第二章采煤工作面上覆巖層移動(dòng)及其礦

第二章采煤任務(wù)面上覆巖層移動(dòng)及其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律第一節(jié)采煤任務(wù)面上覆巖層挪動(dòng)規(guī)律一、采煤任務(wù)面圍巖構(gòu)成采動(dòng)、采動(dòng)空間、圍巖〔頂板+底板+兩幫〕偽頂、直接頂、根本頂、直接底二、采動(dòng)巖體破壞的根本方式巖體中存在構(gòu)造面〔弱面〕，采動(dòng)破壞往往是弱面的分別。破壞方式：冒落—巖石在拉應(yīng)力作用下，從巖體中分別成巖塊，在重力作用下下落充填采空區(qū)。離層—巖層的層面或?qū)永砻骈g張開的景象。層間錯(cuò)動(dòng)—相鄰巖層沿層面或脆弱面發(fā)生相對(duì)滑移。剪切破壞和塑性變形—剪應(yīng)力作用產(chǎn)生的成組滑移面。塊體滾動(dòng)—已破壞的巖塊滾動(dòng)下移；構(gòu)造體轉(zhuǎn)動(dòng)?；瑒?dòng)—巖體沿?cái)鄬?、脆弱夾層和層面產(chǎn)生滑動(dòng)。巖爆、煤爆底鼓片幫力學(xué)機(jī)理：張破壞、剪破壞、構(gòu)造體滾動(dòng)、構(gòu)造體沿構(gòu)造面滑移和錯(cuò)動(dòng)三、采煤任務(wù)面上覆巖層挪動(dòng)規(guī)律采煤任務(wù)面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與開采后上覆巖層挪動(dòng)規(guī)律直接相關(guān)。垂直方向“三帶〞冒落帶：直接頂破碎堆積而成，巖塊不延續(xù)、不規(guī)那么陳列，堆積高度〔2~4〕m。裂隙帶：巖層斷裂，巖塊有規(guī)那么陳列。彎曲下沉帶：裂隙帶之上，巖層呈彎曲下沉，地表構(gòu)成橢圓形挪動(dòng)盆地，aa區(qū)為緊縮變形，ab區(qū)為拉伸變形。裂隙帶程度方向“三區(qū)〞〔1〕煤壁支撐影響區(qū)A：程度位移大，垂直位移小?！?〕離層區(qū)B：頂板急劇下沉、斷裂，下沉速度由下向上逐漸減小，巖層間出現(xiàn)離層景象。〔3〕重新壓實(shí)區(qū)C：任務(wù)面后方30m以外，斷裂巖層被冒落帶矸石支撐，裂隙帶巖層由上而下下沉速度逐漸減小，層間離層被壓實(shí)。裂隙帶巖層的構(gòu)造方式〔礦壓假說〕實(shí)測(cè)證明，支架的載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上覆巖層的重力，任務(wù)面附近區(qū)域的巖層運(yùn)動(dòng)影響支承壓力的分布和支架的載荷，這個(gè)范圍就是冒落帶加裂隙帶，大約相當(dāng)于6~8倍采高。由三區(qū)的劃分可知，煤壁支撐區(qū)的巖層由煤壁支撐，重新壓實(shí)區(qū)的巖層由矸石支撐，離層區(qū)的巖層部分由支架支撐，大部處于懸空無支撐形狀。由任務(wù)面支架的壓力小于上覆巖體的重力，闡明任務(wù)面上方的巖體存在一種平衡構(gòu)造，支撐著上覆巖體的壓力，任務(wù)面在這種構(gòu)造的維護(hù)之下。有關(guān)巖體構(gòu)造的方式的假說稱為采場(chǎng)礦壓實(shí)際。構(gòu)造方式：砌體梁、傳送巖梁、懸梁〔板〕構(gòu)造、壓力拱〔一〕砌體梁構(gòu)造中國礦大錢鳴高院士提出。裂隙帶巖層為鞏固巖層，斷裂后的巖塊象砌體一樣擠壓成一個(gè)可以承載的構(gòu)造，之間的軟巖可視為作用在巖梁上的載荷。砌體梁構(gòu)造為半拱式平衡構(gòu)造。塊體間依托程度擠壓力產(chǎn)生的摩擦力平衡巖塊的自重和上覆巖層傳送的載荷。支架的載荷〔支護(hù)強(qiáng)度〕〔二〕傳送巖梁構(gòu)造山東科大宋振騏院士提出。一組或幾組根本頂?shù)臄嗔褞r塊的相互咬合，構(gòu)成一種能向煤壁前方和采空區(qū)矸石上傳送力的構(gòu)造，稱為傳送巖梁。支架承當(dāng)巖梁的作用力的大小，由其對(duì)巖梁運(yùn)動(dòng)的控制要求而定。位態(tài)方程如下：〔三〕懸梁〔板〕構(gòu)造鞏固的頂板在初次來壓后，可視為一端固定于任務(wù)面前方煤體上的懸臂巖梁〔巖板〕，隨任務(wù)面推進(jìn)，懸臂長(zhǎng)度增大，達(dá)極限長(zhǎng)度時(shí)，懸梁破斷，任務(wù)面出現(xiàn)來壓景象。支架的最大載荷：〔四〕壓力拱構(gòu)造松軟頂板構(gòu)成壓力拱。拱的一個(gè)支點(diǎn)在任務(wù)面前方的煤壁上，另一支點(diǎn)在采空區(qū)已垮落的矸石上。任務(wù)面支架主要接受拱內(nèi)部分巖石的分量及拱運(yùn)動(dòng)時(shí)的附加載荷。第二節(jié)采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律一.任務(wù)面礦壓顯現(xiàn)方式由于采動(dòng)作用促使圍巖向采動(dòng)空間運(yùn)動(dòng)的力叫礦山壓力。以圍巖運(yùn)動(dòng)和支架受力表現(xiàn)出的景象叫礦山壓力顯現(xiàn)。顯現(xiàn)的方式：〔一〕頂?shù)装逡平捕持Ъ艿淖冃闻c損壞〔三〕頂板破碎〔四〕部分冒頂〔五〕煤壁片幫〔六〕臺(tái)階下沉〔七〕大面積冒頂和垮落二、直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律〔一〕直接頂?shù)姆诸惻c垮落方式〔二〕直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)方式1.直接頂緩慢下沉薄煤層、頂板可塑性大，頂板下沉后沒有斷開與底板接觸。2.直接頂彎曲斷裂直接頂懸空后，在重力作用下產(chǎn)生彎曲，先在煤壁端上部拉開，然后在中間下部裂開，最后不規(guī)那么垮落。直接頂垮落步距——從切眼到直接頂初次垮落的間隔。是判別直接頂穩(wěn)定性的目的，可作為直接頂分類的根據(jù)。直接頂冒落高度確實(shí)定采空區(qū)充溢程度的判別充溢條件3.直接頂?shù)囊?guī)那么垮落〔1〕直接頂剪切斷裂直接頂巖層彎曲下沉量很小時(shí)，端部裂開，整體剪切下落。〔2〕鉸接巖梁巖梁兩端先裂開，然后中部裂開下沉，兩塊相互咬合構(gòu)成鉸接巖梁構(gòu)造。三、根本頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律〔一〕根本頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)方式1.根本頂緩慢下沉采高小、直接頂厚度大，采空區(qū)充溢程度好，根本頂彎曲斷裂后在矸石支撐下緩慢下沉。此時(shí)，根本頂能構(gòu)成傳力構(gòu)造，將本身的分量和上覆巖層的部分分量傳送到前方煤壁和后方采空區(qū)矸石上，任務(wù)面內(nèi)礦壓顯現(xiàn)不明顯。2.根本的呈長(zhǎng)巖梁折斷直接頂冒落后不能充溢采空區(qū)，根本頂按一定的跨度，周期性折斷，巖梁長(zhǎng)度較大。三、根本頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律〔二〕根本頂?shù)某醮蝸韷?.初次來壓的構(gòu)成根本頂視為周圍固支的板，當(dāng)任務(wù)面由切眼向前推進(jìn)，直接頂垮落后，懸空面積越來越大，到達(dá)極限跨度時(shí)，巖板發(fā)生斷裂破壞，進(jìn)一步巖塊要發(fā)生下沉垮落。在這過程中，采煤任務(wù)面有明顯的礦壓顯現(xiàn)。根本頂初次折斷或初次垮落前后任務(wù)面的普遍來壓景象叫根本頂?shù)某醮蝸韷?。初次來壓步距L：由開切眼到根本頂初次垮落時(shí)任務(wù)面推進(jìn)的間隔。L與巖性、厚度、載荷有關(guān)。統(tǒng)計(jì)數(shù)字：10~30m54%30~55m37.5%>55m8.5%2.初次來壓的顯現(xiàn)〔1〕任務(wù)面頂板猛烈下沉；〔2〕支架載荷添加，平安閥開啟，活柱下縮；〔3〕煤壁片幫嚴(yán)重；〔4〕頂板的斷裂聲〔三〕根本頂?shù)闹芷趤韷?.周期來壓的構(gòu)成根本頂初次斷裂后，隨任務(wù)面推進(jìn)，任務(wù)面上方的根本頂呈懸梁形狀，當(dāng)懸臂長(zhǎng)度到達(dá)極限值時(shí)在煤壁或在煤壁前方折斷下沉，任務(wù)面出現(xiàn)來壓景象，這種折斷周期性出現(xiàn)，任務(wù)面呈現(xiàn)周期性來壓，稱根本頂周期來壓。步距L周=〔1/2~1/4)L初2.周期來壓的表現(xiàn)方式下沉速度增大，下沉量添加；支架載荷添加；煤壁片幫；頂板臺(tái)階下沉，切頂。四、支承壓力及其顯現(xiàn)〔一〕支承壓力的定義煤層回采后導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布，作用于煤層、巖層、矸石上垂直應(yīng)力稱為支承壓力。采煤任務(wù)面周圍支承壓力分布分布特征：范圍、峰值位置、峰值大小應(yīng)力集中系數(shù)k=支承壓力峰值/原巖應(yīng)力采煤任務(wù)面前后方支承壓力分布曲線〔二)支承壓力在底板中的傳播分布規(guī)律〔1〕煤柱下為增壓區(qū)、采空區(qū)下為減壓區(qū)；〔2〕隨深度添加，支承壓力逐漸減小，影響范圍擴(kuò)展；影響角φ與巖性和煤層傾角有關(guān)；沿走向φ=15°~35°，傾斜方向φ=25~55°〔3〕底板鞏固，影響深度小但擴(kuò)展角大；巖層松軟，影響深度大?！踩持С袎毫Φ挠绊懸?.開采深度隨深度添加，原巖應(yīng)力添加，支承壓力也添加。2.圍巖性質(zhì)鞏固巖層影響范圍廣?！?〕煤質(zhì)煤體鞏固，支承壓力分布范圍小，集中系數(shù)高，峰值位置距煤壁近?！?〕與煤層的相對(duì)位置接近采空區(qū)，支承壓力變小，遠(yuǎn)離煤層支承壓力變小

第三節(jié)影響采煤任務(wù)面礦山壓力顯現(xiàn)的主要要素地質(zhì)要素：頂?shù)装濉A角、開采深度等技術(shù)要素：采高、控頂距、采煤工序、推進(jìn)速度一、地質(zhì)要素〔一〕頂板巖層的影響1.直接頂直接頂?shù)姆€(wěn)定性影響任務(wù)面的平安和消費(fèi)效率，決議支護(hù)方式選擇。直接頂穩(wěn)定性取要素1〕巖層力學(xué)強(qiáng)度；2〕層理和裂隙的發(fā)育程度。2.根本頂?shù)挠绊懜卷數(shù)倪\(yùn)動(dòng)是任務(wù)面礦壓顯現(xiàn)的緣由。根本頂?shù)膩韷簭?qiáng)度對(duì)任務(wù)面的支護(hù)強(qiáng)度、支柱可縮量采空區(qū)處置方法起決議作用。根本頂對(duì)任務(wù)面來壓影響程度與直接頂?shù)暮穸葒?yán)密相關(guān)。直接頂厚，冒落后能充溢采空區(qū)，根本頂破斷后構(gòu)成的構(gòu)造易于平衡，或呈緩慢下沉，那么周期來壓較弱。反之那么較強(qiáng)?！捕抽_采深度開采速度h→原巖應(yīng)力σz→支承壓力kσ開采深度對(duì)巷道礦壓顯現(xiàn)影響很明顯。深部巷道變形量大，支架損壞嚴(yán)重、支護(hù)困難。對(duì)采煤任務(wù)面礦壓顯現(xiàn)影響不明顯。任務(wù)面的支護(hù)強(qiáng)度與深度無直接關(guān)系。解釋緣由：巖體構(gòu)造的存在?！踩趁簩觾A角頂板下沉量、支架載荷與傾角關(guān)系：α大→s??；α大→p小由于矸石滾動(dòng)下滑對(duì)任務(wù)面下部采空區(qū)的充填作用，出現(xiàn)任務(wù)面下部來壓強(qiáng)度小于中上部。中上部來壓時(shí)間超前下部。二、技術(shù)要素〔一〕采高與控頂距采高和控頂距越大，頂板下沉和煤壁片幫越嚴(yán)重。頂板下沉量S=ηML〔二〕