矿山压力及其控制

●矿山压力及其控制

●第一节上煤层围岩分类

●第二节工作面矿山压力的显现影响

●第三节工作面支架的结构、性能和选择

●复习思考题

第一节煤层围岩分类

●围岩的性质，尤其是它的力学性质对采掘工作面的压力显现影响最大。

●岩石通常为脆性体，有些为弹塑性体，它的力学性质表现为：

●σ压＞σ剪＞σ弯＞σ拉

●抗拉强度远小于抗压强度，一般抗拉强度只有其抗压强度的

● 1/15～1/20

●岩石破碎通常表现为拉性；有时也表现为剪性，如弹塑性岩石。

●由于岩石为非均质体，组成的成分又不同，再加原生和次生的影响，从而形成了它的复

杂的力学性质—异向性。例如，岩层中具有层理、节理等弱面，沿这些弱面方向的岩石抗拉强度，远小于其它方向的抗拉强度，有些甚至完全失去抗拉能力。又如虽属同种岩石，由于构造裂隙影响，它们的力学性质，往往相差很大。

第一节煤层围岩分类

●对采煤工作面影响最大的围岩是煤层顶部岩层。因此，通常在研究煤层围岩性质时，重

点研究煤层顶板性质，至于煤层底部岩层，只有在急倾斜煤层开采时，才具有实际意义。

●根据我国岩层的实际情况，一般把直接顶分为三类：

●一类直接顶（不稳定）——回采时不及时支护，很易造成局部冒顶，如页岩、煤皮、

再生顶板等；

●二类直接顶（中等稳定）——顶板虽有裂隙，但仍比较完整，如砂质页岩；

●三类直接顶（稳定）——顶板允许悬露较大面积而不垮落，直接顶完整，如砂岩或

坚硬的砂质页岩。

第一节煤层围岩分类

●基本顶（老顶）分类尚无统一规定，现根据基本顶对工作面的压力（初次和周期来压）

及初次来压的步距，把老顶分为四类介绍如下：

●Ⅰ类基本顶——初次和周期来压不明显，来压时缓和无冲击。来压的大小相当于或

小于6～8倍采高的顶板岩层重量。初次来压步距大于25m。

●Ⅱ类基本顶——初次和周期来压很明显，来压的大小相当于8～12倍采高的顶板岩

层重量。初次来压步距大于25m～50m。

●Ⅲ类基本顶——初次和周期来压强烈，来压的大小相当于12～14倍采高的顶板岩

层重量。初次来压步距大于25m～50m。

●Ⅳ类基本顶——平时顶板无压力，采空区悬露面积达几千甚至上万m2不垮落，初

次和周期来压时，顶板垮落常形成狂风、巨响。初次来压步距大于50m，甚至可达

100m～150m。这种顶板多为极坚硬的厚砂岩或砾岩。

幻灯片6

第二节工作面矿山压力的显现规律

●一、支承压力

●（一）支承压力的形成

●当煤体未采动前，煤体内的应力处于平衡状态，煤体上所受的力为上覆岩层的重力

γH（γ—岩层的容重，t/m3；H—煤层距地面的深度，m）。

●当在煤体内开掘切眼后，破坏了应力的平衡状态，引起应力重新分布。这时在切割

眼上部顶板内形成了自然平衡“压力拱”。切眼上部岩体重量Q由两侧煤壁平均分

担。因此，在切割眼两帮煤体中，产生了应力集中现象，这种集中应力称为支撑压

力。它的大小为原始应力γH的1.25～2.5倍，最大值可为原始应力的2～4倍或

更大。

幻灯片7

第二节工作面矿山压力的显现规律

煤体内开掘切割眼后应力重新分布

a—切眼宽度；Q—切眼上部岩体重量；H—煤层距地面深度；γ—上覆岩层的容重

幻灯片8

第二节工作面矿山压力的显现规律

●由于“压力拱”的存在，切割眼处于减压状态。随着工作面推进，切割眼扩大了，“压

力拱”破坏而消失，在工作面前方的煤体中，同样产生支承压力带，其范围自工作面前方2m～3m起直至10m～45m，有时可达近100m，最大支承压力区，约距煤壁5m～15m 左右；在工作面后方，当采空区充填物压实到一定程度后，也产生支承压力带。前后两个支承压力带，随工作面推进而移动，即移动支撑压力。

工作面围岩应力分布

a—增压区；b—减压区；c—稳压区

第二节工作面矿山压力的显现规律

●从图看出，由于采动影响的结果，在工作面前方煤体中和工作面后方的采空区内，根据

压力分布不同可分为三个区：

●a——增压（支承压力）区，它的应力大于原始应力；

●b——减压区，它的应力小于原始应力；

●c——稳压区，它的应力等于原始应力。

●在采煤工作面上下两端的区段煤柱内，也由于采煤和掘进区段平巷而形成支承压力，它

的分布特征和工作面前方的支承压力基本相同。当采煤工作面推进较长距离后，区段煤柱内的支承压力，可随顶板垮落而逐渐消失。

第二节工作面矿山压力的显现规律

●（二）影响支承压力大小、分布的因素

●支承压力的大小及其分布与顶板悬露的面积和时间、开采深度、采空区充填程度、

顶底板岩性、煤质软硬有关。

●采空区顶板悬露面积越大，时间越长，顶板压力就越大，而支承压力的分布范围和

集中程度越大。

●开采深度越大，悬露顶板的重量越大，支承压力也越大。

●采空区充填程度越密实，煤壁内支承压力越小。例如采用全部充填时，上部顶板下

沉后，很快就会被充填物支撑，这时悬露顶板岩层的重量转移到周围煤体上的压力

就小。因此，采用全部充填法处理采空区比采用全部垮落法处理采空区时，煤壁内

的支承压力分布范围和大小要小得多。

幻灯片11

第二节工作面矿山压力的显现规律

●顶板岩层越坚硬，顶板压力分布越均匀，支承压力的集中程度就比较小。例如，砂岩顶

板，支承压力的影响范围可达到工作面前方100m左右；泥质页岩顶板，支承压力的影响范围不到30m～40m。若顶板的裂隙发育，则支承压力比较集中，影响范围也较小。

●底板岩层坚硬，支承压力影响范围大，但集中程度小。

●煤质坚硬，支承压力比较集中，影响范围较小；反之，煤质松软，变形和破坏程度越大，

则支承压力分布范围越大，集中程度越低。

第二节工作面矿山压力的显现规律

●（三）支承压力显现规律

●由于支承压力的作用，可导致顶板预先下沉、煤壁破碎片帮、产生冲击地压、煤和

沼气突出等现象。

●在支承压力的作用下，工作面前方尚未悬露的顶板，已经开始下沉。一些实际资料

表明，顶板下沉量可达15mm～60mm，甚至达100mm。当顶板比较坚硬，煤层较厚或

较软时，顶板下沉量较大。

●由于顶板预先下沉，可能产生裂隙，因而增加了工作面和工作面前方区段平巷的压

力。为了防止区段平巷的支架压坏，事先必须采取措施，如增设抬棚、斜撑支架等。

●工作面的煤壁，在支承压力作用下，产生变形破坏，导致煤壁破碎片帮成斜面；破

碎范围与煤质硬度和支承压力大小有关，一般为1m～3m；工作面前方煤壁内支承

压力的峰值，向煤壁内转移，增压区（支承压力区）斜向煤壁里面；减压区扩大；

稳压区向煤壁里面转移。

第二节工作面矿山压力的显现规律

●煤层压碎，虽增加了片帮的机会，对安全不利，但可减轻落煤工作，浅截式采煤机就是

采落压碎范围内的煤，因而破落煤时阻力小。

●当顶、底板均为厚而坚硬的岩层，煤质很坚硬；开采深度又较大；形成很大的支承压力