矿山压力及其控制习题及解答 全面总结课件

1、1什么是矿山压力和矿山压力显现？答：地下岩体被采动以前，在其自重的作用下形成的原岩应力是处于平衡状态的。当在煤、岩体内开掘巷道或进行回采工作时，就会破坏原来的应力平衡状态，引起岩体内的应力重新分布。这种由于矿山开采活动的影响，在巷硐周围岩体中形成的和作用于巷硐支护物上的力定义为矿山压力。 由于矿山压力的作用在巷道、回采工作面引起的一系列力学现象，如围岩的变形或挤入巷道，岩体破坏、移动或冒落，煤体被压碎、片帮或突然抛出，支架的变形或破坏，充填物产生压实，岩层和地表的移动或塌陷等，这些由于矿山压力作用使巷硐周围岩体和支护物产生的种种力学现象，统称为矿山压力显现，简称为矿压显现。 第二章 矿山岩体的

2、原岩应力及其重新分布一、内容提要 1 岩体内原岩应力的概念岩体内形成原岩应力的主要原因有两种，由于岩体自重而引起的自重应力和由于地质构造运动而引起的构造应力。自重应力是形成岩体垂直应力和水平应力的根本原因。构造应力主要是指水平应力。在矿山地质构造简单地区的岩体可能只有自重应力，在地质构造复杂地区的岩体中可能同时有自重应力和构造应力存在。二、习题1什么叫原岩应力状态，对原岩应力状态有几种假说？答：地壳中没有受到人类工程活动影响的岩体叫做原岩。原岩的原始应力状态。原岩所处的应力状态叫做原岩的原始应力状态。关于原岩的应力状态有两种假说：（1）弹性假说，认为岩体处于弹性状态，其受力与变形的关系附合虎克

3、定律，在垂直应力作用下将在岩体中引起水平应力的作用，其侧压系数0.250.43。（2）静水应力状态假说，认为在地下深处的岩体由于长期的地质作用和岩石的拐变作向应力和垂直应力趋于相等，即侧压系数=1。第三章 回采工作面上覆岩层活动规律及其分析一、内容提要 1老项岩层的梁式平衡回采工作面自开切眼向前推进一段距离以后，直接顶开始垮落，老顶悬露于采空区之上而未折断，类似于一端由工作面前煤壁支撑，另一端由边界煤柱支撑的两端固定的梁。这时，开采空间上覆岩层处于平衡状态，通常将这种状态称为老顶的梁式平衡。 2老顶岩层断裂时的极限跨距随着回采工作面的推进，当老顶岩梁达到一定跨距时，老顶岩梁因其中的应力超过岩梁

4、的强度极限而发生断裂。通常将老顶岩梁要断裂时的跨距称为老顶岩梁的极限跨距。其数值可按以下公式计算： （1）当回采空间周围均未采动时，可按固定梁计算：（2）当回采空间周围均已采空或用刀桂法管理顶板时，其极限跨距可按简支梁计算，3裂陈体梁的平衡老顶岩层达到极限跨距以后，老顶岩层就要断裂形成所谓裂凉体。但断裂后的岩块由于向下回转时产生相互挤压和摩擦而不发生垮落。这时，断裂岩块间形成三铰拱式平衡。通常将这种平衡称为裂隙体梁的平衡。裂隙体梁的平衡条件可用下式表示：式中 R两岩块之间的剪力；T岩块之间的水平挤压力；岩块间的摩擦角；一一岩块间的断裂角。 5有关岩体“结构”的矿山压力假说”（1）压力拱假说。该

5、假说认为在回采工作空间上方由于岩层自然平衡而形成一个“压力拱”，前后拱脚之间形成一个减压区，回采工作面支架只承受压力拱内岩石重量的作用。（2）悬梁假说。该假说认为顶板在初次垮落以后，可将其看作是一个悬臂梁，随着工作面的推进，悬臂梁发生周期性拆断；因而造成回采工作面的局期来压。（3）预成裂隙假说。该假说认为，煤层开采后，由于支承压力的作用顶板的连续性被破坏，形成成组出现的矿压裂隙在工作面周围形成应力降低、应力升高和采动影响区，三个区域随着工作面的推进同时向前移动。这时，可将其视为“假塑性体，被各种裂隙破坏了的假塑性体彼此压紧形成预应力梁，此梁在自重和上覆岩层的作用下发生弯曲、下沉、滑移以至垮落。

6、为了控制顶板，支架应有足够的初撑力和工作阻力，并应及时支撑住顶板岩层。 （4）铰接岩块假说。该假说认为，很据直接顶分层厚度和煤层采高的关系不同，可将开采空间上方的顶板岩层分为冒落带和裂隙带。裂隙带内岩块可以互相咬合形成三铰拱式平衡，使采场免受上部岩层的作用。6裂隙带岩层的结构模型及形成岩体结构的平衡条件上覆岩层的岩体结构主要由坚硬岩层组成，软岩层只作为载荷，坚硬岩息断裂成岩块后排列整齐并互相咬合，这样，就可以建立一个静定的力学模型。根据力学计算，岩体结构的平衡条件为： （1）岩块间应有足够的水平推力，且不可过大。 （2）岩块的下沉量S1要小，厚度h较大，且S1要远小于h。（3）岩块间的断裂角。

7、要小于岩块间的摩擦角 （4）岩块间的剪切力Q要小于岩块间的摩擦力，即岩体结构上作用的载荷不易过大。二、习题1什么是直接顶、伪顶和老顶，它们之间有何不同？答：赋存在煤层之上的岩层统称为煤层的顶板。直接位于煤层之上的一层或几层性质相似的岩层称为直接顶，它由于具有一定稳定性，在回采工作面回柱放顶后易跨落的页岩、砂页岩等不太坚硬的岩层组成。位于直接顶和煤层之间，厚度小于0.3m至0.5m 极易冒落的较软弱岩层称为伪顶。它随着煤体的破落而冒落，通常由炭质页岩组成。位于直接顶之上（有时直接位于煤层之上）的厚而坚硬的岩层称为老顶。它通常不随回采工作面回柱放顶而冒落，而是以铰接岩梁的形式下沉，一般由砂岩、砾岩

8、和石灰岩等坚硬岩层组成。老顶是引起回采工作面顶板初次来压和周期来压的主要原因。老顶岩层愈厚、愈坚硬，矿山压力显现愈强烈。直接顶是影响回采工作面顶板初次来压和周期来压剧烈程度的主要原因，直接顶愈厚初次来压和周期来压显现就愈弱，反之，来压显现愈强烈。2怎样理解长壁工作面顶板在初次来压前的“拱”或“梁”，式结构？答：随着回采工作面的不断向前推进，直接顶不断冒落，当直接顶之上存在有比较坚硬的岩层时，坚硬岩层不易冒落，可能形成大面积悬露，这时悬露在采空区上部的坚硬岩层是一端由工作面前煤壁支撑，另一端由采空区煤柱支撑的板，由于工作面沿倾斜的长度远大于坚硬岩层沿走向的跨距，因此，可以将此悬露的坚硬岩层视为两

9、端固定的“梁”，如图31a所示。随着工作面推进，悬露的坚硬岩层达到极限跨距，就要发生弯曲和断裂。此时，由于断裂岩块的向下转动而在岩块之间产生强大的水平挤压力，从而形成如图31b所示的“三铰拱”式平衡，此三铰拱可以支撑上部岩层的部分重量。再有一种情况就是，直接顶以上没有坚硬的岩层，随着工作面的向前推进顶板呈层状冒落而形成“冒落拱”式结构，如图31c所示。在煤层开采过程中，由于顶板岩层中有梁或拱式结构存在，它支撑着其上部岩层的重量，使回采工作面内的支架受载大大减小，因而，大大节省了工作面支护材料消耗。 （a） （b） （c）图31 老顶岩层的岩梁和拱式结构a老顶的梁式结构；b老顶的三铰拱式结构；c

10、顶板的冒落拱结构3试分析老顶岩层达到极限跨距时，其断裂是由于弯曲受拉而断裂，还是由于剪切而断裂？答：老顶岩层悬露后，可视为两端固定的梁。根据材料力学可知，梁中的最大弯矩和最力均发生在梁的两端，它们的数值分别为：最大弯矩： 最大剪力： 梁中任意一点的正应力和剪应力分别为：，最大正应力发生在梁的表面，即处，则有：最大剪应力发生在梁的中性轴一上，即y=0处，则有：当梁中的剪应力达到梁的抗拉强度极限，时，梁就会被拉断。这时，梁的极限跨距为:：当梁中的剪应力达到梁的抗剪强度极限时，梁就要被拉断。这时，梁的极限跨距为：对于一般煤系岩层其岩石的抗剪强度极限要比抗拉强度极限大两倍以上。从以上两式中可以看出，在

11、相同情况下，要比大的多，在梁中剪应力达到抗剪强度以前，梁中的最大拉应力已达到了抗拉强度极限而使岩梁断裂。所以，老顶岩层，总以弯曲受拉断裂为主。4某一缓斜煤层顶板为中砂岩，岩层厚度h=4m抗拉强度R1=14000kPa，作用在岩层上的载荷q=190kN /m2，求其极限跨距 LT ，并绘出其剪力图和弯矩图，设 ，分析当岩层达到极限跨距时，能否形成三铰拱式平衡。若由于水的作用，此时能否形成三铰拱式平衡？答：根据题中所给的条件可先求出老顶岩层极限跨距。然后再求出梁宽1m时，梁两端的最大剪应力和最大弯矩以及梁中部的弯矩。根据Qmax、Mmax和，在Q一x和M 一x，坐标系中作出岩层的剪力图和弯矩图。如

12、图2-2所示（a）（b）图32 岩梁的剪力图与弯矩图a剪力图； b弯矩图 当岩梁达到极限跨距断裂后，岩块间所形成的水平推力为，断裂岩块之间产生的摩擦力为：断裂岩块之间产生的摩擦力F大于岩梁的最大剪力Qmax ，所以，岩梁可以形成三校拱式平衡，不会产生滑落失稳。当由于水的影响时，岩块间的摩擦力为：5有一缓斜煤层，其顶板由四层岩层组成，各岩层的数据如表31所示。如采用刀柱法处理采空区，刀柱间的距离应该是多少？表31 岩层数据表岩 层容 重 (kN/m3)层 厚 h(m)弹性模量E（MPa）抗拉强度RT(MPa)122.64.024.513.72224.52.710.8325.52.014.7424

13、.53.522.6答：根据题中给的数据首先计算作用在第一岩层上的载减集度q值。考虑第一岩层本身重量的载荷集度q1为考虑第二岩层对第一岩层的作用时，则有：考虑第三层岩层对第一层的作用时，则有：考虑第四层岩层对第一层的作用时，则有由此可以看出第四层岩层对第一层岩层的载荷已无影响，计算第一岩层的载荷只计算到即可，此时，。由于顶板岩层多数为脆性破坏，取安全系数6，则刀柱间的距离应为安全跨距，可用下式计算：8简述压力拱假说的实质、优缺点及适用条件。答：压力拱假说认为，回采工作面从开切眼开始就已形成了压力拱。随着回采工作面推进，由于采空区扩大，压力拱的范围也随之增大，直至采空区顶板冒落后，形成新的压力拱。

14、这时，压力拱的一个支点是工作面前方煤壁（前拱脚），另一个支点是采空区的冒落矸石或充填体（后拱脚）。随着工作面向前推进，前后拱脚随之向前移动。前后两拱脚为高应力区，而前后拱脚之间为一减压区。因此，工作面内的支架只承受拱内岩石重量的作用。为了减小支架所受的压力，应当尽量减小拱的范围。压力拱假说比较简明地解释了围岩的卸载原因和减压区的存在，给出了围岩的最终平衡状态。但它不能全面地解释矿山压力的各种现象，特别是对岩层移动的力学特性未作任何分析。压力拱假说可以用来解释在松软顶板条件下，回采空间压力减小的原因。9悬梁假说的实质是什么？有何优缺点了它可以说明一些什么问题？ 答：悬梁假说认为顶板岩石是层状弹性

15、连续介质，在顶板初次冒落以后，可以将顶板看成是一端固定在工作面前方煤壁中的悬臂梁。当顶板由多层岩层组成时，就形成了组合悬臂梁。随着回采工作面的推进悬梁不断加长，在自重和上部岩层的作用下，逐渐弯曲、下沉，以至于折断和垮落。当岩梁随着工作面的推进发生周期性折断时，就形成了工作面顶板的周期性来压，同时，悬梁假说可以说明工作面前方煤体中存在应力集中（支承压力）的现象，说明工作面靠近煤璧处顶板下沉量小，顶板压力也小的原因。这种假说的假设条件过于简单，一般煤层顶板很少是弹性连续介质，因而该假说不能从数量上解释矿山压力问题。特别是对松软破碎顶板不适用。对于坚硬顶板还有一定的参考价值。10何谓预成裂隙假说？它

16、可以说明些什么问题？有何优缺点？ 答：预成裂隙假说认为，由于开采工作的影响，回采工作面上粗岩层的连续性已被破坏，成为非连续体。把回采工作面看成是一个横向移动的巷道，在它的周围存在着应力降低区、应力升高区和采动影响区，它们随工作面的推进而相应地向前移动。由于采场周围岩体被地质裂隙和矿压裂隙所切割，使岩体变为“假塑性体”，它可以发生很大的变形。当假塑性体处于彼此压紧伏态时，顶板岩层形成了预应力梁。这种梁在其自重和上覆岩层的作用下将发生塑性弯曲产致使顶板发生下沉或垮落。假说还认为，为了更有效地控制顶板，要求支架应有足够的初撑力和工作阻力。为了减小支架所受的载荷，土作面的控顶距不要过大，而且支架应有足

17、够的可缩性。这种假说在有些情况下是符合实际情况的，它比前两种假说有进一步的发展。但对于坚硬岩层往往不能形成“预成裂隙”，对于松软岩层又不能形成假塑性梁。所以这种假说也有一定的局限性。而且这种假说对于一些矿山压力现象（如顶板的初次来压和周期来压等）没有给予明确的解释。11简述铰接岩块假说的实质、优缺点及其适用条件。 答：铰接岩块假说认为，不能用连续介质力学的方法解决矿山压力问题。煤层开采以后，工作面上部岩层的破坏可分为三个带，即直接靠近采空区的不规则垮落带和规则垮落带及其上面的规则移动带。当直接顶的分层厚度hm（采高）时，则直接顶冒落形成不规则垮落带，岩石的破碎膨胀系数为Kp1.251.5。当上

18、部未垮落岩层的分层厚度（冒落歼石和未冒落岩层之间的间除），但时，则形成规则垮落带，该带内的冒落岩块排列整齐，破碎膨胀系数为Kp1.251.5。再向上的岩层和冒落砰石之间的间隙则更小，岩层的分层厚度时，岩层不会垮落，形成规则移动带，即裂隙带。裂隙带内的破断岩块之间相互咬合而形成三铰拱式平衡。这种假说较正确地说明了工作面上覆岩层的分带情况，并提出了岩层内部岩块间的力学关系及可能形成的结构，但对于岩块之间的平衡条件探讨不够，因而对不同强度的顶板岩层中出现的矿山压力现象未能作出正确的解释。这种假说对于解释直接顶上部存在有老顶的岩层，在煤层开采后形成结构的机理有一定的参考价值。12裂隙体梁假说主要适用于

19、哪些条件？在哪些条件下不适用了试举例说明。 裂隙体梁假说是在铰接岩块假说的基础上发展起来的一种假说，它较明确地解释了裂隙带内破断岩块的平衡条件。所以，它对直接顶上部有较坚硬岩层的顶板是比较适用的。而对于煤层之上有较厚松软顶板岩层的情况则不适用。例如，它对厚度大于35倍采高的松软直接顶板和直接顶较厚的厚煤层分层开采中的下分层开采是不合适的。因为在这种条件下，顶板中无铰接岩块，也无所谓裂隙体梁存在。13试分析采场上方岩层的裂隙体梁的条件。在上覆岩层中形成的结构就是上覆岩层的断裂岩块间形成的“三铰拱”式平衡，外形看上好像是由裂隙体岩层形成的梁。裂隙体梁的失稳就是岩块间的“三铰拱”式平衡遭到破坏所致。

20、裂隙体梁的失稳有两种情况：一是变形失稳；二是滑落失稳。两种失稳都和岩块间产生的水平推力T的大小有关。岩块间的水平推力T过大时，岩块在向下回转的过程中，其接触处的应力将超过岩块的抗压强度，从而使岩块破坏，“三铰拱”也因变形过大而破坏，致使裂隙体梁发生变形失稳。这时，岩块间水平推力T的大小可由下式确定：式中 h一一岩层厚度；L每一岩块长度；S一一每一岩块下沉量。当岩块间的水平推T过小时，岩块间产生的摩擦力也很小，不能承受岩块间的剪切力，则悬露岩块就要产生滑落失稳。为了不使岩块产生滑落失稳，岩块间的摩攘条件应满足下式要求：由以上两式可以看出，裂隙体梁的平衡和以下条件有关：（1）当岩层的厚度h较小，即

21、接近或等于岩块的初始下沉值S时，水平推力T将达到无穷大，任何岩石都无法承受这样大的力，因而裂隙体梁无法形成。（2）当岩层的厚度h过大时，水平推力T则变小，在T值小于一定数值时，就不能得到满足，因而引起岩块滑落失稳。（3）当岩层的破断角大于某一值时，水平推力则变小，在T值小于一定值时，条件不能成立，裂隙体梁也无法平衡。当角等于零或负值时，才有利于裂隙体梁结构的平衡。当（岩石的内摩擦角）时，在任何情况下，裂隙体梁不能取得平衡。14某回采工作面老顶岩层为砂岩，岩层厚度h= 5m，已知工作面周期来压步距，老顶垂直于岩层断裂（），断裂岩块的最大下沉量，断裂岩块之间的摩擦角，煤层开采后，破碎的直接顶不能支

22、撑老顶，试问老顶岩层断裂后能否取得自身平衡而形成裂隙体梁？ 答：要使老顶宕层断裂后形成裂除体粱式平衡而不产生滑落失稳，必须满足以下条件将第一式代入第二式中可得到：将题中所给的数据代入此式，则得：很显然上述平衡条件完全得到满足。所以，老顶岩层断裂后，能够取得自身平衡而形成裂隙体梁。15某回采工作面煤层采高，直接顶为粘土页岩，其总厚度，直接顶的破碎膨胀系数，试问煤层开采后，破碎的直接顶岩石能否充满采空区？答：在煤层开采厚度为2.5m，直接顶岩石破碎膨胀系数价等于1.4的情况下，要使直接顶垮落后充满采空区，所需要的直接顶厚度应不小于：题中所给的直接顶总厚度为8m ，所以煤层开采后，破碎的直接顶岩石可

23、以充满采空区。16某回采工作面煤层采高m3m ，直接顶为砂质页岩，其破碎膨胀系数 Kp1 . 6 , 直接顶岩层的总厚度，直接顶冒落后，破碎矸石最上部距老顶岩层的距离是多少？答：煤层开采后，直接顶冒落形成的总空间为，而冒落的直接顶破碎矸石所占的空间为，所以，直接顶冒落后的破碎矸石和老顶之间的距离可用下式估算：将题中所给的数据代入上式可得：17某回采工作面直接顶冒落后不能充满采空区，老顶岩层厚度h=3m，其容重，在初次来压前老顶的跨距L =20m，这时，此老顶已和上部岩层离层，试问，此时老顶中的最大拉应力发生在何处，其数值是多少？答：顶板初次来压前，老顶处于两端固定的固支梁状态，此时老顶中的最大

24、拉应力发生在梁的两端上表面处。而老顶已和上部岩层发生离层，所以，作用在梁上的载荷为梁本身的自重。这样，梁中的最大拉应力值可按下式计算：18有一煤田，煤层的最大开采厚度为3m ，倾角a = 12，上覆岩层为中硬岩层。在煤层露头线以上为第四纪冲积层，冲积层中含水丰富，其最下部有一较厚的枯土隔水层，为了开采煤层时不破坏此隔水层，防水煤柱的垂高应为多少？答： 由于冲积层最下部有一粘土隔水层，只要在煤层开采后，冒落带的高度达不到此隔水层，隔水层就不会被破坏。由于煤层倾角为缓倾斜煤层，冒落高度可以不考虑倾角的影响。又由于煤层上部的岩层为中硬岩层，岩层的碎胀系数可取。则3m厚的煤层开采以后，顶板的胃落高度H

25、可用下式估算：为保险起见，考虑安全系数，则有：在这种情况下，防水煤往的垂高取20m就相当安全了。19有一缓倾斜煤层，煤层最大开采厚度m=2.5m，煤层上覆岩层为中硬岩层，距该煤层上部50m处，有一含水较大的岩层，试问，在开采该煤层时，上部含水层中的水是否会灌入开采煤层？答：在煤层开采时，只要采空区顶板导水裂隙高度小于含水层至煤层的间距，就不会发生透水事故。在缓倾斜煤层的情况下，导水裂晾带高度可用下式估算：式中 m煤层开采厚度； B、c与上覆岩层有关的系数。软岩层：；中硬岩层：；坚硬岩层：；因为题中所给的顶板为中硬岩层，可取，。将b、c和题中的数据代入上式，则得：开采煤层顶板的导水裂隙带高度为3

26、1.2，小于煤层至含水层的间距50m。所以，煤层开采时不会发生透水事故。20有一煤层顶板为厚层坚硬砂岩，岩层厚度h15m，岩石的抗拉强度极限，岩石间的摩擦角，作用在岩层上的载荷集度，当岩层断裂时，能否取得自身平衡？如果不能平衡支架应具有多大的支撑力才不致摧垮工作面了？答：根据题中所给的条件，煤层开采后，岩层断裂时的极限跨距可按下式计算；岩层断裂后，岩块间的剪力R可用下式计算：岩块间的水平推力T可用下式计算，而在断裂岩块之间的摩擦力F可用下式计算：由以上计算可以看出，岩块间的剪力R大于岩块间的摩擦力F，岩层断裂后是无法取得自身平衡的，必然要发生滑落失稳。这时，为了保证工作面的生产，维护必要的工作

27、空间，每米工作面支架必须具有的支撑力至少应为：, 才不会摧垮工作面。第四章 回采工作面矿山压力显现基本规律一、内容提要1老项的初次来压老顶岩层在煤层开采以后，由于其悬露跨距超过一定距离而断裂，断裂岩块可能形成咬合平衡。当岩块之间的咬合平衡遭到破坏时，老顶第一次产生失稳，回采工作面出现第一次矿山压力显现明显增大。通常将老顶岩块第一次失稳而造成回采工作面顶板压力突然增大的现象称为老顶的初次来压。回采工作面从开切眼推进到老顶初次来压时的距离叫做老顶的初次来压步距。老顶初次来压前，其悬露面积较大，回采工作空间顶板压力显现较小。初次来压时，顶板压力的增大具有突然性，并常伴随有岩层的断裂声、煤壁片帮、顶板

28、下沉速度增大、直接顶破碎加剧等现象出现，有时还会出要顶板台阶下沉现象。2老项的周期来压老顶初次来压以后，随着工作面的继续推进，老顶岩层形成的裂隙体梁结构由稳定到失稳而导致回采工作面顶板压力周期性增大的现象称为老顶的周期来压。相邻两次周期来压之间回采工作面推进的距离叫做老顶的周期来压步距。周期来压的主要表现是：顶板下沉速度剧增，支架承受的载荷增加，煤壁片帮严重，有时顶板出现台阶下沉现象。3回采工作面前后支撑压力分布煤层被开采后，上覆岩层所形成的结构，由煤壁和采空区已冒落矸石支撑体系来支撑。又由于上覆岩层的大结构是半拱式结构，所以，回采空间上方的岩层重盆主要由煤壁来承担。因此，支承压力主要分布在工

29、作面前方煤壁上。而在采空区冒落矸石上只承受其上部岩层的重量。根据回采工作面前后的应力分布情况，可将工作面前后划分为应力增高区（增压区）；应力降低区（减压区）、应力不变区（稳压区）。4直接项及老项分类根据直接顶的破碎程度和直接顶的初次垮落步距（即直接顶的稳定性指标）可将直接顶分为四种类型。根据直接顶的厚度（即老顶的位置）与煤层采高的比值和老顶的初次来压步距可将老顶分为四级。直接顶的稳定性对支架的选型、工作面的支护方式以及顶板的局部冒落常常起主导作用。而老顶的稳定性及其来压强度不仅对直接顶的稳定性具有明显影响，而且对确定支架的支护强度、支架的可缩量以及选择采空区的处理方法都具有决定性的作用。5影响

30、回米工作面矿山压力显现的主要因素 1）煤层采高及回采工作面控顶距。在一定的地质条件下，回采工作面顶板下沉量与采高及村顶距成正比，可用下式表示：式中 SL控顶距为L处的顶板下沉量； m煤层的才高，m；L顶板的控顶距，m；顶板的下沉系数，取值大小与顶板性质及采空区的处理方法有关。2）工作面推进速度在工作面推进速度较慢的情况下，加快工作面的推进速度可以减小顶板的下沉量，改善顶板状况。但当工作面的推进速度提高到一定穆度以后顶板下沉量的变化逐渐减小。因此，用加快工作面推进速度的办法减少顶板下沉量是有一定限度的。3）开采深度，随着开采深度的增加，一部分矿山压力显现增大，如煤壁上的支承压力增大，冲击地压、煤

31、壁片帮及底鼓等现象加剧。但对工作面顶板下沉量及支架上所承受的载荷并没有明显的影响。这是因为回来工作面空间总是在上覆岩层大结构的保护之下的结果。 4）煤层倾角 由于煤层倾角的变化，顶板岩层重量在垂直于岩层层面的分力也发生变化。煤层的倾角增大，垂直层面的分力减小，因而顶板压力减小，顶板的下沉量也减小。但煤层倾角的增大会使采空区内的冒落矸石沿倾斜向下滑动，因而会引起上覆岩层移动规律的变化。二、习 题20说明采场上覆岩层的结构对采场支架应有些什么要求？ 答：在煤层开采过程中，由于回采空间上覆岩层组成的不同，裂隙带岩层可能形成“裂隙体梁”式结构或“拱”式结构。上覆岩层形成的这种大结构有其自身的运动规律。

32、根据对煤层开来后上覆岩层的实际观测，上覆岩层的移动规律可按的关系来描述。而工作面现有支架的支撑力不可能改变上覆岩层的这种运动规律，所以，工作面支架必须适应这种运动规律。上覆岩层下沉，支架应随之下缩，否则，支架就要因受力过大而损坏。因而要求支架应有足够的可缩量以适应上覆岩层的运动规律。由于回采工作的需要，采场应保持一定的空间，要求支架应有足够的支撑力，一方面支撑直接顶的重量，另一方面支撑老顶部分重量，当老顶失稳时，不使老顶沿工作面煤璧切落。如果支架有足够大的可缩量而没有足够的支撑力，甚至连直接顶岩层重量也不能支撑，那么，回采工作面所必须的工作空间就不能保证，工作面的安全生产就无保障。因此，要求采

33、场支架在有足够可缩量的同时，还要有足够的支撑力，以适应上覆岩层结构的要求，达到既经济合理，又安全可靠的目的。第五章 回采工作面顶板控制及支护方法一、内容提要 1控制采场矿山压力的基本手段 1）用不同的采空区处理方法来控制不同顶板。如：煤往支撑法、采空区充填法、全部垮落法和缓慢下沉法。 2）用各种支架来平衡顶板压力2工作面支架的工作特性目前，回采工作面使用的支架主要是由顶梁和立柱组成，支架的工作特性主要决定于支柱的特性。现有的支柱工作特性有四种，急增阻式、微增阻式、恒阻式和刚性支柱。3单体支架的种类及其特性1）木支架（包括木支柱和木顶梁）。木支柱的工作特性属于刚性支柱，其可压缩量很小，当在木柱上

34、加上木顶梁或木柱帽时，木支架才具有一定的可缩性。2）摩擦式单体金属支架。此种支架包括摩擦式金属支柱和金属顶梁。摩擦式金属支柱的工作特性有急增阻式和微增阻式两种。3）单体液压支架。它主要由单体液压支柱和金属铰接顶梁组成。单体液压支架的工作特性属于恒阻式。4单体支架的支护方式根据顶板稳定性的不同，工作面常采用不同的支护方式。当直接顶比较完整，稳定性较好时，可以选用带帽点柱支护方式；当直接顶中等稳定或比较破碎时，常采用栅子支护方式；当工作面采用机组割煤时，常采用悬臂梁支架支护方式。悬臂梁支护方式又可分为正悬臂和倒悬臂两种。悬臂梁支护的支架布置方式可分为齐梁直线往（一般采用正悬臂）和错梁直线柱（一般是

35、正、倒悬臂交错布置）方式。5液压自移式支架的分类及各类支架的适用条件目前，液压自移式支架分类在世界各国各有不同的方法，在我国意见也不够一致。但从我国普遍使用的名词来看基本上可分为三大类：支撑式、支撑掩护式和掩护式。支撑式支架包括垛式和节式等架型，一般适用于顶板比较完整，顶板压力大周期来压较剧烈的工作面；支撑掩护式支架也有多种架型，一般适用于顶板比较破碎，顶板压力较大的工作面；掩护式支架适用于顶板破碎，顶板压力较小的工作面。6回采工作面支架与围岩的关系回采工作面支架与支架所支撑的围岩是一对相互作用的矛盾统一体。要求支架既能有效地支撑顶板岩层，又能在结构和性能上适应回采工作面顶板岩层的基本运动规律

36、。这就是支架对围岩既支撑又适应的关系。研究支架与围岩之间的这种关系实质上就是寻求支架对围岩运动所起的最佳支护作用，使支架的结构设计能够达到在经济上最节省，在技术上能有效地支护回采工作空间的目的。7回采工作面顶板压力的估算所谓顶板压力就是顶板作用在支架上的力。根据支架与围岩的关系可知，顶板对支架的压力大小除和顶板岩石性质有关以外，还和支架的结构及性能有关。对顶板压力的估算实质上是对支架合理工作阻力的估算。到目前为止确定支架合理工作阻力的方法在理沦上还没有得到很好地解决，在一般情况下，是以直接顶载荷的数倍来估算的。根据对摩擦支柱工作面的测定，周期来压时支架上的载荷不超过平时载荷的2倍，根据对摩擦支

37、支架的合理工作阻力应为：当取刚破碎时的顶板岩石的碎胀系数时，则得：P（48）m即支架对每平方米顶板的合理工作阻力相当于采高48倍岩柱的重量。 8支架初撑力时项板管理的影响支架初撑力是支架刚支设时对顶板产生的支撑力。实践证明，提高支架的初撑力可以迅速压缩支架与顶板之间的浮煤、浮矸和勾顶材料等中间介质，增加“支架与围岩”的整体刚度，使支架的工作阻力尽快发挥作用，达到减少顶板下沉量的作用，从而使顶板的维护状况得到改善。一般认为液压支架的初撑力应为额定工作阻力的50%以上比较合适，对于单体摩擦式支柱应该尽量提高其初撑力。二、习题 1回采工作面支柱的工作特性共有几种？试分析其优缺点和适用条件。答：由于回

38、采工作面支架是整个围岩移动大结构中的一个小结构，这个小给构受大结构的约制，且必须适应上覆岩层大结构的运动规律。所以，要求支架必须有足够的支撑力以维持必要的开采空间，同时，又要有一定的可缩性避免支架受力过大而损坏。回采工作面支柱的支撑力和可缩量之间的关系叫做支柱的工作恃性，一般用“PS”曲线来表示。现有的工作面支柱工作特性主要有以下几种：1）急增阻式特性。这种支柱的初撑力P较小，支柱在工作面支设后，在顶板压力的作用下其支撑力有所增加，达到始动阻力P0，然后，支柱阻力随着支柱下缩量的增加而急剧上升直至达到最大工作阻力P2。其工作特性曲线如图51所示。HZJA型摩擦式金属支架的工作特性也是如此。这种

39、支柱的可缩量很争阻速度较快，支设后能很快支撑顶板。但这种支柱在顶板下沉量较大的工作面不易使用，一般多用于薄煤层。2）微增阻式特性。这种支柱的初撑力和始动阻力也比较小，随着活柱的下缩，支柱阻力有一个急剧增长过程直至达到初工作阻力P1，然后，随着活柱的继续下编支柱阻力缓慢增加，最后达到最大工作阻力P2，此时，活柱的下缩量达到S2。这种支柱的工作特性曲线如图52所示。 图51 急增阻式支柱特性曲线 图52 为增阻式支柱特性曲线 图53 恒阻式支柱特性曲线HZWA 型摩擦式金属支注即属这种工作特性。这种支柱初始增阻很快，这有利于及时支撑顶板，当达到初工作阻力以后，增阻较慢，可编量较大，支柱不会因受力过

40、大而损坏。因此，这种支柱多用于顶板下沉量较大的中厚煤层工作面。以上两种支柱的共同缺点是初撑力均较小，不能及时支护顶板。而且支往在工作面使用一段时间后，其工作特性要发生变化。 3）恒阻式特性。这种支柱的初撑力较大，其初撑力就是始动阻力P0。支柱支设后，随着活柱的下缩支柱很快达到工作阻力P2，以后活柱再下缩时支柱的工作阻力保持恒定不变。单体液压支柱即属此种工作特性，其特性曲线如图53所示。这种支柱的特点是初撑力比较高，支柱的工作阻力始终保持恒定不变，对顶板始终保持有一个较大的支撑力，其可缩量较大，不会因受力过大而损坏。这种支柱适用于顶板压力较大的回采工作面。其缺点是重量较大，结构比较复杂，制造成本

41、较高。2简述液压支架各种分类方法的特点并说明各种分类法的优缺点。答：目前对液压支架的分类有两种基本观点：一是按支架对顶板的支撑面积与掩护面积之比值进行分类。这种分类法将支架分为四类。1）支撑式液压支架。支架只对顶板起支撑作用而无掩护作用，掩护部分的水平投影长度LS= 0。2）支撑掩护式液压支架。支架以对顶板的支撑作用为主，以掩护作用为辅，支撑部分的长度大于掩护都分的长度，即LPLS。3）掩护支撑式液压支架。支架对顶板的掩护部分大于支撑部分，即 LP Ls有时LpLs的支架就难于区分和命名。二是按支架的结构特点进行分类。按支架是否有掩护梁将支架分为两大类，即支撑式支架和掩护式支架。然后，再根据支

42、架的具体结构将这两大类分成若干小的类别。这种分类法充分考虑了支架的结构特点，但没有充分考虑支架对顶扳的作甩特点。如按大类使用则不细致，如按小类使用则比较繁琐。我国目前对液压支架还没有一个详细统一的分类方案。通常习惯上将支架分为三大类，即支撑式液压支架、支撑掩护式液压支架和掩护式液压支架。这种分类法比较简单、直观。 3试解释“支架支撑力顶板下沉量”（P）曲线的实质是什么？答：“P”曲线是支架的支撑力P对回采工作面顶板下沉量的影响程度曲线，它反映了支架和围岩之间的相互可知，作用关系。“P”曲线一般是在回采工对支架进行调压实验时得到的。根据实际的“P”曲线可知，支架的支撑力对顶板的下沉量的影响是有一

43、定的限度的，支架的支撑力较小时，增加支架的支撑力可以明显地减小顶板下沉量，当支架支撑力达到一定程度以后，再增加支架的支撑力对顶板下沉量的影响就比较小了。这也说明了回采工作面支架的支撑力并不能改变上覆岩层的总体活动规律。另外还注意“P”，与“P”曲线的区别。“P”曲线是表示支架本身所具有的特性，它表示支架阻力P和支架本身可缩量之间的关系。4控制顶板就是控制顶板的下沉，这种提法是否正确？答：在回采工作面，用支架来控制顶板的目的是维护必要的回采工作空何，使之在一定的时间内不发生顶板冒落事故，以保证采煤工作的正常进行。根据“P”曲线可知，支架可以在一定程度上控制顶板的下沉量。从这个意义上讲，可以说控制

44、顶板就是控制顶板的下沉量。但是，支架又不能完全控制顶板的下沉量。现有支架的支撑力对于老顶及上覆岩层运动所引起的顶板下沉量影响很小，所以，回采工作面顶板下沉是不可遥免的。另外，在直接顶比较完整，采用单体支架或以支撑为主的液压支架时，支架对顶板下沉有一定的控制作用，但在顶板比较破碎时，采用单体支架控制顶板下沉量就比较困难。在使用掩护式液压支架控制顶板时，实际上，支架只起掩护顶板破碎歼石的作用，而根本不控制顶板的下沉量。回采工作面支架对顶板起着支和护两种作用。支就是支撑直接顶及老顶作用在支架上的载荷，减缓顶板的下沉；护就是保护顶板的完整性，或是采用掩护式支架掩护采空区的冒落矸石，以维持一定的开采空间

45、。所以说控制顶板就是控制顶板下沉量的说法是不够全面的。5已知某缓倾斜煤层工作面最大采高为2m，最小采高为1.6m，最大控顶距为4m，顶板为中等稳定，无支柱插入底板现象，采煤机一次截深为0.6m，试选择单体支架的规格，并核算一下能否采用BZZC四柱支撑式支架（BZZC的支柱高度是12051876mm, 顶梁厚度是30mm，底座厚度为35mm）。答：首先根据所给的条件估算顶板的最大下沉量，高选择支往规格。对于中等稳定顶板可取顶板下沉系数，顶板的最大下沉量为：根据采煤机的截深可选用HDJA1200型铰接金属顶梁和单体支柱配套使用。再根据煤层最大采高、最小采高、顶梁厚度b（96mm）、顶板最大下沉量S

46、L和回收支柱时必要的卸载高度a确定支柱的最大和最小高度：根据金属支柱规格表可选用HZWA2000型摩擦式金属支柱或选用Z20型单体液压支柱。根据BZZC型支架的参数，支架的最大和最小高度为：设工作面的梁端距取350mm，支架前柱至梁端的距离为1850mm, 前后柱之间的距离为1100mm。最大采高时，前柱处的顶板下沉量为：最小采高时，后柱处的顶板下沉量为：支架前柱处顶底之间的最大高度为：支架后往处顶底板之间的最小高度为： 由于，所以，BZZC型支架在这种条件下是可以使用的。6有一缓倾斜煤层工作面最大采高为2.0m，最小采高为1.8m和直接顶为8.5m的砂页岩，属于中等稳定顶板，其上为2.5m厚

47、的石灰岩，采煤机的一次截深为0.6m ，顶板的最大控顶距为5.0m，试选择单体支架规格，并设计支架的布置方式。答：首先根据煤层采高和直接顶的厚度判断老顶属于哪一级。煤层采厚度，直接顶的厚度此时，老顶的分级指标为：根据顶板分级指标表，此类顶板属于I 级顶板，无周期来压或周期来压不明显的顶板。因此，在计算支架的支护强度和支架的布置方式时，主要考虑直接顶的影响。根据题中所给的条件m=1.82m，采煤机截深0.6m ，支架可选用HDJA1200型铰接顶梁DZ2030 /100型单体液压支柱。支架布置方式，根据直接顶为中等稳定，可以选用齐梁直线柱正悬臂的布置方式，34 排控顶，梁端距取0.2m ，最大控

48、顶距Lmax为5m ，最小控顶距为3.8m ，支往的排距L=1.2m。确定支架的柱距时，首先要确定顶板作用在支架上的载荷，如果只考虑直接顶的重量，则每平方米顶板作用在支架上的载荷为：取单体液压支柱的平均工作阻力P =230kN/根，则每根支柱能够支撑的顶板面积为：则单体液压支柱的柱距所设计的支架布置方式如图 5-4所示。图54 支架布置方式7有一水平煤层，开采厚度2.5m ，根据矿山压力观测得到回采工作面顶板压力为 350kPa，若在同样顶板条件下，煤层采高m= 1.5m ，煤层倾角，试估算其顶板压力是多少？答：在水平煤层的条件下，回采工作面的顶板压力可用下式进行估算由于两种情况的顶板条件相同

49、，所以，顶板冒落时，顶板岩石的碎胀系数相同，平均容重也相同。如果两种情况都按水平煤层考虑，则两种情况的顶板压力只和煤层的采高M 成正比，即：，由此可得：由于第二种情况的煤层倾角为30，这时顶板压力不是岩层的重力，而是岩层重力在岩层法线方向上的分力。因而上式可以改写成为：由以上计算可以看出，在同样的顶板条件下，煤层采高由2.5m 减小到1.5m ，煤层倾角由a=0增加到a=30，则顶板压力由350kPa，减小到181.87KPa ，减少了将近48。8怎样理解支架的合理工作阻力？答：回采工作面支架在选型上合适，顶板管理上能满足生产要求，费用上经济合理的情况下的工作面阻力叫做支架的合理工作阻力。支架

50、合理工作阻力主要取决于回采工作面的顶板条件，不同的顶板要求有不同的合理工作阻力。根据“”曲线可知，支架的支撑力对顶板下沉量的影响有一定的限度，也就是说支架具有的支撑力既要有效地支护回采工作空间，又要适应上覆岩层大结构的运动规律。如果支架的工作阻力过小就不能有效地支护顶板，保证不了回采工作面的安全生产。如果支架工作阻力过大，并不能改变上崔岩层的运动规律，只能造成支护费用的浪费。所以，支架应有一个合理的工作阻力。支架合理工作阻力的确定应考虑支架能够支撑直接顶岩层的重量，同时，还应考虑老顶初次来压和周期来压对支架产生的作用力。在生产实践中一般常采用估算法和实测法来确定支架的合理工作阻力。9根据支撑式

51、液压支架的特点，分析其使用条件。答：支撑式液压支架的基本特点是：顶梁较长，一般都在3.54m 左右，顶板从煤壁暴露出来以后需要经过67次移架才允许冒落；支架的支撑力靠近采空区一侧，对机道上方顶板的支撑力较小，这对破碎顶板是非常不利的，支撑式液压支架多为框式结构，不能承受水平力，支架间没有侧护板，架间空隙较大，当顶板比较破碎时，易漏矸或造成局部冒顶，支架的立柱垂直于顶底板，支撑效率高；支架的通风断面大，行人方便，结构简单。根据以上对支撑式液压支架结构特点的分析可以看出，一般支撑式液压支架适用于煤层瓦斯涌出量较大，直接顶比较完整，顶板压力较大的近水平煤层和缓倾斜煤层工作面。10如何从支撑式液压支架

52、的前后柱受力情况，分析顶板压力特点？答：支撑式液压支架在回采工作面的使用中，由于顶板的情况不同，顶板作用在支架上的载荷分布也不同。反映在支架前后柱上的受力也就不同，可能会出现下列三种情况： 1）P2P1=0。这只有在前柱的载荷P2=0 的情况下才有可能。也就是只有直接顶在采空区的悬顶较大，顶板对支架的作用力作用在后柱上或作用在后柱靠采空区的一侧时才有可能。这种情况对I、级顶板是不可能发生的。只有在直接顶破断角比较小的坚硬顶板才会出现。这种情况下，一般顶板对支架的压力都较大。在顶板垮落时，往往对支架产生较大的水平力，对支架的稳定性非常不利。如大同的坚硬顶板常出现这种情况。 2）P2P11。此时前

53、柱受力等于后柱，即 P2P1。也就是说顶板对支架作用力的合力在前后往之间。这种情况只有在岩层破断角大于60左右的中等稳定顶板中才能出现。显然，这对支撑式液压支架的受力是最好的。3）P2P1 l 这种情况只有在前柱受力大于后柱，即P2P1，顶板对支架作用力的合力作用在前往上或前往前端时才有可能出现。这时，顶板岩层的破断角大于60，直接顶比较破碎，在移架过程中，支架后部的顶板因破碎而冒落，形成切顶线前移，因面导致前柱受力大于后柱，有时出现后柱提起的现象。这种情况对支排式液压支架的受力是极为不利的。所以说支撑式液压支架不适合在破碎顶板的条件下使用。11试述支撑式液压支架在管理破碎顶板中存在的问题，应

54、采取哪些护顶措施，其优缺点如何？答：支撑式液压支架在管理破碎顶板中存在的主要问题是：由于移架时对顶板的多次反复支撑，使破碎顶板更加破碎而导致局部冒顶，甚至造成顶板在支架后半部提前垮落，形成切顶线前移，造成支架前柱受力大于后柱的极不利的情况，甚至使支架无法正常工作。为了扩大支撑式液压支架的使用范围，充分发挥支架的作用，在生产实践中，采用一些护顶措施，就可以将支撑式支架用于较破碎顶板的工作面。常采用的主要护顶措施有：1）及时勾顶。即在移架时，对顶板已冒落的空间及时用坑木充填，以支撑未冒落的顶板。采用这种方法是一种不得已的办法。其问题是，坑木消耗大，既形响生产又不能保证安全。2）铺设金属网。为了防止

55、顶板在移架时冒落，也可在支架顶梁和顶板之间铺设金属网阻止顶板漏顶。支撑式支架就可以利用这种方法有效地管理破碎顶板。然而采用浦设金属网的办法不但增加了采煤工序而且也提高了采煤成本。 3）采用带压移架。移架时为了防止顶板冒落，可以不降架，使顶梁不脱离顶板并对顶板保持一定的支撑力而擦顶前移。采用这种方法可以节省护顶材料，达到护顶的目的，但支撑式支架多为框式结构，不能承受太大的水平力。所以使用这种方法易损坏支架。 4）采用提腿式支架。为了克服以上护顶方法的缺点，中国矿业学院设计了一种“TY”型提腿式液压支架。这种支架在移架时，以顶板为基础，支架顶梁不脱离顶板而带压前移。这样，移架时，破断岩块能够在整齐

56、排列的情况下传递顶板压力，因而，改善了破碎顶板的维护状况。12试解释为什么支撑式液压支架后柱受力可能小于前柱，而单体支架在一般情况下，总是后柱受力大于前柱。答：支撑式液压支架为整体顶梁，支护面积大，移架时，要对顶板进行数次反复支撑，因而使顶板更加破碎，造成在支架后部顶板提前垮落，形成所谓切顶线前移。这样，顶板的作用力靠近前柱使前柱受力大于后柱，甚至会使后柱翘起。单体支架支护顶板时，没有对顶板的反复支撑问题，不会使顶板进一步破碎，更不会出现切顶线前移的现象。单体支架使用的是单个的铰接顶梁，支柱受力不受顶梁的影响。在一般情况下，靠近采空区一侧的支柱支设时间长，顶板下沉量大，支柱受力也大。所以，单体支架总是后排支柱受力大于前排支柱。在实际工作中发现，顶板条件相似的工作面，使用单体支架时，顶板处于中等稳定状态，而使用支撑式液压