；影响顶板“三带”形态；俯斜开采时容易形成平衡结构。顶板下沉量↓支柱载荷↓五、分层（网下）开采矿压显现：顶板已遭受一次破坏1、分层顶板特点再生顶板碎胀系数减小平衡结构内老顶岩块跨度小顶板下沉量增大2、矿压显现特点支架载荷减小（动载荷小）老顶来压步距小、强度低六、放顶煤开采矿压显现：1、放顶煤开采影响本质——采高大、厚煤顶。2、矿压显现特点（据唐山矿观测）：前方支承压力峰值高、距工作面远（16—24米）；（采高大，顶板活动范围大，平衡结构高远）顶、底板相对移近量大（4.4m处达1.2m）；（采高大，老顶移动倾斜度大，顶板移动量大）顶煤在煤壁前方较远处开始较大位移（垂直、水平）；（煤体受压，产生塑性变形，垂直缩，水平伸）支架载荷、周期来压强度较小。（支架顶部煤体起到缓冲作用）急倾斜开采、分层上向开采、放顶煤开采等矿压显现规律目前资料较少，尚需进一步探索研究。