第二章采煤工作面上覆巖層移動及其礦

第二章采煤任務面上覆巖層移動及其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律第一節(jié)采煤任務面上覆巖層挪動規(guī)律一、采煤任務面圍巖構成采動、采動空間、圍巖〔頂板+底板+兩幫〕偽頂、直接頂、根本頂、直接底二、采動巖體破壞的根本方式巖體中存在構造面〔弱面〕，采動破壞往往是弱面的分別。破壞方式：冒落—巖石在拉應力作用下，從巖體中分別成巖塊，在重力作用下下落充填采空區(qū)。離層—巖層的層面或?qū)永砻骈g張開的景象。層間錯動—相鄰巖層沿層面或脆弱面發(fā)生相對滑移。剪切破壞和塑性變形—剪應力作用產(chǎn)生的成組滑移面。塊體滾動—已破壞的巖塊滾動下移；構造體轉(zhuǎn)動?；瑒印獛r體沿斷層、脆弱夾層和層面產(chǎn)生滑動。巖爆、煤爆底鼓片幫力學機理：張破壞、剪破壞、構造體滾動、構造體沿構造面滑移和錯動三、采煤任務面上覆巖層挪動規(guī)律采煤任務面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與開采后上覆巖層挪動規(guī)律直接相關。垂直方向“三帶〞冒落帶：直接頂破碎堆積而成，巖塊不延續(xù)、不規(guī)那么陳列，堆積高度〔2~4〕m。裂隙帶：巖層斷裂，巖塊有規(guī)那么陳列。彎曲下沉帶：裂隙帶之上，巖層呈彎曲下沉，地表構成橢圓形挪動盆地，aa區(qū)為緊縮變形，ab區(qū)為拉伸變形。裂隙帶程度方向“三區(qū)〞〔1〕煤壁支撐影響區(qū)A：程度位移大，垂直位移小。〔2〕離層區(qū)B：頂板急劇下沉、斷裂，下沉速度由下向上逐漸減小，巖層間出現(xiàn)離層景象?！?〕重新壓實區(qū)C：任務面后方30m以外，斷裂巖層被冒落帶矸石支撐，裂隙帶巖層由上而下下沉速度逐漸減小，層間離層被壓實。裂隙帶巖層的構造方式〔礦壓假說〕實測證明，支架的載荷遠遠小于上覆巖層的重力，任務面附近區(qū)域的巖層運動影響支承壓力的分布和支架的載荷，這個范圍就是冒落帶加裂隙帶，大約相當于6~8倍采高。由三區(qū)的劃分可知，煤壁支撐區(qū)的巖層由煤壁支撐，重新壓實區(qū)的巖層由矸石支撐，離層區(qū)的巖層部分由支架支撐，大部處于懸空無支撐形狀。由任務面支架的壓力小于上覆巖體的重力，闡明任務面上方的巖體存在一種平衡構造，支撐著上覆巖體的壓力，任務面在這種構造的維護之下。有關巖體構造的方式的假說稱為采場礦壓實際。構造方式：砌體梁、傳送巖梁、懸梁〔板〕構造、壓力拱〔一〕砌體梁構造中國礦大錢鳴高院士提出。裂隙帶巖層為鞏固巖層，斷裂后的巖塊象砌體一樣擠壓成一個可以承載的構造，之間的軟巖可視為作用在巖梁上的載荷。砌體梁構造為半拱式平衡構造。塊體間依托程度擠壓力產(chǎn)生的摩擦力平衡巖塊的自重和上覆巖層傳送的載荷。支架的載荷〔支護強度〕〔二〕傳送巖梁構造山東科大宋振騏院士提出。一組或幾組根本頂?shù)臄嗔褞r塊的相互咬合，構成一種能向煤壁前方和采空區(qū)矸石上傳送力的構造，稱為傳送巖梁。支架承當巖梁的作用力的大小，由其對巖梁運動的控制要求而定。位態(tài)方程如下：〔三〕懸梁〔板〕構造鞏固的頂板在初次來壓后，可視為一端固定于任務面前方煤體上的懸臂巖梁〔巖板〕，隨任務面推進，懸臂長度增大，達極限長度時，懸梁破斷，任務面出現(xiàn)來壓景象。支架的最大載荷：〔四〕壓力拱構造松軟頂板構成壓力拱。拱的一個支點在任務面前方的煤壁上，另一支點在采空區(qū)已垮落的矸石上。任務面支架主要接受拱內(nèi)部分巖石的分量及拱運動時的附加載荷。第二節(jié)采煤任務面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律一.任務面礦壓顯現(xiàn)方式由于采動作用促使圍巖向采動空間運動的力叫礦山壓力。以圍巖運動和支架受力表現(xiàn)出的景象叫礦山壓力顯現(xiàn)。顯現(xiàn)的方式：〔一〕頂?shù)装逡平捕持Ъ艿淖冃闻c損壞〔三〕頂板破碎〔四〕部分冒頂〔五〕煤壁片幫〔六〕臺階下沉〔七〕大面積冒頂和垮落二、直接頂?shù)倪\動規(guī)律〔一〕直接頂?shù)姆诸惻c垮落方式〔二〕直接頂?shù)倪\動方式1.直接頂緩慢下沉薄煤層、頂板可塑性大，頂板下沉后沒有斷開與底板接觸。2.直接頂彎曲斷裂直接頂懸空后，在重力作用下產(chǎn)生彎曲，先在煤壁端上部拉開，然后在中間下部裂開，最后不規(guī)那么垮落。直接頂垮落步距——從切眼到直接頂初次垮落的間隔。是判別直接頂穩(wěn)定性的目的，可作為直接頂分類的根據(jù)。直接頂冒落高度確實定采空區(qū)充溢程度的判別充溢條件3.直接頂?shù)囊?guī)那么垮落〔1〕直接頂剪切斷裂直接頂巖層彎曲下沉量很小時，端部裂開，整體剪切下落。〔2〕鉸接巖梁巖梁兩端先裂開，然后中部裂開下沉，兩塊相互咬合構成鉸接巖梁構造。三、根本頂?shù)倪\動規(guī)律〔一〕根本頂?shù)倪\動方式1.根本頂緩慢下沉采高小、直接頂厚度大，采空區(qū)充溢程度好，根本頂彎曲斷裂后在矸石支撐下緩慢下沉。此時，根本頂能構成傳力構造，將本身的分量和上覆巖層的部分分量傳送到前方煤壁和后方采空區(qū)矸石上，任務面內(nèi)礦壓顯現(xiàn)不明顯。2.根本的呈長巖梁折斷直接頂冒落后不能充溢采空區(qū)，根本頂按一定的跨度，周期性折斷，巖梁長度較大。三、根本頂?shù)倪\動規(guī)律〔二〕根本頂?shù)某醮蝸韷?.初次來壓的構成根本頂視為周圍固支的板，當任務面由切眼向前推進，直接頂垮落后，懸空面積越來越大，到達極限跨度時，巖板發(fā)生斷裂破壞，進一步巖塊要發(fā)生下沉垮落。在這過程中，采煤任務面有明顯的礦壓顯現(xiàn)。根本頂初次折斷或初次垮落前后任務面的普遍來壓景象叫根本頂?shù)某醮蝸韷?。初次來壓步距L：由開切眼到根本頂初次垮落時任務面推進的間隔。L與巖性、厚度、載荷有關。統(tǒng)計數(shù)字：10~30m54%30~55m37.5%>55m8.5%2.初次來壓的顯現(xiàn)〔1〕任務面頂板猛烈下沉；〔2〕支架載荷添加，平安閥開啟，活柱下縮；〔3〕煤壁片幫嚴重；〔4〕頂板的斷裂聲〔三〕根本頂?shù)闹芷趤韷?.周期來壓的構成根本頂初次斷裂后，隨任務面推進，任務面上方的根本頂呈懸梁形狀，當懸臂長度到達極限值時在煤壁或在煤壁前方折斷下沉，任務面出現(xiàn)來壓景象，這種折斷周期性出現(xiàn)，任務面呈現(xiàn)周期性來壓，稱根本頂周期來壓。步距L周=〔1/2~1/4)L初2.周期來壓的表現(xiàn)方式下沉速度增大，下沉量添加；支架載荷添加；煤壁片幫；頂板臺階下沉，切頂。四、支承壓力及其顯現(xiàn)〔一〕支承壓力的定義煤層回采后導致圍巖應力重新分布，作用于煤層、巖層、矸石上垂直應力稱為支承壓力。采煤任務面周圍支承壓力分布分布特征：范圍、峰值位置、峰值大小應力集中系數(shù)k=支承壓力峰值/原巖應力采煤任務面前后方支承壓力分布曲線〔二)支承壓力在底板中的傳播分布規(guī)律〔1〕煤柱下為增壓區(qū)、采空區(qū)下為減壓區(qū)；〔2〕隨深度添加，支承壓力逐漸減小，影響范圍擴展；影響角φ與巖性和煤層傾角有關；沿走向φ=15°~35°，傾斜方向φ=25~55°〔3〕底板鞏固，影響深度小但擴展角大；巖層松軟，影響深度大?！踩持С袎毫Φ挠绊懸?.開采深度隨深度添加，原巖應力添加，支承壓力也添加。2.圍巖性質(zhì)鞏固巖層影響范圍廣?！?〕煤質(zhì)煤體鞏固，支承壓力分布范圍小，集中系數(shù)高，峰值位置距煤壁近?！?〕與煤層的相對位置接近采空區(qū)，支承壓力變小，遠離煤層支承壓力變小

第三節(jié)影響采煤任務面礦山壓力顯現(xiàn)的主要要素地質(zhì)要素：頂?shù)装濉A角、開采深度等技術要素：采高、控頂距、采煤工序、推進速度一、地質(zhì)要素〔一〕頂板巖層的影響1.直接頂直接頂?shù)姆€(wěn)定性影響任務面的平安和消費效率，決議支護方式選擇。直接頂穩(wěn)定性取要素1〕巖層力學強度；2〕層理和裂隙的發(fā)育程度。2.根本頂?shù)挠绊懜卷數(shù)倪\動是任務面礦壓顯現(xiàn)的緣由。根本頂?shù)膩韷簭姸葘θ蝿彰娴闹ёo強度、支柱可縮量采空區(qū)處置方法起決議作用。根本頂對任務面來壓影響程度與直接頂?shù)暮穸葒烂芟嚓P。直接頂厚，冒落后能充溢采空區(qū)，根本頂破斷后構成的構造易于平衡，或呈緩慢下沉，那么周期來壓較弱。反之那么較強?！捕抽_采深度開采速度h→原巖應力σz→支承壓力kσ開采深度對巷道礦壓顯現(xiàn)影響很明顯。深部巷道變形量大，支架損壞嚴重、支護困難。對采煤任務面礦壓顯現(xiàn)影響不明顯。任務面的支護強度與深度無直接關系。解釋緣由：巖體構造的存在?！踩趁簩觾A角頂板下沉量、支架載荷與傾角關系：α大→s??；α大→p小由于矸石滾動下滑對任務面下部采空區(qū)的充填作用，出現(xiàn)任務面下部來壓強度小于中上部。中上部來壓時間超前下部。二、技術要素〔一〕采高與控頂距采高和控頂距越大，頂板下沉和煤壁片幫越嚴重。頂板下沉量S=ηML〔二〕