第六章 采煤工作面矿山压力基本概念.doc

第六章 采煤工作面矿山压力基本概念 第一节 矿山压力基本概念 一、矿山压力的概念 矿山压力就是由于井下采掘工作破坏了岩体中原岩应力平衡状态，引起应力重新分布， 把存在于采掘空间周围岩体内和作用在支护物上的力称为矿山压力。 二、矿山压力来源 1、自重应力 2、构造应力 3、膨胀应力遇水膨胀和温度变化与气体压力引起的应力 （一）自重应力上覆岩层重量引起的应力 1、金尼克假说 σ1＝γH σ2＝σ3＝λσ1 τmax＝ 式中 σ1单元体所受的垂直应力 MPa σ2、σ3单元体所受的侧向应力，MPa μ单元体岩层的泊松比； γ上覆岩层的平均重度，kN/m3； H单元体距地面的深度，m λ侧压系数 τmax单元体最大剪应力，kPa 显然，μ值越大，则该单元体在垂直应力作用下产生的侧向应力也就越大。 2、海姆假说随着开采深度的增加或由于岩性等方面的原因，使得μ＝0.5时，即 σ1＝σ2＝σ3＝γH 形成所谓的静水压力状态，即岩体深部的原岩垂直应力与其上覆岩层重量成正比，侧向应力大致与垂直应力相等。 （二）构造应力地壳构造运动在岩体内引起的内应力。 特点1、构造引力以水平应力为主；水平应力以压应力为主； 2、在构造应力场中，主应力的大小和方向可能有很大变化；两个方向的水平应力值（σ2、σ3）通常不相等； 3、测定表明，水平应力大于垂直应力，即 σHmax＞σHmin＞σv （4）构造应力在坚硬岩层中出现一般比较普遍。 三、矿山压力显现 在矿山压力作用下，围岩和支护物所表现出来的力学宏观现象，如围岩变形，离层，破坏和冒落，支架受力变化和折损，煤（岩）突出，充填物产生压缩和地面塌陷等，称为矿山压力显现，简称矿压显现。 工作面矿山压力显现的形式顶板下沉、支架变形与折损、顶板破碎或大面积冒落、煤壁片帮、支柱插入底板、底板膨胀鼓起等。 矿压控制所有人为的调节、改变和利用矿山压力的各种技术措施。 第二节 采煤工作面围岩移动特征 采煤工作面顶板组成分类 伪顶位于煤层之上随采随落的极不稳定岩层，其厚度一般在0.3～0.5m以下。 直接顶位于伪顶或直接位于煤层之上，具有一定的稳定性，随移架或回柱放顶后能自行跨落的岩层。 基本顶位于直接顶或煤层之上，厚而坚硬难跨落的岩层。 一、直接顶的初次垮落 采煤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，就要对采空区顶板进行初次放顶，使直接顶垮落下来，这一过程称作直接顶的初次垮落，如图6-3。 图6－3 直接顶初次跨落 若垮落岩层原来的体积为V，破碎后的体积为V/，则两者之比值称为碎胀系数，以KP表示，即 KP＝V//V 残余碎胀系数KP/岩块压实后的体积与破碎前原始体积之比。 若直接顶岩层的总厚度为∑h，则它冒落后堆积的高度为 KP∑h，它与基本顶之间可能留下的空隙△ △ ＝∑h＋m－KP∑h＝m－∑h（KP－1） 当m＝∑h（KP－1）时，则△＝0，即冒落的直接顶将充满采空区。若不计基本顶下沉，形成充满采空区所需直接顶的厚度为 ∑h＝ 二、基本顶的初次跨落 （一）基本顶初次垮落前的岩层结构 将基本顶视为一端由采煤工作面煤壁支撑，另一端由煤柱支撑的两端固定的固定梁的结构。 （二）基本顶的初次垮落与初次来压 基本顶初次垮落随着采煤工作面继续推进，直接顶不断垮落，基本顶悬露跨度逐渐增大并产生弯曲，当达到极限跨度时，基本顶将出现断裂，进而发生垮落。基本顶的第一次垮落称为基本顶初次垮落。 基本顶初次来压现象在垮落前12h采空区上方可能有轰隆隆巨响，通常煤壁片帮严重，顶板产生裂缝或掉碴，顶板下沉量和下沉速度明显增加，支架载荷迅速增高的现象。 （三）基本顶初次垮落步距的确定 基本顶垮落时，其最大悬露垮度L初称为基本顶初次垮落步距。 1、一般情况下，视基本顶为两端固定梁 将基本顶看作两端固定长度为L的岩梁，受均布荷载q的作用。基本顶受力情况如图6－4所示。 固定梁极限跨距 2、浅部煤层情况下，近似视基本顶为简支梁 简支梁极限跨距 三、基本顶的周期来压 （一）基本顶来压前的状态 图6－7 基本顶来压前的状态 基本顶初次垮落后，随着采煤工作面继续推进，工作面上方的基本顶岩层由两端固定梁状态转变为悬臂梁状态。 （二）基本顶周期来压及矿压显现特征 周期来压基本顶的周期性破断失稳对工作面产生的周期性的来压显现，称为基本顶的周期来压。 主要表现形式顶板下沉速度急剧增大，顶板下沉量变大，支柱所受载荷普遍增加，有时可能引起煤壁片帮。支柱折损、顶板发生台阶状下沉等现象。 （三）周期来压步距的确定 来压周期基本顶两次周期来压的间隔时间称为来压周期。 周期来压步距在来压周期内采煤工作面推进的距离，用L周表示。 经验公式 ＝（－） 周期来压步距大小在6～30m之间，一般为10～15m。 （四）周期来压的分析 （1）基本顶断落岩块的运动（力学模型） 式中L岩块B的长度，m Q岩块B的重力，kN； h岩块B的厚度，m； S1岩块C的下沉高度，m。 （2）基本顶最终下沉值S为 S＝∑h＋m－K/p∑h 3岩块断裂后的几何形状，也影响到铰接岩块平衡。 岩块B相对于岩块A在斜面上形成的正压力N为 沿斜面下滑的力F为 斜面上形成平衡的条件为 图6－10 咬合点的平衡 （4）即使水平挤压力造成的摩擦力能满足铰接岩块平衡的要求，但若基本顶上覆的软岩厚度过大时，仍有可能导致岩块错动，形成顶板台阶下沉。四、工作面上覆岩层移动规律 （一）冒落带 多数情况下，冒落带是由直接顶跨落后形成的。 冒落带的高度 一般认为开采后冒落带的高度为采高的2～4倍。 （二）裂缝带 位于冒落带之上，随冒落带岩石的跨落和逐渐压实，裂缝带岩层出现弯曲下沉，离层和断裂为排列整齐的岩块。 （三）弯曲下沉带 裂缝带上方直至地表的岩层。岩层可保持自身的完整性，并承担上覆岩层重力，将岩层重力转移到工作面前方煤体和工作面后方采空区冒落的矸石上，形成一个大压力拱，使工作面处于压力拱保护之下。工作面为低应力区。弯曲下沉带可起到隔水作用。 第三节 采煤工作面矿山压力显现规律 一、采煤工作面四周支承压力显现规律 （一）采煤工作面前后方支承压力分布 图6－14 采煤工作面前后方支承压力分布 主要特点 （1）工作面前方支承压力远比工作面后方大； （2）工作面前后方支承压力是移动支承压力； （3）采煤工作面处于减压力范围。 （二）采煤工作面两侧支承压力分布 图6－15 采煤工作面左右两侧支承压力分布 结论（1）其影响区并不在煤体边缘，而是位于煤体边缘有一定距离的地带； （2）其边缘处于应力降低区，支承压力低于原岩应力； （3）合理滞后时间3个月到1年之间。 二、支承压力在底板中的传递 图6－16 均布荷载作用下不同深度处的正应力分布 图6－17 底板岩层内的应力分布 1、2－支承应力曲线；3－原岩应力曲线；4、5－应力增高区警界线； 6－应力降低区境界线 第四节 采煤工作面顶板分类 新的顶板分类方案对顶板分别以直接顶进行分类和基本顶进行分级。 一、直接顶分类 在顶板分类方案中，按采煤工作面在开采过程中的稳定情况，以直接顶初 次垮落步距lr作为基本指标，参考岩石的力学参数，将直接顶分为4类， 其中1类又分为两个亚类。见表 表74 直接顶分类指标及参考要素 类别 1类 2类 3类 4类 Ia Ib 不稳定 中等稳定 稳定 非常稳定 基本指标 Tr≤4 4＜Tr≤8 8＜Tr≤18 18≤Tr≤28 28≤Tr≤50 岩石和结 构特征 泥岩、泥页岩、节理裂隙发育或松软 泥岩、碳质泥岩节理裂隙发育或松软 致密泥岩，粉沙岩，砂质泥岩节理裂隙发育或松软 砂岩、石灰岩节理裂隙很少 致密砂岩，石灰岩节理裂隙极少 主要力学参数参考区间 综合弱化常量 CZ0.1730.074 CZ0.2730.09 CZ0.300.12 CZ0.43.157 CZ0.480.11 单向抗压强度 RC27.9410.75 RC3725.75 RC47.320 RC75.333.7 RC89.432.7 分层厚度 hC 0.270.125 hC0.2850.13 hC0.510.355 hC0.7750.34 hC0.720.34 等效抗弯能力 RC hC＜7.52 RC hC＝2.911.4 RC hC＝7.829.1 RC hC＝33104 RC hC＝45..5139.4 习题 1、简述矿山压力、矿压显现的基本概念。 2、自重应力和构造应力的特点是什么 3、简述直接顶的初次跨落、基本顶的初次来压和周期来压等概念。 4、简述基本顶形成三铰拱的条件。 5、简述开采后上覆岩层移动特征。 6、绘出工作面前后支承压力分布，说明其分布特征。 7、采煤工作面两侧支承压力分布有何特征 8、简述支承压力在底板中传递的特点。 9、直接顶如何分类基本顶如何分级