【正文】 期垮落和周期來壓 。當(dāng)工作面再繼續(xù)推進(jìn)，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(hù)之下，恢復(fù)到前述的狀態(tài)。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)。 ? 初次來壓時，工作面要采取措施，如沿放頂線加強(qiáng)支護(hù)（增設(shè)排柱、木垛、斜撐、抬棚）、強(qiáng)制放落頂板等。 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。初次來壓對工作面影響一般持續(xù) 2d～ 3d。這時，工作面已不再處于基本頂掩護(hù)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 。 第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律 ? 二、工作面初次來壓 – 當(dāng)工作面從切割眼向前推進(jìn)，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 。 ? 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。 第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律 ? 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)。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)。沖擊地壓是礦山壓力顯現(xiàn)中最猛烈的形式。 第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律 ? 煤層壓碎，雖增加了片幫的機(jī)會，對安全不利，但可減輕落煤工作，淺截式采煤機(jī)就是采落壓碎范圍內(nèi)的煤，因而破落煤時阻力小。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。當(dāng)頂板比較堅硬，煤層較厚或較軟時，頂板下沉量較大。 – 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。 ? 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。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。 第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律 ? 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。 – 開采深度越大，懸露頂板的重量越大，支承壓力也越大。 第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律 ? （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)。 ? 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(jìn)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。前后兩個支承壓力帶，隨工作面推進(jìn)而移動，即 移動支撐壓力 。 第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律 煤體內(nèi)開掘切割眼后應(yīng)力重新分布 a—切眼寬度； Q—切眼上部巖體重量； H—煤層距地面深度； γ—上覆巖層的容重 第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律 ? 由于“壓力拱”的存在，切割眼處于減壓狀態(tài)。因此，在切割眼兩幫煤體中，產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，這種集中應(yīng)力稱為 支撐壓力 。這時在切割眼上部頂板內(nèi)形成了自然平衡“壓力拱”。 第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律 一、支承壓力 ? （一）支承壓力的形成 – 當(dāng)煤體未采動前，煤體內(nèi)的應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，煤體上所受的力為上覆巖層的重力 γH（ γ—巖層的容重， t/m3； H—煤層距地面的深度，m）。初次來壓步距大于 50m，甚至可達(dá) 100m～ 150m。初次來壓步距大于 25m～ 50m。初次來壓步距大于 25m～ 50m。初次來壓步距大于 25m。 第一節(jié) 煤層圍巖分類 ? 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。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。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。 ? 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。煤礦開采方法 ? 全國職業(yè)培訓(xùn)教學(xué)工作指導(dǎo)委員會煤炭專業(yè)委員會 烏魯木齊煤礦技工學(xué)校 2023采煤通風(fēng)組 煤礦開采方法 第三篇 礦山壓力及采煤工作面 技術(shù)管理 第 10章 礦山壓力及其控制 第 11章 采煤工作面生產(chǎn)管理技術(shù) 煤礦開采方法 第 10章 礦山壓力及其控制 主要內(nèi)容 ?第十章 礦山壓力及其控制 ? 第一節(jié) 煤層圍巖及分類 ? 第二節(jié) 工作面頂板壓力顯現(xiàn) ? 第三節(jié) 工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇 ? 第四節(jié) 頂板觀測 ? 復(fù)習(xí)思考題 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(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，一般抗拉強(qiáng)度只有其抗壓強(qiáng)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。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(qiáng)度，遠(yuǎn)小于其它方向的抗拉強(qiáng)度，有些甚至完全失去抗拉能力。 第一節(jié) 煤層圍巖分類 ? 對采煤工作面影響最大的圍巖是煤層頂部巖層。 ? 根據(jù)我國巖層的實際情況，一般把直接頂分為三類： – 一類直接頂（不穩(wěn)定） ——回采時不及時支護(hù)，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。來壓的大小相當(dāng)于或小于 6～ 8倍采高的頂板巖層重量。 – 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。 – Ⅲ 類基本頂 ——初次和周期來壓強(qiáng)烈，來壓的大小相當(dāng)于 12～ 14倍采高的頂板巖層重量。 – 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。這種頂板多為極堅硬的厚砂巖或礫巖。 – 當(dāng)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。切眼上部巖體重量 Q由兩側(cè)煤壁平均分擔(dān)。它的大小為原始應(yīng)力 γH的 ～ ，最大值可為原始應(yīng)力的 2～ 4倍或更大。隨著工作面推進(jìn)，切割眼擴(kuò)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。 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) 第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律 ? 從圖看出，由于采動影響的結(jié)果，在工作面前方煤體中和工作面后方的采空區(qū)內(nèi)，根據(jù)壓力分布不同可分為三個區(qū)： ? a——增壓（支承壓力）區(qū)，它的應(yīng)力大于原始應(yīng)力； ? b——減壓區(qū)，它的應(yīng)力小于原始應(yīng)力； ? c——穩(wěn)壓區(qū)，它的應(yīng)力等于原始應(yīng)力。當(dāng)采煤工作面推進(jìn)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。 – 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。 – 采空區(qū)充填程度越密實，煤壁內(nèi)支承壓力越小。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。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。 ? 底板巖層堅硬，支承壓力影響范圍大，但集中程度小。 第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律 ? （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。一些實際資料表明，頂板下沉量可達(dá) 15mm～ 60mm，甚至達(dá)100mm。 – 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。 – 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(kuò)大；穩(wěn)壓區(qū)向煤壁里面轉(zhuǎn)移。 ? 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。沖擊地壓是煤和巖層在礦壓作用下，急劇地破碎和被拋出的現(xiàn)象。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。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。 ? 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(jìn)速度，減少頂板懸露時間；縮小控頂距，減小支承壓力。當(dāng)板梁垮度隨著工作面推進(jìn)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。由于基本頂初次垮落，使工作面壓力增大，故稱為 初次來壓 ?；卷敵醮慰迓鋾r，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 。 第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律 ? 初次來壓的特點是： – 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。 圖 5—3 基本頂初次垮落 L1初次垮落步距 第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律 ? 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)閼冶哿骸? 圖 5—4 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 第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律 ? 當(dāng)工作面推進(jìn)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。繼工作面的推進(jìn)，基本頂?shù)目迓渑c工作面增壓現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)。兩次周期來壓之間的距離稱為 周期垮落（來壓）步距 。 第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律 ? 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)。 四、頂板下沉 ? 在工作面推進(jìn)過程中，采空區(qū)不斷擴(kuò)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 。 第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律 （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)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。 1?km第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律 （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。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。 ? 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。 ? 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。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) 。 ? C區(qū)：工作面后方 30 m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(jìn)人相互壓實的過程稱 重新壓實區(qū) 。 ? 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 。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 。 ? 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。 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。 ? 按支架的組合形式，工作面支架可分為兩類： 單體支架和液壓自移式支架。前者稱為懸臂支架或棚子