矿压第四章

2019/11/27
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第一节 概述
（5）局部冒顶：指回采工作面顶板形成局部塌落，影响
回采工作的正常进行。
（6）工作面顶板沿煤壁切落（大面积冒顶）：指采面由
于顶板来压而导致顶板沿工作面切落。严重影响工作面的 生产。
2019/11/27 枣庄滕州市柴里煤矿井下工作面发生冒顶
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图4-7 老顶结构“稳定-失稳-再稳定”过程
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第三节 老顶的周期来压
“砌体梁”结构变化过程： A、B岩块不能形成三铰拱平衡的力学证明。
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第三节 老顶的周期来压
“砌体梁”结构变化过程： 在图4-8中，形成了A岩块的回转与B岩块的反向回转。此时A岩
示。即支架受力一是直接顶载荷，二是
老顶通过直接顶作用于支架的载荷。
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 图4-11 回采工作面的顶板压力
的依据（最大可能载荷）。
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第四节 顶板压力的估算
（1）直接顶载荷Q1
Q1 h L1
矿山压力与岩层控制
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作 者：王 超 单 位：矿煤学院 日 期：19.3.20
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第四章 采场矿山压力显现基本规律
主要内容
• 第一节 概述 • 第二节 老顶的初次来压 • 第三节 老顶的周期来压 • 第四节 顶板压力的估算 • 第五节 回采工作面前后支承压力的分布 • 第六节 影响采场矿山压力显现的主要因素
1、准确地判定老顶来压的预兆，及时采取加强支 护措施；
2、保证支架的规格质量，保证一定的支架密度及 支架稳定性；
3、将工作面与开切眼斜交，变工作面全面来压为 局部来压；
4、加强统计观测。
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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，目前有 估算法和实测法两种。
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第一节 概述
• 在实际生产过程中，回采工作面常有一系列矿山压力现象，
并且习惯上用这些现象作为衡量矿山压力显现程度的指标。
顶板下沉
顶板破碎
冒顶
冒顶
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局部冒顶
大面积冒顶
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第一节 概述
• 矿山压力显现程度的指标
（1）顶板下沉：一般指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板
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第三节 老顶的周期来压
五、直接顶的作用分析
在初次来压及周期来压期间，老顶的作用力都是通
过直接顶而作用于支架上，同样，支架的支撑力也是通过
直接顶而对老顶进行控制，因此保证直接顶的完整性十分
重要。但此时由于老顶岩层的变形及其与支架的互相作用，
常常导致直接顶破碎。
随着回采工作面继续推进，若
此结构只允许悬露一个岩块长
度时，则A、B岩块又将在下部
分开，像B、C岩块间关系一样， 如此反复。由此可知，上覆岩 图4-7 老顶结构“稳定-失稳-再稳定”过程
层的结构经历了“稳定-失稳-再 2稳019定/11”/27过程。
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第三节 老顶的周期来压
防止岩块滑落失稳的条件
估算法：根据现有的矿压研究成果，对工作面可能出 现的顶板压力大小进行估算。
实测法：根据对大量工作面的实测与统计数据，确定 工作面顶板压力的大小。
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第四节 顶板压力的估算
一、估算法
1、经验估算法
按照前述支架承受载荷的原则，可
将工作面支架受力情况简化如图4-11所
它表示顶板活动的剧烈程度。如图4-2所示。
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第一节 概述
（3）支柱变形与折损。随着顶板下沉，回采工作面支柱
受载也逐渐增加，一般可以用肉眼观察到木柱帽的变形， 剧烈时可以观察到支柱的折损。
（4）顶板破碎情况：通常以单位面积中冒落面积所占的
百分数来表示。它常常用来衡量顶板管理好坏的质量标准。
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第二节 老顶的初次来压
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。 1、增大支撑力； 2、增加稳定性； 3、加强矿压观测； 4、获取准确的地质和开采资料； 5、加强日常支护质量管理。
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第三节 老顶的周期来压
四、周期来压的周期变化与来压强度分析
当覆岩存在多层坚硬岩层时，对采场来压产生影响的 可能不止是邻近煤层的第1层坚硬岩层，有时上覆第2层、 甚至第3层坚硬岩层也成为老顶，它们破断后会影响来压 显现，从而导致采场周期来压步距并不是每次都相等，有 时可能出现很大差别。生产实际中存在两层或两层以上老 顶而导致采场周期来压步距呈现一大一小周期性变化和周 期性来压强度呈现一高一低周期性变化现象。
防止滑落失稳的条件为：
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第三节 老顶的周期来压
二、采场的周期来压
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-失稳-再稳定”的变化，这种变化将呈 现周而复始的过程。由于结构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。
初次来压步距。一般初次来压步距为10-30m，岩层较为坚硬时，初 次来压步距可达30-55m，大同矿务局的砾岩及砂砾岩顶板可达160m。
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第二节 老顶的初次来压
• 老顶岩块失稳滑落
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第二节 老顶的初次来压
• 老顶初次来压的力学模型
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第三节 老顶的周期来压
三、周期来压时的顶板来压状态力学模型
若T=0，则P1=∑Q，即说明相当于规则垮落带及其以下 的直接顶岩层的岩块全部重量由支架承担。因此，对于在回 采工作空间上方的相当于规则垮落带及其以下的岩层，按最 危险的状态考虑，支柱应能承受此控顶区内的全部载荷为准。
失稳过程中不能满足∑Fy=0的条件，即
则工作面顶板将出现台阶下沉，甚至沿煤壁切落，形
成严重的周期来压现象。
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第三节 老顶的周期来压
三、周期来压时的顶板来压状态力学模型
根据上述分析，可将周期来压时顶板来压状态绘成图 4-9所示的力学模型。与初次来压时一样，支架必须保证足 够的支撑力以满足∑Fy=0，但并不能阻止老顶岩块的回转。
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第二节 老顶的初次来压
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。
五、初次来压步距和来压强度影响因素
1、老顶的力学性质、厚度、破断岩块之间的相互咬合情 况； 2、地质构造。
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第二节 老顶的初次来压
来压是老顶断裂（结构失稳） 施力于工作面的结果；
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第三节 老顶的周期来压
三、周期来压时的顶板来压状态力学模型
支架对老顶岩块所具有的作用力P1应为A、B岩块的重 量再减去断裂岩块与未断岩体间的摩擦力，如图4-9所示。 后者决定于T值（T为恒值还是变值），因此，P1应表达为
若上式为负值，说明岩块间的摩擦力 足以阻止其间的滑动力。此时，P1可 取零值。
由于A岩块的回转，必然导致回采工作面顶板的不断下沉，支架所 受的载荷也随之增加。这种现象是不可避免的，如图4-8所示。
从管理工作面顶板出发，支架的性能必须要与这种过程相适应。 除此之外，支架应能防止顶板沿煤帮切落。在A岩块断裂的瞬间，A岩 块与未断岩块的接触处的剪切力达到最大，为QA+B,即相当于A岩块与B 岩块本身的重量再加上它们的载荷。
由图4-5可知，来压的大小还与采空区冒落矸石充满
采空区的程度直接相关。采空区冒落愈严实，老顶对工作
面影响愈小；反之，则较大。
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第三节 老顶的周期来压
老 顶 来 压 时 控 制 不 当 导 致 的 垮 顶 现 象
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第三节 老顶的周期来压
六、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，工作面会出现台阶下沉； 5、如果支护参数选择不合理，会发生冒顶、切顶。
（周期来压显现一般较初次来压时有所缓和）
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第三节 老顶的周期来压
七、预防措施
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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第三节 老顶的周期来压
一、回采工作面推进对岩体结构的影响
“砌体梁”结构变化过程： 图4-7（a）为砌体梁结构。
工作面推进一段距离后， A 岩块断裂，由图（a）进入图 （b），此时A、B岩块不能 形成三铰拱平衡，结构将进 入不稳定状态。如图4-8所示 受力分析可证明。
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
201压9/1力1/2的7 过程。
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第三节 老顶的周期来压
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）
工作面顶板失稳
块的前咬合点O有一向上运动的趋势。这种趋势使A岩块前咬合处 的局部范围受拉应力。这样很容易使A岩块的前端点破碎，导致结 构失稳。
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第三节 老顶的周期来压
“砌体梁”结构变化过程：
当A岩块与B岩块回转成一体
时，如图4-7（c）所示，由于 A、B岩块合为一体，此时结构 有可能暂时进入稳定状态。但
岩层,四周是直接顶加煤柱。
• 随着老顶跨度增大,回采工作面煤壁上所承受的划分如图4-6。
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第二节 老顶的初次来压
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； 5、支柱载荷急剧增加； 6、顶板出现切断（直接顶沿煤壁切断）。
第一节 概述
（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。
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第二节 老顶的初次来压
一、老顶的初次来压
• 回采工作面从开切眼开始采煤，采空区范围逐渐增大，当老
顶悬露达到极限跨距时，老顶断裂成三铰拱式的平衡 （见 下图），同时发生已破断的岩块回转失稳，有时可能伴随 滑落失稳，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。
(1)老顶回转的必然性:
• P力形成的力矩难以平衡Q2形成的力矩。
(2)防止老顶切落条件:
• P=Q1+Q2
(3)减轻工作面支架载荷:
• 采空区冒落矸石形成反力Rt
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第二节 老顶的初次来压
• 回采工作面围岩结构系统
• 初次来压前,采空区上覆岩层有梁或拱式平衡。结构系统顶部是老顶
相对移近量。常用s表示。
有时为了对比，把顶板下沉换算为单位采高、单位推
进度的顶板下沉量，以每米采高、每米推进度下沉量表示，
即：
s LM
（L为控顶距，M为采高）
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第一节 概述
顶底板移近量实测曲线分析
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第一节 概述
（2）顶板下沉速度：单位时间内的顶底板移近量，mm/h。
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第二节 老顶的初次来压
一、老顶的初次来压 • 初次来压各阶段
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：由开切眼到初次来压时工作面推进的距离称为老顶的