煤礦開采學第六章采煤工作面礦山壓力規(guī)律

1、煤礦開采方法煤礦開采方法精品課程課件精品課程課件第二篇第二篇 采煤方法采煤方法 第一節(jié)第一節(jié) 礦山壓力基本概念礦山壓力基本概念一、礦山壓力一、礦山壓力礦山壓力就是由于井下采掘工作破壞了巖體中原巖礦山壓力就是由于井下采掘工作破壞了巖體中原巖應力平衡狀態(tài)，引起應力重新分布，我們把存在應力平衡狀態(tài)，引起應力重新分布，我們把存在于采掘空間周圍巖體內(nèi)和作用在支護物上的力稱于采掘空間周圍巖體內(nèi)和作用在支護物上的力稱為礦山壓力。為礦山壓力。二、礦山壓力來源二、礦山壓力來源（一）自重應力（一）自重應力（二）構造應力（二）構造應力（三）膨脹應力（三）膨脹應力123213h地表自自重重應應力力三、礦山壓力顯現(xiàn)三、

2、礦山壓力顯現(xiàn)l在礦山壓力作用下，圍巖和支架所表現(xiàn)出來的力學在礦山壓力作用下，圍巖和支架所表現(xiàn)出來的力學宏觀現(xiàn)象，如圍巖變形，離層，破壞和冒落，支架宏觀現(xiàn)象，如圍巖變形，離層，破壞和冒落，支架受力變化和折損，煤（巖）突出，充填物產(chǎn)生壓縮受力變化和折損，煤（巖）突出，充填物產(chǎn)生壓縮和地面塌陷等，稱為礦山壓力顯現(xiàn)，簡稱礦壓顯現(xiàn)和地面塌陷等，稱為礦山壓力顯現(xiàn)，簡稱礦壓顯現(xiàn)。l采煤工作面礦壓顯現(xiàn)的主要形式：工作面頂板下沉采煤工作面礦壓顯現(xiàn)的主要形式：工作面頂板下沉、支架變形與折損、頂板破碎或大面積冒落、煤壁、支架變形與折損、頂板破碎或大面積冒落、煤壁片幫、支柱插入底板、底板膨脹鼓起等。片幫、支柱插入底板

3、、底板膨脹鼓起等。第二節(jié)第二節(jié) 采煤工作面圍巖移動特征采煤工作面圍巖移動特征采煤工作面上方的巖層采煤工作面上方的巖層頂板頂板下方的巖層下方的巖層底板底板頂板分類：頂板分類：偽頂：位于煤層之上隨采隨落的極不穩(wěn)定巖層，厚度偽頂：位于煤層之上隨采隨落的極不穩(wěn)定巖層，厚度 一般一般0.30.5m以下；以下；直接頂：位于偽頂或直接位于煤層之上，具有一定穩(wěn)直接頂：位于偽頂或直接位于煤層之上，具有一定穩(wěn) 定性，隨移架或回柱放頂后能自行垮落的巖定性，隨移架或回柱放頂后能自行垮落的巖 層；層；基本頂：位于直接頂或煤層之上，厚而堅硬難垮落的基本頂：位于直接頂或煤層之上，厚而堅硬難垮落的 巖層。巖層。123451、

4、基本頂；、基本頂；2、直接頂；、直接頂；3、偽頂；、偽頂；4、煤層；、煤層；5、底板巖、底板巖層層煤煤層層頂頂?shù)椎装灏鍘r巖層層一、一、 直接頂初次垮落直接頂初次垮落l采煤工作面自切眼推進一段距離后，直接頂懸露達采煤工作面自切眼推進一段距離后，直接頂懸露達到一定跨度，就要對采空區(qū)頂板進行初次放頂，使到一定跨度，就要對采空區(qū)頂板進行初次放頂，使直接頂垮落下來，這一過程稱作直接頂?shù)某醮慰迓渲苯禹斂迓湎聛?，這一過程稱作直接頂?shù)某醮慰迓?。l k kp p=v/v=v/vl直接頂巖層總厚度直接頂巖層總厚度 ，則它冒落后堆積高度為，則它冒落后堆積高度為，其與基本頂間可能留下的空隙：，其與基本頂間可能留下的空

5、隙：) 1(hppkhkmhhhpk二、基本頂?shù)某醮慰迓涠⒒卷數(shù)某醮慰迓洌ㄒ唬┗卷敵醮慰迓淝皫r層結(jié)構（一）基本頂初次垮落前巖層結(jié)構 若若00，隨直接頂初次垮落，基本頂在一，隨直接頂初次垮落，基本頂在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)懸露狀態(tài)，可視為定范圍內(nèi)呈現(xiàn)懸露狀態(tài)，可視為“板板”; ;由于由于基本頂在采煤工作面方向上的長度遠大于推進基本頂在采煤工作面方向上的長度遠大于推進方向長度，可將其視為一端由采煤工作面煤壁方向長度，可將其視為一端由采煤工作面煤壁支承，一端由煤柱支承的兩端支撐的梁結(jié)構。支承，一端由煤柱支承的兩端支撐的梁結(jié)構。（二）基本頂初次垮落與初次來壓（二）基本頂初次垮落與初次來壓 隨采煤面繼續(xù)推

6、進，基本頂懸露跨度逐漸增隨采煤面繼續(xù)推進，基本頂懸露跨度逐漸增大，產(chǎn)生彎曲，達到一定跨度時，發(fā)生垮落。大，產(chǎn)生彎曲，達到一定跨度時，發(fā)生垮落?；卷?shù)谝淮慰迓浞Q為基本頂初次垮落?；卷?shù)谝淮慰迓浞Q為基本頂初次垮落。（三）基本頂初次垮落步距確定（三）基本頂初次垮落步距確定l基本頂初次垮落時，其最大懸露跨度基本頂初次垮落時，其最大懸露跨度l初初稱為基本頂稱為基本頂初次垮落步距。初次垮落步距。1、一般情況下，視基本頂為兩端固定梁、一般情況下，視基本頂為兩端固定梁qdxdlr1r2qxq圖m圖xm1m2xy視基本頂為梁時的受力分析圖視基本頂為梁時的受力分析圖l極限垮距（只考慮按彎距計算）極限垮距（只考

7、慮按彎距計算） l初：初：qrht2l初qlxrrmmxxxyycchb=12、淺部煤層情況下，淺部煤層情況下，近似視基本頂為簡支近似視基本頂為簡支梁梁v極限垮距極限垮距l(xiāng)初初：qrht32l初基本頂斷裂后的平衡拱結(jié)構基本頂斷裂后的平衡拱結(jié)構l基本頂巖梁達到基本頂巖梁達到極限跨距斷裂后極限跨距斷裂后，并不一定立即，并不一定立即垮落，斷裂巖塊垮落，斷裂巖塊間由于回旋形成間由于回旋形成擠壓，能形成平擠壓，能形成平衡拱式的結(jié)構。衡拱式的結(jié)構。基本頂斷裂后形成的平衡拱基本頂斷裂后形成的平衡拱f(ql)/2labcfhl/2l/4三、基本頂?shù)闹芷趤韷喝?、基本頂?shù)闹芷趤韷海ㄒ唬┗卷攣韷呵暗臓顟B(tài)（一）基本

8、頂來壓前的狀態(tài) 基本頂初次垮落后，隨著采煤工作面繼續(xù)推進，工作面上方基本頂初次垮落后，隨著采煤工作面繼續(xù)推進，工作面上方的基本頂巖層由兩端固定梁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閼冶哿籂顟B(tài)。如圖所的基本頂巖層由兩端固定梁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閼冶哿籂顟B(tài)。如圖所示：示：l當采煤工作面繼續(xù)推進，基本頂懸掛臂跨度達到極當采煤工作面繼續(xù)推進，基本頂懸掛臂跨度達到極限跨度時，基本頂在其自重及上覆巖層載荷的作用限跨度時，基本頂在其自重及上覆巖層載荷的作用下，將沿采煤工作面煤壁甚至煤壁之內(nèi)發(fā)生折斷和下，將沿采煤工作面煤壁甚至煤壁之內(nèi)發(fā)生折斷和垮落?？迓洹隨著采煤工作面的推進，基本頂這種隨著采煤工作面的推進，基本頂這種“穩(wěn)定失穩(wěn)穩(wěn)定失穩(wěn)再穩(wěn)定

9、再穩(wěn)定”現(xiàn)象，將周而復始地出現(xiàn)，使采煤工作現(xiàn)象，將周而復始地出現(xiàn)，使采煤工作面礦山壓力周期性明顯增大。這種基本頂?shù)闹芷谛悦娴V山壓力周期性明顯增大。這種基本頂?shù)闹芷谛云茢嗍Х€(wěn)對工作面產(chǎn)生的周期性的來壓顯現(xiàn)，稱為破斷失穩(wěn)對工作面產(chǎn)生的周期性的來壓顯現(xiàn)，稱為基本頂?shù)闹芷趤韷??；卷數(shù)闹芷趤韷?。（二）基本頂周期來壓及礦壓顯現(xiàn)特征（二）基本頂周期來壓及礦壓顯現(xiàn)特征基本頂周期來壓及礦壓顯現(xiàn)特征基本頂周期來壓及礦壓顯現(xiàn)特征12341、直接頂；、直接頂；2、支架；、支架；3、已斷裂基本頂；、已斷裂基本頂；4、冒落矸石、冒落矸石（三）周期來壓步距的確定（三）周期來壓步距的確定基本頂兩次周期來壓間隔時間稱為來壓周

10、期?；卷攦纱沃芷趤韷洪g隔時間稱為來壓周期。在來壓周期內(nèi)采煤工作面推進的距離稱為周期在來壓周期內(nèi)采煤工作面推進的距離稱為周期來壓步距，用來壓步距，用l周周表示。表示。比較上式，知比較上式，知l周周（0.50.25）l初初。周初周l 63llqrht（四）周期來壓的分析（四）周期來壓的分析attrbtnfro(a)attrbtnfro(b)o咬合點的平衡咬合點的平衡四、工作面上覆巖層移動規(guī)律四、工作面上覆巖層移動規(guī)律l根據(jù)巖層移動特征，可將煤層的上覆巖層分為冒根據(jù)巖層移動特征，可將煤層的上覆巖層分為冒落帶落帶()、裂縫帶、裂縫帶()、彎曲下沉帶、彎曲下沉帶()。如圖所。如圖所示：示：1234()

11、()()3l作業(yè)：作業(yè)： 1 1、簡述礦山壓力、礦壓顯現(xiàn)的基本概念。、簡述礦山壓力、礦壓顯現(xiàn)的基本概念。 2 2、簡述直接頂?shù)某醮慰迓?、基本頂?shù)某醮蝸怼⒑喪鲋苯禹數(shù)某醮慰迓?、基本頂?shù)某醮蝸?壓和周期來壓的基本概念。壓和周期來壓的基本概念。第三節(jié)第三節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律律一、采煤工作面支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律一、采煤工作面支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律 支承壓力顯現(xiàn)特征可用支承壓力地、峰值的位置及支承壓力顯現(xiàn)特征可用支承壓力地、峰值的位置及應力集中系數(shù)表示。應力集中系數(shù)表示。（一）采煤工作面前后方支承壓力分布（一）采煤工作面前后方支承壓力分布 采煤工作面前后方支承壓力分布與采空區(qū)處理

12、方法采煤工作面前后方支承壓力分布與采空區(qū)處理方法有關，對于采用全部垮落法管理頂板的采煤工作面有關，對于采用全部垮落法管理頂板的采煤工作面，其前后方支承壓力分布如下圖所示：，其前后方支承壓力分布如下圖所示：采煤工作面前后方支承壓力分布采煤工作面前后方支承壓力分布kyhyhcabcyha：應力增高區(qū)；：應力增高區(qū)；b：應力降低區(qū)；：應力降低區(qū)；c：應力穩(wěn)定區(qū)：應力穩(wěn)定區(qū)采煤工作面前后方支承壓力分布的特點采煤工作面前后方支承壓力分布的特點1、采煤工作面前方煤壁一端支承著工作面上方裂隙、采煤工作面前方煤壁一端支承著工作面上方裂隙帶及其上覆巖層的大部分重量，即工作面前方支承帶及其上覆巖層的大部分重量，即

13、工作面前方支承壓力遠比工作面后方大。壓力遠比工作面后方大。2、由于采煤工作面的推進，煤壁和采空區(qū)冒落帶是、由于采煤工作面的推進，煤壁和采空區(qū)冒落帶是向前移動的，因此工作面前后方支承壓力是移動支向前移動的，因此工作面前后方支承壓力是移動支承壓力。承壓力。3、由于裂縫帶形成了以煤壁和采空區(qū)冒落帶為前后、由于裂縫帶形成了以煤壁和采空區(qū)冒落帶為前后支承點的半拱式平衡，所以采煤工作面處于減壓力支承點的半拱式平衡，所以采煤工作面處于減壓力范圍。范圍。（二）采煤工作面兩側(cè)支承壓力（二）采煤工作面兩側(cè)支承壓力分布分布l采煤工作面兩側(cè)的支承壓力是指工作面兩側(cè)煤柱或采煤工作面兩側(cè)的支承壓力是指工作面兩側(cè)煤柱或煤體

14、上的支承壓力。煤體上的支承壓力。卸載帶；支承壓力帶；原巖應力帶；采后應力穩(wěn)定帶；lmax峰值位置1、采煤工作面兩側(cè)的支承壓力劇烈影響區(qū)并不在煤、采煤工作面兩側(cè)的支承壓力劇烈影響區(qū)并不在煤體的邊緣，而是位于煤體邊緣有一定距離的地帶。體的邊緣，而是位于煤體邊緣有一定距離的地帶。2、采煤工作面兩側(cè)煤體邊緣處于應力降低區(qū)，支承、采煤工作面兩側(cè)煤體邊緣處于應力降低區(qū)，支承壓力低于原巖應力。壓力低于原巖應力。3、采煤工作面兩側(cè)支承壓力從形成到向煤體深部轉(zhuǎn)、采煤工作面兩側(cè)支承壓力從形成到向煤體深部轉(zhuǎn)移要經(jīng)過一段時間過程，所以要使沿空掘巷保持穩(wěn)移要經(jīng)過一段時間過程，所以要使沿空掘巷保持穩(wěn)定，必須從時間上避開未

15、穩(wěn)定的支承壓力作用期。定，必須從時間上避開未穩(wěn)定的支承壓力作用期。采煤工作面兩側(cè)支承壓力分布規(guī)律采煤工作面兩側(cè)支承壓力分布規(guī)律二、支承壓力在底板中的傳遞二、支承壓力在底板中的傳遞l采煤工作面采動后，在工作面四周形成的支承壓力將采煤工作面采動后，在工作面四周形成的支承壓力將向煤層底板進行傳遞，尤其采煤工作面兩側(cè)支承壓力向煤層底板進行傳遞，尤其采煤工作面兩側(cè)支承壓力的傳遞，對下部煤層開采巷道布置產(chǎn)生重要影響。的傳遞，對下部煤層開采巷道布置產(chǎn)生重要影響。l底板巖層內(nèi)壓應力的大小與煤柱上方的支承壓力成正底板巖層內(nèi)壓應力的大小與煤柱上方的支承壓力成正比。比。底板巖層中的應力分布底板巖層中的應力分布gg1

16、effded1、2支承壓力曲線；支承壓力曲線；3原巖應力曲線；原巖應力曲線；4、5應力增應力增高區(qū)邊界線；高區(qū)邊界線；6應力降低區(qū)邊界線應力降低區(qū)邊界線煤層底板巷道位置選擇煤層底板巷道位置選擇（1）巷道與煤層底板的垂直距離不小于一定數(shù)值）巷道與煤層底板的垂直距離不小于一定數(shù)值h。h與圍與圍巖性質(zhì)的關系見下表。巖性質(zhì)的關系見下表。巷道類型巷道類型巖石種類和特性巖石種類和特性合理垂合理垂距距/m/m圍巖穩(wěn)定圍巖穩(wěn)定巷道巷道砂巖、石灰?guī)r、其他堅硬巖石砂巖、石灰?guī)r、其他堅硬巖石6 6圍巖中等穩(wěn)圍巖中等穩(wěn)定的巷道定的巷道粉砂巖、砂頁巖、中硬鋁土頁巖等粉砂巖、砂頁巖、中硬鋁土頁巖等1010圍巖較松軟圍巖較

17、松軟的巷道的巷道塑性較大的泥質(zhì)頁巖、頁巖、塑性較大的泥質(zhì)頁巖、頁巖、煤質(zhì)頁巖等煤質(zhì)頁巖等15152020煤層底板巷道位置選擇煤層底板巷道位置選擇（2）巷道布置在煤柱向底板傳遞力的影響角以外。若）巷道布置在煤柱向底板傳遞力的影響角以外。若巷道布置在煤柱影響角以內(nèi)，即使巷道位于較穩(wěn)定的巷道布置在煤柱影響角以內(nèi)，即使巷道位于較穩(wěn)定的巖層內(nèi)，也要受到應力升高的影響。巖層內(nèi)，也要受到應力升高的影響。l為使巷道布置在煤柱影響角以外，巷道離煤柱邊界的為使巷道布置在煤柱影響角以外，巷道離煤柱邊界的水平距離水平距離s為：為：l煤層傾角；煤層傾角；l 的余角；的余角；l煤柱影響角，一般在煤柱影響角，一般在2525

18、5555間。通常支承壓力間。通常支承壓力越大和煤柱尺寸越小，其值越大。越大和煤柱尺寸越小，其值越大。sin)sin(hs煤層底板巷道位置選擇煤層底板巷道位置選擇巷道位置選擇示意圖巷道位置選擇示意圖巷道至煤壁邊緣水平巷道至煤壁邊緣水平距離的計算圖距離的計算圖第四節(jié)第四節(jié) 采煤工作面頂板分類采煤工作面頂板分類l科學的分類可為頂板控制、支架選型、合理確定支科學的分類可為頂板控制、支架選型、合理確定支護參數(shù)以及為采空區(qū)處理方法提供依據(jù)。護參數(shù)以及為采空區(qū)處理方法提供依據(jù)。一、直接頂分類一、直接頂分類l 強度指數(shù)強度指數(shù) d10rcc1c2l式中式中 rc巖石單向抗壓強度，巖石單向抗壓強度，mpa；l c1節(jié)理裂隙影響系數(shù)；節(jié)理裂隙影響系數(shù)；l c2分層厚度影響系數(shù)。分層厚度影響系數(shù)。 類別類別 指標指標 不穩(wěn)不穩(wěn)定頂定頂板板 中等中等穩(wěn)定穩(wěn)定頂板頂板穩(wěn)定頂穩(wěn)定頂板板堅硬頂板堅硬頂板主要主要指標指標強度指數(shù)強度指數(shù) d d303031317070 7171120120 120120 無直接頂。無直接頂。巖層厚度在巖層厚度在2 25m5m以上，以上，606080mpa80mpa，i i和和h h大于大于1m1m的的整體巖層，整體巖層，即基本頂。即基本頂。參考參考指標指標 直接頂初直接頂初次垮落步次垮落步距距 l/ml/m8 89 91