采矿学(第1章 长壁面矿压显现规律)

矿山压力显现
矿山压力显现 — 在矿 山压力作用下，围岩 或支护物呈现的各种 力学现象。 如顶板下沉、 底板鼓 起、支架下缩、支柱 拆损、煤壁片帮、支 柱钻底等。
矿山压力显现及观测指标
顶底板移近—指工作面控顶区内顶底板相对移近 观测指标 顶底板移近量：S=M-M′(mm)， 顶底板移近速度：v(mm/d)
E1h13 ( 1h1 2 h2 3 h3 ) q3 3 3 E1h13 E2 h2 E3h3
直接顶初次垮落 碎胀系数1.251.5 a、直接顶能充满采空区 b、直接顶不能充满采空区 M+hd=hdKz hd（Kz-1）=M
hd M K z 1
hd
M
L0
直接顶初次垮落步距
类别 1a 基本指标 l0/m D 4≤l0 1 1b 4＜l0≤8 ≤30 2a 8＜l0≤12 2 2b 12＜l0≤18 18＜l0≤28 71～100 28＜l0≤50 ＞100 3 4
31～70
不稳定顶板、中等稳定顶板、稳定顶板、非常稳定顶板
按直接顶厚度与采高比值 N=∑h/m，并参照基本 顶初次来压步距L，将老顶分为4级。
面推进，一旦顶板大块垮落，转 矩较大，易推倒不太牢固的工作 面支架。
直接顶初次垮落
直接顶的第一次大面积 垮落 标志：沿工作面长度方 向垮落达二分之一以上， 垮落高度达1 m以上
直接顶极限垮距
l 0 h1 8 Rt' 3q
h1第一层直接顶厚度，m Rt′第一层直接顶岩梁的抗拉强度,Pa； q单位长度直接顶岩梁上的载荷，Pa
基本顶来压期间的顶板控制
基本顶通过直接顶作用于支架，支架的支撑力通过直接 顶而对基本顶控制。 保证直接顶的完整性对基本顶控制十分重要。 来压期间, 支承压力使直接顶在煤壁前方剪切破断和使直 接顶破碎不利于直接顶管理。 来压大小与直接顶在采空区冒落矸石充满采空区的程度 直接相关。
第四节 影响长壁工作面矿压显现的主要因素
直接顶载荷q
l 0 h1 8R 3q
' t
E h ( 1h1 ) q1 3 E1h1
3 1 1
E1h13 ( 1h1 2 h2 ) q2 3 E1h13 E2 h2
Rt′第一层直接顶抗拉强度，Pa； q单位长度直接顶岩梁上的载荷，Pa E1,E2,…,En各层直接顶弹性模量，Pa h1,h2,…,hn各层直接顶板厚度，m γ1,γ2,…,γn各层直接顶容重，N/m
第二节长壁工作面支承压力分布及其显现规律
H
H
Kγ H
γ H
γ H
H
H
Kγ H γ H N0 x0 γ H
Kγ H γ H
煤炭采出后，采空区上方岩体的压力要向周围煤体内转移，产生应力集中 煤体由三向主应力状态变为双向、单向受力，强度降低，不同程度破坏，应力降 低，高应力逐渐向煤体深处转移
支承压力分布及塑性区形成
一、顶板及其分类 (一) 直接顶的稳定性及分类
稳定性与自身力学性质有关，也受基本顶和架型影响
岩层的力学性质：抗拉、抗压强度，弹模等
岩层内节理裂隙的发育情况：原生裂隙、构造裂隙、矿 压裂隙
直接顶裂隙分类
直接顶的稳定性
人字劈、草帽劈、升斗劈存在易在无预兆中冒顶或漏顶
稳定性与推进方向
直接顶的分类：
以直接顶的初次垮落步距L0作为分类指标 顶板强度指数D D=10Rc×C1×C2 Rc—接顶岩石单轴抗压强度，MPa C1 —节理裂隙影响系数 C2—分层厚度影响系数
顶板
基本顶（基本顶）— 位于直接顶或煤层之 上，通常厚度和岩石 强度较大，难于垮落 的岩层。
强度大(大于60～80 MPa)
层厚在2 m以上
可悬露较大面积 厚层状砂岩、石灰岩、 砾岩等。
伪顶 直接顶 直接顶 基本顶 基本顶
伪顶 直接顶 基本顶
三、采空区处理
全部垮落法 充填采煤法
刀柱（煤柱支撑）法 缓慢下沉法
直接顶初次垮落
∑h
M
Δh
a、直接顶能充满采空区
图 5-6
直接顶垮落后的岩石充填情况
b、直接顶不能充满采空区
图 5-7
基本顶呈双固定支点梁状态
Δh=M+ ∑h -Kp∑h
二、基本顶初次来压及其显现规律
初次来压:基本顶初次破断在采煤工作面引起的矿压显现 初次来压步距:由开切眼到初次来压时工作面推进的距离 (一般为20～35m)
基本顶初次来压
基本顶破断岩块回转下沉引起工作面顶板急剧 下沉、支架受力普遍加大、煤壁片帮的现象。
基本顶初次来压
L初
基本顶初次来压步距 顶板剧烈下沉 支架载荷突增 煤壁片帮严重 采空区有顶板断裂的闷雷声 有时伴随基本顶岩块的滑落失稳，导致顶板台阶下沉
初次来压基本顶的破断过程
支架反力（支撑力） P形成的反力矩难以 平衡由基本顶初次来 压载荷Q2的力矩，基 本顶岩块的回转在一 定程度上是不可避免 的。
L周
周期来压步距
L初=2.45L周
1 1 L初 L周 4 2
矿压显现
支架载荷/kN
步距/m 平时 来压 动载系数
初次
1 2 3
37.4
17.6 19.6 18.2 420 900 540 1080 1380 790
1.95
1.81 1.85 1.76
四、采煤工作面的顶板来压预报
1运输平巷； 2回风平巷； 3动态仪； 4测力计
采煤工作面周围支承压力分布
前支承压力(移动支承压力) 最大值面中部前方，峰值点 煤壁2～10 m，K达2～4γH， 范围面前方30～60 m内， 最大达100 m，近煤壁的 压酥带宽度0.5～20 m。 侧向支承压力（固定支承压 力）范围一般30～40 m内， 峰值约为(2～3)γH，
相邻工作面开采影响的支承压力
矿山压力显现及观测指标
支架(柱)载荷—工作面支 架(或支柱)承受的载荷 顶板破碎 —单位控顶面 积内冒落面积所占百分 比 端面顶板破碎度（工作 面机道上方、顶梁前端 的无支护空间）
矿山压力显现
矿山压力显现及观测指标
局部冒顶 —顶板局部塌落 煤壁片帮 —煤壁发生垂直和 水平变形而脱落的现象 台阶下沉—支架控制不力所 造成的阶梯状下沉 大面积冒顶 —基本顶垮落导 致顶板沿煤壁切落的现象
矿山压力含义
原岩—地壳中没有受到人类 工程活动影响的岩体 原岩应力—存在于地层中未 受工程扰动的天然应力 自重应力—由地心引力引起 的应力，等于单位面积的上 覆岩层的重量。 构造应力—由地质构造运动 而引起的应力
z H
矿山压力含义
矿山压力——开采引起的工作面周围岩体内的力 （存在于采掘空间围岩内的力，顶板压力和支承压 力） 支承压力—采掘空间原被采物承受的载荷转移到周 围支承体上而形成的力 为KγH部分，K为大于1的应力集中系数
Kγ H
HKγ H γ H N0 x0γ Hγ H N0 x0
塑性变形区X0
(极限平衡区)
应力降低(压酥带) 原岩应力区
KH cot x0 ln 2f N0
H埋深 τ 煤的粘结力 φ煤体内摩擦角； λ侧压系数；
M
N0煤壁支撑能力 f 煤层摩擦力 M煤厚
影响支承压力的主要因素
Kγ H γ H N0 x0
基本顶初次来压的力学模型
工作面顶板必然下沉。只有当基本顶岩块在采空 区触矸形成反力后，其回转下沉才会缓和和停止。 为不使基本顶沿工作面切落，支架工作阻力应等 于Q1与Q2之和。
基本顶岩块滑落失稳实例
基本顶初次来压
M max
L初 基本顶初次来压步距
1 2 ql0 12
2 Rt' l0 H q
H埋深 τ 煤的粘结力 φ煤体内摩擦角； λ侧压系数； N0煤壁支撑能力 f 煤层摩擦力 M煤厚
塑性变形区X0 (极限平衡区)
采深愈大，支承压力愈高 煤质愈硬，强度愈高，支 承压力的峰值愈高，峰值 距煤壁的距离愈近，分布 范围愈小
应力降低(压酥带)
原岩应力区
二、采煤工作面周围支承压力分布
1 3
2
4
H基本顶一次破断厚度，m； Rt基本顶岩梁的抗拉强度，Pa； q单位长度基本顶的重量及其上载荷，Pa
基本顶载荷q
M max
1 2 ql0 12
' t
2R l0 H q
Rt′基本顶抗拉强度，Pa； q单位长度基本顶岩梁上的载荷，Pa E1,E2,…,En各层基本顶弹性模量，Pa H1,H2,…,Hn各层基本顶厚度，m γ1,γ2,…,γn各层基本顶的容重，N/m
顶板 — 煤层上部邻近的岩层 底板 — 煤层下部邻近的岩层
顶板有伪顶、直接顶、基本顶之分
顶板
伪顶 — 位于煤层之上，极易 垮落的很薄的松软岩层 厚度小于0. 3～0.5m 随采随落 允许悬露的面积 小 允许悬露的时间短 炭质页岩、泥质页岩等
顶板 直接顶 —位于煤层或 伪顶之上，具有一定 的稳定性，采煤时移 架或回柱后能自行垮 落的岩层
动载（动压）系数：支架来压时载荷与平时载荷之比 基本顶初次来压步距越大，工作面来压显现越剧烈， 相应的动载系数也越大。如大同矿务局坚硬顶板条件 下，动载系数达到3以上。 基本顶初次来压步距是基本顶岩层分类的主要依据 我国煤矿初次来压步距为10～30 m的约占54%，30～ 55 m的约占37.5% 砾岩、砂砾岩顶板可达100～160 m
Ⅰ级
N>3～5,
来压不明显
来压明显 来压强烈
Ⅱ级 0.3<N≤3～5, L=25～ 50m Ⅲ级 0.3<N≤3～5, L > 50m
N≤0.3 , L=25～ 50m
Ⅳ级 N≤0.3 , L > 50m 来压极强烈
P e=
241.3lnL0-15.5N+52.6M