礦山壓力基礎(chǔ)知識(新)

礦山壓力基礎(chǔ)知識一、巖體的原始應力地下深部的巖層在沒有受到任何采動影響以前的應力狀態(tài)叫原始應力狀態(tài)。巖體的原始應力從理論上講應該是自重應力、構(gòu)造應力和物理化學應力的合力。自重應力是由于地球引力引起的應力。構(gòu)造應力是由于地質(zhì)構(gòu)造及地質(zhì)運動引起的應力，而物理化學應力則是在地殼中由于溫度和壓力的變化而產(chǎn)生的物理化學變化引起的應力。由于構(gòu)造應力和物理化學應力極其復雜，無法計算，一般在計算礦山壓力時把構(gòu)造應力和物理化學應力忽略不計，而是把自重應力作為巖體的原始應力計算。巖體的原始應力經(jīng)計算為yH/m?，如圖2-10所示。圖中：Y——為上覆巖層的平均必度，kN/m3H 為計算的平均深度，m。巖體的原始應力極大，一般支護的設(shè)備無法支撐，而人們之所以能夠安全生產(chǎn)并采用有效的支護手段是由于采動以后應力重新分布的結(jié)果。二、 采動以后應力的重新分布規(guī)律在采動以前應力是均勻分布的，一旦受到采動，則原來的均勻分布被破壞，從而出現(xiàn)應力的重新分布形成應力的降低區(qū)和應力在增大區(qū)。1、 煤巷上方的應力分布規(guī)律在煤層中未開掘巷道以前，煤層上所受的力為原始狀態(tài)，當巷道開掘以后，由于支撐原始應力的煤被采出，會出現(xiàn)應力的重新分布，重新分布的結(jié)果如圖2—11所示。應力増犬區(qū) 原始應力區(qū)原始應力區(qū)（1）應力降低區(qū):應力増犬區(qū) 應力降低區(qū)應力増犬區(qū) 原始應力區(qū)原始應力區(qū)（1）應力降低區(qū):應力増犬區(qū) 應力降低區(qū)在煤巷內(nèi)部及兩側(cè)大約5米范圍內(nèi)為應力降低區(qū)。特別是在巷道內(nèi)部，原始應力的分布為0煤巷的支護設(shè)備只承擔部分直接頂?shù)闹亓?。此時，支護設(shè)備上所承受的力大小和直接頂?shù)暮穸?、堅硬程度有關(guān)。如果直接頂破碎，而且厚度很大則巷道支護設(shè)備所承受的力就很大。反之，直接頂完整，而且厚度小，則支護設(shè)備上所承受的力就小，如果直接頂堅硬，煤巷還可以不支護，形成裸體巷道。（2）應力增大區(qū)：在煤巷兩側(cè)約5?15m之間為應力增大區(qū)，應力最大區(qū)大約距巷道幫7?8m，其壓力值可能為原始應力的數(shù)倍。所以在井下巷道的布置中如果必須出現(xiàn)兩條巷道平行布置的情況時一定要考慮兩條巷道的間距最好保持在20m以外。以免兩條巷道都處于壓力增大區(qū)，給巷道的支護、使用和維護帶來不便。2、采煤工作面及前方的支撐壓力分布規(guī)律采煤工作面內(nèi)部及前方的支撐壓力分布如圖2—12所示。A A圖「9A A圖「9長壁式采煤工作面應力分布（1）應力降低區(qū)：由于工作面的采動在工作面控頂區(qū)及煤壁內(nèi)約5米范圍之內(nèi)形成小于原始應力的應力降低區(qū)。特別是在采煤工作面控頂區(qū)之內(nèi)已經(jīng)不受原始應力的影響。采煤工作面的支護設(shè)備只承受直接頂?shù)闹亓亢筒糠掷享數(shù)闹亓?。當工作面老頂來壓時，工作面支架需承受上覆老頂巖層的壓力和全部直接頂?shù)膲毫Α４藭r，工作面壓力最大。反之，如果老頂來壓過后，則工作面支架只承擔全部直接頂?shù)膲毫?，此時壓力相對就小。在工作面控頂距內(nèi)部，從煤壁向放頂線一側(cè)壓力逐漸增大，也就是說放頂線一側(cè)壓力相對較大。這正是在回柱放頂過程中容易出現(xiàn)冒頂傷人的主要原因。在工作面的煤壁處，由于煤被壓酥，所以不能支撐采動壓力，采動壓力為0。但是煤被壓酥易出現(xiàn)片幫傷人及漏頂事故。（2）壓力增大區(qū)：從煤壁內(nèi)約5m以外一段距離可以認為是壓力增大區(qū)，其壓力都超過原始壓力值。最大壓力處于工作面煤壁前方約10m左右的范圍之內(nèi)，這種壓力叫采煤工作面的超前壓力。而且此超前壓力隨著工作面的推進向前移動，所以也叫作動壓。超前壓力的超前范圍根據(jù)煤層的硬度及上覆巖層的厚度不同有所變化，一般在工作面前方20m至50m之間，煤質(zhì)越硬、超前距離越小，媒質(zhì)越軟、超前距離越大。為了防止采煤工作面超前壓力對采煤工作面正常開采的影響，保證采煤工作面兩巷及安全出口的暢通，必須對工作面兩巷進行超前支護?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定：采煤工作面必須保持至少2個暢通的安全出口，一個通到回風巷，另一個通到進風巷。采煤工作面所有安全出口與巷道連接處20米范圍內(nèi)，必須加強支護，綜合機械化采煤工作面此范圍內(nèi)的巷道高度不得低于1.8m，其他采煤工作面此范圍的巷道高度不得低于1.6m。對于某些采煤工作面，如果在工作面前方存在有老巷，則必須提前對老巷進行加強支護，否則在超前壓力的作用下會出現(xiàn)老巷內(nèi)的大冒頂區(qū)，給工作面的開采帶來很大困難。3、煤柱上方的支承壓力分布規(guī)律在煤礦井下出現(xiàn)的煤柱一般有兩種，一種是兩側(cè)都采空區(qū)的煤柱，這樣的煤柱主要出現(xiàn)在大巷保護煤柱、采區(qū)上下山保護煤柱、區(qū)段煤柱。另一種是一側(cè)為采空區(qū)的煤柱，主要出現(xiàn)在井田邊界處。煤柱的大小、寬窄也不相同。在礦井的開采中，特別是在老礦回收中經(jīng)常會出現(xiàn)回采煤柱的情況，所以，有必要對煤柱上的支承壓力分布規(guī)律有所認識。（1）兩側(cè)為采空區(qū)的煤柱上支撐壓力分布規(guī)律：如圖2—13所示。對于兩側(cè)都已采空的煤柱由于兩側(cè)采空區(qū)都向煤柱上傳遞支承壓力，所以在煤柱上出現(xiàn)的壓力為兩側(cè)支撐壓力的合力。所以煤柱上壓力很大。，特別是對于寬度小于20m的煤柱，其上部有極大的支承壓力，在回收這樣的煤柱時是非常危險的。

（2）一側(cè)為采空區(qū)的煤柱上壓力的分布規(guī)律：如圖2—14所示。對于一側(cè)為采空區(qū)的煤柱，則由于采空區(qū)一側(cè)向煤柱上傳遞了固定的支撐壓力，其壓力的增大區(qū)約位于煤柱中5?15m的范圍之內(nèi)。而煤柱中'0?5m范圍之內(nèi)壓力相對較小。圖2圖2—14煤柱上壓力分布KVH?■拉滑落。此時，如果?■拉滑落。此時，如果三、長壁式采煤工作面頂板跨落來壓規(guī)律及安全問題（一）采煤工作面有切眼向前推采，此時由于是處于初采階段，直接頂又具有一定的穩(wěn)定性，所以不會像正常推采階段那樣隨回柱放頂而跨落，而是要在工作面采空區(qū)懸露一定的面積以后，出現(xiàn)彎曲、下沉并且和老頂之間產(chǎn)生離層，最后才跨落。如圖2—15所示。采煤工作面支護設(shè)備不能爲效的阻止直接接向采空區(qū)方向的推力，則會出現(xiàn)直接頂跨落過程中延工作面控頂距上方（一般都從煤壁處）拉斷的情況，從而導致大帽頂傷亡事故。為了防止此類事故的發(fā)生，保證直接頂沿放頂線拉斷跨落，要采取以下安全措施：1、 加強放頂線一側(cè)的支柱的支護能力，防止直接頂和老頂之間的離層擴展到采煤工作面空頂距上方。同時也能保證直接頂沿放頂線上方斷裂，為了這一目的，可以在放頂線一側(cè)加打一排密集支柱。2、 對于壓力大、直接頂下沉量大的采煤工作面，可以考慮在工作面每隔7?8m加打方形木垛，以增加工作面支架的整體穩(wěn)定性，防止推垮型帽頂事故。

3、為了防止支柱的所帶戧度以后向采空區(qū)方向產(chǎn)生分力，在直接頂初次垮落之前，工作面所有支柱最好不帶戧度，支柱垂直于頂板支設(shè)。（二）采煤工作面老頂?shù)某醮慰迓鋪韷杭鞍踩珕栴}采煤工作面直接頂初次垮落以后，如果不能充滿采空區(qū)，則老頂處于懸空狀態(tài)。隨著采煤工作面不斷向前推采，直接頂不斷垮落，老頂?shù)膽衣睹娣e不斷增大，當老頂?shù)膽衣睹娣e達到最大狀態(tài)時，會出現(xiàn)斷裂垮落。一般老頂?shù)目迓錇槔瓘澬涂迓?，如圖2—16所示。斷裂垮落的老頂巖梁一側(cè)壓于采空區(qū)冒落得直接頂上，另一側(cè)壓于工作面的煤壁和支架上，在工作面表現(xiàn)出壓力，此時如果將工作面支撐老頂?shù)牟糠置后w采出以后，老頂巖梁就全部壓在工作面支架上，此時在工作面表現(xiàn)出極大壓力。由于這是采煤工作面老頂?shù)牡谝淮螖嗔褋韷?，所以叫老頂?shù)某醮蝸韷?。對于單體支柱支護的工作面，老頂?shù)某醮蝸韷簩ぷ髅娴闹ёo能力提出更高的要求。如果工作面的支護能力不能有效的抵抗老頂施加的壓力和推力，就會導致采煤工作面的冒頂事故，甚至造成人員傷亡。所以，必須采取有效的措施防止老頂初次來壓造成的冒頂事故。一般有以下措施：1、在工作面支護密度設(shè)計中要充分保證支護能力能有效的支撐頂板來壓時的最大壓力。2、開展礦山壓力的觀測工作和頂板動態(tài)監(jiān)測工作，充分掌握老頂來壓的步距和強度，以便在老頂來壓之前提前采取有效的防范措施。3、在老頂來壓前加強工作面的支護工程質(zhì)量，從柱距、排距、頂梁的鉸接、支柱的初撐力、迎山、戧度和背頂?shù)确矫?，嚴格按作業(yè)規(guī)程的規(guī)定執(zhí)行。從而保證基本支架的支護能力。4、在老頂來壓期間，根據(jù)工作面頂板壓力的具體情況采用特種支架，如木垛、抬棚、戧柱、密集支柱等。采煤工作面老頂初次來壓以后，老頂程懸臂梁狀態(tài)。此時，隨著工作面不斷推采，直接頂?shù)牟粩嗫缏洌享攽冶哿旱膽衣堕L度不斷加大。當老頂懸臂梁的長度達到最大長度時，老頂又會出現(xiàn)斷裂跨落?？缏浜蟮睦享攷r梁一側(cè)壓于采空區(qū)冒落的矸石上，另一側(cè)壓于工作面支架上，在工作面表現(xiàn)出極大壓力，而且這