煤矿开采技术——采煤工作面矿山压力基本规律

第六章采煤工作面矿山压力基本规律

第一节矿山压力基本概念

第二节采煤工作面围岩移动特征

目的要求：

1、理解矿山压力产生的根源及采煤工作面矿压显现的含义和其主要显现形式；

2、了解采煤工作面围岩移动的过程及力学分析；

3、掌握采煤工作面围岩移动矿压显现的特征及上覆岩层移动规律。

重点、难点和突破的方法：

重点：1、采煤工作面各阶段围岩移动的矿压显现特征的原因分析；

难点：１、采煤工作面围岩移动的力学分析；

突破方法：1、联系采场实际，通过力学知识复习和运用相关模型直观分析讲解加以突破。

教学内容和步骤（附后）

第一节矿山压力基本概念

一、矿山压力的概念

矿山压力就是由于井下采掘工作破坏了岩体中原岩应力平衡状态，引起应力重新分布，把存在于采掘空间周围岩体内和作用在支护物上的力称为矿山压力。

二、矿山压力来源

1、自重应力

2、构造应力：

3、膨胀应力：遇水膨胀和温度变化与气体压力引起的应力

（一）自重应力——上覆岩层重量引起的应力

1、金尼克假说：

σ1＝γH σ2＝σ3＝λσ1

τmax＝

式中:

σ1——单元体所受的垂直应力 MPa

σ2、σ3——单元体所受的侧向应力，MPa

μ——单元体岩层的泊松比；

γ——上覆岩层的平均重度，kN/m3；

H——单元体距地面的深度，m

λ——侧压系数

τmax——单元体最大剪应力，kPa

显然，μ值越大，则该单元体在垂直应力作用下产生的侧向应力也就越大。

2、海姆假说——随着开采深度的增加或由于岩性等方面的原因，使得μ＝0.5时，即：

σ1＝σ2＝σ3＝γH

形成所谓的静水压力状态，即岩体深部的原岩垂直应力与其上覆岩层重量成正比，侧向应力大致与垂直应力相等。

（二）构造应力——地壳构造运动在岩体内引起的内应力。

特点：1、构造引力以水平应力为主；水平应力以压应力为主；

2、在构造应力场中，主应力的大小和方向可能有很大变化；两个方向的水平应力值（σ

2、σ3）通常不相等；

3、测定表明，水平应力大于垂直应力，即

σHmax＞σHmin＞σv

（4）构造应力在坚硬岩层中出现一般比较普遍。

三、矿山压力显现

在矿山压力作用下，围岩和支护物所表现出来的力学宏观现象，如围岩变形，离层，破坏和冒落，支架受力变化和折损，煤（岩）突出，充填物产生压缩和地面塌陷等，称为矿山压力显现，简称矿压显现。

工作面矿山压力显现的形式：顶板下沉、支架变形与折损、顶板破碎或大面积冒落、煤壁片帮、支柱插入底板、底板膨胀鼓起等。

矿压控制——所有人为的调节、改变和利用矿山压力的各种技术措施。

第二节采煤工作面围岩移动特征

采煤工作面顶板组成分类：

伪顶——位于煤层之上随采随落的极不稳定岩层，其厚度一般在0.3～0.5m以下。

直接顶——位于伪顶或直接位于煤层之上，具有一定的稳定性，随移架或回柱放顶后能自行跨落的岩层。

基本顶——位于直接顶或煤层之上，厚而坚硬难跨落的岩层。

一、直接顶的初次垮落

采煤工作面自开切眼推进一段距离后，直接顶悬露达到一定跨度，就要对采空区顶板进行初次放顶，使直接顶垮落下来，这一过程称作直接顶的初次垮落，如图6-3。

图6－3 直接顶初次跨落

若垮落岩层原来的体积为V，破碎后的体积为V/，则两者之比值称为碎胀系数，以K P 表示，即

K P＝V//V

残余碎胀系数K P /

——岩块压实后的体积与破碎前原始体积之比。 若直接顶岩层的总厚度为∑h ，则它冒落后堆积的高度为 K P ∑h ，它与基本顶之间可能留下的空隙△： △ ＝∑h ＋m －K P ∑h ＝m －∑h （K P －1）

当m ＝∑h （K P －1）时，则△＝0，即冒落的直接顶将充满采空区。若不计基本顶下沉，形成。

充满采空区所需直接顶的厚度为： ∑h ＝

P

K hm

1

二、基本顶的初次跨落

（一）基本顶初次垮落前的岩层结构

将基本顶视为一端由采煤工作面煤壁支撑，另一端由煤柱支撑的两端固定的固定梁的结构。

（二）基本顶的初次垮落与初次来压

基本顶初次垮落——随着采煤工作面继续推进，直接顶不断垮落，基本顶悬露跨度逐渐增大并产生弯曲，当达到极限跨度时，基本顶将出现断裂，进而发生垮落。基本顶的第一次垮落称为基本顶初次垮落。

基本顶初次来压现象：在垮落前12h 采空区上方可能有轰隆隆巨响，通常煤壁片帮严重，顶板产生裂缝或掉碴，顶板下沉量和下沉速度明显增加，支架载荷迅速增高的现象。

（三）基本顶初次垮落步距的确定

基本顶垮落时，其最大悬露垮度L 初称为基本顶初次垮落步距。 1、一般情况下，视基本顶为两端固定梁

将基本顶看作两端固定长度为L 的岩梁，受均布荷载q 的作用。基本顶受力情况如图6－4所示。

固定梁极限跨距 1

2q R h

L r

＝初 2、浅部煤层情况下，近似视基本顶为简支梁

简支梁极限跨距 m q R h L r

/321

＝ 三、基本顶的周期来压

（一）基本顶来压前的状态

图6－7 基本顶来压前的状态

基本顶初次垮落后，随着采煤工作面继续推进，工作面上方的基本顶岩层由两端固定梁状态转变为悬臂梁状态。

（二）基本顶周期来压及矿压显现特征

周期来压——基本顶的周期性破断失稳对工作面产生的周期性的来压显现，称为基本顶的周期来压。

主要表现形式：顶板下沉速度急剧增大，顶板下沉量变大，支柱所受载荷普遍增加，有时可能引起煤壁片帮。支柱折损、顶板发生台阶状下沉等现象。

（三）周期来压步距的确定

来压周期——基本顶两次周期来压的间隔时间称为来压周期。 周期来压步距——在来压周期内采煤工作面推进的距离，用L 周表示。

经验公式：周L ＝（21－41

）初L

周期来压步距大小在6～30m 之间，一般为10～15m 。 （四）周期来压的分析