采矿学长壁面矿压显现规律PPT课件

1 第一章长壁工作面矿山压力显现规律 一 采煤工作空间采煤工作面 由采落煤炭的煤壁和安全作业的工作空间组成 又称 采场 采煤工作空间必须满足破 装 运 支等设备的安置和行人通风的要求 2 控顶排数和控顶距 控顶距采煤工作面煤壁至末排支柱顶梁后端的距离 或至放顶柱之间的距离最小控顶距有3排支柱 机道 行人道和材料道最大控顶距有4排或5排支柱放顶步距 最大控顶距与最小控顶距之差 3 综采工作面 4 控顶距 最小控顶距顶梁长度l梁端距a最大控顶距顶梁长度l梁端距a截深s无立柱空间宽度b 5 采煤工作面围岩组成 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 6 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 7 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 8 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 伪顶伪顶直接顶直接顶直接顶基本顶基本顶基本顶 强度大 大于60 80MPa 层厚在2m以上可悬露较大面积厚层状砂岩 石灰岩 砾岩等 9 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 10 采空区处理方法 a 刀柱 留煤柱 b 顶板缓慢下沉法 c 充填法 d 全部垮落法 11 全部垮落法 使采空区的顶板及时垮落 利用岩石的碎胀性 将采出煤炭空间充满的方法 岩石碎胀系数Kp破碎后的体积 破碎前的容积Kp一般为1 25 1 50残余碎胀系数Kp 一般为1 05 1 15 12 充填采煤法 采集废石料把采空区重新充填满 13 刀柱 煤柱支撑 法 每间隔一定距离留下一定宽度的煤柱支撑顶板 14 缓慢下沉法 顶板本身具有缓慢挠曲下沉的性能时 随着工作面推进 在采空区后方自行挠曲下沉 使采空区闭合 15 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 16 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K H部分 K为大于1的应力集中系数 17 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 18 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 19 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 20 矿山压力显现 21 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 22 第二节长壁工作面支承压力分布及其显现规律 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 23 支承压力分布及塑性区形成 塑性变形区X0 极限平衡区 应力降低 压酥带 原岩应力区 H埋深 煤的粘结力 煤体内摩擦角 侧压系数 N0煤壁支撑能力f煤层摩擦力M煤厚 24 影响支承压力的主要因素 塑性变形区X0 极限平衡区 应力降低 压酥带 原岩应力区 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 H埋深 煤的粘结力 煤体内摩擦角 侧压系数 N0煤壁支撑能力f煤层摩擦力M煤厚 25 二 采煤工作面周围支承压力分布 26 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 10m K达2 4 H 范围面前方30 60m内 最大达100m 近煤壁的压酥带宽度0 5 2 0m 侧向支承压力 固定支承压力 范围一般30 40m内 峰值约为 2 3 H 27 相邻工作面开采影响的支承压力 侧向支承压力和前支承压力必然叠加 支承压力的分布范围和峰值增大 7 H 1 4 H 28 三 采空区顶底板中支承压力分布 29 近距煤层开采影响的支承压力 30 第三节长壁工作面顶板来压一般规律 一 直接顶垮落规律初次放顶 让已悬露的顶板垮落碎胀 充满已采的空间 要进行工作面的第一次回柱放顶 初次放顶的矿山压力显现特点 顶板悬露较完整 支架载荷小 稳定性较差 回柱或移架后 仅少部分直接顶冒落 大部分顶板悬空不冒 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 31 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1m以上 直接顶极限垮距 h1第一层直接顶厚度 mRt 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 32 直接顶载荷q 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 PaE1 E2 En各层直接顶弹性模量 Pah1 h2 hn各层直接顶板厚度 m 1 2 n各层直接顶容重 N m 33 直接顶初次垮落 碎胀系数1 25 1 5a 直接顶能充满采空区b 直接顶不能充满采空区M hd hdKzhd Kz 1 M 34 直接顶初次垮落 a 直接顶能充满采空区b 直接顶不能充满采空区 h M h Kp h 35 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 36 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 37 基本顶初次来压 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 38 初次来压基本顶的破断过程 39 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 基本顶初次来压的力学模型 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 40 基本顶岩块滑落失稳实例 41 基本顶初次来压 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 42 基本顶载荷q Rt 基本顶抗拉强度 Pa q单位长度基本顶岩梁上的载荷 PaE1 E2 En各层基本顶弹性模量 PaH1 H2 Hn各层基本顶厚度 m 1 2 n各层基本顶的容重 N m 43 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 30m的约占54 30 55m的约占37 5 砾岩 砂砾岩顶板可达100 160m 44 三 基本顶周期来压及其显现规律 45 基本顶周期来压及其显现规律 周期来压 基本顶周期性的折断在采煤工作面引起的矿压显现 强烈程序取决于直接顶厚度和基本顶的岩性 46 周期来压的矿山压力显现 与初次来压相似 较初次来压小周期来压步距 两次周期来压时工作面之间的距离 L初 2 45L周 47 矿压显现 48 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 49 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 50 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 第四节影响长壁工作面矿压显现的主要因素 51 直接顶裂隙分类 52 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 53 直接顶的分类 以直接顶的初次垮落步距L0作为分类指标 不稳定顶板 中等稳定顶板 稳定顶板 非常稳定顶板 顶板强度指数 D D 10Rc C1 C2Rc 接顶岩石单轴抗压强度 MPaC1 节理裂隙影响系数C2 分层厚度影响系数 54 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 级N 3 5 来压不明显 级0 350m来压强烈N 0 3 L 25 50m 级N 0 3 L 50m来压极强烈 55 Pe 241 3lnL0 15 5N 52 6M式中 Pe 基本顶初次来压当量 L0 基本顶初次来压步距 N h M 直接顶厚度与采高之比 按基本顶初次来压当量将老顶分为4级 56 二 底板特征及分类 采场支护系统由 底板 支架 顶板 组成 底板岩层影响矿压显现支承压力引起底板鼓胀和破坏 导致地下水分布变化 造成突水事故等 底板较松软时 支柱易插底 或液压支架的底座陷底 影响支架性能的发挥 导致顶板失稳及冒顶 57 底板比压 支架底座对单位面积底板上所造成的压力极限底板比压 支架钻底时所允许的最大底板比压 58 四 采高与控顶距 在一定地质条件下 采高是影响上覆岩层破坏状况的最重要因素之一采高越大 采出的空间越大 必然导致采场上覆岩层破坏严重 S M LS 工作面顶板下沉量 下沉系数 一般为0 025 0 05 M 煤层采高L 控顶距 控顶距问题 59 工作面长度的影响 l与l0相接近时 顶板呈0 X型破断l小于l0时 顶板呈横向0 X型破断l大于l0 顶板呈纵向0 X型破断 来压步距大的坚硬顶板 工作面过长 采空区悬露面积愈大 来压显现愈剧烈 60 四 工作面推进速度的影响 实测表明 顶板下沉量是时间的函数 61 工作面推进速度的影响 落煤加大控顶距 支承压力叠加和前移放顶或移架引起顶板力矩重新平衡落煤和放顶引起下沉量约占总量的70 无工序影响的下沉量不足30 加快推进速度缩短了无工序影响时间 加速了落煤和放顶两工序交替 顶板下沉量减小 但顶板下沉速度增大提高工作面推进速度 对改善顶板管理是有利 62 五 开采深度的影响 采深直接影响支承压力 K H 影响片帮程度开采深度对巷道矿压 冲击地压影响显著 对采场矿压显现影响不显著 只是加剧煤壁片帮现象 63 六 煤层倾角的影响 支架的稳定性降低沿层面切向下滑力F Wsin 增大层面的垂直力Q Wcos 减小 顶板对支架的压力减小迎山角