第4章 采场矿山压力显现基本规律2018

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第三节
老顶周期来压 periodic weighting
一、周期来压的形成： 有初次来压必有周期来压。 初次来压——老顶悬顶跨度增大——老顶断裂——
平衡结构——失稳——周期来压。
周期来压——老顶平衡结构周期性失稳而施加给工 作面以大型压力的过程。 周期来压步距——两次来压期间工作面推进距离。 （周期来压步距 = 1/2 初次来压步距）
第四章
采场矿山压力显现基本规律
本章介绍：
矿压显现指标 老顶初次来压、周期来压 顶板压力估算 影响矿压显现的因素
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第一节
一、矿压显现：
矿压显现指标
在矿山压力作用下，煤岩体及支护物所表现出的种种力 学现象。
二、矿压显现指标： 1、顶板下沉 S（mm）——煤壁到采空区边缘范围内顶、底 板间相对位 移。
顶板绝对下沉不易得到，一般以距煤壁4米处下沉量为 工作面顶板下沉量。 可以每米采高每米推进度下沉量S/L/M为比较标准。
具体矿压显现应根据矿井具体条件进行分析
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六、放顶煤开采矿压显现：
1、放顶煤开采影响本质——采高大、厚煤顶。 2、矿压显现特点（据唐山矿观测）： 前方支承压力峰值高、距工作面远（16—24米）； （采高大，顶板活动范围大，平衡结构高远） 顶、底板相对移近量大（4.4m处达1.2m）； （采高大，老顶移动倾斜度大，顶板移动量大） 顶煤在煤壁前方较远处开始较大位移（垂直、水平）； （煤体受压，产生塑性变形，垂直缩，水平伸） 支架载荷、周期来压强度较小。 （支架顶部煤体起到缓冲作用）
初次来压前无明显征兆，工作面顶板压力不大，致使支架稳定 性差，来压猛，易造成顶板事故。
1、增大支撑力 2、增加稳定性 3、加强矿压观测及地质、开采资料 4、加强日常支护质量管理。 四、来压条件： 1、有老顶存在； 2、直接顶垮落后不能充填满采空区。
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来压是老顶断裂（结构失稳）施力于 工作面的结果； 来压期间重点措施是： 增加支护强度； 增强支架稳定性； 保护煤壁，减少片帮。
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2、工序影响：
图4-19解释
落煤引起顶板下沉速度增加；
放炮影响范围：上、下15m，剧烈区上、下5m
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放顶引起顶板下沉速度增加； 影响范围：上20m下10m 剧烈范围：上15m下5m 落煤、放顶——改变顶板支
撑条件，顶板移
动加强。
注意： 加快推进速度，不能减弱工序对顶板下沉的影响（“甩”掉矿压）。
P86导出
P 1 QA B T tan( )
按最危险考虑，T=0
P 1 Q
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二、周期来压时的矿压显现： 1、顶板下沉量急剧增加； 2、支柱载荷普遍增加； 3、煤壁片帮严重； 4、当支撑力不足时，工作面出现台阶下沉； 5、如果支护参数选择不合理，发生冒顶、切顶。 （周期来压显现一般较初次来压时有所缓和） 三、预防措施： 同初次来压，同时加强统计观测。
s L s0 且： L L0
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L L sL s0 m h h K0 L0 L0
m h 故有： KP 1
Kp为冒落矸石未承受压力时的碎胀系数
K0为老顶触矸处的碎胀系数
m h KP 1
L 1 K0 1 m K m 0 因为 s L m K 1 K 1 L 1 K 1 L m L P p p 0 0
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四、倾角：
顶板下沉量↓ 支柱载荷↓
垂直层面应力↓
冒落矸石充填方式改变矿压规律； 影响顶板“三带”形态；
俯斜开采时容易形成平衡结构。
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五、分层（网下）开采矿压显现：
顶板已遭受一次破坏 再生顶板碎胀系数减小 平衡结构内老顶岩块跨度小
1、分层顶板特点
2、矿压显现特点
顶板下沉量增大 支架载荷减小（动载荷小） 老顶来压步距小、强度低
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“砌体梁”理论对周期来压的解释：
A稳定
A断裂
A、B合 为一体 暂时稳 定
恢复到a 状态
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2 RT Lh q
相当于初次来压步距 的 1/2.45 倍
RT Lh 3q
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若要使支架不出现台阶下沉，应满足基本条件：
T tan( ) QA B
支架对老顶岩块应有的作用力应为
（承载系数）
K 0 ——顶板下沉量为h0时，老顶的作用力。 LE
E
LT
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mE
3、威尔逊估算法：
实质—— 只估算 直接顶载荷， 载荷与支撑 力不同线， Q 从而有附加载荷 Q 3 。
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Q3 的大小受直接顶垮落角的影响。
所需支撑力 P 依据直接顶形状，按照力系平衡求出。
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各方法的评价
• 华北大部分矿区 可采用4-8倍采高岩柱的重量 • 支护阻力较小的单体柱工作面，顶板下沉量大， 可采用控制老顶变形的失稳估算法
故：
K p K0 sL K 1 p
1 mL L 0
其中
即：
sL m L
K p K0 K 1 p
1 L 0
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由硬岩取小，软岩取大）
顶板下沉量与采高、控顶距成正比； 采高增大，上覆岩层活动范围大，不易形成平衡结构； 采高增大，煤壁不稳定，矿压显现严重； 控顶距增大，顶板稳定性差。 如果老顶-直接顶不发生离层且直接顶无碎胀，则上 式成立，否则则大于上述值。 二、工作面推进速度及工序： 1、 推进速度影响 = 时间对顶板下沉（变形）的影响。 加快推进速度→ 减少控顶时间 → 减少无工序下沉量。 对破碎顶板，加快推进速度，可改善顶板状况。
即：
p 4 ~ 8m
周期来压剧烈时取上限
顶板压力相当于 4~8 倍采高岩柱重量。
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如果采高不大，上述计算结果准确度较高；但在大采高条件下， 悬顶距为下位关键层的周期来压步距，按4-8倍采高计算结果偏 小
P Q1 Q2
Q1 =h1Lm , L Lm
垮落带载荷 裂隙带载荷
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工作面顶底板移近曲线 1—顶板绝对下沉曲线； 2—顶板相对移近量（下沉）曲线； 3—底板臌起曲线
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2、顶板下沉速度V（mm/h）——单位时间顶板下沉量。
3、支柱变形与折损——观察喷液、下缩、压裂、折断等。 4、顶板破碎度——单位面积中顶板冒落面积所占百分比。 5、局部冒顶——小范围顶板垮落。 6、大面积冒顶——顶板沿工作面煤壁切落。 7、煤壁片帮——煤壁因支承压力作用发生的剪切坍塌破坏。 8、底臌——底板塑性变形。 9、支柱插入底板——底板松软，对顶板管理很不利。
• 坚硬顶板地区，老顶切落和台阶下沉经常发生， 控制老顶滑落失稳估算比较合适。
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第五节 回采工作面前后支承压力分布
稳压区
增压区
减压区
稳压区
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第六节
影响采场矿山压力显现的主要因素
一、采高与控顶距： 图中： L——控顶距 So—顶板最终下沉量 SL—控顶范围内最大下沉量 Lo —弯曲老顶前后最大曲率点间距 有： s0 m h h K 0
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“砌体梁”对初次来压的解释：
来压时工作面顶板切断情况
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滑落失稳
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P 所形成的力矩难以 平衡Q2所形成的力矩， 老顶回转不可避免 为使老顶不沿煤壁切落， P应≥Q1+Q2
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二、初次来压时矿压显现特点：
1、来压前，顶板压力无明显增大； 2、煤壁内部支承压力增高，煤壁片帮严重； 3、顶板有板炮声响； 4、顶板下沉速度急剧增加，由1mm/h 到 5~20mm/h；
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第四节
顶板压力的估算
顶板压力是工作面支护设计的一个重要参数。
一、估算法：
1、经验估算法 ：
控顶距 悬顶距
实质——以直接顶沿煤壁断裂、老顶平衡结构失稳时最不 利状态作为顶板压力估算的依据（最大可能载荷）。 1）直接顶载荷 q1 ：
Q1 h L1 h L
q1 h
Q1 =h1Lm h2 L , L Lm
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2、从老顶结构平衡关系估算：
实质——直接顶载荷全部由支架承担，老顶载荷仅当老 顶结构失稳时产生。（失稳：滑落、变形）
1）滑落失稳估算：
老顶载荷 = 两岩块重量 - 咬合处摩擦力
F Q A B Li 0 Qi 0 tan 2H
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第二节
老顶初次来压 first weighting
一、初次来压的形成： 初采——初次放顶——老顶悬露跨度增大——老 顶断裂——形成平衡结构——失稳——初次来压 初次来压——老顶平衡结构第一次失稳而施加给工 作面以大型压力的过程。 初次来压步距——第一次来压时，工作面距开切眼 的距离（推进距离）。
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2）老顶载荷 q2 ： （按直接顶载荷的倍数估算）
经大量观测，最大压力时也不超过平时的2倍。
故： p q1 q2 n h 2h
因
m 且 K p 1.25 ~ 1.5 h K p 1
m 所以有： p 2 K 1 22 ~ 4m p
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2）变形失稳估算：
支撑力与顶板下沉量为双曲线关系：
P
PEi K0
要求
PEi h i K 0 h0
h0 即： PEi K0 hi
实测
hi h0
hi ——要求顶板下沉量； 式中：
h
h0 ——实测控制顶板的下沉量；
m E E LE K0 K T LT
当顶板比较破碎时，加快推进速度可改善顶板状态。
落煤、放顶两工序要相距10—15m以上。对综采则允许。
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三、采深：
片帮几率↑
H↑→γH↑→KγH↑