关于采煤工作面周围压力及其显现规律.pdf

科 菟论谈 圆 关 于采 煤工 作面 周围 压力 及其 显 现 规 律 在井下 冒顶事故中 ， 有 很大一部分发 生在 回采工作面。冒顶事故的发生情况是 多种多样 的 ， 但其 根本 原因在于工作面周 围矿 山压力的活动所造成 的。为此我认为 必须对采 煤工作 面周 围矿 山压及其 显现 规律加 以了解和掌握。 煤层顶底板构成 和顶板管理方法 一 、煤层 顶底板 大多 由页岩 、 砂 质 页 岩、 砂岩或石灰岩 组成 ， 在近水平 、 缓倾斜 和倾 斜煤 层 ，主要是考虑顶板 的活动 ， 即 控制或管理顶板 的同题 ， 但是也要考虑底 板的性质和活动 。一般根据顶板是否容易 垮落和离层的远近分有伪顶 、 直接顶和老 顶 。 伪顶 紧贴在 煤层之 上 ， 随着 落煤 易 于脱落的厚度不大 0 _ 3 o ． 5 米的岩层 。 老顶 在直接接顶之上 ， 一般 较厚 ， 较 坚硬 。 回采工作 面随着 采煤 ，煤 壁向前 推 进 ， 必 须由支架 维护一定 的空 间 ， 以便铺 设运煤 、 采煤 机械 ， 以及满足运料和行人 ， 通风 的需要 。这个 空间沿走 向 有 时沿倾 向 的距离 ， 称 为控顶距 。控顶距为外的采 空空间 ， 必须加 以处理 ， 以利 于回采工 作 空间顶板的维护。 随着采煤 工作 和采空 区处理 工作 不 断进行 ； 工作面控顶距有最大 控顶 距和最 小控顶距离变化。 处理采空 区办法有如下几种 1 、 全部 垮 落法 即随着 采煤 ， 除了最小 控顶距 范 围内的支架 以外 ，把采 空区的支架拆 除， 让直接顶 自行垮 落 即回柱放顶 。垮落下 来的矸石 ， 自行填采空区。2 、 充填法 即由 地 面或井下采集充 填材料 ， 把采空 区全部 或部 分充填起 来 ， 支撑 直接顶板 ， 不使 其 破坏垮落 。3 、 刀柱管理法 即在采 空区保 留煤柱支撑难以垮 落的直接顶的办法。 4 、 缓慢 下沉 法 即采过 的空间 回柱后 ， 顶 板 岩层不 冒， 但 能挠 曲下沉。 二 、 采煤工作面矿压显现 的一般规律 地下岩层 在开掘巷道前 ， 上部 岩层的 重量 压在下部 岩层上。在均质的岩体 内 ， 一 定 深度 的岩体 的某 一点都普 遍地受 到 重力 的作用 ， 同时产生周 围岩体对 它的侧 向挤 压力 ， 这些力 ， 相互处于平衡状态 ， 因 而该点岩体 即不会变形也不会发生移动 。 这种状态称为处理原始应力状态。开掘巷 道或开采 以后 ，破 坏了原来的压力状态 ， 引起 了岩体内部 的应力重新分布。当重新 分 布的作用 力超过煤 、 岩的强 度时 ， 巷 道 或采煤工作面 周围的岩体将发生变形 ， 破 坏 以致 冒落。所谓矿 山压力就是指开采后 在巷 道和 回采工作 面周 围岩体 内引起 的 力及其作 用过程 。在矿山压力 的作用下引 起顶板下沉 和垮落 、 底板 隆起 、 煤壁片 帮、 支架 变形 和破坏 、 充 填物沉 缩 、 岩层 和地 双 鸭 山矿 业 集 团 集贤 煤 矿 宋 作福 表 移动 、 煤 的挤出 、 冲击 地压等 等一 系列 现象 ， 这一系列现象统称为矿压显现 。 在煤层 中开掘 开切 眼后 ，开切 眼周 围的煤岩体 内的原始应力状态受到破坏 ， 发生应力 更新 分布 。开切 眼上方岩体 重 量 由两侧 煤 壁承担 ，因此在 两侧煤体 的 一 定范 围内 ，产 生 了应 力集 中现象 ，称 为支承 压力 。采 煤工作 面 自开切 眼向前 推进 ，工作 面煤壁前 方一定 范围 内的支 承压力带 ，将 随着工作 面前 移而 向前 移 动 。而且随 着直接顶 的暴 露面积不 断增 大 ，采煤 工作 面煤 壁前方 的支承压 力也 不断增 大 ，采 煤工作 面煤 壁前方 的支承 压力 也不断 增大 。采 煤工作 面上 的支架 承受 的压力 也会增长 ，当直接顶悬 露 的 面积增 加到 极限值 时 ，支架 负担很 快 的 增加 ，将会 发生 冒顶 事故 。这就 要撤 出 一 部 分支架 ，让直 接顶垮 落 。采 用磨擦 式金 属支柱 时 ，随着工作 面推进 ，支柱 要顺次撤 回，这 时顶板 完全 处支撑状态 ， 因此 随着悬 顶面积 的增加 ，直接 顶就会 自动 垮落 。如直接 顶 比较 坚硬不 自行垮 落 ，就需要 向顶板 上打跟 放炮 “ 强制垮 落 ” 。 直接 顶大 面 积垮 落 ，叫 做初 次放 顶 。初次放 顶时工 作面从 开切 眼推进 的 距 离 叫做 初次 放顶 距 ，一般 为 1 0米 左 右 。由于初 次放 顶是直接 顶 的大 面积垮 落 ，容易发 生 冒顶事故 ，必须加 强安 全 措施 。 如果垮 下来的直接顶厚度 比较大 ， 垮 落后 的矸石 能填满采空区 ， 支撑住其 上的 老顶时 ， 老顶及上覆岩层 的重量一部分 由 这种破碎堆 积的矸石承担 ， 碎矸 承压后要 沉缩降低 一定 高度 ， 老顶 和上覆岩层 可能 呈现一定的弯曲而沉落在压实的碎矸上。 即在工作 面煤 壁前 方有支承压力区 ， 工作 面工作空 阔及一部分采 空区处于减压 区， 而在距工作 面一 定距离 的采 空区 内也 出 现高 于原始应力的支承压力 。在这三个区 域 的地带 的处于原始应力状态。随着工作 面推进 ， 这 三个 区域也随之 向前移动 。 煤壁前 方的 支承压力 区 内应 力集 中 的程度 ， 常用支 承压力 区的最 大应力和原 始应力 的比值 即应力集 中系数 K来表 示 。K值和支承压 力区的范围以及支承压 力 区内最 大应力距煤壁的距离等值 ， 随着 开采深度 ， 顶板岩层 的组成 和岩性以及煤 的软硬等情况不同而变化很大 。 工作 面工作空间虽然处于减压 区 ， 但 是在悬露的直接顶重量 的作用和老顶挠 曲 作用下， 工作 面支架仍然承受着压力。 工作 面顶板的压力大小 ， 除 了受 直接顶厚度 ， 破 碎后体积膨胀性能 ，老顶的力学性质等 因 素影响外 ， 还 同控顶距 的大小 、 支护方式 、 支架性能 、 架设质量以及割煤 、 放顶等生产 过程等因素有关。 控顶距大 ， 支架的支撑力 不够 ， 架设质量以及规格质量差 ， 都会捉使 工作面的顶板压力增大。 顶板条件恶化 ， 甚 至发生冒顶事故 。 落煤、 放顶工序对工作面 顶板压力 的影响 ，实际上是反映了控顶距 的变化对顶板压力的影响。 当容易 垮落 的直接顶 厚度较 小 ， 一 般 小于采 高的 2 - 4倍 时 ， 垮落 的矸石 不 能填 满采 空区 ， 其上 的老顶就悬露在采空 区上 。随着工作面推进 ， 老顶的悬露面积 不断 扩大 ， 当老顶本 身重 量和上覆岩石层 重量 超过老顶的强度极限 时， 悬顶就地折 断而垮落。从开切眼开始 ， 老顶第一次大 面积垮落 。叫做老顶的第一次垮落。 采空区老顶的这种初 次垮 落 ， 会使 工 作 面压力突然增大 ， 这就是工作面 的初 次 来压。 工作 面初 次来压 进 ，一 般具有 以下 特点 1 、由于老顶剧烈活动 ，迫使工作 面顶板 下沉 量和下沉 速度 急剧增 加 。2 、 老顶 的活动 和顶板 下沉 的急剧增 加 ，使 支架受 力猛 增 ，顶 板破碎 ，并 出现平 行 煤壁 的裂缝 ，甚至 出现工作 面顶 板 台阶 下沉 。3 、由于老顶悬鼯跨度增大 ，煤 壁 内 的压 力过 度集 中 ，致 使煤 帮破 坏范 围 扩大 ，加上 老 顶断 裂 时顶 板急 剧 下沉 ， 又进一步将煤壁压碎 而产生片帮 。4 、老 顶 由折断 而垮落 时 ，在 采空 区深处先 产 生 沉 闷雷 鸣声 ，进 而 发生 剧 烈 的响 动 ， 采空 区顶板 掉渣 严重 。垮落 时有 的还 伴 有暴风 ，并扬起大量煤尘 。 老顶初 次垮 落后 ， 工 作面上方的老顶 呈现悬 壁状态 ，随着 工作面继续推进 ， 老 顶悬壁 的长 度又逐渐增大 ， 达到一定长度 时 ， 在老顶 自重及上覆 岩体 弯曲下沉作用 下 ， 又 将发生折 断和垮 落 ， 同时引起 工作 面 压 力 突 然 增 大 。 这 种现 象随着 工作 面推进 而呈现 周 期 性出现 ， 就 是周期 来压 ， 老 顶两 次周期 来压工 作面之间的走 向距离 ， 叫做周期来 压步距 。 由于 老顶 的岩性不 同 ，工作 面周期 来 压步 距也 不想同 ，常变动在 6 3 0米之 间 ，一 般为 1 0 1 5米 。对 于一个 特定 的 工 作面 ，它 的周 期来 压步距 大体 是一致 的 。有 的工 作面周 期来 压还呈现 大小 周 期 交替 发生 的特点 。 由于老周期 来压前 呈 悬壁 状态 ，而初 次来压前 老顶 呈双支 梁 状态 ，因 此周期 来压步 距要 比初次 来 压 步距小得多 。根据现 场观测资料统计 ， 周 期来 压步 距大致 为初 次垮落后 ，就有 可能 估计 周 期 来压 的大 体 步 距和 时 间 。 周 期来 压时 ，工作 面的 顶压力 和顶板 下 沉 量比平时要大 3 0 - 4 0 ，这 同样 给工作 面安全 生产 带来不 利影 响 ，为了防 止冒 顶事故 的发生必 须采 取充分的安全措施 ， 以 防患 未 然 。 维普资讯