煤礦開采方法

第四章采煤工作面礦山壓力規(guī)律

煤礦開采方法

第四章采煤工作面礦山壓力規(guī)律1第一節(jié)礦山壓力基本概念一、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應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起應(yīng)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(hù)物上的力稱為礦山壓力。二、礦山壓力來源（一）自重應(yīng)力（二）構(gòu)造應(yīng)力（三）膨脹應(yīng)力自重應(yīng)力第一節(jié)礦山壓力基本概念一、礦山壓力自重應(yīng)力2三、礦山壓力顯現(xiàn)在礦山壓力作用下，圍巖和支架所表現(xiàn)出來的力學(xué)宏觀現(xiàn)象，稱為礦山壓力顯現(xiàn)，簡稱礦壓顯現(xiàn)。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、煤壁片幫、支柱插入底板、底板膨脹鼓起等。三、礦山壓力顯現(xiàn)在礦山壓力作用下，圍巖和支架所表現(xiàn)出來的力學(xué)3第二節(jié)采煤工作面圍巖移動特征采煤工作面上方的巖層——頂板下方的巖層——底板頂板分類：偽頂：位于煤層之上隨采隨落的極不穩(wěn)定巖層，厚度一般0.3～0.5m以下；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層；基本頂：位于直接頂或煤層之上，厚而堅硬難垮落的巖層。第二節(jié)采煤工作面圍巖移動特征采煤工作面上方的巖層——頂板41、基本頂；2、直接頂；3、偽頂；4、煤層；5、底板巖層煤層頂?shù)装鍘r層1、基本頂；2、直接頂；3、偽頂；4、煤層；5、底板巖層煤層5一、

直接頂初次垮落采煤工作面自切眼推進(jìn)一段距離后，直接頂懸露達(dá)到一定跨度，就要對采空區(qū)頂板進(jìn)行初次放頂，使直接頂垮落下來，這一過程稱作直接頂?shù)某醮慰迓洹?/p>

一、直接頂初次垮落采煤工作面自切眼推進(jìn)一段距離后，直接頂懸6二、基本頂?shù)某醮慰迓洌ㄒ唬┗卷敵醮慰迓淝皫r層結(jié)構(gòu)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“板”;由于基本頂在采煤工作面方向上的長度遠(yuǎn)大于推進(jìn)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(gòu)。（二）基本頂初次垮落與初次來壓

隨采煤面繼續(xù)推進(jìn)，基本頂懸露跨度逐漸增大，產(chǎn)生彎曲，達(dá)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。二、基本頂?shù)某醮慰迓洌ㄒ唬┗卷敵醮慰迓淝皫r層結(jié)構(gòu)7（三）基本頂初次垮落步距確定基本頂初次垮落時，其最大懸露跨度L初稱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視基本頂為梁時的受力分析圖（三）基本頂初次垮落步距確定基本頂初次垮落時，其最大懸露跨度8極限垮距（只考慮按彎距計算）L初：2、淺部煤層情況下，近似視基本頂為簡支梁極限垮距L初：極限垮距（只考慮按彎距計算）L初：2、淺部煤層情況下，近似9基本頂斷裂后的平衡拱結(jié)構(gòu)基本頂巖梁達(dá)到極限跨距斷裂后，并不一定立即垮落，斷裂巖塊間由于回旋形成擠壓，能形成平衡拱式的結(jié)構(gòu)。基本頂斷裂后形成的平衡拱基本頂斷裂后的平衡拱結(jié)構(gòu)基本頂巖梁達(dá)到極限跨距斷裂后，并不一10三、基本頂?shù)闹芷趤韷海ㄒ唬┗卷攣韷呵暗臓顟B(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)。如圖所示：三、基本頂?shù)闹芷趤韷海ㄒ唬┗卷攣韷呵暗臓顟B(tài)11當(dāng)采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)，基本頂懸掛臂跨度達(dá)到極限跨度時，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)生折斷和垮落。隨著采煤工作面的推進(jìn)，基本頂這種“穩(wěn)定－失穩(wěn)－再穩(wěn)定”現(xiàn)象，將周而復(fù)始地出現(xiàn)。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)，稱為基本頂?shù)闹芷趤韷?。（二）基本頂周期來壓及礦壓顯現(xiàn)特征當(dāng)采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)，基本頂懸掛臂跨度達(dá)到極限跨度時，基本頂12基本頂周期來壓及礦壓顯現(xiàn)特征1、直接頂；2、支架；3、已斷裂基本頂；4、冒落矸石基本頂周期來壓及礦壓顯現(xiàn)特征1、直接頂；2、支架；3、已斷裂13（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期。在來壓周期內(nèi)采煤工作面推進(jìn)的距離稱為周期來壓步距，用L周表示。比較上式，知L周＝（0.5～0.25）L初。（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14四、工作面上覆巖層移動規(guī)律根據(jù)巖層移動特征，可將煤層的上覆巖層分為冒落帶(Ⅰ)、裂縫帶(Ⅱ)、彎曲下沉帶(Ⅲ)。如圖所示：四、工作面上覆巖層移動規(guī)律根據(jù)巖層移動特征，可將煤層的上覆巖15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)特征可用支承壓力范圍、峰值的位置及應(yīng)力集中系數(shù)表示。（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)處理方法有關(guān)，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：第三節(jié)采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律一、采煤工作面支承壓力顯現(xiàn)16（二）采煤工作面兩側(cè)支承壓力分布采煤工作面兩側(cè)的支承壓力是指工作面兩側(cè)煤柱或煤體上的支承壓力。Ⅰ－卸載帶；Ⅱ－支承壓力帶；Ⅲ－原巖應(yīng)力帶；Ⅳ－采后應(yīng)力穩(wěn)定帶；lmax－峰值位置（二）采煤工作面兩側(cè)支承壓力分布采煤工作面兩側(cè)的支承壓力是指171、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。2、采煤工作面煤體邊緣處于應(yīng)力降低區(qū)，支承壓力低于原巖應(yīng)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)移要經(jīng)過一段時間過程。采煤工作面兩側(cè)支承壓力分布規(guī)律1、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18二、支承壓力在底板中的傳遞采煤工作面采動后，在工作面四周形成的支承壓力將向煤層底板進(jìn)行傳遞。底板巖層內(nèi)壓應(yīng)力的大小與煤柱上方的支承壓力成正比。二、支承壓力在底板中的傳遞采煤工作面采動后，在工作面四周形成19底板巖層中的應(yīng)力分布1、2－支承壓力曲線；3－原巖應(yīng)力曲線；4、5－應(yīng)力增高區(qū)邊界線；6－應(yīng)力降低區(qū)邊界線底板巖層中的應(yīng)力分布1、2－支承壓力曲線；3－原巖應(yīng)力曲線；20第四節(jié)采煤工作面頂板分類科學(xué)的分類可為頂板控制、支架選型、合理確定支護(hù)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

強(qiáng)度指數(shù)D＝10RcC1C2式中Rc－巖石單向抗壓強(qiáng)度，MPa；C1－節(jié)理裂隙影響系數(shù)；C2－分層厚度影響系數(shù)。第四節(jié)采煤工作面頂板分類科學(xué)的分類可為頂板控制、支架選型、21類別

指標(biāo)ⅠⅡⅢⅣ不穩(wěn)定頂板中等穩(wěn)定頂板穩(wěn)定頂板堅硬頂板主要指標(biāo)強(qiáng)度指數(shù)D3031～7071～120>120無直接頂。巖層厚度在2～5m以上，σ>60～80MPa，I和h大于1m的整體巖層，即基本頂。

參考指標(biāo)直接頂初次垮落步距L/m89～1819～25>25類別

指標(biāo)ⅠⅡⅢⅣ不穩(wěn)定頂板22二、基本頂分級基本頂來壓強(qiáng)度主要決定于直接頂厚度Σh與采高m的比值N及基本頂初次來壓步距L。根據(jù)N和L兩個指標(biāo)，將基本頂分為四級。分級ⅠⅡⅢⅣ基本頂來壓顯現(xiàn)不明顯明顯強(qiáng)烈非常強(qiáng)烈指標(biāo)N>3～50.3<N≥3～5，L＝25～500.3<N≤3～5，L>50N≤0.3，L＝25～50N≤0.3L>50二、基本頂分級基本頂來壓強(qiáng)度主要決定于直接頂厚度Σh與23煤礦開采方法

第四章采煤工作面礦山壓力規(guī)律

煤礦開采方法

第四章采煤工作面礦山壓力規(guī)律24第一節(jié)礦山壓力基本概念一、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應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起應(yīng)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(hù)物上的力稱為礦山壓力。二、礦山壓力來源（一）自重應(yīng)力（二）構(gòu)造應(yīng)力（三）膨脹應(yīng)力自重應(yīng)力第一節(jié)礦山壓力基本概念一、礦山壓力自重應(yīng)力25三、礦山壓力顯現(xiàn)在礦山壓力作用下，圍巖和支架所表現(xiàn)出來的力學(xué)宏觀現(xiàn)象，稱為礦山壓力顯現(xiàn)，簡稱礦壓顯現(xiàn)。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、煤壁片幫、支柱插入底板、底板膨脹鼓起等。三、礦山壓力顯現(xiàn)在礦山壓力作用下，圍巖和支架所表現(xiàn)出來的力學(xué)26第二節(jié)采煤工作面圍巖移動特征采煤工作面上方的巖層——頂板下方的巖層——底板頂板分類：偽頂：位于煤層之上隨采隨落的極不穩(wěn)定巖層，厚度一般0.3～0.5m以下；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層；基本頂：位于直接頂或煤層之上，厚而堅硬難垮落的巖層。第二節(jié)采煤工作面圍巖移動特征采煤工作面上方的巖層——頂板271、基本頂；2、直接頂；3、偽頂；4、煤層；5、底板巖層煤層頂?shù)装鍘r層1、基本頂；2、直接頂；3、偽頂；4、煤層；5、底板巖層煤層28一、

直接頂初次垮落采煤工作面自切眼推進(jìn)一段距離后，直接頂懸露達(dá)到一定跨度，就要對采空區(qū)頂板進(jìn)行初次放頂，使直接頂垮落下來，這一過程稱作直接頂?shù)某醮慰迓洹?/p>

一、直接頂初次垮落采煤工作面自切眼推進(jìn)一段距離后，直接頂懸29二、基本頂?shù)某醮慰迓洌ㄒ唬┗卷敵醮慰迓淝皫r層結(jié)構(gòu)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“板”;由于基本頂在采煤工作面方向上的長度遠(yuǎn)大于推進(jìn)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(gòu)。（二）基本頂初次垮落與初次來壓

隨采煤面繼續(xù)推進(jìn)，基本頂懸露跨度逐漸增大，產(chǎn)生彎曲，達(dá)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。二、基本頂?shù)某醮慰迓洌ㄒ唬┗卷敵醮慰迓淝皫r層結(jié)構(gòu)30（三）基本頂初次垮落步距確定基本頂初次垮落時，其最大懸露跨度L初稱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視基本頂為梁時的受力分析圖（三）基本頂初次垮落步距確定基本頂初次垮落時，其最大懸露跨度31極限垮距（只考慮按彎距計算）L初：2、淺部煤層情況下，近似視基本頂為簡支梁極限垮距L初：極限垮距（只考慮按彎距計算）L初：2、淺部煤層情況下，近似32基本頂斷裂后的平衡拱結(jié)構(gòu)基本頂巖梁達(dá)到極限跨距斷裂后，并不一定立即垮落，斷裂巖塊間由于回旋形成擠壓，能形成平衡拱式的結(jié)構(gòu)。基本頂斷裂后形成的平衡拱基本頂斷裂后的平衡拱結(jié)構(gòu)基本頂巖梁達(dá)到極限跨距斷裂后，并不一33三、基本頂?shù)闹芷趤韷海ㄒ唬┗卷攣韷呵暗臓顟B(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)。如圖所示：三、基本頂?shù)闹芷趤韷海ㄒ唬┗卷攣韷呵暗臓顟B(tài)34當(dāng)采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)，基本頂懸掛臂跨度達(dá)到極限跨度時，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)生折斷和垮落。隨著采煤工作面的推進(jìn)，基本頂這種“穩(wěn)定－失穩(wěn)－再穩(wěn)定”現(xiàn)象，將周而復(fù)始地出現(xiàn)。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)，稱為基本頂?shù)闹芷趤韷骸＃ǘ┗卷斨芷趤韷杭暗V壓顯現(xiàn)特征當(dāng)采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)，基本頂懸掛臂跨度達(dá)到極限跨度時，基本頂35基本頂周期來壓及礦壓顯現(xiàn)特征1、直接頂；2、支架；3、已斷裂基本頂；4、冒落矸石基本頂周期來壓及礦壓顯現(xiàn)特征1、直接頂；2、支架；3、已斷裂36（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期。在來壓周期內(nèi)采煤工作面推進(jìn)的距離稱為周期來壓步距，用L周表示。比較上式，知L周＝（0.5～0.25）L初。（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37四、工作面上覆巖層移動規(guī)律根據(jù)巖層移動特征，可將煤層的上覆巖層分為冒落帶(Ⅰ)、裂縫帶(Ⅱ)、彎曲下沉帶(Ⅲ)。如圖所示：四、工作面上覆巖層移動規(guī)律根據(jù)巖層移動特征，可將煤層的上覆巖38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)特征可用支承壓力范圍、峰值的位置及應(yīng)力集中系數(shù)表示。（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)處理方法有關(guān)，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：第三節(jié)采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律一、采煤工作面支承壓力顯現(xiàn)39（二）采煤工作面兩側(cè)支承壓力分布采煤工作面兩側(cè)的支承壓力是指工作面兩側(cè)煤柱或煤體上的支承壓力。Ⅰ－卸載帶；Ⅱ－支承壓力帶；Ⅲ－原巖應(yīng)力帶；Ⅳ－采后應(yīng)力穩(wěn)定帶；lmax－峰值位置（二）采煤工作面兩側(cè)支承壓力分布采煤工作面兩側(cè)的支承壓力是指401、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。2、采煤工作面煤體邊緣處于應(yīng)力降低區(qū)，支承壓力低于原巖應(yīng)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)移要經(jīng)過一段時間過程。采煤工作面兩側(cè)支承壓力分布規(guī)律1、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41二、支承壓力在底板中的傳遞采煤工作面采動后，在工作面四周形成的支承壓力將向煤層底板進(jìn)行傳遞。底板巖層內(nèi)壓應(yīng)力的大小與煤柱上方的支承壓力成正比。二、支承壓力在底板中的傳遞采煤工作面采動后，在工作面四周形成42底板巖層中的應(yīng)力分布1、2－支承壓力曲線；3－原巖應(yīng)力曲線；4、5－應(yīng)力增高區(qū)邊界線；6－應(yīng)力降低區(qū)邊界線底板巖層中的應(yīng)力分布1、2－支承壓力曲線；3－原巖