煤礦開(kāi)采技術(shù)——采煤工作面礦山壓力基本規(guī)律

1、第六章 采煤工作面礦山壓力基本規(guī)律第一節(jié) 礦山壓力基本概念第二節(jié) 采煤工作面圍巖移動(dòng)特征目的要求：1、理解礦山壓力產(chǎn)生的根源及采煤工作面礦壓顯現(xiàn)的含義和其主要顯現(xiàn)形式；2、了解采煤工作面圍巖移動(dòng)的過(guò)程及力學(xué)分析；3 、掌握采煤工作面圍巖移動(dòng)礦壓顯現(xiàn)的特征及上覆巖層移動(dòng)規(guī)律。重點(diǎn)、難點(diǎn)和突破的方法：重點(diǎn)： 1 、采煤工作面各階段圍巖移動(dòng)的礦壓顯現(xiàn)特征的原因分析；難點(diǎn)： 1、采煤工作面圍巖移動(dòng)的力學(xué)分析；突破方法： 1 、聯(lián)系采場(chǎng)實(shí)際， 通過(guò)力學(xué)知識(shí)復(fù)習(xí)和運(yùn)用相關(guān)模型直觀分析講解加以突破。教學(xué)內(nèi)容和步驟（附后）第一節(jié) 礦山壓力基本概念一、礦山壓力的概念 礦山壓力就是由于井下采掘工作破壞了巖體中原巖

2、應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布， 把存在于采掘空間周圍巖體內(nèi)和作用在支護(hù)物上的力稱為礦山壓力。二、礦山壓力來(lái)源1、自重應(yīng)力2、構(gòu)造應(yīng)力：3、膨脹應(yīng)力：遇水膨脹和溫度變化與氣體壓力引起的應(yīng)力一）自重應(yīng)力上覆巖層重量引起的應(yīng)力地表1、金尼克假說(shuō)：（T 1=丫 H（T 2=6 3=入6 1>T max =式中：丿61 單元體所受的垂直應(yīng)力MPa6 2、6 3 單元體所受的側(cè)向應(yīng)力，MPa口單元體巖層的泊松比；丫 上覆巖層的平均重度，kN/m3;H單元體距地面的深度，m入一一側(cè)壓系數(shù)T max單元體最大剪應(yīng)力，kPa顯然，值越大，則該單元體在垂直應(yīng)力作用下產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力也就越大。2、 海姆假說(shuō)一

3、一隨著開(kāi)采深度的增加或由于巖性等方面的原因，使得卩=0.5時(shí)，即:6 1 = 6 2= 6 3=Y H形成所謂的靜水壓力狀態(tài)，即巖體深部的原巖垂直應(yīng)力與其上覆巖層重量成正比，側(cè)向應(yīng)力大致與垂直應(yīng)力相等。（二）構(gòu)造應(yīng)力 地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在巖體內(nèi)引起的內(nèi)應(yīng)力。特點(diǎn)：1、構(gòu)造引力以水平應(yīng)力為主；水平應(yīng)力以壓應(yīng)力為主；2、在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中，主應(yīng)力的大小和方向可能有很大變化；兩個(gè)方向的水平應(yīng)力值 （62、6 3）通常不相等；3、測(cè)定表明，水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，即CT Hmaxb Hmin> v(4)構(gòu)造應(yīng)力在堅(jiān)硬巖層中出現(xiàn)一般比較普遍。三、礦山壓力顯現(xiàn)在礦山壓力作用下， 圍巖和支護(hù)物所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)宏觀

4、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)生壓縮和地面塌陷等，稱為礦山 壓力顯現(xiàn)，簡(jiǎn)稱礦壓顯現(xiàn)。工作面礦山壓力顯現(xiàn)的形式：頂板下沉、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。礦壓控制一一所有人為的調(diào)節(jié)、改變和利用礦山壓力的各種技術(shù)措施。第二節(jié)采煤工作面圍巖移動(dòng)特征采煤工作面頂板組成分類：偽頂一一位于煤層之上隨采隨落的極不穩(wěn)定巖層，其厚度一般在0.30.5m以下。直接頂一一位于偽頂或直接位于煤層之上，具有一定的穩(wěn)定性，隨移架或回柱放頂后能自行跨落的巖層?；卷斠灰晃挥谥苯禹敾蛎簩又?，厚而堅(jiān)硬難跨落的巖層。一、直接頂?shù)某醮?/p>

5、垮落采煤工作面自開(kāi)切眼推進(jìn)一段距離后，直接頂懸露達(dá)到一定跨度，就要對(duì)采空區(qū)頂板進(jìn)行初次放頂，使直接頂垮落下來(lái)，這一過(guò)程稱作直接頂?shù)某醮慰迓洌鐖D6-3。圖63直接頂初次跨落若垮落巖層原來(lái)的體積為V,破碎后的體積為V,則兩者之比值稱為碎脹系數(shù)，以矗 表示，即Kp= V/v殘余碎脹系數(shù)Kp/巖塊壓實(shí)后的體積與破碎前原始體積之比。若直接頂巖層的總厚度為刀 h，則它冒落后堆積的高度為KpE h,它與基本頂之間可能留下的空隙: =E h+ mi KpE h= miE h （ Kp 1）當(dāng)m=E h （ Kp 1）時(shí)，則= 0，即冒落的直接頂將充滿采空區(qū)。若不計(jì)基本頂下沉, 形成。充滿采空區(qū)所需直接頂?shù)暮?/p>

6、度為：E h- hm1 Kp二、基本頂?shù)某醮慰缏洌ㄒ唬┗卷敵醮慰迓淝暗膸r層結(jié)構(gòu)將基本頂視為一端由采煤工作面煤壁支撐，另一端由煤柱支撐的兩端固定的固定梁的結(jié)構(gòu)。（二）基本頂?shù)某醮慰迓渑c初次來(lái)壓基本頂初次垮落一一隨著采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)， 直接頂不斷垮落，基本頂懸露跨度逐漸 增大并產(chǎn)生彎曲，當(dāng)達(dá)到極限跨度時(shí)，基本頂將出現(xiàn)斷裂，進(jìn)而發(fā)生垮落?；卷?shù)牡谝淮慰迓浞Q為基本頂初次垮落?；卷敵醮蝸?lái)壓現(xiàn)象：在垮落前12h采空區(qū)上方可能有轟隆隆巨響， 通常煤壁片幫嚴(yán)重， 頂板產(chǎn)生裂縫或掉碴，頂板下沉量和下沉速度明顯增加，支架載荷迅速增高的現(xiàn)象。（三）基本頂初次垮落步距的確定基本頂垮落時(shí)，其最大懸露垮度 L初稱

7、為基本頂初次垮落步距。1、一般情況下，視基本頂為兩端固定梁將基本頂看作兩端固定長(zhǎng)度為 L的巖梁，受均布荷載q的作用?；卷斒芰η闆r如圖 6 4所示。JD1口HIIIIIUIUIU亠._LJR 1尺2mi y固定梁極限跨距2、淺部煤層情況下,近似視基本頂為簡(jiǎn)支梁簡(jiǎn)支梁極限跨距三、基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓（一）基本頂來(lái)壓前的狀態(tài)圖6-7基本頂來(lái)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(jìn)， 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)。（二）基本頂周期來(lái)壓及礦壓顯現(xiàn)特征稱為基本頂周期來(lái)壓一一基本頂?shù)闹芷谛云茢嗍Х€(wěn)對(duì)工作面產(chǎn)生的周期性的來(lái)壓顯現(xiàn), 的周期來(lái)壓。主要表現(xiàn)形式：頂板下沉速度急劇

8、增大， 頂板下沉量變大，支柱所受載荷普遍增加，有 時(shí)可能引起煤壁片幫。支柱折損、頂板發(fā)生臺(tái)階狀下沉等現(xiàn)象。（三）周期來(lái)壓步距的確定L周表示。來(lái)壓周期一一基本頂兩次周期來(lái)壓的間隔時(shí)間稱為來(lái)壓周期。周期來(lái)壓步距一一在來(lái)壓周期內(nèi)采煤工作面推進(jìn)的距離，用1 1經(jīng)驗(yàn)公式：周=（2 4 ） L初周期來(lái)壓步距大小在 630m之間，一般為1015m。（四）周期來(lái)壓的分析(1) 基本頂斷落巖塊的運(yùn)動(dòng)(力學(xué)模型)LQL(h Si)式中：L巖塊B的長(zhǎng)度，mQ巖塊B的重力，kN ；h巖塊B的厚度，m；Si巖塊C的下沉高度，m。(2) 基本頂最終下沉值 S為：S=M h + m- K p刀 h(3) 巖塊斷裂后的幾何形

9、狀，也影響到鉸接巖塊平衡。 巖塊B相對(duì)于巖塊 A在斜面上形成的正壓力N為:N T cos Rsin沿斜面下滑的力F為：F Tsin Rcos斜面上形成平衡的條件為f (T cos Rsin ) T sin Rcos圖6 10咬合點(diǎn)的平衡(4) 即使水平擠壓力造成的摩擦力能滿足鉸接巖塊平衡的要求，但若基本頂上覆的軟巖厚度過(guò)大時(shí)，仍有可能導(dǎo)致巖塊錯(cuò)動(dòng)，形成頂板臺(tái)階下沉。 四、工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律(一)冒落帶多數(shù)情況下，冒落帶是由直接頂跨落后形成的。h冒落帶的高度：Kp 1一般認(rèn)為開(kāi)采后冒落帶的高度為采高的24倍。（二）裂縫帶位于冒落帶之上，隨冒落帶巖石的跨落和逐漸壓實(shí)，裂縫帶巖層出現(xiàn)彎曲下沉，離

10、層和斷裂為排列整齊的巖塊。（三）彎曲下沉帶裂縫帶上方直至地表的巖層。 巖層可保持自身的完整性， 并承擔(dān)上覆巖層重力， 將巖層 重力轉(zhuǎn)移到工作面前方煤體和工作面后方采空區(qū)冒落的矸石上，形成一個(gè)大壓力拱，使工作面處于壓力拱保護(hù)之下。工作面為低應(yīng)力區(qū)。彎曲下沉帶可起到隔水作用。第三節(jié)采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律 第四節(jié)采煤工作面頂板分類目的要求：1、掌握采煤工作面四周支承壓力顯現(xiàn)分布的特點(diǎn)及控制方法；2、了解采煤工作面頂板分類的依據(jù)；3、掌握采煤工作面頂板分類或分級(jí)的方案。重點(diǎn)、難點(diǎn)和突破的方法：重點(diǎn)：1、采煤工作面四周支承壓力顯現(xiàn)分布的特點(diǎn)及控制方法；難點(diǎn)：1、根據(jù)采煤工作面四周支承壓力顯現(xiàn)分布的特

11、點(diǎn)初步確定控制方法；突破方法：聯(lián)系采場(chǎng)實(shí)際（加以案例分析），對(duì)采埸支承壓力顯現(xiàn)及分布特點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析講解加 以突破。教學(xué)內(nèi)容和步驟（附后）第三節(jié)采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律一、采煤工作面四周支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律（一）采煤工作面前后方支承壓力分布圖6- 14采煤工作面前后方支承壓力分布主要特點(diǎn):(1) 工作面前方支承壓力遠(yuǎn)比工作面后方大;(2) 工作面前后方支承壓力是移動(dòng)支承壓力;(3 )采煤工作面處于減壓力范圍。(二)采煤工作面兩側(cè)支承壓力分布圖6 - 15采煤工作面左右兩側(cè)支承壓力分布結(jié)論：(1)其影響區(qū)并不在煤體邊緣，而是位于煤體邊緣有一定距離的地帶;(2 )其邊緣處于應(yīng)力降低區(qū)，支承壓力低于原

12、巖應(yīng)力；(3) 合理滯后時(shí)間3個(gè)月到1年之間。、支承壓力在底板中的傳遞圖6 16均布荷載作用下不同深度處的正應(yīng)力分布圖6 17底板巖層內(nèi)的應(yīng)力分布1、2 支承應(yīng)力曲線；3原巖應(yīng)力曲線；4、5 應(yīng)力增高區(qū)警界線；6應(yīng)力降低區(qū)境界線第四節(jié)采煤工作面頂板分類新的頂板分類方案對(duì)采煤工作面頂板分別以直接頂進(jìn)行分類和基本頂進(jìn)行分級(jí) 、直接頂分類在頂板分類方案中，按采煤工作面在開(kāi)采過(guò)程中的穩(wěn)定情況，以直接頂初次垮落步距l(xiāng)r作為基本指標(biāo)，參考巖石的力學(xué)參數(shù)，將直接頂分為4類,其中1類又分為兩個(gè)亞類。見(jiàn)表直接頂分類指標(biāo)及參考要素1類2類3類4類類別lalb不穩(wěn)定中等穩(wěn)定穩(wěn)定非常穩(wěn)定基本指標(biāo)Tr < 44

13、V Tr < 88v Tr w 1818w Trw 2828w Trw 50泥巖、泥頁(yè)巖、泥巖、碳質(zhì)泥致密泥巖，粉沙砂巖、石灰?guī)r節(jié)致密砂巖，石灰節(jié)理裂隙發(fā)育或巖節(jié)理裂隙巖，砂質(zhì)泥巖節(jié)理裂隙很少巖節(jié)理裂隙極少巖石和結(jié)松軟發(fā)育或松軟理裂隙發(fā)育或構(gòu)特征松軟主要 力學(xué) 參數(shù) 參考 區(qū)間綜合弱化常量Cz=0.173土0.074Cz=0.273 ±0.09cz=0.30± 0.12cz=0.43± .157cz=0.48± 0.11單向抗壓強(qiáng)度Rc=27.94 ±10.75Rc=37±25.75Rc=47.3± 20Rc=75.3

14、 ± 33.7Rc=89.4 ± 32.7分層厚度he =0.27 ± 0.125hc=0.285 ±0.13hc=0.51 ±0.355hc=0.775 ±0.34hc=0.72 ± 0.34等效抗彎能力Rc he V 7.52Re hc =2.911.4Rc hc=7.829.1Rc hc= 33104Rc hc =45.5139.4、基本頂分級(jí)基本頂?shù)募?jí)別是根據(jù)采煤工作面基本頂初次來(lái)壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈程度，共分為四級(jí)。其中W級(jí)又分為兩個(gè)亞級(jí)。分級(jí)的指標(biāo)是基本頂初次來(lái)壓當(dāng)量（Pe）,其值由基本頂初次來(lái)壓步距（Lf）,直接頂充填系

15、數(shù)（N ）和煤層采高（hm）,按公式進(jìn) 行計(jì)算。基本頂分級(jí)指標(biāo)見(jiàn)表。Pe= 241.3Ln ( Lf) 15.5N + 52.7hm式中 Pe基本頂初次來(lái)壓當(dāng)量KN/m表75基本頂分級(jí)指標(biāo)及相對(duì)應(yīng)條件基本頂級(jí)別I級(jí)n級(jí)川級(jí)"級(jí)IV aV b名稱不明顯明顯強(qiáng)烈非常強(qiáng)烈分級(jí)指標(biāo)PeW 895895V PeW 975975 V PeW 10751075 V PeW 1145Pe >1145N區(qū)間123412341234123412典型 條 件Lf/mhm=1V373741414747545472728283105105120> 120hm=2V303034343838434358587777858597> 97hm=3V2424272731313535474753