采场老顶初次来压的结构分析
采场矿压新理论知识
砌体梁学说、弹性地基梁学说、梁拱学说、关键层学说，以及经典的四大 学说（压力拱、悬梁、预成裂隙、铰接岩块）介绍如下：
1、固支梁学说
该假说认为，当相邻采区未开采 或不受断裂影响时，且回采工作面上 方有强度高岩层存在，其下方软岩层 垮落后，不能充满采空区，且工作面 长度远大于跨度时，可以认为位于工 作面上方的强度高（硬且厚）岩层是 插入前后方岩体中的无数个单位宽度 的固支梁 。
回采工作面在砌体梁的保护 下，当结构稳定时，上方载荷 通过该梁传递到前方煤壁和后 方采空区矸石或煤柱上，采场 支架仅承受岩梁下直接顶载荷。 当岩梁失稳时，结构将对支架 产生冲击载荷。
(a)
(b)
图3-8 砌体梁结构模型
a——初采阶段，b——正常回采阶段
2、传递岩梁理论
该理论中科院院士宋振骐提出的，该学说认为在长壁回采 工作面上方存在着一个能够传递其上方载荷的岩层，由于该岩 层跨度一般远小于工作面长度，故可视为平面问题讨论的梁， 即所谓传递岩梁。
二、老顶的分级
p e 2.3 4 ln L 1 1 ) ( 1.5 k 5 m 5.6 M 2
式中：L1——老顶初次来压步距，m； km——直接顶充填系数，即直接顶厚度与采高比值； M——煤层采高，m。
老顶分级 老顶来压
显现
分级指标
老顶按老顶初次来压当量pe（kPa)分级
I 不明显
II 明显
坚硬 Ⅴ ＞32
＞2.76
＞2.16
＞41.79
厚层砂质页岩、粉砂 岩、砂岩
底板比压（底板载荷集度） ：支架底座对底板造成的单位面积上的压力。
我国缓倾斜回采工作面底板分类方案
综采工作面矿压分析
十一月份综采工作面矿压观测分析报告本月通过对33405综采工作面矿压观测，掌握了该工作面煤层顶板初次来压和周期来压步距、工作面支架支护强度、围岩破坏活动过程煤壁中应力变化大小和应力影响范围。
为工作面现场管理提供完善、准确的资料，以直接指导生产实践和解决施工生产问题。
一、煤质和煤层赋存情况，该工作面所采(3+4)#煤层是二叠系下统山西组主要可采煤层，根据现有巷道揭露的煤层资料分析，该面煤层结构简单，煤层属稳定煤层，煤层厚度为 3.65m。
煤层倾角3°～7°平均6°。
1、煤层顶、底板情况：（１）、顶板：顶板依次为伪顶、直接顶、基本顶。
伪顶为灰黑色碳质泥岩，泥质结构，薄层状构造，厚度平均约为0.18m；直接顶为黑色砂质泥质结构，泥质结构，薄层状构造，斜层理较发育，底部含碳质，厚度平均约为7.75m；基本顶为灰色粉砂岩、中间含中粒砂岩，为粉砂状结构，薄层状构造，厚度平均约为8.05m。
（２）、底板：直接底板为灰黑色泥岩，泥质结构，薄层状构造，厚度平均约8.5m。
3#+4#煤层顶板以泥岩为主，抗压强度平均13.8MPa；抗拉强度平均0.95MPa；单项抗剪强度平均6.79 MPa；底板也多为泥岩，抗压强度平均10.6MPa。
2、地质构造：据掘进揭露的地质资料分析，33405工作面煤层整体形态为一单斜构造，工作面沿倾向布置，从工作面巷道揭露资料看，该面地质构造相对简单，古河床冲刷带和F28正断层横穿整个工作面。
工作面里段为易冒落的顶板，顶板随回采而垮落，顶板来压比较稳定。
二、原始记录汇总：①工作面支架支护载荷的观测根据，33405工作面的顶板支护动态监测记录：每5天进行一组数据分析，数据平均值如下：1-5:16.68 Mpa、6-10:20.1Mpa、11-15:20.86 Mpa、16-20 21.94Mpa、21-25:20.34MPa、26-30:22.5 Mpa, 本月共出现4个压力峰值，分别是6日的25.1Mp、12日的20.2 MPa、22日的28MPa、28日的29.2Mpa，其它时间都相对平缓。
采煤工作面初次来压安全措施
应急处置流程
发现初次来压征兆 启动应急预案 采取应急措施 观察与监控
在采煤工作面推进过程中，一旦发现初次来压的征兆，如顶板 突然来压、矿压显现异常等，应立即停止作业并报告给相关部
门。
接到初次来压征兆报告后，应立即启动初次来压应急预案，通 知相关人员迅速到位并做好应急处置准备。
根据预案要求，采取相应的应急措施，如加强顶板支护、撤离 人员、提供应急照明等。
初次来压时间
• 初次来压的时间通常在采煤工作面推进后20m～30m左右，具体时间受顶板岩性、地质构造、采高、煤层倾角等因素的影 响。
初次来压的影响
初次来压会对采煤工作面产生显著的影响，包括
压力变化：初次来压时，老顶及上位岩层发生跨落，对工 作面支架产生较大的压力，可能导致支架损坏、下沉等问 题。
稳固。
强化支护质量
选用合适的支护方式
应根据采煤工作面的实际情况选择合适的支护方式，如单体液压 支柱、锚杆支护来自，以确保顶板的稳定性和安全性。
严格控制支柱间距
支柱间距应严格控制，确保支柱能够有效地支撑顶板，避免因间距 过大导致支撑力不足。
加强支柱维护
应定期对支柱进行检查和维护，确保支柱的正常工作和可靠性，保 证初次来压时能够提供足够的支撑力。
预案审批与备案
制定的初次来压应急预案应经过相关部门审批， 并在有关部门进行备案，确保预案的有效性和合 规性。
应急演练要求
定期进行演练
在采煤工作面初次来压前，应定期组 织相关人员进行应急演练，提高应急 处置人员的技能和反应速度。
演练评估与总结
对应急演练进行评估和总结，分析存 在的问题和不足，并提出改进措施， 不断完善应急预案。
加强顶板管理
定期进行顶板检查
四采场矿山压力显现基本规律
h0 PEi K 0 hi
mE E LE 式中，K 0 KT L
27
4.4 顶板压力的计算
4.4.1 估算法 3、威尔逊估算法
顶板岩石类型 破碎顶板
垮落角/ 90
比较破碎顶板
75
60 45
P与Q1作用位置差异形成附加力Q3。 中等稳定顶板 稳定顶板 P Q1 Q3
成反力R后，其回转下沉才会
缓和和停止。为了不使老顶沿 工作面切落，支架工作阻力应
等于 Q1 与 Q2 之和，支架抗变形
图4-5 老顶初次来压力学模型 能力还必须与老顶回转下沉相
P—支架反力； Q1—直接顶载荷； Q2—老顶载荷；R—矸石反力
适应。
11
4.2 老顶的初次来压
老顶初次来压前支承压力分布
7
4.1 概述
讨论：
（1）关于采场矿山压力现象衡量/评价指标是根据现场顶板控制 需要确定的，不同条件回采工作面面临的生产安全问题可能不同， 使用的采场矿山压力显现评价指标也可能不同。如，除前面介绍 的指标外，还用支架工作阻力、支柱钻底、底臌（鼓）等指标。 （ 2 ）“大”、“小”结构及其作用关系：采场支架与直接顶构 成小结构，处于上覆老顶岩层组成的大结构之下。“大结构”的 变形、失稳直接影响到小结构的状态，同时“大结构”周围的支 承压力分布情况也将直接影响到煤壁及底板岩层的稳定性。小结 构的维护作用是保证生产必须的空间和安全，支护对大结构也有 影响。采空区处理方法甚至可以改变大结构形式及其状态。
图4-14a 顶分层采空区支承压力分布
（采深H=163m，H=407104Pa，面长120m）
32
4.5 回采工作面支承压力分布
4.5.3 下分层工作面采空区支承压力分布
初次来压及周期来压知识点
一、工作面初次来压当工作面从切割眼向前推进,顶板悬露面积随之扩大,直接顶垮落充填采空区,基本顶仍完整地支承在两帮煤壁上,形成双支板梁构件;当板梁垮度随着工作面推进增大到一定的范围,由于基本顶的自重和上覆岩层的作用下,使基本顶断裂垮落;这时,工作面已不再处于基本顶掩护之下,顶板迅速下沉而破碎,通常把基本顶第一次大面积垮落称为初次垮落;由于基本顶初次垮落,使工作面压力增大,故称为初次来压;初次来压对工作面影响一般持续2d～3d;基本顶初次垮落时,工作面距切割煤壁的距离L1称为初次垮落步距或初次来压步距;L1值与基本顶岩性、厚度以及地质构造等因素有关,一般为20m～35m,少数达50m～70m;1）初次来压的特点是：工作面顶板下沉量和下沉速度急增,甚至出现台阶式下沉；顶板破碎；甚至出现沿煤壁平行的裂隙,有时发出巨大的断裂声；支架受力增加,采空区掉块；煤壁严重片帮;2）初次来压时,工作面要采取措施,如沿放顶线加强支护增设排柱、木垛、斜撑、抬棚、强制放落顶板等;基本顶初次垮落L1--初次垮落步距二、周期来压基本顶初次垮落后,工作面暂时免除了基本顶下沉的影响,支架受力减轻,基本顶由双支板梁变为悬臂梁;上覆岩层的重量主要由基本老顶悬臂梁直接传给煤壁,部分由垮落的矸石承担;图11—4 基本顶周期垮落来压示意图L2--周期垮落步距；h—直接顶厚度；m—煤层厚度1 当工作面推进到一定的距离,基本顶悬臂在自重和上覆岩层的作用下,又会产生断裂垮落,这时同样会给工作面带来增压现象;当工作面再继续推进,这部分垮落的基本顶被甩入采空区,工作面又处于基本顶悬梁掩护之下,恢复到前述的状态;继工作面的推进,基本顶的垮落与工作面增压现象重复出现;这种垮落与来压随工作面推进而周期性的出现,称为基本顶周期垮落和周期来压;两次周期来压之间的距离称为周期垮落来压步距;周期垮落步距同样与基本顶岩性有关,一般为6m～30m,多数为10m～15m;由于周期来压前,基本顶呈悬梁状态,而初次来压前,基本顶呈双支板梁状态;因此,在工作面内,周期来压步距小于初次来压步距,它们的关系大致为：L2=1/2～1/4L12)周期来压特点与初次来压类似;三、顶板下沉在工作面推进过程中,采空区不断扩大,上覆岩层移动下沉而破坏,根据破坏的特征,上覆岩层沿竖直方向自下而上可分为三带：冒落带、裂隙带、弯曲下沉带;在这三带中,冒落带和裂隙带直接关系到工作面的顶板管理,弯曲下沉带对工作面没有多大影响;一冒落带易冒落的直接顶,不规则垮落,碎胀的岩块将填满采空区,形成冒落带,支撑老顶;当松软岩层很厚时,冒落的高度可视为直接顶的厚度;当直接顶厚度不大,冒落的岩块填不满采空区,老顶悬空,这种情况下,老顶也将发生部分垮落,使工作面压力增加;图11—5岩层移动推测图a岩层内部破坏推测图；b裂隙带岩层移动曲线；c沿工作面推进方向的分区1—冒落带；2—裂隙带；3—弯曲下沉带二裂隙带位于冒落带之上的老顶岩层,总是一端支承在煤壁上,另一端支承在采空区的碎石充填堆上;在上覆岩层的压力作用下,冒落的岩块逐渐压实;因此,上覆岩层也随之逐步弯曲下沉,成段拆断或产生许多裂隙,但不冒落仍整齐排列,形成裂隙带;其厚度根据实测一般为采高煤层厚度的7～17倍左右;由于裂隙带内岩层的性质和厚度不一致,所以各层的弯曲下沉量不同,这样必然产生离层现象;如直接顶比较厚,没有全部跨落,而直接顶的强度一般又小于老顶强度,因此,在直接顶与老顶之间也会产生离层;离层现象,往往可能产生冲击地压,引起工作面切顶、折断支架,造成重大事故;裂隙带岩层在水平方向上又可划分为三个区A区：从工作面前方30、40 m开始到工作面后方2~4m,该区内顶板变形特点是水平位移剧烈,垂直位移微小,甚至有些情况下,顶板还会有上升现象;显然是由于工作面煤壁支撑使顶板呈张拉变形的结果,所以称煤壁支撑区;B区：从工作面后方2~4m至30 m左右,顶板剧烈下沉破断,且各岩层下沉速度由下向上逐渐减小,层与层之间产生离层,称为离层区;C区：工作面后方30 m以远,已断裂的岩块又重新受到采空区冒落矸石的支撑,由下向上各岩层的下沉速度逐渐增大,层间进人相互压实的过程称重新压实区;由此可见,A区和C区的岩层分别为煤壁刚性体和矸石柔性体所支撑,B区的岩层则离层悬空,说明工作面的覆岩中存在着某种“结构”使之实现平衡,而工作面在这种“结构”保护下完成采煤作业过程;工作面支架的任务,就是有效地控制矿山压力并尽可能使其上覆岩层不离层,尤其是直接顶不离层;为此,要求支架有足够的支撑力工作阻力和一定的可缩性;支撑力大,可减少上覆岩层下沉量,从而减少离层的可能性,但是支撑力再大,也不可能避免上履岩层的挠曲下沉;因此,要求支架有一定的可缩量,否则支架会被压断;为避免支架折断而产生离层,要求支架可缩量与顶板下沉量一致;三弯曲下沉带裂隙带上方直到地表的岩层为弯曲下沉带,这部分岩层不产生裂隙或仅产生极微小的裂隙,并在采空区上方的地面形成一个比开采范围大的空间;。
浅析浅埋煤层工作面初次来压机理
常 进海
科
浅 析浅埋煤 层 工作 面初次 来压机 理
（ 开滦 集团荆各庄矿 业分公 司 安管部。 河北 唐 山 ０３ ２ ） ６ ０ ６
摘 要： 分析提 出了浅埋煤层 开采 的三个界 定指标 ， 通过分析浅埋煤层 的上覆基 岩层的结构特征及 力学模 型 ， 阐明 了工作 面初 次来压经历 的 从 关键层破断垮落来压， 关键层上方基岩层分层的垮 落形成第一 次冲击栽荷， 松散 栽荷层 滞后垮 落形成 第二次冲击裁荷的三个阶段。 关键词 ： 浅埋煤层； 上覆岩层 ； 松散栽荷层 ； 梯度复合板 １概述 采工作面覆岩活动规律基岩 ， 呈一 同步运动的 覆岩层初次垮落与工作面初次来压过程 ： 我国学者 对浅埋 煤层定 义曾作 过初步 分 组合岩层。 松散载荷层 随基岩层移动 、 垮落至地 随着工作面推进 ，顶板基 岩层裸露 的跨度 析和探讨 。 研究认 为 ， 浅埋煤层工作面矿压显现 表 ， 顶板来压剧烈 ， 来压时间短 ， 现象明显 ， 增加 ， 动压 基岩层发生挠曲变形 ， 当工作面推进到一 的基本特征是 ： 地表 出现大型张开裂缝和较大落差 的地堑 。Ｃ 定距离后 ， ． 基岩层下部分层沿分层界 面滑移 ， 与 １ 顶板基 岩沿全厚切落 ，基岩破断 角较 煤层埋深小 于等于 ８ — ０ ｍ ． １薄基岩结 其上岩层离层垮落 ， ． １ ０ １ ０ 。２１ ． 即直接顶初次放顶 ， 关键层 大， 破断直接波及地表 构分析。深入分析陕西某矿 区典型 的浅埋煤层 组裸露出来 。当工作 面开采第步 以后随着工作 工作 面来 压期间顶 板有 明显 的台阶下沉 长壁开采工作面 ，发现其上覆基岩层具有 如下 面继续推进 ， 基岩关键层裸露跨度增大 ， 其挠曲 和动载现象 。 工作 面覆岩不存在“ 三带”基 本上 结构特征 ： 上覆基岩层一般 由多个岩层分层 变形增大 。当工作 面推进至关键层初次破断距 ， 为冒落带和裂隙带“ 二带” 。 构 成 ，并且 以厚度 ２ ｍ以上 的具有较 高强度 的 时 ， 关键层即开始破坏 ， 工作 面呈现初次来 压。 １ ． ２浅埋煤层工作面顶板一般 为单一主关 岩层 分层 为主。ｂ基岩层 中部一般不含 厚层软 余下基岩层破裂垮落 ，并形成对关键层的冲击 ． 键层类型 ，老顶岩块不易形成稳定 的砌体梁结 弱岩层 ， 基岩层上部有 时为风化基岩 ， 下部紧邻 载荷 ， 使其发生再次破坏 。基岩层垮落后 ， 松散 构 煤层有 时赋存泥岩、 煤线等复合岩层分层。ｅ ． 载荷层 由于呈现 和 自 典 身特性 ，将经历瞬间静止 基岩厚 度 比较大时 ，会 出现 两个关键 层 型薄基岩浅埋煤层 ， 其基岩厚度均较 小 ， 顶板基 后 ， 整层垮落下来 ， 并对已垮落的关 键层及工作 组， 形成大小周 期来压现象 ， 其矿压显现特征介 岩厚度较大时 ，回采工作面矿压显 现规 律接近 面形成理论 冲击载荷过程。 于浅埋煤层采场和普通采场之间 。 普通工作面的矿压显现 ，通常基 岩厚度 应小于 因此 ， 工作面初次来压经历如下 三个过程 ： １ ． ３基岩 与载荷 层厚度 之 比为基 载 比， 对 等 于 ３ ０～５ ｍ。．． ０ ２１ ２坚硬顶板的层理性口 典型 。 ａ． 关键 层破断垮落 ， 来压 开始 ；． ｂ关键层上 来压显现有重要影 响 薄基 岩浅埋煤 层顶板 常呈 现出坚 硬顶 板 的性 基岩层分层 的破坏垮 落 ， 形成第一次 冲击载荷 ； 当基载比小 于 ０ 时 ，工作面都 出现顶板 质 。 ． ８ 坚硬顶板的层理性有其 自身的特点 。 层顶 ｃ 煤 ． 松散载荷层滞后垮落 ， 形成第二次冲击载荷 。 沿煤壁 台阶下沉 ， 而基载 比大于 ０８时 ， ． 则不 会 板均为层理明显 的沉积岩 ， 其分层厚度一般 为 ５松散载荷层活动特点及工作 面来 压动载 出现台阶下沉 。 ０２—０５ 坚硬顶板也 不例外 。由于坚硬顶板 成因分析 ． ．ｍ， 因此将浅埋煤层分为两种类型 ： 基岩 比 通常为仅受轻微构造变 动的厚 层状沉 积岩 ， 轧 不 ５１散体滞后弹性动应力—应 变关系 ． 较薄、 松散 载荷层厚度 比较大的浅埋煤层 ， 其顶 仅岩层本层本身厚度大 ， 而且岩层 内部 的分层 散体在动载荷作用下 ， 应变幅值不同时 ， 散 板破断为整体切落形式 ， 易于出现台阶下沉 ， 此 也都在 ０ ～ ． 以上 。坚硬顶板 的层理表现 体 的动应力～ 应变关 系表现 出不同的特性。当 ． ０ｍ ４ ５ 类厚松散层浅 埋煤 层称为典型 的浅埋 煤层 ， 并 出明显的分组性 ， 组由各分层 间的黏结力很强 ， 应变 幅值 由小到大变化时 ，其应力一 应变关系 将其概括为埋藏浅 ， 基载 比小， 老顶为单一关键 组 与组之间存在黏结力较弱的软夹层。 呈现 出弹性 、 滞后弹性和非线性的关 系。 通常散 层结构 的煤层 ． 基岩厚度比较 大、 松散载荷层 ２ ． ２松散载荷层结构分析 体 内会有孔 隙水及气体 ， 是三相体 ， 在动荷 载作 厚度 比较小 的浅埋煤层 ， 其矿压显现规律介于 典 型浅埋煤层上覆岩层 中，松散载荷层通 用下具有显著的黏滞阻尼特性 ， 因此 ， 散体 可将 普通工作面与浅埋煤层工作面之 间，表现为两 常由风积砂 、 风化砂岩等组成 ， 即以砂土 为主 。 作为黏弹性体 或滞后弹性体 。 一般条件下 ， 处于 组关键层 ， 存在轻微的台阶下沉现象 ， 称为近浅 因此 ， 松散载荷层可视为散体介质。 由散体动力 三相状态的散体 ，在动载荷作用下产生动应变 埋煤层 。 学理 论 可知 ， 散体 的主要特征是 分散性 、 复杂 滞后于动应力 ，瞬时的应变 与应力之问存在一 同时提 出， 浅埋煤层采用 以下指标判 定埋 性和易变性。 砂土散体呈现单粒结构特征 ， 即其 个较固定的相位滞后现象。 深不超过 １０ 基 载 比小 于 ｌ顶板 体现单 一 组成颗粒问没有联结力或联结非常微弱可忽略 ５ｍ， ， ５ ２散体载荷层活动的动荷载效应 主关键层结构特征 ， 来压具有明显动载现象。 不计 。 工作面初次来压及周期来压过程中， 基岩层 显然 ， 上述定义 的前后描述存在诸多 自相 ３浅埋煤层覆岩力学模 型 上方的松散载荷体经历可与基岩层脱离 垮 矛盾之处 ，未能体现浅埋煤层开采与普通煤层 典型浅埋煤层 的上覆岩层由以下两部分 组 落一压荷在垮落的基岩 层上这—运动过程 ， 可以分 开采 的根 本 区 别 。 成 ：一 ａ由若 干岩层分层或 薄复层 、 层组成 的基 析为如下丙 ？动阶段： 互 、 舌 胡 继 构造直力作用 ， 松 ２ 浅埋煤层 工作面上覆岩层活动特征 岩层 ， 其厚度小于 ３ ～ ０ 且其中部一般不含 散载荷层下方受到了幅值为 九的—个应力循环 ０ ５ｍ， ． 砾石 ， 风 作用， 与常埋深工作面相 比， 浅埋煤层工作 面上 有厚度较大的软岩分层。ｂ由风积砂 ， 经历了滞后 ， 角的应变循环， 损耗 Ａ ． 其 ｗ ， 覆岩层Ｉ ｌ ｌ 活动具有如下显著特 点 ： 工作面来 压 化层等组成 的松散载荷层。 因此 ， 型薄基岩 浅 中 典 、ｖ分别为载荷层平均容重、 ２ 厚度、 体积。 时，顶板活动直接波及至地表 ，即顶 板岩层破 埋煤层 ， 其上覆岩层的力学特征可用上部作 用 蝴 散载荷层的近似 自由 落体运动 ， 设平均移动距 断、 垮落时 ， 其上 的松散载荷层几乎 同步陷落 至 有均布载荷 的力学性质呈现梯度变化 的层合板 离为 ｓ则重力所做功为 Ｗ ＝‘ ． 删 松散载荷 ， ． Ｓ 地表。 ． ｂ 工作面支护强度较低时 ， 顶板来 压显 现 来描述。依据典型薄基岩浅埋煤层覆岩结构及 层再次冲落至已垮基岩层及工作面顶板时所做的 剧烈 ，并出现较 大范 围和尺寸的顶板 台阶下沉 其力学特征 ， 应用 功能梯 度材料理论Ｈ 建立薄 冲击功 为 ： ＝Ｗ— ｗ ＝ｖ（ — ）ｗ 与 ＡＷ ， Ａ・ ： Ｓ Ａｗ， ｔ 工作面支护强度较高时 ， 顶板来压较为平缓 ， 工 基岩浅埋煤层覆岩力学模型。该模型 由弹性基 与相比限小， 因此松散载荷层垮落时重力功 几乎全 作面顶板不出现或只在来压时出现较小数值 的 础上的梯度复合岩层 构成 的梯度复合板 ，其上 部作用于对基岩层及顶板 的冲击破 坏 ，因此形 下沉台阶 ， 主要 为架后切落 。 ． 顶板 ｃ 顶板来压持 作用有 均布载荷 ， 载荷为松散载荷层重力。 对于 成工作面来 压时短暂剧烈的动载特点。 续时间短 ， 有明显 的动压现象。ｄ地表出现大 型 浅埋煤 层可 以不考虑构造应力 的影响 。弹性基 ． 因此 ，薄基岩浅埋煤层载荷层几 乎随基 岩 张开裂缝和较 大落差 的地堑。 础由薄基岩下部软弱岩层与煤层组成。基岩下 同步活动 ， 即顶板垮落直接至地表 ， 而且垮 落时 ２ ． １浅埋煤层的界定指标及其主要特征 部 的软弱岩层分层相 当于回采工作面的伪顶或 对工作面顶板形成短促剧烈动载冲击作用 。 综上所 述 ， 浅埋煤 层地下开 采简称浅埋煤 随支架 而垮落的直接顶 。可现场观测的浅埋煤 结束语 层开采类 型 ， 其界定指标主要有 三个 ， 依重要性 层工作 面， 顶板通常完整性较好 ， 除存在较薄弱 本文分析 给出了浅埋煤层开采 ３ 个界定指 分别为 ：． ａ 煤层上覆岩层 由薄基 岩及松散载荷 的易冒的伪顶外 ， 较少厚层直接顶 。 标及主要特征。 分析 了工作面初次来压机理 ， 阐 层组成 ， 基岩厚度小于等于 ３ ０～５ ｍ。ｂ长壁 回 ０ ． ４覆岩层垮落与工作面来压 明了浅埋 煤 层工 作面 周期 来 （ 下转 ２ ０ ） ０ 页
4、5采场矿山压力显现基本规律
图4-17 W—上覆岩层重力；Q1—垂直岩层的分力；Q2—
30
由于倾角增加，采空区冒落矸石不一定能 在原地滞留，很可能沿着底板滑移，从而改变 了上覆岩层的运动规律。
对不同倾角的两带(冒落带、导水裂隙带) 观测(图4-18)，也可以证明岩层移动是不均匀 的，尤其在急倾斜煤层，基本上改变了原来的 规律性。
12
工作面周期来压时的特征：
阜新矿务局高德矿，北翼九层一区二段工作面，面长170 m，煤 厚为3 m，老顶为4.5 m，直接顶为3.5 m厚的细砂岩，煤层倾角 32°～35°。
来压序号 来压步距 平时支架 来压支架 动载系数 ／m 荷载/kN 荷载/kN
初次
37.4
1.95
1
17.6
596
1080
31
图4-18 1—导水裂隙带；2—冒落带
32
由于倾角增加，冒落矸石沿着底板滑移，下部充填较满，上 部形成冒空。这样必然使回采工作面支ห้องสมุดไป่ตู้受力不均匀。 图(b)表示了不同倾角时支架载荷的分布情况。
图4-19 采空区冒落矸石滑移及其造成的后果
33
4.6.5 下分层开采时矿山压力显现
下分层的矿压显现与上分层相比有以下特点： ①老顶来压步距小，强度低；
此外，来压大小与采空区冒落矸石的充满程度直接 相关。采空区冒落愈严实，老顶对工作面影响愈小； 反之，则越大。
14
老顶来压时老顶控制不当，将导致垮顶现象。
图4-10 永定庄矿8411面垮顶现象
15
预防老顶来压造成的事故的措施：
① 来压的预测预报； ② 加强支护； ③ 坚硬顶板－工作面与开
采场顶板控制及其检测技术(二篇)
采场顶板控制及其检测技术岩层：由同一岩性组成的基本均一的受两个平行或近于平行界面所限制的层状岩石。
分层：分层是指同一岩性的整体岩层或同一岩性较厚岩层中的一部分或由下“硬”上“软”不同岩性组成的岩层组。
老顶：厚度大于1.5m~2m、较坚硬的岩层直接顶：厚度小于1.5m~2m、较软弱、下面又无老顶的岩层伪顶：煤层与老顶或直接顶之间厚度小于0.5m随采随冒的软弱岩层碎胀性：掩饰破碎后的体积比整体状态下的大、碎胀系数：破碎后体积与整体之比软化性：岩石浸水后强度降低软化系数：水饱和与干燥试件单向抗压强度比裂隙带：位于冒落带上方，以产生裂隙为主要特征的那部分岩层。
冒落带：直接位于煤层上方发生冒落的那部分岩层。
假说：压力拱假说，悬臂梁假说，铰接岩块假说，预成裂隙假说，砌体梁假说砌体梁结构：采场上覆岩层的岩体结构骨架是覆岩中的坚硬岩层，可将上覆岩层划分为若干组，每组以坚硬岩层为底层，其上部的软弱岩层可视为直接作用于骨架上的载荷工作阻力：支柱受顶板压力作用所反映出的力初撑力：支柱刚架设时对顶板产生的支撑力。
单体液压支柱：外注式、内注式。
与悬臂梁、铰接顶梁配合关系老顶的初次来压：工作面回采以来老顶第一次大规模来压周期来压：工作面内周期性的出现老顶来压现象端面距：顶梁前端到煤壁之间的距离。
控顶距：从煤壁至密集支柱（墩柱）或采空区顶梁末端的距离。
支护强度：支架对单位面积顶板提供的工作阻力；支护系统刚度：单位顶板下沉量所对应的支柱工作阻力。
支撑式支架：可适应中等稳定或完整的直接顶板，但支架漏、窜矸问题较大，不能抵抗来自沿层面方向的推力。
掩护式支架：能适应松软破碎的直接顶板，具有抵抗来自沿层面方向的推力的能力，但靠采空区的支撑力较小，不能适应老顶下沉来压的顶板。
支撑掩护式：既能适应松软破碎的直接顶板，又能适应老顶下沉来压的顶板，具有抵抗来自沿层面方向的推力的能力。
什么是伪顶？其对控制顶板设计有什么影响：伪顶是指在煤层与直接顶或之间有时存在厚度小于0.5m，极易跨落且随采随冒的软弱岩层。
采煤工作面初次来压
采煤工作面初次来压、周期来压安全技术措施一、初次来压及周期来压特征1、初次来压回采工作面自开切眼开始，向前推进到一定距离的时候，第一次出现矿山压力异常增大的现象；顶板下沉速度急剧升高，下沉量显著增大，顶板出现裂缝、破碎甚至掉块、煤壁片帮加剧，支架折损增多，有时还听到上方岩层的断裂声。
2、周期来压在初次来压之后，回采工作面继续推进过程中，工作面矿山压力周期性异常增大现象和初次来压一样。
周期来压时，工作面顶板下沉速度急剧升高下沉明显增大，顶板出现裂缝、破碎、掉块（特别靠煤壁处顶板有时出现平行煤壁的“破碎沟”）。
煤壁片帮严重，支架负荷明显增大，支架折损增多。
二、初次来压及周期来压的危险初次来压前不及时采取措施，就有可能造成局部冒顶，甚至造成摧毁工作面事故。
同样，周期来压必须采取专门措施维护工作面，否则也会造成冒顶甚至摧毁工作面事故。
三、我矿煤层顶板特征据地质报告，我矿煤层顶部岩性为泥质灰岩，没有直接顶，老顶岩层直接位于煤层之上，平时下沉速度及下沉量小，但是顶板岩层时有裂隙。
综上所述，我矿煤层顶板属于初次来压及周期来压顶板。
经观察我矿回采工作面初次来压一般在开切眼推进8—15米后显现，周期来压步距为15—20米。
四、采取安全技术措施每次来压临近时，必须事先采取下列措施，严防冒顶事故的发生。
1、安全副矿长、生产副矿长、采煤技术员、安检员、采煤队长必须亲临下沉跟班指挥。
2、采空区悬顶距离不超过5米，能自行垮落的采取增大支柱密度，设木垛措施。
密柱设在末排（临时采空区那排）支柱中密柱间距0.3—0.4米。
木垛沿第三排支柱布置，上下出口各设一个，其它每隔8—10米设一个，木垛木材断面规格长×宽×高=1.5米×0.14米×0.14米。
同时适当加设丛柱、戗柱。
3、采空区悬顶距离超过5米，不能自行垮落的，采用步距式深孔爆破放顶方法，具体做法是：在悬顶跨度接近来压步距时，沿放顶线打钻孔，孔径42mm，孔距2—3米，仰角60°—65°，眼深1.2—1.5米，每孔装药0.6×0.75kg，封泥长度不得低于0.6m，爆破必须严格执行“一炮三检”及“三人联锁”放炮制度。
顶板压力是什么 压力有初次和周期
顶板压力是什么压力有初次和周期顶板压力是什么压力有初次和周期第三讲顶板第一课顶板压力是什么压力有初次和周期在掘进巷道之前，地下的岩层或煤层是实体的，上部岩层的重量压在下部岩层上，处于平衡状态。
这时岩体不变形，也不会移动。
我们在煤层或岩层中掘进一条巷道后，巷道顶部的岩层就要往下落，这个顶部岩层的重量就压在巷道的两帮上（叫做支撑压力），就像盖房子用的水泥预制板搭在两堵墙上一样。
如果巷道断面小，而顶板岩层又坚硬，这个“预制板”（顶板）一时还不会垮落；如果巷道断面大，顶板岩层比较松软、层理又明显，这个“预制板”就会发生离层和弯曲下沉，有的人叫“顶板有劲”了；要是不用支架或其他办法支护住，最后就要断裂、破坏、冒落下来。
这种由于进行采掘活动而在巷道及回采工作面周围岩体中，以及在支架上所引起的力，叫做“矿山压力”，人们习惯叫顶板压力。
掘出的巷道如果不支护，顶板就要冒落，冒顶会不会越冒越高呢？在回答这个问题之前，我们先来看看有些农村的窑洞吧。
在黄土高原土质致密的地方，人们往往在向阳坡掏成半圆顶窑洞居住，窑洞里不支护，上面的黄土层多少年也不会塌落，井下巷道也是这样，当顶板冒成拱的形状，就自然平衡不再往高处冒了，形成了自然的平衡拱。
这时顶板的压力通过圆拱传递到巷道的两帮上，就好像一座石拱桥，桥上的物体重量是由两边桥基来承担一样。
这个拱可以保持比较长时间的稳定，因此巷道支架所承受的压力，主要是拱内破碎岩石的重量。
这种情况在煤炭科学理论上叫做自然平衡拱假说。
回采工作面采空区压力大，顶板压力比掘进巷道复杂。
现在我们用缓倾斜单一煤层走向长壁全部垮落法采煤的工作面作个例子来说明。
回采工作面由开切眼向前推进采煤。
煤壁前方的支承压力区也跟着向前移动。
随着工作面推进，靠采空区的支柱要顺序一排排回掉，直接顶就会自己垮落。
如果直接顶比较厚，冒落的岩石可以填满采空区，老顶和老顶上面的岩层出现一定的弯曲便沉落在压实的碎矸上，形成了工作面后方的支承压力区。
矿山压力及岩层控制知识点
矿山压力与岩层控制知识点老顶初次来压：当老顶悬露达到极限跨距时，老顶断裂形成三铰拱式的平衡，同时发生已破断的岩块回转失稳(变形失稳)，有时可能伴随滑落失稳(顶板的台阶下沉)，从而导致工作面顶板的急剧下沉。
此时，工作面支架呈现受力普遍加大现象，即称为老顶的初次来压。
（101）老顶周期来压：随着回采工作面的推进，在老顶初次来压以后，裂隙带岩层形成的结构将始终经历“稳定一失稳一再稳定”的变化，这种变化将呈现周而复始的过程。
由于结构的失稳导致了工作面顶板的来压，这种来压也将随着工作面的推进而呈周期性出现。
因此，由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象称之为工作面顶板的周期来压。
（104）关键层：将对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层称为关键层。
（177）原岩应力：存在于地层中未受到工程扰动的天然应力称为原岩应力，也称为岩体初始应力、绝对应力或地应力。
（41）矿山压力：地下岩体在受到开挖以前，原岩应力处于平衡状态。
开掘巷道或进行回采工作时，破坏了原始的应力平衡状态，引起岩体内部的应力重新分布，直至形成新的平衡状态。
这种由于矿山开采活动的影响，在巷硐周围岩体中形成的和作用在巷硐支护物上的力定义为矿山压力，在相关学科中也称为二次应力或工程扰动力。
（1）矿山压力显现：在矿山压力作用下，会引起各种力学现象，如岩体的变形、破坏、塌落，支护物的变形、破坏、折损，以及在岩体中产生的动力现象。
这些由于矿山压力作用使巷硐周围岩体和支护物产生的种种力学现象，统称为矿山压力显现。
（1）充填开采：用充填材料来充填已采空间，相当于减小了煤层开采厚度，从而减少采空区上覆岩层的变形与破坏。
沿空留巷：如果通过加强支护或采用其他有效方法，将相邻区段巷道保留下来，供本区段工作面回采时使用的巷道，称为沿空保留(煤体—无煤柱)巷道。
沿空掘巷：巷道一侧为煤体，另一侧为采空区，如果采空区一侧采动影响已经稳定后，沿采空区边缘掘进的巷道称为沿空掘进(煤体—无煤柱)巷道。
采煤工作面的初次来压和周期来压
采煤工作面的初次来压和周期来压在实际生产过程中，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。
一、初次来压直接顶初次垮落后，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。
二、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。
采区矿压观测与来压规律探讨
・技术研究・采区矿压观测与来压规律探讨山西矿业学院 苏学贵 李彦斌1 概述刘家梁矿井田内主要有5层可采煤层,即2#上、2#下、3#、5#及6#煤层。
基中2#上和2#下为两个自然分层,为主采煤层,矿井设计能力150万t /a .为搞清2#煤层开采的矿压规律,我们对2124-1工作面进行了矿压观测。
2124-1工作面,位于2#上煤层中,工作面走向400m ,倾向120m ,留煤柱3～10m .煤层倾角5°,厚度4.6～5.4m ,2#煤质较硬,f = 3.该工作面直接顶为黑色砂质页岩,厚约1m ,其上有0.1m 厚煤线,将其与直接顶分开。
直接顶岩层f =3～5.老顶为灰白色中细粒石英砂岩,厚约13m ,f =5～7.煤层底板为灰黑色中粒石英砂岩,f =4,详见图1柱状图。
该工作面顶板受构造影响,裂隙发育,有呈NE 47°与NW 34°两组,将顶板切割成多个菱形块状,顶板较破碎。
图1 2#煤综合柱状图工作面采用走向长壁后退式分层金属网假顶普采。
采用DY -150型采煤机采煤,采高2.0m ,截深0.6m ,SGW -150型刮板运输机运煤;采用DZ -22单体液压支柱与金属顶梁配套支护顶板,额定工作阻力300kN,初撑力78.5～117.8kN.工作面采用“2～3”排支柱管理,最大控顶距3.4m ,最小控顶距2.8m ,柱排距0.6m ,人工分段回柱。
日进尺2.4m ,月进尺60m .2 观测方法及内容为了探讨2#煤层回采时的矿压显现规律,确定老顶初次来压与周期来压的步距及强度,评价目前工作面顶板管理方式,分析支柱性能的合理性,我们实施了以下观测方案。
(1)用KY -82型顶板动态仪量测煤层顶底板移近量和移近速度;(2)用DGH -60型钢弦压力盒与GSJ -1型频率计量测单体液压支柱载荷;(3)用钢尺标点法,观测支柱活柱的下缩量和下缩速度。
采场矿压测点设置上、中、下三个测区,上、下测区各设一条测线(Ⅰ、Ⅳ),中测区设两条测线(Ⅱ、Ⅲ),测点序号为1,2,3,……,见图2工作面测点布置示意图。
采煤工作面初次来压、周期来压安全技术措施
周期来压步距较小且相对稳定，矿压 显现较缓和。
影响因素分析
• 煤层赋存条件：煤层的厚度、倾角、节理、层理发育情况等都会影响顶板的稳 定性，从而影响初次来压和周期来压的步距和强度。
• 地质构造：断层、褶曲等地质构造会破坏顶板的完整性，使顶板易于垮落，从 而改变初次来压和周期来压的规律。
• 采煤方法和工艺：不同的采煤方法和工艺对顶板的破坏程度不同，因此会影响 初次来压和周期来压的步距和强度。例如，综采放顶煤开采时，由于放煤对顶 板的破坏作用较大，初次来压和周期来压的步距和强度都会相应增大。
提高员工安全意识和技能水平
安全意识教育
通过定期开展安全知识讲座、安全文化宣传等活动，提高员工对采煤工作面初次来压、 周期来压危险性的认识，增强安全防范意识。
技能培训
组织专业技术人员对员工进行采煤工作面顶板管理、支护技术等方面的培训，提高员工 应对初次来压、周期来压的技能水平。
应急演练
定期开展采煤工作面初次来压、周期来压应急演练，提高员工在紧急情况下的应急处置 能力。
加强宣传引导和舆论氛围营造
宣传材料制作
制作采煤工作面初次来压、周期来压安全宣传材料，包括 宣传册、海报、视频等，以便员工随时了解相关安全知识 。
宣传渠道拓展
利用企业内部网站、微信公众号、宣传栏等多种渠道，发 布采煤工作面初次来压、周期来压安全信息，扩大宣传覆 盖面。
舆论氛围营造
通过举办安全知识竞赛、安全文化节等活动，营造关注安 全、重视安全的良好氛围，提高员工的安全意识。
制定应急预案
针对可能出现的初次来压和周期 来压等矿压显现情况，制定相应 的应急预案和处理措施，确保在 紧急情况下能够迅速、有效地应 对。
加强培训和演练
坚硬顶板条件下老顶初次来压规律研究
Ｄ ３） ＷＸ ５ 配合 铰 接 顶粱 构 成 的倾 向棚对 顶 板 进行 支护 。 初次放 顶 及正 常 回采 期 间均 采用 “ 、 三 四峒 ”
支柱初撑力和工作阻力的观测要从支柱支设
开 始 ，在 测 线 的第 一排 和末前 排采 用测 压 表每 天
２２ 工 作面 测站 布置 ＿
为天 然焦 。其 首采 １３ 作面 的顶 底板 条 件如 图 ０ 【
１ 所示 。
测 站布 置 ： 站 布置 如 图 ２所示 。 工作 面长 测 沿
度 方 向设 上 、 、 ３个测 站 。 中 下 ２３ 观 测方 法 ．
２ 矿 压 监 测 技 术 方 案
其有 以下显 著 的采场 矿 山压 力显 现特 征 。周 期性
的破断来压步距 大 、 动载系数高 ； 支架载荷高 ， 且
分 布不 均匀 ， 力点靠 近 后排 支柱 ； 硬顶 板来 压 合 坚
具 有 明显 的时 间差 和步距 差 。
图 １ 顶 底 板 岩 性 柱 状 图
管理 ， 柱距 ０５ｔ， 距 １ ． ｎ排 ．ｍ。最 大控 顶距 ５ １ ２ ．１， ４１
要差别 是周 期性 来 压强 烈 和极强 烈 ， 因此 掌 握坚 硬顶 板采 场矿 山压 力基 本规 律 ，针对 性地 采 取措 施， 使其 得 到 有效 控 制 ， 采 场 安 全 生产 、 除重 是 消 大顶板 事 故的关 键 。 于单 体 支柱 工作 面而 言 ， 对 必 须采取 合理 、 效方 法控 制顶 板 ， 除顶板 事 故 的 有 消
的评价 。
２ １ 矿 压观 测 内容 ．
１ 工 程 概 况
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第17卷 第5期岩石力学与工程学报17(5):521～526 1998年10月Chinese J ournal o f Rock Mechanics and Engineering Oct.,1998采场老顶初次来压的结构分析黄庆享(西安矿业学院采矿系 西安 710054)摘要 分析了初次来压期间老顶岩块结构触矸前后的稳定性,指出初次来压期间顶板控制应主要防止老顶岩块在未触矸时出现滑落失稳,提出了初次来压老顶岩块结构的“S-R”稳定条件。
关键词 初次来压,岩块结构,稳定性,控制分类号 T D3261 前言多数情况下,工作面来压最猛烈、最难控制的是初次来压。
长期以来,许多学者对初次来压步距的计算及预测方法进行了研究[1～3]。
来压步距只是重要参数之一,而老顶岩块结构的稳定性将直接影响到初次来压显现的强度。
关于老顶破断岩块的结构分析主要集中于解决周期来压问题,对于初次来压仅有少量研究[4]。
本文借鉴钱鸣高院士关于采场“砌体梁”结构“S-R”理论[5～7]的分析方法,对初次来压期间顶板结构的稳定性及其控制途径进行探讨。
工作面初次来压期间,老顶破断显现主要有断裂下沉和顶板台阶下沉两种形式[8],其中顶板台阶下沉对工作面安全威胁最大,本文主要针对这种情况进行力学分析。
老顶破断后岩块咬合、回转直至触矸会对采场形成不同的影响,下面以岩块未触矸及触矸后这两种情况展开分析。
2 老顶岩块未触矸时的分析2.1 两岩块的受力分析由大量的模拟实验及现场观测发现,多数情况下老顶初次破断形成的岩块长度具有不等性。
靠工作面煤壁的岩块长度l1一般要大于另一侧l2,力学模型如图1所示。
两岩块所形成的是非对称三铰拱式结构,实际工程中三铰拱接近共线,铰接处为塑性铰,故该结构为近瞬变几何非线性动态平衡结构。
1997年1月31日收到初稿,1997年4月2日收到修改稿,1997年7月28日收到改定稿。
作者黄庆享简介:男,31岁,博士,1987年毕业于西安矿业学院采矿系采矿工程专业,现任采矿系副主任,主要从事矿山压力及其控制方面的研究与教学工作。
P 1,P 2——块体承受的载荷; H 1——I 块体的转角; A ——接触面高度; Q A ,Q B ——A ,B 接触铰上的摩擦剪力; l 1,l 2——Ⅰ,Ⅱ岩块长度图1 两岩块结构的受力F ig.1 Lo ading o n t wo -blo ck st ructure由文[5]可知a =12(h -l 1sin H1)(1)式中:h 为岩块厚度。
鉴于岩块之间为塑性铰接触关系,图1中水平力T 作用点的位置可取a /2处。
分别对A ,C 点取弯矩∑M A =0,∑Mc=0,对两岩块结构垂直方向外力取∑Y=0,并将式(1)代入得T =P 2l 1(l 1+l 2)+l 1l 2(P 1-P 2)(l 1+l 2)(h -l 1sin H 1)(2)Q A =P 1+P 22+l 2(P 1-P 2)2(l 1+l 2)(3)令l 1l 2=P 1P 2=K ,i =hl 1;设P =P 1+P 2,则式(2),(3)可简化为T =2K P(1+K )2(i -sin H 1)(4)Q A =(K 2+3K )P 2(1+K )(5) 由于K 值一般在1.0～1.4之间,由表1及表2可以看出,T 与Q A 可以进一步简化为T ≈P2(i -sin H 1)(6)Q A ≈P2≈Q B(7)由此说明,初次来压期间岩块未触矸时计算Q A 及T 可按岩块等长进行简化。
表1 Q A 随K 值的变化Table 1 The variation of Q A with KK 1.0 1.1 1.2 1.3 1.42Q A /P1.001.021.041.061.07表2 T 随K 值的变化Table 2 The variat ion of T with KK 1.0 1.1 1.2 1.3 1.42T (i -s in H 1)1.001.000.990.980.97・522・岩石力学与工程学报1998年T 与i 及H 1的关系见图2。
由图可知,当i ≥0.4时,随H 1角的变化,T 值变化很小。
当i <0.3时,随i 值越小,T 随H 1角的增长越快。
与周期来压时的情况不同,Q A 与H 1关系不大,它基本上为定值P /2。
2.2 老顶岩块结构的稳定性分析老顶初次破断形成的两岩块结构在未触矸时为一动态极限平衡状态。
在这一动态平衡过程中,A 点处是否产生滑落失稳,直接影响到工作面是否会出现顶板沿煤壁切落和台阶下沉等强烈来压显现。
岩块失稳是必然的,但可以通过分析,寻求岩块回转过程中不先从A 点滑落失稳的控制参数。
2.2.1 滑落失稳分析防止结构在A 点发生失稳,必须满足条件T tan U ≥Q A(8)式中:tan U 为岩块间的摩擦系数,一般取0.3。
将式(6),(7)代入式(8)得i ≤tan U +sin H 1(9) 由此可知,此结构不发生滑落失稳的条件与块度i 及回转角H 1有关(图3)。
图2 水平推力T 与H 1的关系 F ig.2 Ho rizo ntal thrust T vs H1 图3 滑落失稳与H 1及i 的关系 Fig.3 Sliding inst ability v s H 1and i老顶断裂线出现于煤壁上方的初期,H 1值取决于煤壁及直接顶的刚度。
若刚度越大,H 1接近于零,则要求块度i 小于0.3;若刚度较小,H 1一般也只有3°左右,i 则应小于0.35。
由于岩块结构的瞬变性,岩块将产生回转,H 1值可能增至10°～15°,此时的i 值应当在0.45～0.55以内。
由以上分析可知,初次来压期间岩块回转初期容易产生滑落失稳。
若按l 1=l 2计,将i =h /l 1代入式(9),l 1取初次来压步距的一半,即l 1=hR c20Q g (h +h 1)则有h +h 1≤R c 20Q g(tan U +sin H 1)2(10)式中:h 1为载荷层厚度,R c 为承载层抗压强度,Q g 为岩体容重。
将h +h 1与H 1的关系绘入图4中,取两种承载层抗压强度,即R c =60M Pa (实线),及・523・第17卷 第5期黄庆享.采场老顶初次来压的结构分析R c =80M Pa(虚线)。
显然,此曲线以下部分才能进入稳定区,它随H 1角的增大而增大。
2.2.2 回转变形失稳根据前面分析,随岩块回转T 值将越来越大,三铰拱接近共线,铰接处将因挤压破坏而产生回转失稳,这也是岩块结构为动态平衡的根本原因。
由于岩块结构失稳是必然的,为避免出现滑落失稳,希望初次来压期间顶板结构产生回转变形失稳,其条件为T ≥a G R c(11)式中:G R c 表示岩块在端角的挤压强度,T /a 表示接触面上的平均挤压应力。
根据文[4]的测定,可取G =0.3。
将P =2Q g (h +h 1)l 1及有关数据代入式(11)可得h +h 1≥3R c 20Q g(i -sin H 1)2(12) 将此关系同样绘入图4中,则可得到不同i 值时h +h 1与H 1的关系曲线。
由图可知h +h 1将随H 1的增加而减小,回转变形失稳可能性增加。
显然,曲线以上部分为回转变形失稳区,它随H 1的增加而增大。
3 两岩块触矸后的分析两岩块触矸后,前后岩块基本上为弱接触状态。
维持岩块Ⅰ平衡的另一支点由两岩块铰接点C (图2)变为触矸处D 点(图5),此时岩块水平阻力由岩块与矸石的摩擦阻力提供,即T =Q B tan U ′。
取D 点弯矩∑M D =0,取竖直方向外力∑Y =0,并将T =Q B tan U ′代入得T =P 1tan U ′2(1-tan U ′sin H 1)(13)Q A =[2(1-tan U ′sin H 1)-1]P 12(1-tan U ′sin H 1)(14)式中:tan U ′为岩块与矸石的摩擦系数,近似取为0.3。
如此,可绘出T 及Q A 与H1的关系(图6,7)。
图4 h +h 1及H 1与结构稳定性的关系 F ig .4 Structure stabilit y v s h +h 1and H1 图5 岩块触矸后的受力 Fig.5 L o ading on the block co ntacting w ith fallen r ock・524・岩石力学与工程学报1998年 图6 T 与H 1的关系 F ig.6 Relatio n o f T to H1 图7 Q A 与H 1的关系 F ig.7 R elat ion o f Q A t o H 1由图可知,岩块触矸后T (约为0.5P )与Q A (约为0.15P )随H 1的变化很小,且远小于未触矸时的值。
因此,应重点对老顶岩块回转的初期进行控制。
4 初次来压老顶岩块结构的“S -R ”稳定条件根据分析,初次来压期间(破断岩块未触矸时),顶板控制主要是防止老顶结构在H 1较小时出现滑落(Sliding )失稳。
由于初次来压时的三铰拱为瞬变结构,失稳是必然的,所以顶板控制在防止滑落失稳的同时还应使结构易于产生回转(Rotatio n)变形失稳,这样才能较好地避免工作面出现台阶下沉等剧烈显现,其条件为h +h 1≤R c 20Q g (tan U +sin H 1)2 (S 条件)h +h 1≥3R c 20Q g(i -sin H 1)2 (R 条件)由此可以从图4中找到不发生滑落失稳的区域及其H 1角。
R c ,i ,h +h 1取不同值时允许最小H 1角见表3。
可以看出,随块度i 增加,允许最小H 1角增大,越容易出现滑落失稳。
随h +h 1的增大,H 1角没有明显变化趋势,但h +h 1为16m 时,H 1角相对较小,说明h +h 1有不发生滑落失稳的最佳值。
当R c 不同时,H 1角没有明显变化规律。
因此,块度i 和承载层及载荷层厚度h +h 1是影响工作面来压显现的两个主要因素。
对于具体工作面,h +h 1及i 是特定的,表3 老顶岩块稳定性区域Table 3 Stable area of main roof blocks (°)i(h +h 1)/mR c /M Pa 60800.281624 2.9 3.7 8.5 4.1 1.0 5.0 0.3816248.7 5.1 8.5 9.8 6.7 5.0 0.48162414.5 10.9 8.5 15.7 12.6 10.2 初次来压期间H 1角一般可按3°计,可根据S,R 条件判断顶板稳定性。
对于存在滑落失稳可能的工作面,可采取控制措施改变i ,H 1值,并在此基础上确定合理支护阻力,避免出现滑落失稳。