煤礦開(kāi)采學(xué)_第六章_采煤工作面礦山壓力規(guī)律

1、煤礦開(kāi)采方法煤礦開(kāi)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(yīng)力平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布，我們把存在應(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?chē)鷰r體內(nèi)和作用在支護(hù)物上的力稱于采掘空間周?chē)鷰r體內(nèi)和作用在支護(hù)物上的力稱 為礦山壓力。為礦山壓力。 二、礦山壓力來(lái)源二、礦山壓力來(lái)源 （一）自重應(yīng)力（一）自重應(yīng)力 （二）構(gòu)造應(yīng)力（二）構(gòu)造應(yīng)力 （三）膨脹應(yīng)力（三）膨脹應(yīng)力 1 2 3 2 1 3 H 地

2、表 自自 重重 應(yīng)應(yīng) 力力 三、礦山壓力顯現(xiàn)三、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(lái)的力學(xué)在礦山壓力作用下，圍巖和支架所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué) 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(jiǎn)稱礦壓顯現(xiàn)和地面塌陷等，稱為礦山壓力顯現(xiàn)，簡(jiǎn)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

3、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、底板膨脹鼓起等。 第二節(jié)第二節(jié) 采煤工作面圍巖移動(dòng)特征采煤工作面圍巖移動(dòng)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(lèi)：頂板分類(lèi)： 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(jiān)硬難垮

4、落的基本頂：位于直接頂或煤層之上，厚而堅(jiān)硬難垮落的 巖層。巖層。 1 2 3 4 5 1、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 底底 板板 巖巖 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(jìn)一段距離后，直接頂懸露達(dá)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(duì)采空區(qū)頂板進(jìn)行初次放頂，使到一定跨度，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)某醮慰迓渲苯禹斂迓湎聛?lái)，這一過(guò)程稱作直接頂?shù)某醮慰迓?。 l K Kp p=V/V=V/V l直接頂巖層總厚

5、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隙： ) 1( h p p Kh Kmh h hp K 二、基本頂?shù)某醮慰迓涠⒒卷數(shù)某醮慰迓?（一）基本頂初次垮落前巖層結(jié)構(gòu)（一）基本頂初次垮落前巖層結(jié)構(gòu) 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(zhǎng)度遠(yuǎn)大于推進(jìn)基本頂在采煤工作面方向上的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于推進(jìn) 方向長(zhǎng)度，可將其視為一端由采煤工作面煤壁方向長(zhǎng)度，可將其視為一端由采煤工作面煤壁 支承

6、，一端由煤柱支承的兩端支撐的梁結(jié)構(gòu)。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(lái)壓（二）基本頂初次垮落與初次來(lái)壓 隨采煤面繼續(xù)推進(jìn)，基本頂懸露跨度逐漸增隨采煤面繼續(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(shí)，發(fā)生垮落。大，產(chǎn)生彎曲，達(dá)到一定跨度時(shí)，發(fā)生垮落。 基本頂?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(shí)，其最大懸露跨度基本頂初次垮落時(shí)，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

7、般情況下，視基本頂為兩端固定梁 q D x D L R1R2 Qx Q圖 M圖 x M1 M2 x y 視基本頂為梁時(shí)的受力分析圖視基本頂為梁時(shí)的受力分析圖 l極限垮距（只考慮按彎距計(jì)算）極限垮距（只考慮按彎距計(jì)算） L初： 初： q R h T 2 L 初 q L x RR MM xx xy y cc h b=1 2、淺部煤層情況下，淺部煤層情況下， 近似視基本頂為簡(jiǎn)支近似視基本頂為簡(jiǎn)支 梁梁 v極限垮距極限垮距L初 初： ： q R h T 3 2L 初 基本頂斷裂后的平衡拱結(jié)構(gòu)基本頂斷裂后的平衡拱結(jié)構(gòu) l基本頂巖梁達(dá)到基本頂巖梁達(dá)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

8、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(gòu)。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形成的平衡拱 F (qL)/2 L a b c F h L/2 L/4 三、基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓三、基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓 （一）基本頂來(lái)壓前的狀態(tài)（一）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(dāng)采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)，基本頂懸掛臂跨度達(dá)到極當(dāng)采煤

9、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(shí)，基本頂在其自重及上覆巖層載荷的作用限跨度時(shí)，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。垮落。 l隨著采煤工作面的推進(jìn)，基本頂這種隨著采煤工作面的推進(jìn)，基本頂這種“穩(wěn)定失穩(wěn)穩(wěn)定失穩(wěn) 再穩(wěn)定再穩(wěn)定”現(xiàn)象，將周而復(fù)始地出現(xiàn)，使采煤工作現(xiàn)象，將周而復(fù)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?破斷失穩(wěn)對(duì)工作面產(chǎn)生的周期性的來(lái)壓顯現(xiàn)，稱為破斷失穩(wěn)對(duì)工作面產(chǎn)生的周期性的來(lái)壓顯現(xiàn)，稱為 基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓

10、?；卷?shù)闹芷趤?lái)壓。 （二）基本頂周期來(lái)壓及礦壓顯現(xiàn)特征（二）基本頂周期來(lái)壓及礦壓顯現(xiàn)特征 基本頂周期來(lái)壓及礦壓顯現(xiàn)特征基本頂周期來(lái)壓及礦壓顯現(xiàn)特征 1 2 3 4 1、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(lái)壓步距的確定（三）周期來(lái)壓步距的確定 基本頂兩次周期來(lái)壓間隔時(shí)間稱為來(lái)壓周期。基本頂兩次周期來(lái)壓間隔時(shí)間稱為來(lái)壓周期。 在來(lái)壓周期內(nèi)采煤工作面推進(jìn)的距離稱為周期在來(lái)壓周期內(nèi)采煤工作面推進(jìn)的距離稱為周期 來(lái)壓步距，用來(lái)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

11、初 周 L 6 3 L L q R h T （四）周期來(lái)壓的分析（四）周期來(lái)壓的分析 A TT R B T N F R O (a) A TT R B T N F R O (b) O 咬合點(diǎn)的平衡咬合點(diǎn)的平衡 四、工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律四、工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律 l根據(jù)巖層移動(dòng)特征，可將煤層的上覆巖層分為冒根據(jù)巖層移動(dòng)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： 1 2 3 4 () () () 3 l作業(yè)：作業(yè)： 1 1、簡(jiǎn)述礦山壓力、礦壓顯現(xiàn)的基本概念。、簡(jiǎn)述礦山壓力、礦壓顯現(xiàn)的基本概念。 2 2、簡(jiǎn)述直接頂?shù)某醮慰迓?/p>

12、、基本頂?shù)某醮蝸?lái)、簡(jiǎn)述直接頂?shù)某醮慰迓洹⒒卷數(shù)某醮蝸?lái) 壓和周期來(lái)壓的基本概念。壓和周期來(lái)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(yīng)力集中系數(shù)表示。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（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(duì)于采用全部垮落法管理頂板的采煤工作面有關(guān)，對(duì)于采用全部垮落法管理頂

13、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 KyH yH c abc yH a：應(yīng)力增高區(qū)；：應(yīng)力增高區(qū)；b：應(yīng)力降低區(qū)；：應(yīng)力降低區(qū)；c：應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)：應(yīng)力穩(wěn)定區(qū) 采煤工作面前后方支承壓力分布的特點(diǎn)采煤工作面前后方支承壓力分布的特點(diǎn) 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，即工作面前方支承 壓力遠(yuǎn)比工作面后方大。壓力遠(yuǎn)比工作面后方大。 2、由于采煤工作面的推進(jìn)，煤壁和采空區(qū)

14、冒落帶是、由于采煤工作面的推進(jìn)，煤壁和采空區(qū)冒落帶是 向前移動(dòng)的，因此工作面前后方支承壓力是移動(dòng)支向前移動(dòng)的，因此工作面前后方支承壓力是移動(dòng)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(diǎn)的半拱式平衡，所以采煤工作面處于減壓力支承點(diǎn)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(yīng)力帶；采后應(yīng) 力穩(wěn)

15、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(yīng)力降低區(qū)，支承、采煤工作面兩側(cè)煤體邊緣處于應(yīng)力降低區(qū)，支承 壓力低于原巖應(yīng)力。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)、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(guò)一段時(shí)間過(guò)程，所以要使沿空掘巷保持穩(wěn)移要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間過(guò)程，所以要使沿空掘巷保持穩(wěn) 定，必須從時(shí)間上避開(kāi)未穩(wěn)定的支承壓力作用期。定，必須從時(shí)間上避開(kāi)未穩(wěn)定的支承壓力作

16、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(dòng)后，在工作面四周形成的支承壓力將采煤工作面采動(dòng)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，尤其采煤工作面兩側(cè)支承壓力向煤層底板進(jìn)行傳遞，尤其采煤工作面兩側(cè)支承壓力 的傳遞，對(duì)下部煤層開(kāi)采巷道布置產(chǎn)生重要影響。的傳遞，對(duì)下部煤層開(kāi)采巷道布置產(chǎn)生重要影響。 l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。比。 底板巖層中的應(yīng)力分布底板巖層中的應(yīng)力分布 GG 1 e f f d e d 1、2支承壓力

17、曲線；支承壓力曲線；3原巖應(yīng)力曲線；原巖應(yīng)力曲線；4、5應(yīng)力增應(yīng)力增 高區(qū)邊界線；高區(qū)邊界線；6應(yīng)力降低區(qū)邊界線應(yīng)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(guān)系見(jiàn)下表。巖性質(zhì)的關(guān)系見(jiàn)下表。 巷道類(lèi)型巷道類(lèi)型巖石種類(lèi)和特性巖石種類(lèi)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(jiān)硬巖石砂巖、石灰?guī)r、其他堅(jiān)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(yè)巖、中硬鋁土頁(yè)巖等粉砂巖、砂頁(yè)巖、中硬鋁土頁(yè)巖等1010 圍巖較松軟圍巖較

18、松軟 的巷道的巷道 塑性較大的泥質(zhì)頁(yè)巖、頁(yè)巖、塑性較大的泥質(zhì)頁(yè)巖、頁(yè)巖、 煤質(zhì)頁(yè)巖等煤質(zhì)頁(yè)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(yīng)力升高的影響。巖層內(nèi)，也要受到應(yīng)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

19、煤柱影響角，一般在25255555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( h S 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(jì)算圖距離的計(jì)算圖 第四節(jié)第四節(jié) 采煤工作面頂板分類(lèi)采煤工作面頂板分類(lèi) l科學(xué)的分類(lèi)可為頂板控制、支架選型、合理確定支科學(xué)的分類(lèi)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)。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(lèi)一、直接頂分類(lèi) l 強(qiáng)度指數(shù)強(qiáng)度指數(shù) D10RcC1C2 l式中式中 Rc巖石