第四章采场矿山压力显现基本规律

1、4.1 概 述 煤矿生产过程中，回采工作面常有顶板下沉、顶板破碎、局部冒顶、大面积冒顶、支柱变形与折损等一系列矿山压力现象，这些现象作为衡量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相对移近量。 图4-1 工作面顶底板移近曲线1顶板绝对下沉曲线；2顶底板相对移近量曲线；3底板鼓起曲线实际测定时常常是在工作面煤壁刚悬露的顶板处设置测杆，随着工作面的推进，测得由煤壁到采空区放顶线处的顶底板移近量。一般以s表示。有时为了对比，常常把这个指标换算为单位采高、单位推进度的顶板下沉量， 即 (L为控顶距，M为采高)，以 每米采高、每米推进度下沉多少毫米表示。 MLs指单位

2、时间内的顶底板移近量。通常以mmh计算。它表示顶板活动的剧烈程度。(2) 顶板下沉速度 (3)支柱变形与折损 随着顶板下沉，回采工作面支柱载荷也逐渐增加，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 常以单位面积中冒落面积所占的百分比来表示顶板破碎情况，常用来衡量顶板管理好坏的质量标准之一。(5) 局部冒顶 这是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(或称大面积冒顶) 这是指采面由于顶板来压而导致顶板沿工作面切落，它常严重影响工作面的生产。 其它矿山压力现象：煤壁片帮、支柱钻底、底鼓等。回采工作面是一个小结构，处于

3、覆岩大结构之下。“大结构”的变形、失稳直接影响到小结构的状态，同时“大结构”周围的支承压力分布情况也将直接影响到煤壁及底板岩层的稳定性。 4.2 老顶的初次来压当老顶悬露达到极限跨距时，老顶断裂形成三铰拱式的平衡，同时发生已破断的岩块回转失稳(变形失稳)，有时可能伴随滑落失稳(顶板的台阶下沉)，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初次来压。老顶岩层初次破断后，老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。 由开切眼到初次来压时工作面推进的距离称为老顶的初次来压步距初次来压步距。一般情况下，老顶的初次来压步距与老

4、顶初次断裂的极限跨距相当。 由于支架反力（支撑力）P形成的反力矩难以平衡由老顶初次来压载荷Q2所形成的力矩，因而老顶岩块的回转在一定程度上是不可避免的，工作面顶板必然随之发生下沉。只有当老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。为了不使老顶沿工作面切落，支架工作阻力应等于Q1与Q2之和。 图4-6 初次来压前四周围岩支承压力分布状态A增压区；B减压区；C稳压区老顶来压前，回采工作面的顶板压力并不大，但煤壁内的支承压力却达到了最大值。所以，煤帮的变形与塌落(片帮)，常常是预示工作面顶板来压的一个重要标志。 老顶初次来压比较突然，初次来压时，老顶跨距比较大，影响的范围也比较广。 初

5、次来压一般要持续23 d。而且来压期间顶板下沉速度急剧增大，由于老顶初次来压对工作面的影响较大，因此必须掌握初次来压步距的大小，以便及时采取对策。在来压期间，必须加强支架的支撑力，尤其要加强支架的稳定性。一般可以采用木垛、斜撑、抬棚等特种支架加强回采工作空间的支护。动载（动压）系数、来压步距来压时支架载荷与平时支架载荷之比。老顶初次步距越大，工作面来压显现越剧烈，相应的动载系数也越大。大同矿务局坚硬顶板条件下，初次来压前每架液压支架仅测得2000 kN的载荷，而来压时达到了6000 kN，动载系数达到3以上。老顶初次来压步距是老顶岩层分类的主要依据。4.3.1 回采工作面推进对“砌体梁”结构的

6、影响随着回采工作面的继续推进，随着回采工作面的继续推进，A A、B B岩块又将在下部分开，岩块又将在下部分开，像像B B、C C岩块间的关系一样，如此反复。随着回采工作面的岩块间的关系一样，如此反复。随着回采工作面的推进，上覆岩层的结构经历了推进，上覆岩层的结构经历了“稳定稳定失稳失稳再稳定再稳定”的的过程。由于过程。由于A A岩块的回转，必然导致回采工作面顶板的不岩块的回转，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。断下沉，支架所受的载荷也随之增加。4.3.2 老顶的周期来压随着回采工作面的推进，在老顶初次来压以后，裂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

7、的结构将始终经历隙带岩层形成的结构将始终经历“稳定稳定失稳失稳再稳定再稳定” 周而复始的变化过程。周而复始的变化过程。 老顶岩层的周期性破断而引起老顶岩层的周期性破断而引起“砌体梁砌体梁”结构的周期结构的周期性失稳而引起的顶板来压现象称为采场周期来压。性失稳而引起的顶板来压现象称为采场周期来压。 周期来压的主要表现形式是：顶板下沉速度急剧增加，周期来压的主要表现形式是：顶板下沉速度急剧增加，顶板的下沉量变大；支柱载荷普遍增加；有时还可能引起顶板的下沉量变大；支柱载荷普遍增加；有时还可能引起煤壁片帮、顶板台阶下沉、支柱折损，甚至工作面冒顶事煤壁片帮、顶板台阶下沉、支柱折损，甚至工作面冒顶事故。故

8、。tan1TQPBA 4.3.3 老顶的周期来压步距该工作面长170 m，煤厚为3 m，老顶为4.5 m，直接顶为3.5 m厚的细砂岩，煤层倾角3235。 4.3.4 老顶来压期间的顶板控制直接顶传递老顶的作用力及支架的支撑力。因此，保证直接顶的完整性对老顶的控制有十分重要的意义。 但是，在老顶来压期间。由于煤壁前方强大的支承压力，使得直接顶在煤壁前方形成剪切破断，不利于直接顶的管理。此外，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。采空区冒落愈严实，老顶对工作面影响愈小；反之，则越大。图4-10 永定庄矿8411面垮顶现象 附图 梯形悬露顶板的破断形状4.4 顶板压力的估算目前

9、，有两种确定顶板压力的办法。目前，有两种确定顶板压力的办法。 一种是估算法，即根据现有的矿山压力一种是估算法，即根据现有的矿山压力研究成果，对工作面可能出现的顶板压力大研究成果，对工作面可能出现的顶板压力大小进行估算；小进行估算； 另一种是实测法，即根据对大量工作面的另一种是实测法，即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实测与统计数据，确定工作面顶板压力的大小。小。4.4.1 估算法(2)老顶载荷Q2采用直接顶载荷的倍数估算老顶的载荷。 在多数矿井的测定中，一般工作面周期来压时形成的载荷不超过平时载荷的两倍。因此可得出下述关系 式中 p考虑直接顶载荷及老顶来压时的支护强度，

10、kPa；n老顶来压与平时压力强度的比值，称为增载系数，取2。hnqqp21取 (M为采高，K为碎胀系数)，则 K值一般取刚破碎时的碎胀系数1.251.5。P=2(24)M=(48)M 即顶板压力相当于48倍采高岩柱的重量。在周期来压不明显时应采用低倍数，而在周期来压较剧烈时应采用高倍数加以估算。1KMh12KMptan200HQLQFiiBAHQLii200tan200HQLiitan200HQLQFiiBAiEihhKP003) 威尔逊估算法 鉴于载荷作用力的位置与支架可能形成的最大反力的作用位置不一定一致，从而引出由于支架与围岩相互平衡而产生的附加力的概念，最大反力作用位置引起支架与围岩相

11、互平衡而产生的附加力其力学模型如图4-12所示。 31QQPrQlQlPp31 4.5 回采工作面前后支承压力的分布开采后的上覆岩层所形成的结构，由“煤壁已冒落的矸石”支撑体系来支撑，只是在下位岩层中才可能由“煤壁工作面支架采空区已冒落矸石”支撑体系支撑。 因此煤壁一端几乎支承着回采工作面空间上方悬露岩层的绝大部分重量，而采空区后方的已冒落矸石只承受压实区的重量，因而一般只恢复到H或有时稍大一点或甚至小一点的程度，比起煤壁前方的支承压力要小得多。采用刀柱法或刚性支撑采空区，工作面前后的支承压力分采用刀柱法或刚性支撑采空区，工作面前后的支承压力分布如曲线布如曲线1 1所示。全部垮落法或充填采空区

12、的办法，则由所示。全部垮落法或充填采空区的办法，则由于上覆岩层中出现块体咬合的结构，将导致工作面前方支于上覆岩层中出现块体咬合的结构，将导致工作面前方支承压力急剧增加，采空区后方则大幅度减小，如曲线承压力急剧增加，采空区后方则大幅度减小，如曲线2 2所所示。假如工作面采高很大或顶板岩层极为坚硬，有可能在示。假如工作面采高很大或顶板岩层极为坚硬，有可能在岩层悬露时，使工作面前方支承压力有所增高，如曲线岩层悬露时，使工作面前方支承压力有所增高，如曲线3 3所示。所示。假如深井开采或受岩性影响，致使开采后岩层移动并未能波及到地表，则此时将曲线4所示的情况，即采空区的支承压力有可能恢复不到H值。 图4

13、-13 各种采空区支撑条件下工作面前后支承压力分布 4.6 4.6 影响采场矿山压力显现的主要因素影响采场矿山压力显现的主要因素 影响采场矿山压力显现的主要因素是围岩影响采场矿山压力显现的主要因素是围岩性质，性质，有关围岩的分类将在第五章叙述有关围岩的分类将在第五章叙述，此，此处主要处主要分析采高分析采高、倾角倾角、采采深深及及推进速度对推进速度对工作面矿山压力显现的影响。工作面矿山压力显现的影响。 4.6.1 4.6.1 采高与控顶距采高与控顶距baxmxeSS1图4-16 上覆岩层移动与工作面空间 顶板下沉的关系00LsLslhKmhs00LLKKmLLhKmhspL0000111LmLK

14、KKsppL0011式中KP为冒落矸石未承受压力时的碎胀系数。 1pKMh 0011LKKKpP4.6.2 4.6.2 工作面推进速度的影响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。因而有人认为：实测表明，顶板下沉量是时间的函数。因而有人认为：“既既然顶板下沉量与时间有关，若加快推进速度，缩短工作面每个循然顶板下沉量与时间有关，若加快推进速度，缩短工作面每个循环的时间，必然可使顶板下沉量减少。这样就能把顶板压力甩环的时间，必然可使顶板下沉量减少。这样就能把顶板压力甩掉掉”。但随着工作面推进速度加快，顶板下沉速度也明显加快，。但随着工作面推进速度加快，顶板下沉速度也明显加快，因此什

15、么情况下加快推进推进速度能改善工作面状况，必须从原因此什么情况下加快推进推进速度能改善工作面状况，必须从原理上进行分析。理上进行分析。神华矿区综采工作面推进速度的影响: 在15OOm的推进过程中，工作面周期来压步距存在大小周期，小周期914m(平均12m)，大周期1724m(平均2Om)。工作面连续快速推进时周期来压步距增大，一般20m左右。虽然高速推进下支架初撑力仅为额定初撑力的58%，周期来压步距增大，但工作阻力并没有增加。快速推进还减缓了工作面台阶下沉量，因此加快推进速度对顶板控制和实现高产高效有积极作用。 4.6.3 开采深度的影响 随采深增大，冲击矿压的次数与强度都将明显增加。岩层受

16、重力变形，它所积聚的能量与深度的平方成正比。因此，对有冲击矿压危险的矿井，随着深度的增加，发生冲击矿压的次数与强度都将显著增加。国内外的经验都已证明，在一般条件下，一定的开采深度是出现冲击矿压的一个必要条件。3）开采深度对采场顶板压力大小的影响并不突出，因而对矿山压力显现的影响也不明显，尤其是对顶板下沉量的影响。支架所受载荷的大小，与裂隙带形成“结构”的条件有关，因而主要应视煤层采高、直接顶和老顶的力学性质、厚度等因素而定。在目前的开采深度条件下，实际测定表明，采场顶板下沉量与采深之间并无直接关系。但是，随着采深进一步增加，支承压力必然增加，从而导致煤壁片帮及底板鼓起的几率增加，由此也可能导致

17、支架载荷增加。4.6.4 4.6.4 煤层倾角的影响煤层倾角的影响 随着煤层倾角增大，顶板下沉量将逐渐变小。上覆岩层的重量W，如图4-17所示。由于倾角增大，必然使沿岩层面的切向滑移力Wsin(即Q2)增大，而使作用于层面的垂直压力Wcos(即Q1)减小。 图4-17倾角对矿山压力的影响W上覆岩层的重力；Q1垂直于岩层的分力；Q2平行于岩层的分力 由于倾角增加，采空区顶板冒落的矸石不一定能在原地滞留，很可能沿着底板滑移，从而改变了上覆岩层的运动规律。 由于冒落岩块滑移，使采空区形成了如图4-19(a)所示的情况，即下部充填较满，而上部却形成冒空。这样必然使回采工作面支架受力不均匀。图4-19(

18、b)表示了各种不同倾角时工作面支架载荷的分布情况。图4-20 沿倾斜方向开采时岩块的咬合关系 工作面沿倾斜方向向下推进时（俯采工作面） 老顶岩块不滑落失稳的条件为： 沿倾斜方向向上推进时（仰采工作面） 老顶岩块不滑落失稳的条件为： 因此，在同样的生产条件下，俯采工作面与走向工作面相比，老顶岩层更容易形成结构，而仰采工作面顶板最不易形成结构。 4.6.5 下分层开采时矿山压力显现留煤皮、人工假顶、再生顶板分层初次来压步距/m 周期来压步距/m上6039.4下33.819.4支架载荷小 统计表明，无论采用液压自移支架还是单体支柱，第二分层的支架载荷要比第一分层小，有时可低40左右。 其原因首先是回采第一分层时，顶板来压表现的“动载荷”(即老顶折断时对支柱形成的载荷)较大，而在第二分层则主要表现为“静载荷。其次，在第一分层回采时，“支架围岩”系统形成的刚度要比以下各分层大。