采煤工作面矿山压力显现规律

第四章 采煤工作面矿山压力显现规律

第一节 概 述

图4—1老顶岩梁断裂后形成的平衡

由于煤壁前方强大的集中应力（K H ）的影响，可能导致直接顶岩层内发生剪切破坏，从而形成预生裂隙，这会影响到采煤工作面内的顶板管理。 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。

第三节 老顶的周期来压

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4—2 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。

当采煤工作面继续推进，老顶悬露跨度达到一定长度时，老顶在其自重及上覆岩层载荷作用下，将沿煤壁甚至在煤壁内发生折断和垮落（图4—2b ）。随着工作面的推进，老顶的这种垮落现象将周而复始地出现，而使工作面内呈现周期性的矿压显现。这种老顶周期性折断或垮落前后工作面内的矿压显现称为老顶的周期来压。

周期来压的矿压显现有：顶板下沉速度急剧增加、顶板下沉量急剧增大、支柱载荷增大、煤壁片帮、支柱折损、顶板发生台阶下沉等。

两次周期来压的间隔时间称来压周期。两次周期来压期间工作面推进的距离叫做周期来压步距。

周期来压步距取决于老顶的岩性、厚度、老顶上方岩层的组成情况等因素。周期来压步距要比初次来压步距小，一般可由下列公式计算。 L 周=（4

1~21）L 初 （4－1）

图4—2 老顶的周期来压

老顶为厚度较大的整体坚硬岩层时，周期来压步距一般较大，若老顶上方岩层系松软岩层，该松软岩层给老顶施加很大的载荷，可能使老顶的周期来压步距缩短。当倾向或斜交断层位于预期的周期来压线之前不远处，工作面推进到断层附近时，老顶将比预期的位置提前垮落，即缩短了周期来压步距。若断层位于预期位置后面不远处，则可能使周期来压步距稍微延长。

在周期来压期间，老顶的作用力通过直接顶作用到支架上，支架的支撑力也是通过直接顶对老顶进行控制。因此，直接顶的完整性对控制老顶的平衡将起到重要作用。

周期来压的剧烈程度与冒落矸石充满采空区的程度有直接关系，采空区矸石冒落越严实，老顶对工作面的影响越小，反之则较大。

预防周期来压造成事故，主要是准确地利用周期来压的步距及预兆，及时采取加强支护措施。尤其是保证支护的规格质量，保证一定的支护密度及支架稳定性。

一、采煤工作面前方的支承压力

采掘空间附近应力增高区内的应力称为支承压力。

采煤工作面割煤使煤壁刚刚裸露时，对于坚硬煤层，其应力分布理论上如图4—3中ab曲线所示。在煤壁上方垂直应力为最大值σmax,在煤壁深处σ2逐步减小。但煤壁处为自由面，抗压强度较小，煤壁附近煤层产生压缩变形后，σmax便逐步向煤体深处转移（图4－3中2、3）。

煤壁深处，由于水平方向的挤压力逐渐增加，因此煤体便由单向受力状态逐步过渡到三向受力状态，其抗压强度也逐渐增加。当工作面不断推进时，支承压力的峰值也将稳定地在煤壁深处向前移动。

支承压力的特征一般可用应力集中系数、峰值位置及支承压力范围等参数来说明。

采煤工作面前方煤体内，支承压力的分布范围，通常从工作面前方1～3m 处开始，直到30～40m，甚至有时还在距煤壁约100m时即开始变形，最大应力的位置约距煤壁5～15m。应力集中系数K为支承压力与原岩应力的比值，其变化范围一般为1.25～5.00。

二、采煤工作面后方的支承压力

根据前苏联对一个矿的测定，采煤工作面后方采空区内已冒落矸石上的应力分布情况如图4-4所示。测定的工作面条件是：采深163m，工作面长120m，开采第一分层，测点设在距开切眼60m处。

采深163m的原岩应力为γH =163×2.5×10-2=4.07MPa。由曲线3可知，在工作面中部，距采煤工作面80～85m处，冒落矸石受力达到γH，至125m 处达到高峰值1.31γH，而后又逐渐恢复到γH。从煤层倾斜方向看，工作面中部测点的支承压力值为最大，其它各点的最高压力值都未达到γH 。可见通常在工作面后方冒落矸石上的压力仅能恢复到γH或比γH稍大一点的程度。

图4-3 工作面前方支承压力的分布

图4-4 已采空间支承压力分布曲线

图4-5 工作面前后支承压力的分布

三、采煤工作面前后方支承压力的特点

采煤工作面前后方支承压力分布形态如图4-5所示。可将其分为应力降低区、应力增高区（支承压力区）和应力不变区（原岩应力区）。其分布特点是：

1、采煤工作面前方煤壁一端几乎支承着采煤工作空间上方裂隙带及其上覆岩层大部分重量，即工作面前方支承压力远比工作面后方支承压力大。

2、工作面煤壁及采空区垮落带是随着时间向前移动的，因而工作面前后方支承压力带也随着时间向前移动。

3、由于裂隙带内形成了以煤壁及采空区垮落带为前后支承点的拱式平衡结构，所以，采煤工作空间是处于减压带范围内。

四、采煤工作面的侧支承压力

随采煤工作面推进，除在工作面前后方产生支承压力区外，在采空区两侧煤柱或煤体中也将产生支承压力区（图4－6）。这种支承压力在采空区上方岩层冒落稳定后逐渐趋于固定值，如工作面两端煤柱或煤体不足以抵抗此支承压力时，煤帮或煤柱将产生变形或破坏。在此支承压力区内的巷道也将长期受到影响而难以维护。

图4－6 采煤工作面的侧向支承压力

五、支承压力在煤层底板中的传递

采煤工作面采动后，承受支承压力的煤柱或煤体将把支承压力传递给底板。底板内各点的应力大小与施力点的距离成反比，随底板岩层与煤柱之间垂直距离的增加而迅速降低。同时应力以中心为最大，向煤柱外侧呈一定角度扩展（图4－7）。

图4－7 支承压力在煤层底板中的传播