采煤概论授课11矿山压力及其控制.ppt

2020/7/9,1,河南理工大学采煤概论精品课程,第四篇准备方式与采煤方法第11章矿山压力及其控制,2020/7/9,2,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,2020/7/9,3,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。,2020/7/9,4,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。,2020/7/9,5,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。,2020/7/9,6,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。,2020/7/9,7,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,2020/7/9,8,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,2020/7/9,9,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。,2020/7/9,10,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。,2020/7/9,11,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。,2020/7/9,12,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。,2020/7/9,13,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。,2020/7/9,14,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。,2020/7/9,15,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。,2020/7/9,16,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。,基本顶初次垮落L1--初次垮落步距,2020/7/9,17,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114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,2020/7/9,18,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。,2020/7/9,19,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。,2020/7/9,20,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115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,2020/7/9,21,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）。,,2020/7/9,22,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，成段拆断或产生许多裂隙，但不冒落仍整齐排列，形成裂隙带。其厚度根据实测一般为采高（煤层厚度）的7～17倍左右。由于裂隙带内岩层的性质和厚度不一致，所以各层的弯曲下沉量不同，这样必然产生离层现象。如直接顶比较厚，没有全部跨落，而直接顶的强度一般又小于老顶强度，因此，在直接顶与老顶之间也会产生离层。离层现象，往往可能产生冲击地压，引起工作面切顶、折断支架，造成重大事故。裂隙带岩层在水平方向上又可划分为三个区,2020/7/9,23,第二节工作面矿山压力的显现规律,A区从工作面前方30、40m开始到工作面后方24m，该区内顶板变形特点是水平位移剧烈，垂直位移微小，甚至有些情况下，顶板还会有上升现象。显然是由于工作面煤壁支撑使顶板呈张拉变形的结果，所以称煤壁支撑区。B区从工作面后方24m至30m左右，顶板剧烈下沉破断，且各岩层下沉速度由下向上逐渐减小，层与层之间产生离层，称为离层区。C区工作面后方30m以远，已断裂的岩块又重新受到采空区冒落矸石的支撑，由下向上各岩层的下沉速度逐渐增大，层间进人相互压实的过程称重新压实区。,2020/7/9,24,第二节工作面矿山压力的显现规律,由此可见，A区和C区的岩层分别为煤壁（刚性体）和矸石（柔性体）所支撑，B区的岩层则离层悬空，说明工作面的覆岩中存在着某种“结构”使之实现平衡，而工作面在这种“结构”保护下完成采煤作业过程。工作面支架的任务，就是有效地控制矿山压力并尽可能使其上覆岩层不离层，尤其是直接顶不离层。为此，要求支架有足够的支撑力（工作阻力）和一定的可缩性。支撑力大，可减少上覆岩层下沉量，从而减少离层的可能性，但是支撑力再大，也不可能避免上履岩层的挠曲下沉。因此，要求支架有一定的可缩量，否则支架会被压断。为避免支架折断而产生离层，要求支架可缩量与顶板下沉量一致。三弯曲下沉带裂隙带上方直到地表的岩层为弯曲下沉带，这部分岩层不产生裂隙或仅产生极微小的裂隙，并在采空区上方的地面形成一个比开采范围大的空间。,2020/7/9,25,第三节工作面支架的结构、性能和选择,为了保证回采空间的安全，对工作面显现的矿山压力，必须有效地控制。工作面支架就是控制矿压的一种结构物。按支架的组合形式，工作面支架可分为两类单体支架和液压自移式支架。一、单体支架单体支架是指，由单体支柱与横梁或柱帽组成的支架。前者称为悬臂支架或棚子支架；后者称为带帽顶柱（点柱）。常用的支柱有木支柱、刚性金属支柱、摩擦式金属支柱、液压支柱。常用的横（顶）梁有木顶梁和金属顶梁。,2020/7/9,26,第三节工作面支架的结构、性能和选择,木支柱的工作性能差、利用率低、消耗量大、且资源有限，因此使用很少。刚性金属支柱是由钢管或钢轨加工制成，本身无缩性，工作时顶部的木质柱帽，具有较小的可缩性。一般只适用于极薄煤层，或顶板下沉量极小且煤层厚度变化不大的薄煤层。摩擦式金属支柱有两种急增阻式的HZJA型；微增阻式HZWA型。,2020/7/9,27,第三节工作面支架的结构、性能和选择,HZJA1--柱体；2--活柱；3--顶盖4--锁箍5--水平楔；6--底座,HZJA-1000型支柱工作特性曲线1实验室测定结果；22727井下测定结果,2020/7/9,28,第三节工作面支架的结构、性能和选择,液压支柱是利用高压油或乳化液来升柱支撑顶板。高压油（乳化液）由外部泵站供给，也可把油事先注入支柱内，再靠支柱本身内的油泵加压为高压油。前者称为外注式支柱；后者称为内注式支柱。,HZWA型金属支柱特性曲线ΔL1自动夹紧时的可缩量；ΔL2最大工作阻力时的可缩量；P0′初撑力；P0始动阻力；P1初始工作阻力；P2最大工作阻力,2020/7/9,29,第三节工作面支架的结构、性能和选择,升柱架设支柱时，液压支柱的初撑力可达7t～11t。当顶板下沉压缩下沿腔内的油时，支柱的工作阻力急增到额定工作阻力，此时，支柱有微小的压缩，如顶板继续下沉。当下油腔内的油压大于支柱的额定工作阻力时，安全阀打开，油外泄。活柱下缩。工作阻力略有下降，油压也随之下降，安全阀又重新交替启闭。这样，保证支柱工作阻力基本恒定，同时又能随顶板下沉而下缩，这种支柱又称为恒阻式支柱，它的特性曲线如图所示。,2020/7/9,30,外注式单体液压支柱图1顶盖；2三用阀；3活柱体；4油缸；5复位弹簧6活塞；7底座；8卸载手把；9--注液枪；10泵站供液；11注液时操纵手把方向；12--卸载时动作方向,单体液压支柱的工作特性曲线P0初撑力；P1工作阻力；ΔLY增阻期下缩量,HDJA型金属顶梁1接头；2梁体；3耳子；4销子；5调角楔,2020/7/9,31,第三节工作面支架的结构、性能和选择,单体液压支柱适用于倾角小于25的缓斜或近水平煤层，当采取可靠的安全措施时，可在25～35的倾斜煤层中使用，也可用煤层底板比较坚硬，抗压强度一般应大于20MPa的非炮采工作面。单体液压支柱应与铰接顶梁配套使用，不能与木顶梁配套使用。顶梁中使用最多的是金属铰接顶梁。顶梁一般利用15kg/m，18kg/m，24kg/m的矿用钢轨制成。,2020/7/9,32,第三节工作面支架的结构、性能和选择,二、自移式液压支架（液压支架）为了解决支护与落煤不相适应的情况，必须实行支护工作机械化。自移式液压支架就是一种维护回采空间的机械化支护设备。它以高压液体为动力，使支护顶板、移架、切顶、推移输送机等工序一起完成。实践表明液压支架具有支护性能好、强度高、移设速度快、安全可靠等优点。它与可弯曲输送机和采煤机为配合使用，就组成了回采工作面的综合机械化设备，实现了综合机械化采煤。目前国产的液压支架类型有BZZC型、TZ型、WKM400型、DM400型、ZYZ型、ZY型等。按液压支架与围岩的相互作用，可分为支撑式、掩护式、支撑掩护式三种。,2020/7/9,33,第三节工作面支架的结构、性能和选择,（一）支撑式液压支架这种液压支架是最早的一种类型，应用仍较广泛。按其构造与动作的不同，有垛式和节式两种。垛式液压支架的外形和作用好象木垛一样，矿称为垛式液压支架。它由顶梁1、立柱2、挡矸帘3、底座箱4、推移千斤顶5、操作控制装置等组成。垛式液压支架工作阻力大，侧向稳定性和切顶性能好，工作空间较大，易满足通风要求；但由于顶梁比较宽长，移加时顶板悬露面积较大，在直接顶破碎的条件下使用是困难的。节式液压支架由前后立柱、顶梁、底座组成一个框节。通常由两个框节组成一架节式支架，有时也可由三节或更多框节组成，故称为节式液压支架。各框节之间有一定的连接，移架时，主、副架互为支点，交错前移。与垛式比较，结构较灵巧、重量较轻、移架时顶板悬露面积较小、对顶板适应性较好；但结构复杂、稳定性差、维护费高。一般适用于中硬或较松软的顶板，厚度为0.6m～3.2m的煤层。,2020/7/9,34,图1113垛式液压支架1顶梁；2前梁；3立柱；4控制阀；5推移装置；6底座,图1114节式液压支架1前梁；2立柱；3底座；4千斤顶；5阀座；6弹簧钢带,2020/7/9,35,第三节工作面支架的结构、性能和选择,（二）掩护式液压支架这种支架一般由顶梁、掩护梁、底座、立柱、连杆、推移和操纵装置等组成。这种支架的顶梁较短，掩护梁较长，其上、下端分别与顶梁和底座铰接，而立柱一般是支承在掩护梁与底座之间，承受掩护梁上的矸石，故称为掩护式支架。这种支架防护性能好，尤其是破碎顶板情况下更为突出。但支撑力较小；切顶性能较差；工作空间较小，不利于操作和通风。（三）支撑掩护式液压支架实质上就是支撑式和掩护式的组合型支架。这以支撑为主，同时又有掩护作用，故称为支撑掩护式支架。它由较长的顶梁、较短的掩护梁、四根立柱组成。,2020/7/9,36,图1115掩护式液压支架1掩护梁；2顶梁；3立柱；4侧护板；5连杆；6推移千斤顶；7底座,图1116支撑掩护式液压支架1、2护帮装置；3前梁；4顶梁；5、6立柱；7掩护梁；8、9连杆；10底座；11推移装置,2020/7/9,37,第三节工作面支架的结构、性能和选择,（四）液压支架的选型影响液压支架选型的主要因素是地质条件（顶板的稳定性、岩性、厚度）；底板的稳定性；煤的厚度（采高）、倾角、地质构造、沼气含量和技术经济条件。如顶板不稳定，起伏不平，支架的整体顶梁不能有效地支撑顶板，这时就应选用铰接顶梁支架。根据顶板岩性的不同，可采用支撑式、掩护式、支撑掩护式。因为支架主要是支撑直接顶的重量，所以支架的工作阻力，决定于直接顶的岩性、厚度（重量）。因此，一般要求支架的工作阻力大于或等于4～6倍采高的直接顶的重量；支架的初撑力一般要求为工作阻力的20～40。为了避免顶板过早下沉，要求支架的初撑力大些为好，新型支架的初撑力可达工作阻力的80以上。,2020/7/9,38,第三节工作面支架的结构、性能和选择,支架的高度应与煤层厚度（采高）变化相适应。支架的最小高度，应根据煤层的最小厚度（采高）和周期来压时顶板最大下沉量来选择，即支架的最小高度应略小于煤层的最小厚度（采高）减去顶板最大下沉量。煤层的倾角，直接影响支架的稳定性，倾角增大，支架将发生下滑、翻倒。因此，当煤层倾角大于10时，就应安设防滑、防倒装置。工作面内，不应有落差大于0.6m的断层，如落差过大，支架迁移困难，往往工作面被迫搬迁。瓦斯含量大的煤层，支架断面（工作空间）就应满足通风要求，同时还应便于行人和操作。,2020/7/9,39,第三节工作面支架的结构、性能和选择,随着开采技术的发展，近年来国外出现各种新型支架，如履带式液压支架，能在顶底板之间带压移架，以适应松软顶板的特点；双输送机垛式液压支架，它具有伸缩顶梁和铰接后梁，以适应放顶煤采煤的要求；具有贴帮板的液压支架，以适应松软煤层片帮的要求。随着掘采机械的出现而产生的掘巷（迎面）采煤法、煤房采煤，国外研制了拱形钢梁和树脂锚杆支架，以适应这种采煤法的大断面巷道的要求。工作面支架，除上述单体支架和液压支架两类以外，在特殊情况下，如工作面冒顶、放顶、周期来压、遇到断层等，还可采用特种支架木垛、斜撑、抬棚、丛柱、排柱等。,2020/7/9,40,复习思考题,1．什么叫矿山压力2．什么叫矿山压力显现3．直接顶如何分类分哪几类4．基本顶如何分级分哪几级5．解释最大、最小控顶距，放顶步距的概念。6．什么叫支承压力工作面周围支承压力是如何分布的,