4.矿山压力及其控制（第四章）.ppt

矿山压力及其控制,主讲王家臣,第四章回采工作面上覆岩层活动规律,4.1概述在煤层或矿床开采过程中，一般把直接进行采煤或开采有用矿物的工作空间称为回采工作面或简称为采场。顶板位于煤层之上的岩层称为顶板。分为（1）直接顶（immediateroof）直接顶位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层；通常由具有一定稳定性且易于随工作面回柱放顶而垮落的页岩或砂页岩等岩层组成。也有人认为采空区冒落带内的岩层统属于直接顶。,（2）伪顶（falseroof）直接顶与煤层间厚度小于0.5m极易垮落的软弱岩层，它随采随冒。（3）老顶（基本顶，mainroof）直接顶上方（有时直接位于煤层之上）的厚而坚硬的岩层。一般由砂岩、石灰岩、砂砾岩等岩层组成。也有人认为冒落带以上的裂隙带岩层统属老顶。底板位于煤层以下的岩层。直接底直接位于煤层之下的岩层。,工作面回采过程中，必须对回采工作面进行支护，保证工作面有足够的作用空间和形态。同时对采空区要进行处理，目前对采空区的处理方法主要有以下几种。,其中全部垮落法具有回采率高、成本低、简单的优点，在条件适宜时，尽量采用这种方法。采用全部垮落法时，随着工作面推进，回采工作面空间形状变化见下图。,在煤体内形成回采空间，其上方的岩体部分重量则有支架承担，同时前方煤壁和采空区冒落的矸石也要承担部分压力。有时由于上位岩层的变化对支架也会产生压力。将这些原因对支架产生的压力常称为顶板压力或矿山压力。回采空间或巷道上方岩层中未破坏部分或未产生剧烈变形部分，或虽然岩层已破断但仍能整齐排列的部分，有时能形成岩体内的大“结构”。这种大结构能够承担上覆岩层重量，从而对巷道及回采空间起保护作用。根据实际测定，回采工作面支架所承受的力仅为上覆岩层的百分之几。但当工作空间维护的时间较长时，围岩不易形成稳定性结构。这种现象在巷道中极易出现，从而导致巷道围岩的“挤、压、臌”现象。对于回采工作空间，尤其是工作面推进较快时，这种时间影响因素就会变得次要，上覆岩层极易形成大“结构”。,4.2老顶岩层的稳定性4.2.1老顶岩层的梁式平衡当工作面自开切眼推进一段距离后，直接顶悬露达到一定跨度，采空区进行初次放顶，直接顶开始垮落，此时直接顶的跨距称为初次垮落距，初次垮落距的大小与直接顶岩层强度、分层厚度、直接顶内节理裂隙的发育程度有关。,岩层破碎后，体积将产生膨胀，破碎膨胀后的体积与破碎前的体积之比称为碎胀系数。岩石破碎后，在其自重及外载作用下，渐趋压实，碎胀系数变小，压实后的体积与原体积之比称为残余碎胀系数Kp′。,假设Δ0，则老顶呈悬露状态。类似板状结构，它的一边由工作面煤壁支承，另外三边则由煤柱支撑。当工作面倾斜长一般老顶沿走向的悬露长，所以可将老顶视为一端由工作面煤壁，另一端由边界煤柱支撑的两端固定的“梁”，即所谓梁的假说。此时若老顶之上的岩层强度较低，则上覆岩层的重量将通过老顶“梁”传递至两端的支点上，即煤壁和煤柱上。见下图分析。,,上面是按固定梁的计算结果，实际上两端的支承条件也有差异。如一侧的采空区已采完时，见下图，隔离煤柱上方的顶板已处于自由状态。因而更接近于简支梁支座。有些国家已将浅部矿井老顶按简支梁计算，认为浅部矿井岩层顶板由于两端煤体上集中压力较小，因而可视为简支梁支座，但在深部应视为固定梁。若为简支梁时，梁内的剪力分布与固定梁同，但弯距则不同。,4.2.2老顶岩层的板式结构分析随着回采工作面自开切眼开始推进，根据已采空面积的情况，如华北地区的一般条件，回采工作面长150～200m，推进30m左右，老顶岩层初次断裂。一般老顶岩层厚2～4m。按照薄板的假设，其厚度（h）与宽度（a）的比值h/a1/71/15。因此，可视老顶岩层为薄板，当老顶与上部岩层离层时更是如此。根据开采条件及边界煤柱大小，又可将老顶岩层假设为四种情况（a）四周固支（b）三边固支一边简支；（c）两边固支两边简支；（d）一边固支及三边简支。通过近似解法，可获得岩层板破断地一般规律。,以四周边固支的板为例，在长边的中心部位，弯距的绝对值最大。随着工作面推进，当达到一定值时，首先在此形成断裂，而后在外边的中央形成裂缝，待四周裂缝贯通后，板中央的弯距又达到最大值，超过强度极限而形成裂缝，最后形成X形破坏，见下图。对于其它支承条件时，其破裂过程与上述相近。,4.3老顶初次破断时的极限跨距梁式分析老顶岩梁达到断裂时的跨距称为极限跨距，可由材料力学方法求得。,显然，在同样条件下，由简支梁计算所得的极限跨距LlT要比固定梁计算所得的小。在一般情况下，由于弯距形成的极限跨距LlT要比剪切应力形成的极限跨距Lls小，因此常常按弯距来计算极限跨距。在什么条件下应按简支梁计算或按固定梁计算，需根据煤层赋存深度及边界煤柱两侧采空的情况来定。在采用刀柱法或房柱法开采时，为了保证工作空间顶板的完整性，刀柱或煤柱的间距应采用岩层梁的安全距Ls，此时，取岩层趋向断裂的安全系数为n，以顶板岩层的安全跨距Ls为固定梁时简支梁时一般取n6。,,,上述计算中，RT可由试验确定，h可由钻孔资料获得。关键是如何确定岩梁所受载荷q，一般煤层上方的岩层是由好几层岩层组成。因此，第一层岩层的极限跨距所应考虑载荷的大小，须根据各层之间的相互影响来定。下式表示n层岩层对第一层（最下面的岩层）影响所形成的载荷（qn）。,,,4.4裂隙体梁的平衡当老顶达到极限跨距后，随着回采工作面继续推进，老顶即发生断裂，断裂后的一般状态见下图。,整个顶板的破断方式可分为三个明显的区域，上、下区为圆弧形破坏，岩块间呈立体咬合关系。中部呈似梁的咬合关系，见A-A断面。但由于破断的岩块相互挤压，产生了水平力，这使中部又呈现出能传递水平力的拱的关系。这种表面似梁，实质是拱的裂隙体梁的平衡关系结构，称为“砌体梁”。,由于岩层的抗拉强度很小，老顶岩梁很可能先在两侧支座的上端裂开，而后在梁的中间底部开裂，随着岩块转动形成强大的水平挤压力，使岩块间形成了三铰拱式的平衡。见下图。,根据实验及力学分析，若破断岩块较多，则成拱的条件主要取决于原岩应力及岩块转动过程中所形成的水平挤压力的大小。水平挤压力较大时，仍然能使多个岩块挤压在一起，呈悬露状态。因此，并不是老顶岩梁刚达到断裂极限跨距，即发生垮落，它还决定于以下平衡条件。（1）结构的滑落失稳咬合处摩擦力的大小，即水平挤压力与该处摩擦系数的乘积，此力的作用方向与岩块滑落的方向相反，因而起防止岩块间相互滑落的作用。,若考虑到老顶岩层断裂时，断裂面与垂直面成一断裂角θ，则咬合点的关系见下图。,（2）结构的变形失稳这是指在岩块的回转过程中，由于挤压处局部应力集中，致使该处进入塑性状态，甚至局部受拉而使咬合处破坏造成岩块回转进一步加剧，从而导致整个结构失稳。见下图表示的岩块回转状态。,由此可求得在岩梁破断后互相咬合中间下沉量达时，即形成了岩块结构的变形失稳。由上述分析可知，岩梁在破断成岩块后，只要有一定的条件，它仍能形成外形如梁，实质是拱的平衡结构，保持着回采空间，使其不受上覆岩层的全部载荷。,4.5直接顶的稳定性直接顶是工作面直接维护的对象，直接顶经常处于破断状态，且无水平力的挤压作用，因而它难以形成结构，它的重量全由工作面支架来承担。从岩体形成结构的观点来分析，对于老顶形成的大结构，支架是通过直接顶对其起支撑作用。因此，直接顶的完整情况，将首先影响到工作面生产的安全，同时也是保证支护能否全部发挥其性能的重要保证。从顶板事故的现场统计看，许多顶板事故是由于直接顶与老顶产生离层，然后由直接顶引起推垮型事故（单体柱），因此应研究直接顶与老顶间形成离层的条件。,4.5.1直接顶岩块离层原因分析（1）节理、裂隙的切割一旦支护工作出现疏忽，均可导致直接顶局部冒落。（2）岩性原因初次放顶前，由于直接顶的挠度大于老顶,此时老顶处于板的悬露状态。直接顶强度较弱，岩层较薄，而产生二者离层。（3）采用单体支护时，第一排支柱刚支设时，初撑力较低，液压支架时，由于无支护空间较宽，又由于前梁的支撑力较小，因而常常形成机道上方顶板离层。,（4）工作面较短时，老顶常处于悬露状态，挠度甚小，直接顶的挠度常大于老顶而形成离层。类似于初次放顶前。（5）分层开采工作面，第一分层采出后，冒落的顶板将重新压实。根据采空区内垂直应力重新分布的规律，在采空区四周将形成减压区，从而在采下分层时，此减压区内将形成直接顶岩层的离散状态。,4.5.2初次放顶前直接顶的离层与断裂,粗略地讲，当直接顶厚度小于老顶厚度，均易形成这种离层。当然这种离层分析的条件直接顶必须有一定强度，并不是随开切眼推进而冒落，其次是冒落后的直接顶不能填满采空区。这样直接顶岩块间无水平力联系，从而形不成结构。这些均是形成直接顶初次放顶时失稳的条件。考虑到初次放顶前支架支撑力的作用，则不致于形成离层的条件改为式中p为支架单位面积的支撑力。通过类似前述的推导，有即支架支撑力达到上述条件可保证直接顶与老顶不离层,,,4.6回采工作面上覆岩层移动概况老顶垮落后，采空区上方的岩层一般都要产生移动，见下图为典型的地表岩层移动图。,认为，断裂面上任意一点C所处的应力状态均为极限应力状态。岩层移动主要是研究开采后引起的地表变形与破坏规律。由于煤层开采后形成的采空区大多数为长方形，而老顶岩层的破坏因长方形的角效应影响而呈椭圆形，因而地表移动盆地均为椭圆形，且比采空区面积要大。,‘开采水平或近水平煤层时，移动盆地位于采空区正上方，而且盆地中心对应着采空区中心，即中心点是垂直下落的。对于倾斜煤层，见下图。最大下沉点有下滑落趋势。,采空区面积相当大时，盆地形成平底“盆状”，盆地内最大下沉处不是一条线而是一个面。当采空区宽度导致地表最大下沉处由线变为面的临界值称为开采的临界宽度，此时地表得到了充分采动。反之，如果开采面积不够大，盆地呈尖底“碗状”。此时说明地表没有得到充分采动。随着开采宽度增加，地表下沉值还将继续增加。随着开采宽度增加，地表下沉值会相应增加。见下图。,回采工作面矿山压力显现主要研究开采后煤层上方顶板的活动规律。通过钻孔观测，可了解到回采工作面上覆岩层的破坏与移动情况。通常将上覆岩层按破坏和移动的情况分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。见下图所示。,冒落带破断后的岩块呈不规则垮落，排列极不整齐，松散系数比较大，一般可达1.3～1.5。但经重新压实后，碎胀系数可降到1.03左右，很多情况下为直接顶岩层冒落后形成。裂隙带岩层破断后，岩块仍然排列整齐的区域。它位于冒落带之上，由于其排列比较整齐，因此碎胀系数比较小。为了研究上覆岩层情况，尤其是在煤层开采后裂隙带岩层的运动规律，在我国阳泉、开滦范各庄及大屯孔庄等矿进行了深基点观测，所得结果大同小异。右图是推测图。弯曲下沉带位于裂隙带之上，一般主要是由弯曲变形而形成。对于埋深较浅煤层而言，可延伸到地表。,为了研究上覆岩层情况，尤其是在煤层开采后裂隙带岩层的运动规律，在我国阳泉、开滦范各庄及大屯孔庄等矿进行了深基点观测，所得结果大同小异。右图是推测图。,同时也可将上覆岩层沿推进方向进行分成三个区见右图A煤壁支撑影响区;B离层区;C重新压实区。,