矿山压力及其控制第四章

落煤、放顶两工序要相距10—15m以上。对综采则允许。
三、采深：
片帮几率↑
H↑→γH↑→KγH↑
塑性增强，变形↑
支架载荷↑
弹性能↑ 采深加大对巷道影响很大，对回采工作面影响不明显。 原因： 巷道位于高应力场内，围岩承受高应力作用，变形增大。 工作面顶板在上覆岩层平衡结构保护之下，受力变化不大。
四、倾角：
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
2）变形失稳估算：
支撑力与顶板下沉量为双曲线关系：
• 坚硬顶板地区，老顶切落和台阶下沉经常发生， 控制老顶滑落失稳失稳估算比较合适。
第五节
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
s L s0 且： L L0
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。
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
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。
按最危险考虑，T=0
P 1 Q
表4-1 周期来压特征
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，工作面回出现台阶下沉； 5、如果支护参数选择不合理，回发生冒顶、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。
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。
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。
第三节
老顶周期来压 periodic weighting
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
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）
“砌体梁”理论对周期来压的解释：
E
LT
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 。
3
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。
各方法的评价
• 华北下沉量大， 可采用控制老顶变形的失稳估算法
具体矿压显现应根据矿井具体条件进行分析
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）
P
PEi K0
实测
PEi h i K 0 h0
h0 即： PEi K0 hi
要求
hi h0
h
hi ——实测顶板下沉量； 式中：
h0 ——要求控制顶板的下沉量；
m E E LE K0 K T LT
（承载系数）
K 0 ——顶板下沉量为h0时，老顶的作用力。 LE
急倾斜开采、分层上向开采、 放顶煤开采等矿压显现规律 目前资料较少，尚需进一步 探索研究。
来压时工作面顶板切断情况
滑落失稳
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
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；
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。
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
Q1 =h1Lm h2 L , L Lm
5、支柱载荷急剧增加；
6、顶板出现拉绺现象（直接顶沿煤壁切断）。
初次来压步距
• 10-30m 占54% • 30-55m 占37.5% • 其余大于55m 大同砂砾岩坚硬顶板可达 160m 左右 动载系数甚至达到3.0 • 动载系数－来压时，支架所受载荷与平 时所受载荷之比。
三、预防措施：
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。
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。
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
表4-2 4-3
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
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
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
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）。
当顶板比较破碎时，加快推进速度可改善顶板状态。
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 放顶煤开采矿压显现规律
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。
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
A稳定
A断裂
A、B合 为一体 暂时稳 定
恢复到a 状态
2 RT Lh q
相当于初次来压步距 的 1/2.45 倍
RT Lh 3q
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
P 1 QA B T tan( )
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）。
“砌体梁”对初次来压的解释：
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
由
sL m L
0.025 ~ 0.05 （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。