煤礦開采技術(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的過程及力學(xué)分析；3 、掌握采煤工作面圍巖移動礦壓顯現(xiàn)的特征及上覆巖層移動規(guī)律。重點、難點和突破的方法：重點： 1 、采煤工作面各階段圍巖移動的礦壓顯現(xiàn)特征的原因分析；難點： 1、采煤工作面圍巖移動的力學(xué)分析；突破方法： 1 、聯(lián)系采場實際， 通過力學(xué)知識復(fù)習(xí)和運用相關(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)和作用在支護物上的力稱為礦山壓力。二、礦山壓力來源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：（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、 海姆假說一

3、一隨著開采深度的增加或由于巖性等方面的原因，使得卩=0.5時，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)造運動在巖體內(nèi)引起的內(nèi)應(yīng)力。特點：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)力場中，主應(yīng)力的大小和方向可能有很大變化；兩個方向的水平應(yīng)力值 （62、6 3）通常不相等；3、測定表明，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， 圍巖和支護物所表現(xiàn)出來的力學(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切眼推進一段距離后，直接頂懸露達到一定跨度，就要對采空區(qū)頂板進行初次放頂，使直接頂垮落下來，這一過程稱作直接頂?shù)某醮慰迓?，如圖6-3。圖63直接頂初次跨落若垮落巖層原來的體積為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，則= 0，即冒落的直接頂將充滿采空區(qū)。若不計基本頂下沉, 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初次來壓基本頂初次垮落一一隨著采煤工作面繼續(xù)推進， 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)達到極限跨度時，基本頂將出現(xiàn)斷裂，進而發(fā)生垮落。基本頂?shù)牡谝淮慰迓浞Q為基本頂初次垮落。基本頂初次來壓現(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，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,近似視基本頂為簡支梁簡支梁極限跨距三、基本頂?shù)闹芷趤韷海ㄒ唬┗卷攣韷呵暗臓顟B(tài)圖6-7基本頂來壓前的狀態(tài)基本頂初次垮落后，隨著采煤工作面繼續(xù)推進， 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）基本頂周期來壓及礦壓顯現(xiàn)特征稱為基本頂周期來壓一一基本頂?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), 的周期來壓。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 時可能引起煤壁片幫。支柱折損、頂板發(fā)生臺階狀下沉等現(xiàn)象。（三）周期來壓步距的確定L周表示。來壓周期一一基本頂兩次周期來壓的間隔時間稱為來壓周期。周期來壓步距一一在來壓周期內(nèi)采煤工作面推進的距離，用1 1經(jīng)驗公式：周=（2 4 ） L初周期來壓步距大小在 630m之間，一般為1015m。（四）周期來壓的分析(1) 基本頂斷落巖塊的運動(力學(xué)模型)LQL(h Si)式中：L巖塊B的長度，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大時，仍有可能導(dǎo)致巖塊錯動，形成頂板臺階下沉。 四、工作面上覆巖層移動規(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 1一般認為開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，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，形成一個大壓力拱，使工作面處于壓力拱保護之下。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的方案。重點、難點和突破的方法：重點：1、采煤工作面四周支承壓力顯現(xiàn)分布的特點及控制方法；難點：1、根據(jù)采煤工作面四周支承壓力顯現(xiàn)分布的特

11、點初步確定控制方法；突破方法：聯(lián)系采場實際（加以案例分析），對采埸支承壓力顯現(xiàn)及分布特點進行重點分析講解加 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:(1) 工作面前方支承壓力遠比工作面后方大;(2) 工作面前后方支承壓力是移動支承壓力;(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) 合理滯后時間3個月到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采煤工作面頂板分別以直接頂進行分類和基本頂進行分級 、直接頂分類在頂板分類方案中，按采煤工作面在開采過程中的穩(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類又分為兩個亞類。見表直接頂分類指標(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、基本頂分級基本頂?shù)募墑e是根據(jù)采煤工作面基本頂初次來壓顯現(xiàn)強烈程度，共分為四級。其中W級又分為兩個亞級。分級的指標(biāo)是基本頂初次來壓當(dāng)量（Pe）,其值由基本頂初次來壓步距（Lf）,直接頂充填系

15、數(shù)（N ）和煤層采高（hm）,按公式進 行計算。基本頂分級指標(biāo)見表。Pe= 241.3Ln ( Lf) 15.5N + 52.7hm式中 Pe基本頂初次來壓當(dāng)量KN/m表75基本頂分級指標(biāo)及相對應(yīng)條件基本頂級別I級n級川級"級IV aV b名稱不明顯明顯強烈非常強烈分級指標(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