礦山壓力及其控制概括課件

河南理工大學(xué)

《采煤概論》精品課程第四篇準(zhǔn)備方式與采煤方法第11章礦山壓力及其控制7/22/20231主要內(nèi)容第11章礦山壓力及其控制第一節(jié)上煤層圍巖分類第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)影響第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇7/22/20232第一節(jié)煤層圍巖分類圍巖的性質(zhì)，尤其是它的力學(xué)性質(zhì)對采掘工作面的壓力顯現(xiàn)影響最大。巖石通常為脆性體，有些為彈塑性體，它的力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為：σ壓＞σ剪＞σ彎＞σ拉抗拉強度遠(yuǎn)小于抗壓強度，一般抗拉強度只有其抗壓強度的1/15～1/20巖石破碎通常表現(xiàn)為拉性；有時也表現(xiàn)為剪性，如彈塑性巖石。由于巖石為非均質(zhì)體，組成的成分又不同，再加原生和次生的影響，從而形成了它的復(fù)雜的力學(xué)性質(zhì)—異向性。例如，巖層中具有層理、節(jié)理等弱面，沿這些弱面方向的巖石抗拉強度，遠(yuǎn)小于其它方向的抗拉強度，有些甚至完全失去抗拉能力。又如雖屬同種巖石，由于構(gòu)造裂隙影響，它們的力學(xué)性質(zhì)，往往相差很大。7/22/20233直接頂和基本頂

對采煤工作面影響最大的圍巖是煤層頂部巖層（頂板）。因此，通常在研究煤層圍巖性質(zhì)時，重點研究煤層頂板性質(zhì)，至于煤層底部巖層，只有在急傾斜煤層開采時，才具有實際意義。直接頂：直接覆蓋在煤層上部，煤層開采過后容易自行垮落為破碎的不規(guī)則排列的巖石碎塊充斥采空區(qū)；基本頂：直接頂上部巖層，直接頂破碎垮落后，雖發(fā)生斷裂，垮落，但斷塊仍規(guī)則排列。老頂7/22/20234根據(jù)我國巖層的實際情況，一般把直接頂分為四類：一類直接頂（不穩(wěn)定）——回采時不及時支護，很易造成局部冒頂，如頁巖、煤皮、再生頂板等；二類直接頂（中等穩(wěn)定）——頂板雖有裂隙，但仍比較完整，如砂質(zhì)頁巖；三類直接頂（穩(wěn)定）——頂板允許懸露較大面積而不垮落，直接頂完整，如砂巖或堅硬的砂質(zhì)頁巖。四類直接頂（非常穩(wěn)定）——煤層上方直接覆蓋堅硬難冒得基本頂，如厚層致密砂巖、石灰?guī)r等。7/22/20235基本頂（老頂）分類尚無統(tǒng)一規(guī)定，現(xiàn)根據(jù)基本頂對工作面的壓力（初次和周期來壓）及初次來壓的步距，把老頂分為四類介紹如下：Ⅰ類基本頂——初次和周期來壓不明顯，來壓時緩和無沖擊。來壓的大小相當(dāng)于或小于6～8倍采高的頂板巖層重量。初次來壓步距大于25m。Ⅱ類基本頂——初次和周期來壓很明顯，來壓的大小相當(dāng)于8～12倍采高的頂板巖層重量。初次來壓步距大于25m～50m。Ⅲ類基本頂——初次和周期來壓強烈，來壓的大小相當(dāng)于12～14倍采高的頂板巖層重量。初次來壓步距大于25m～50m。Ⅳ類基本頂——平時頂板無壓力，采空區(qū)懸露面積達(dá)幾千甚至上萬m2不垮落，初次和周期來壓時，頂板垮落常形成狂風(fēng)、巨響。初次來壓步距大于50m，甚至可達(dá)100m～150m。這種頂板多為極堅硬的厚砂巖或礫巖。7/22/20236第二節(jié)工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律7/22/20237H

=γΗ

=(1.25～4)γΗ煤體采動前，煤體內(nèi)的應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，為上覆巖層的重力γH（γ—巖層的容重，3；H—煤層距地面的深度，m）。在煤體內(nèi)開掘切眼后，破壞了應(yīng)力的平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布。在切割眼上部頂板內(nèi)形成了自然平衡“壓力拱”。切眼上部巖體重量由兩側(cè)煤壁平均分擔(dān)，在切割眼兩幫煤體中產(chǎn)應(yīng)力集中，這種集中應(yīng)力稱為支撐壓力。它的大小為原始應(yīng)力γH的1.25～2.5倍，最大值可為原始應(yīng)力的2～4倍或更大。一、支承壓力（一）支承壓力的形成7/22/20238由于“壓力拱”的存在，切割眼處于減壓狀態(tài)。隨著工作面推進，切割眼擴大了，“壓力拱”破壞而消失，在工作面前方的煤體中，同樣產(chǎn)生支承壓力帶，其范圍自工作面前方2m～3m起直至10m～45m，有時可達(dá)近100m，最大支承壓力區(qū)，約距煤壁5m～15m左右；在工作面后方，當(dāng)采空區(qū)充填物壓實到一定程度后，也產(chǎn)生支承壓力帶。前后兩個支承壓力帶，隨工作面推進而移動，即移動支撐壓力。工作面圍巖應(yīng)力分布a—增壓區(qū)；b—減壓區(qū)；c—穩(wěn)壓區(qū)7/22/20239區(qū)段回風(fēng)平巷區(qū)段運輸風(fēng)平巷開切眼采區(qū)上山

=γΗ總回風(fēng)巷下區(qū)段回風(fēng)平巷AA沿空留巷沿空掘巷在采煤工作面上下兩端的區(qū)段煤柱內(nèi)，也由于采煤和掘進區(qū)段平巷而形成支承壓力，它的分布特征和工作面前方的支承壓力基本相同。當(dāng)采煤工作面推進較長距離后，區(qū)段煤柱內(nèi)的支承壓力，可隨頂板垮落而逐漸消失。7/22/202310（二）影響支承壓力大小、分布的因素支承壓力的大小及其分布與頂板懸露的面積和時間、開采深度、采空區(qū)充填程度、頂?shù)装鍘r性、煤質(zhì)軟硬有關(guān)。采空區(qū)頂板懸露面積越大，時間越長，頂板壓力就越大，而支承壓力的分布范圍和集中程度越大。開采深度越大，懸露頂板的重量越大，支承壓力也越大。采空區(qū)充填程度越密實，煤壁內(nèi)支承壓力越小。例如采用全部充填時，上部頂板下沉后，很快就會被充填物支撐，這時懸露頂板巖層的重量轉(zhuǎn)移到周圍煤體上的壓力就小。因此，采用全部充填法處理采空區(qū)比采用全部垮落法處理采空區(qū)時，煤壁內(nèi)的支承壓力分布范圍和大小要小得多。頂板巖層越堅硬，頂板壓力分布越均勻，支承壓力的集中程度就比較小。例如，砂巖頂板，支承壓力的影響范圍可達(dá)到工作面前方100m左右；泥質(zhì)頁巖頂板，支承壓力的影響范圍不到30m～40m。若頂板的裂隙發(fā)育，則支承壓力比較集中，影響范圍也較小。底板巖層堅硬，支承壓力影響范圍大，但集中程度小。煤質(zhì)堅硬，支承壓力比較集中，影響范圍較??；反之，煤質(zhì)松軟，變形和破壞程度越大，則支承壓力分布范圍越大，集中程度越低。7/22/202311（三）支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律由于支承壓力的作用，可導(dǎo)致頂板預(yù)先下沉、煤壁破碎片幫、產(chǎn)生沖擊地壓、煤和沼氣突出等現(xiàn)象。在支承壓力的作用下，工作面前方尚未懸露的頂板，已經(jīng)開始下沉。一些實際資料表明，頂板下沉量可達(dá)15～60，甚至達(dá)100。當(dāng)頂板比較堅硬，煤層較厚或較軟時，頂板下沉量較大。由于頂板預(yù)先下沉，可能產(chǎn)生裂隙，因而增加了工作面和工作面前方區(qū)段平巷的壓力。為了防止區(qū)段平巷的支架壓壞，事先必須采取措施，如增設(shè)抬棚、斜撐支架等。工作面的煤壁，在支承壓力作用下，產(chǎn)生變形破壞，導(dǎo)致煤壁破碎片幫成斜面；破碎范圍與煤質(zhì)硬度和支承壓力大小有關(guān)，一般為1m～3m；工作面前方煤壁內(nèi)支承壓力的峰值，向煤壁內(nèi)轉(zhuǎn)移，增壓區(qū)（支承壓力區(qū)）斜向煤壁里面；減壓區(qū)擴大；穩(wěn)壓區(qū)向煤壁里面轉(zhuǎn)移。7/22/202312煤層壓碎，雖增加了片幫的機會，對安全不利，但可減輕落煤工作，淺截式采煤機就是采落壓碎范圍內(nèi)的煤，因而破落煤時阻力小。當(dāng)頂、底板均為厚而堅硬的巖層，煤質(zhì)很堅硬；開采深度又較大；形成很大的支承壓力時，就可能產(chǎn)生沖擊地壓。沖擊地壓是礦山壓力顯現(xiàn)中最猛烈的形式。沖擊地壓是煤和巖層在礦壓作用下，急劇地破碎和被拋出的現(xiàn)象。在我國煤礦里，常常聽到煤層內(nèi)轟鳴聲，有時可能發(fā)生煤被壓出或頂板下沉及斷裂現(xiàn)象，這些都是輕微沖擊地壓的顯現(xiàn)。大規(guī)模的沖擊地壓發(fā)生時，可能拋出大量碎煤、沖倒支架、壓垮煤柱、頂板大量垮落，造成暴風(fēng)襲擊或巨大震動，有時還會波及地面，甚至影響范圍達(dá)幾公里。沖擊地壓在煤礦中經(jīng)常會遇到，尤其是隨開采深度的增加，更會頻繁出現(xiàn)。為了避免沖擊地壓發(fā)生而造成重大事故，必須降低支承壓力的集中程度，例如采用充填法處理采空區(qū)；采空區(qū)內(nèi)不留煤柱；避免兩上工作面相向回采，以防止形成支承壓力的重疊。支承壓力集中程度高，不僅可能產(chǎn)生煤層突出，還可能伴隨大量沼氣突出，造成煤和沼氣突出事故。綜上所述，生產(chǎn)中必須重視支承壓力的作用和影響，在開采自然條件不能改變的情況下，從開采技術(shù)上，應(yīng)盡量設(shè)法減輕支承壓力集中程度，除上述措施外，還可采取加快工作面推進速度，減少頂板懸露時間；縮小控頂距，減小支承壓力。7/22/202313二、工作面初次來壓當(dāng)工作面從切割眼向前推進，頂板懸露面積隨之?dāng)U大，直接頂垮落充填采空區(qū)，基本頂仍完整地支承在兩幫煤壁上，形成雙支板梁構(gòu)件。當(dāng)板梁垮度隨著工作面推進增大到一定的范圍，由于基本頂?shù)淖灾睾蜕细矌r層的作用下，使基本頂斷裂垮落。這時，工作面已不再處于基本頂掩護之下，頂板迅速下沉而破碎，通常把基本頂?shù)谝淮未竺娣e垮落稱為初次垮落。由于基本頂初次垮落，使工作面壓力增大，故稱為初次來壓。初次來壓對工作面影響一般持續(xù)2d～3d。基本頂初次垮落時，工作面距切割煤壁的距離L1稱為初次垮落步距或初次來壓步距。L1值與基本頂巖性、厚度以及地質(zhì)構(gòu)造等因素有關(guān)，一般為20m～35m，少數(shù)達(dá)50m～70m。L1初次垮落步距7/22/202314初次來壓的特點：工作面頂板下沉量和下沉速度急增，甚至出現(xiàn)臺階式下沉；頂板破碎；甚至出現(xiàn)也煤壁平行的裂隙，有時發(fā)出巨大的斷裂聲；支架受力增加，采空區(qū)掉塊；煤壁嚴(yán)重片幫。初次來壓時，工作面要采取措施，如沿放頂線加強支護（增設(shè)排柱、木垛、斜撐、抬棚）、強制放落頂板等。7/22/202315三、周期來壓基本頂初次垮落后，工作面暫時免除了基本頂下沉的影響，支架受力減輕，基本頂由雙支板梁變?yōu)閼冶哿?。上覆巖層的重量主要由基本老頂懸臂梁直接傳給煤壁，部分由垮落的矸石承擔(dān)。基本頂周期垮落（來壓）示意圖L2周期垮落步距；h—直接頂厚度；m—煤層厚度7/22/202316初次來壓步距L1L2周期來壓步距7/22/202317當(dāng)工作面推進到一定的距離，基本頂懸臂在自重和上覆巖層的作用下，又會產(chǎn)生斷裂垮落，這時同樣會給工作面帶來增壓現(xiàn)象。當(dāng)工作面再繼續(xù)推進，這部分垮落的基本頂被甩入采空區(qū)，工作面又處于基本頂懸梁掩護之下，恢復(fù)到前述的狀態(tài)。繼工作面的推進，基本頂?shù)目迓渑c工作面增壓現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)。這種垮落與來壓隨工作面推進而周期性的出現(xiàn)，稱為基本頂周期垮落和周期來壓。兩次周期來壓之間的距離稱為周期垮落（來壓）步距。周期垮落步距同樣與基本頂巖性有關(guān)，一般為6m～30m，多數(shù)為10m～15m。由于周期來壓前，基本頂呈懸梁狀態(tài)，而初次來壓前，基本頂呈雙支板梁狀態(tài)。因此，在工作面內(nèi)，周期來壓步距小于初次來壓步距，它們的關(guān)系大致為：L2=（1/2～1/4）L1周期來壓特點與初次來壓類似。7/22/202318四、頂板下沉在工作面推進過程中，采空區(qū)不斷擴大，上覆巖層移動下沉而破壞，根據(jù)破壞的特征，上覆巖層沿豎直方向自下而上可分為三帶：冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。在這三帶中，冒落帶和裂隙帶直接關(guān)系到工作面的頂板管理，彎曲下沉帶對工作面沒有多大影響。巖層移動推測圖(a)巖層內(nèi)部破壞推測圖(b)裂隙帶巖層移動曲線（c）沿工作面推進方向的分區(qū)

1—冒落帶；2—裂隙帶；3—彎曲下沉帶7/22/202319（一）冒落帶易冒落的直接頂，不規(guī)則垮落，碎脹的巖塊將填滿采空區(qū)，形成冒落帶，支撐老頂。當(dāng)松軟巖層很厚時，冒落的高度可視為直接頂?shù)暮穸?。?dāng)直接頂厚度不大，冒落的巖塊填不滿采空區(qū)，老頂懸空，這種情況下，老頂也將發(fā)生部分垮落，使工作面壓力增加。（二）裂隙帶位于冒落帶之上的老頂巖層，總是一端支承在煤壁上，另一端支承在采空區(qū)的碎石充填堆上。在上覆巖層的壓力作用下，冒落的巖塊逐漸壓實。因此，上覆巖層也隨之逐步彎曲下沉，成段拆斷或產(chǎn)生許多裂隙，但不冒落仍整齊排列，形成裂隙帶。其厚度根據(jù)實測一般為采高（煤層厚度）的7～17倍左右。由于裂隙帶內(nèi)巖層的性質(zhì)和厚度不一致，所以各層的彎曲下沉量不同，這樣必然產(chǎn)生離層現(xiàn)象。如直接頂比較厚，沒有全部跨落，而直接頂?shù)膹姸纫话阌中∮诶享攺姸龋虼耍谥苯禹斉c老頂之間也會產(chǎn)生離層。離層現(xiàn)象，往往可能產(chǎn)生沖擊地壓，引起工作面切頂、折斷支架，造成重大事故。裂隙帶巖層在水平方向上又可劃分為三個區(qū)7/22/202320A區(qū)：從工作面前方30、40m開始到工作面后方2～4m，該區(qū)內(nèi)頂板變形特點是水平位移劇烈，垂直位移微小，甚至有些情況下，頂板還會有上升現(xiàn)象。顯然是由于工作面煤壁支撐使頂板呈張拉變形的結(jié)果，所以稱煤壁支撐區(qū)。B區(qū)：從工作面后方2～4m至30m左右，頂板劇烈下沉破斷，且各巖層下沉速度由下向上逐漸減小，層與層之間產(chǎn)生離層，稱為離層區(qū)。C區(qū)：工作面后方30m以遠(yuǎn)，已斷裂的巖塊又重新受到采空區(qū)冒落矸石的支撐，由下向上各巖層的下沉速度逐漸增大，層間進人相互壓實的過程稱重新壓實區(qū)。7/22/202321A區(qū)和C區(qū)的巖層分別為煤壁（剛性體）和矸石（柔性體）所支撐，B區(qū)的巖層則離層懸空，說明工作面的覆巖中存在著某種“結(jié)構(gòu)”使之實現(xiàn)平衡，而工作面在這種“結(jié)構(gòu)”保護下完成采煤作業(yè)過程。工作面支架的任務(wù)，就是有效地控制礦山壓力并盡可能使其上覆巖層不離層，尤其是直接頂不離層。為此，要求支架有足夠的支撐力（工作阻力）和一定的可縮性。支撐力大，可減少上覆巖層下沉量，從而減少離層的可能性，但是支撐力再大，也不可能避免上履巖層的撓曲下沉。因此，要求支架有一定的可縮量，否則支架會被壓斷。為避免支架折斷而產(chǎn)生離層，要求支架可縮量與頂板下沉量一致。(三)彎曲下沉帶裂隙帶上方直到地表的巖層為彎曲下沉帶，這部分巖層不產(chǎn)生裂隙或僅產(chǎn)生極微小的裂隙，并在采空區(qū)上方的地面形成一個比開采范圍大的空間。7/22/202322第三節(jié)工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇為了保證回采空間的安全，對工作面顯現(xiàn)的礦山壓力，必須有效地控制。工作面支架就是控制礦壓的一種結(jié)構(gòu)物。按支架的組合形式，工作面支架可分為兩類：單體支架和自移式液壓支架。一、單體支架單體支架是指由單體支柱與橫梁或柱帽組成的支架。前者稱為懸臂支架或棚子支架；后者稱為帶帽頂柱（點柱）。常用的支柱有：木支柱、剛性金屬支柱、摩擦式金屬支柱、液壓支柱。常用的橫（頂）梁有：木頂梁和金屬頂梁。7/22/202323棚子支架鉸接頂梁懸臂支架帶帽點柱木支柱的工作性能差、利用率低、消耗量大、且資源有限，因此使用很少。剛性金屬支柱是由鋼管或鋼軌加工制成，本身無縮性，工作時頂部的木質(zhì)柱帽，具有較小的可縮性。一般只適用于極薄煤層，或頂板下沉量極小且煤層厚度變化不大的薄煤層。7/22/202324摩擦式金屬支柱有兩種：急增阻式的型；微增阻式型。1柱體2活柱3頂蓋4鎖箍5水平楔6底座HZJA-1000型支柱工作特性曲線1—實驗室測定結(jié)果；22525—井下測定結(jié)果

7/22/2023257/22/202326單體液壓支柱是利用高壓油或乳化液來升柱支撐頂板。高壓油（乳化液）由外部泵站供給，也可把油事先注入支柱內(nèi)，再靠支柱本身內(nèi)的油泵加壓為高壓油。前者稱為外注式支柱；后者稱為內(nèi)注式支柱。升柱架設(shè)支柱時，液壓支柱的初撐力可達(dá)7t～11t。當(dāng)頂板下沉壓縮下沿腔內(nèi)的油時，支柱的工作阻力急增到額定工作阻力，此時，支柱有微小的壓縮，如頂板繼續(xù)下沉。當(dāng)下油腔內(nèi)的油壓大于支柱的額定工作阻力時，安全閥打開，油外泄?；钪驴s。工作阻力略有下降，油壓也隨之下降，安全閥又重新交替啟閉。這樣，保證支柱工作阻力基本恒定，同時又能隨頂板下沉而下縮，這種支柱又稱為恒阻式支柱。單體液壓支柱工作特性曲線P0—初撐力；P1—工作阻力；Δ—增阻期下縮量7/22/2023277/22/202328金屬鉸接頂梁金屬摩擦支柱和單體液壓支柱一般與鉸接頂梁配套使用。頂梁中使用最多的是金屬鉸接頂梁。頂梁一般利用15，18，24的礦用鋼軌制成。型金屬頂梁1—接頭；2—梁體；3—耳子；4—銷子；5—調(diào)角楔7/22/2023297/22/202330二、自移式液壓支架（液壓支架）自移式液壓支架是一種維護回采空間的機械化支護設(shè)備。它以高壓液體為動力，使支護頂板、移架、切頂、推移輸送機等工序一起完成。自移式液壓支架具有支護性能好、強度高、移設(shè)速度快、安全可靠等優(yōu)點。它與可彎曲輸送機和采煤機為配合使用，就組成了回采工作面的綜合機械化設(shè)備，實現(xiàn)了綜合機械化采煤。按液壓支架與圍巖的相互作用，可分為：支撐式、掩護式、支撐掩護式三種。7/22/202331（一）支撐式液壓支架垛式液壓支架節(jié)式液壓支架垛式液壓支架工作阻力大，側(cè)向穩(wěn)定性和切頂性能好，工作空間較大，易滿足通風(fēng)要求；但由于頂梁比較寬長，移加時頂板懸露面積較大，在直接頂破碎的條件下使用是困難的。節(jié)式液壓支架結(jié)構(gòu)較靈巧、重量較輕、移架時頂板懸露面積較小、對頂板適應(yīng)性較好；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、維護費高。一般適用于中硬或較松軟的頂板，厚度為0.6m～3.2m的煤層。7/22/202332（二）掩護式液壓支架由頂梁、掩護梁、底座、立柱、連桿、推移和操縱裝置等組成。這種支架的頂梁較短，掩護梁較長，其上、下端分別與頂梁和底座鉸接，而立柱一般是支承在掩護梁與底座之間，承受掩護梁上的矸石，故稱為掩護式支架。這種支架防護性能好，尤其是破碎頂板情況下更為突出。但支撐力較??；切頂性能較差；工作空間較小，不利于操作和通風(fēng)。7/22/202333（三）支撐掩護式液壓支架支撐式和掩護式的組合型支架。這以支撐為主，同時又有掩護作用，故稱為支撐掩護式支架。它由較長的頂梁、較短的掩護梁、四根立柱組成7/22/2023347/22/2023357/22/202336（四）液壓支架的選型影響液壓支架選型的主要因素是：地質(zhì)條件（頂板的穩(wěn)定性、巖性、厚度）；底板的穩(wěn)定性；煤的厚度（采高）、傾角、地質(zhì)構(gòu)造、沼氣含量和技術(shù)經(jīng)濟條件。如頂板不穩(wěn)定，起伏不平，支架的整體頂梁不能有效地支撐頂板，這