(整理)4采煤工作面矿山压力显现规律.

第四章采煤工作面矿山压力显现规律

第一节概述

大多数情况下，矿山压力显现会给地下开采工作造成不同程度的影响。为使矿山压力显现不至于影响正常的工作和保证生产安全，就必须采取各种技术措施加以控制。包括对巷道及采煤工作空间进行支护、对松软煤岩体进行加固、用各种方法使巷道或采煤工作面得到卸压、用人为的方法使采空区顶板按预定要求冒落等。此外人们对矿山压力的控制不仅在于消除和减轻对开采工作造成的危害，还包括合理地利用矿山压力的天然能量为开采工作服务。例如，利用矿山压力的作用压酥煤体以方便落煤工作，借助采空区上覆岩层压力压实已冒落的矸石形成再生顶板等等。所有这些人为地调节、改变和利用矿山压力作用的各种措施，叫做矿山压力控制。简称矿压控制。

在实际生产过程中，采煤工作面常有下述一系列矿山压力现象，并习惯上用这些现象作为衡量矿山压力显现程度的指标。

（1）顶板下沉量，一般指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板移近量。随着工作面的推进，顶底板处于不断移近状态。

（2）顶板下沉速度，指单位时间内的顶底板移近量，以mm/h计算。它表示顶板活动的剧烈程度。

（3）支柱变形与折损，随着顶板下沉，采煤工作面支柱受载也逐渐增加，一般可以用肉眼观察到柱帽的变形，剧烈时可以观察到支柱的折损。

（4）顶板破碎情况，常常以单位面积顶板中冒落面积所占的百分数来表示。它是用来衡量顶板控制好坏的质量标准。

（5）局部冒顶，指采煤工作面顶板形成局部塌落，它影响采煤工作的正常进行。

（6）大面积冒顶，指采煤工作面由于顶板来压导致顶板沿工作面切落。常常对工作面生产造成严重影响。

其它还有煤壁片帮、支柱钻底、底板臌起等一系列矿山压力现象。

第二节老顶的初次来压

直接顶初次垮落后，工作面继续向前推进，由于老顶比较坚硬，在一定范围内呈悬露状态，其四周分别由煤壁及煤柱支撑。此时可将老顶视为一个板的结构。但是由于采煤工作面沿倾斜方向的长度，往往大于老顶沿走向方向垮落时的跨度，因此通常将老顶视为一端由煤壁而另一端由煤柱支撑的两端固定的梁。若老顶以上岩层的强度低于老顶岩梁时，则上覆岩层的重量将通过老顶形成的梁而传递至两端的煤壁及煤柱上。

随着工作面继续往前推进，直接顶不断垮落，老顶悬露跨度逐渐增大，直至达到极限跨度时，老顶将出现断裂，进而发生垮落。老顶由开始破坏直至垮落常需要一定的时间，甚至在老顶垮落前的2～3d即出现顶板断裂的响声等来压预兆。在垮落前1～2h，采空区可能发生隆隆巨响，通常煤壁片帮严重，顶板产生裂缝或掉渣，其下沉量及下沉速度明显增加。支架载荷迅速增高。这种老顶初次折断或垮落前后工作面的矿压显现，称为老顶的初次来压。

老顶初次垮落时，其悬露跨度L初称为老顶初次垮落步距。该值决定于老顶岩层的岩石性质、厚度等因素。地质构造对于老顶的初次来压也有影响，如遇到断层时，即可能减少老顶的垮落步距。一般老顶的初次来压步距为20～35m，有的矿区可达50～70m，甚至更大。

老顶岩层达到极限悬跨度形成断裂后，并不一定立即垮落，岩块间由于互相咬合关系也可能形成平衡，如图4－1所示。由于岩层抗拉强度较小，因而在断裂时如前所述很可能在梁的中间底部及两侧支座的上部裂开。随岩块的转动，可能形成强大的水平挤压力，从而形成三铰拱式的平衡结构。

这种三铰拱形成的条件是：

（１）咬和点处形成的应力应小于岩块的抗压强度。若超过该处的强度极限，就可能咬合不住，从而导致岩层的垮落。

（２）在挤压过程中要求岩层有一定的厚度，从而保证铰接点b在铰接点a、c连线之上，才能形成三铰拱式的平衡。但岩层厚度也不能过大，否则也可能咬合不住。

（3）三铰拱两端支座处，岩块与煤壁的摩擦力要大于支座反力。

图4—1老顶岩梁断裂后形成的平衡

由于煤壁前方强大的集中应力（K H）的影响，可能导致直接顶岩层内发生剪切破坏，从而形成预生裂隙，这会影响到采煤工作面内的顶板管理。

老顶初次来压比较突然，来压前采煤工作面上方的顶板压力较小，因而容易使人疏忽大意。初次来压时，老顶跨度较大，影响范围也较广，工作面易出现事故，因此，在生产过程中应严加注意。在来压期间，必须注意采煤工作面的支护质量，加强支架的支撑力，增强支架的稳定性。一般可以采用木垛、戗柱等加强支护。

第三节老顶的周期来压

老顶初次垮落后，随着采煤工作面继续推进，工作面上方的老顶岩层将呈悬露状态（图4—2 a)。此时，上覆岩层的重量将由老顶的悬臂直接传递给煤壁，部分上覆岩层及已折断的老顶重量，将直接加在已垮落的矸石上，此时采煤工作空间处于老顶悬梁的保护之下。

当采煤工作面继续推进，老顶悬露跨度达到一定长度时，老顶在其自重及上覆岩层载荷作用下，将沿煤壁甚至在煤壁内发生折断和垮落（图4—2b）。随着工作面的推进，老顶的这种垮落现象将周而复始地出现，而使工作面内呈现周期性的矿压显现。这种老顶周期性折断或垮落前后工作面内的矿压显现称为老顶的周期来压。

周期来压的矿压显现有：顶板下沉速度急剧增加、顶板下沉量急剧增大、支柱载荷增大、煤壁片帮、支柱折损、顶板发生台阶下沉等。

两次周期来压的间隔时间称来压周期。两次周期来压期间工作面推进的

距离叫做周期来压步距。

周期来压步距取决于老顶的岩性、厚度、老顶上方岩层的组成情况等因素。周期来压步距要比初次来压步距小，一般可由下列公式计算。

L 周=（4

1~21）L 初 （4－1）

图4—2 老顶的周期来压

老顶为厚度较大的整体坚硬岩层时，周期来压步距一般较大，若老顶上方岩层系松软岩层，该松软岩层给老顶施加很大的载荷，可能使老顶的周期来压步距缩短。当倾向或斜交断层位于预期的周期来压线之前不远处，工作面推进到断层附近时，老顶将比预期的位置提前垮落，即缩短了周期来压步距。若断层位于预期位置后面不远处，则可能使周期来压步距稍微延长。

在周期来压期间，老顶的作用力通过直接顶作用到支架上，支架的支撑力也是通过直接顶对老顶进行控制。因此，直接顶的完整性对控制老顶的平衡将起到重要作用。

周期来压的剧烈程度与冒落矸石充满采空区的程度有直接关系，采空区矸石冒落越严实，老顶对工作面的影响越小，反之则较大。

预防周期来压造成事故，主要是准确地利用周期来压的步距及预兆，及时采取加强支护措施。尤其是保证支护的规格质量，保证一定的支护密度及支架稳定性。

第四节 采煤工作面周围的支承压力及其分布

一、采煤工作面前方的支承压力

采掘空间附近应力增高区内的应力称为支承压力。

采煤工作面割煤使煤壁刚刚裸露时，对于坚硬煤层，其应力分布理论上如图4—3中ab 曲线所示。在煤壁上方垂直应力为最大值σ

max ,在煤壁深处σ2