矿山压力基本知识

1、第三章矿山压力基本知识-2 -二、直接顶的压力由于直接顶的岩性不同，以及开采技术条件的关系，直接顶对工作面支架的 压力特性基本有三种情况：1悬梁式的直接顶压力3-5悬梁式直接顶悬臂的岩梁在自重和上覆岩层的作 用下，逐渐产生离层、下沉、弯曲、断裂, 直至随支架前移而自行垮落。这些现象随 着顶板暴露面积和暴露时间的增加，表现 得更为明显。如图3-5在这种情况下，支架的作用就是限制 直接顶产生过多的下沉，以免沿 ab线切 断，保证工作面的安全。支架所受的力， 主要是直接顶的重量。基本顶下沉也会对 支架施加一定的压力。2破碎直接顶的压力由于直接顶是脆性和较松软的岩层，回采时，在工作面前方的支承压力作用

2、 下，直接顶产生裂隙、断裂，失去了连续性，形成破碎顶板（图 3-6）。这时， 工作面上部悬露的直接顶的重量，全由支架承担。3台阶下沉式直接顶的压力当直接顶既不很松软，也不很坚硬，介于上述二者之间。回采时，工作面直 接顶出现台阶下沉（图3-7），有时靠近煤壁的直接顶，也可能出现较短的悬梁。 这种形式的顶板，好像砌体墙结构，各台阶侧面上，彼此之间存在摩擦力，阻止 台阶下沉。所以工作面支架，只是支撑下沉台阶的部分重量，通常采用单体支柱。由于直接顶的岩性、结构、地质构造不同，以及开采方法和基本顶的活动情 况不同，直接顶的压力显现，也是千差万别的。在生产实践中，应根据直接顶压 力的基本特征，结合煤层的具

3、体情况，进行观测分析，才能比较正确地反映出直 接顶的压力。图3氏破砰直接顶1取柜的裂隙罔3 7合阶下応式直接頂图3-8基本顶初次垮落（来压）示意图崗一初次垮落步卷三、基本顶的压力 1工作面初次来压 当工作面从开切眼向前推进，顶板悬露面积随之扩大，直接顶垮落充填采空 区，基本顶仍完整地支承 在两帮煤壁上，形成双支 板梁构件。当板梁跨度随 着工作面推进增大到一定 的范围，如图3-8所示的 Li时，由于基本顶的自重 和上覆岩层的作用下，使 基本顶断裂垮落。这时， 工作面已不再处于基本顶 梁掩护之下，顶板迅速下 沉而破碎，通常把采空区 基本顶第一次大面积垮落 称为初次垮落。由于基本 顶初次垮落，使工作

4、面压力增大，故称为初次来压。初次来压对工作面影响一般 持续23天。基本顶初次垮落时，工作面距切割煤壁的距离 Li称为初次垮落步距或初次 来压步距。Li值与基本顶岩性、厚度以及地质构造等因素有关，一般为2035 m, 少数达5070 mo初次来压的特点是：工作面顶板下沉量和下沉速度急增，甚至出现台阶式下 沉；顶板破碎，甚至出现与煤壁平行的裂隙，有时发出巨大的断裂声；支架受力 增加，采空区掉块；煤壁片帮严重。初次来压时，工作面要采取措施，如沿放顶线加强支护（增设排柱、木垛、 斜撑、抬棚）、强制放落顶板等。第三章矿山压力基本知识42周期来压基本顶初次垮落后，工作面暂时免除了基本顶下沉的影响，支架受力

5、减轻， 基本顶由双支板梁变为悬臂梁（图 3-9）。上覆岩层的重量主要由基本顶-悬臂 梁直接传给煤壁，部分由垮落的岩石承担。田3-9基本顶周期诲落（来压）示意.圈 血一厠期垮幕护定左接顶厚度.删一煤层厚当工作面推进到一定的距 离，基本顶悬臂长达图3-9所示 的L2时，在自重和上覆岩层的作 用下，又会产生断裂垮落，这时 同样会给工作面带来增压现象。 当工作面再继续推进，这部分垮 落的基本顶被甩入采空区，工作 面又处于基本顶悬臂梁掩护之 下，恢复到前述的状态。继工作面的推进，基本顶的垮落与工作面增压现象重复 出现。这种垮落与来压随工作面推进而周期性的出现，称为基本顶周期垮落和周 期来压。两次周期来压

6、之间的距离称为周期垮落（来压） 步距。周期垮落步距同 样与基本顶岩性有关，一般为630 m,多数为1015 m。由于周期来压前，基本顶呈悬臂梁状态，而初次来压前，基本顶呈双支板梁 状态。因此，在同一工作面内，周期来压步距小于初次来压步距，它们的关系大 致为：L2=（ 1/2 一 1/4）Li 式中Li 基本顶初次来压步距L2 基本顶周期来压步距周期来压特点与初次来压类似。四、顶板下沉开采启上覆岩层務动情况一*第帶IWiT沉带在工作面推进过程中，采空区不断扩大，上覆岩层移动下沉而破坏，根据破 坏的特征，上覆岩层沿竖直方向 自下而上可分为三带：冒落带、 裂隙带、弯曲下沉带（图3-10） 在这三带中

7、，冒落带和裂隙带直 接关系到工作面的顶板管理，弯 曲下沉带对工作面没有多大影 响。1冒落带 易冒落的直接顶，不规则垮 落，碎胀的岩块将填满采空区， 形成冒落带，支撑基本顶，当松 软岩层很厚时，冒落的高度可视 为直接顶的厚度。当直接顶厚度不大，冒落的岩块填不满采空区，基本顶悬空， 这种情况下，基本顶也将发生部分垮落，使工作面压力 增加。2裂隙带位于冒落带之上的基本顶岩层，总是一端支承在煤壁上，另一端支承在采空 区的碎石充填堆上。在上覆岩层的压力作用下，冒落的岩块逐渐压实。因此，上覆岩层也随之逐步弯曲下沉，成段拆断或产生许多裂隙，但不冒落仍整齐排列， 形成裂隙带。其厚度，根据实测一般为采高（煤层厚

8、度）的 717倍左右。由于裂隙带内岩层的性质和厚度不一致，所以各层的弯曲下沉量不同，这样 必然产生离层现象。如直接顶比较厚，没有全部垮落，而直接顶的强度一般又小 于基本顶强度，因此，在直接顶与基本顶之间也会产生离层。离层现象往往可能产生冲击地压，引起工作面切顶、折断支架，造成重大事 故。工作面支护的任务之一，就是有效地控制矿山压力并尽可能使其上覆岩层不 离层，尤其是直接顶不离层。为此，要求支架有足够的支撑力（工作阻力）和一 定的可缩性。为避免支架折断而产生离层，要求支架可缩量与顶板下沉量一致。顶板下沉量与采高和控顶距有关，可用 S=y mR估算：式中：S顶板下沉量m；R控顶距 m卩一顶板岩层系

9、数（缓斜煤层取0.040.05;急斜煤层取0.02）; n采高 m。3弯曲下沉带裂隙带上方直至地表的岩层为弯曲下沉带，这部分岩层不产生裂隙或仅产生 微小的裂隙，并在采空区上方的地表形成一个比开采范围大的沉降区。第三节支架支护强度验算对回采工作面煤层顶底板岩石进行分类，其目的是确定顶板岩石的稳定性和 底板岩石承载能力，指导与加强回采工作面的顶底板管理工作；确定单体支柱和 液压支架的支护强度，为单体支柱和液压支架的优化设计和选型提供科学依据， 为提高回采工作面的安全程度，减少顶板事故，提高工效和降低成本创造条件 。一、综采液压支架支护强度验算1.液压支架的基本参数反映液压支架支撑能力和适用性能的基

10、本参数有初撑力、 工作阻力、支护强 度和平均接触比压。初撑力指液压支架在初撑增阻阶段末了时对顶板的支撑力。 其作用是减缓顶板的下沉，增加顶板的稳定性，使立柱尽快进入恒阻状态。工作 阻力指液压支架在承载初撑增阻阶段末了时所呈现出的最大支撑力。 其值大小主 要取决于安全阀的调定压力和立柱的有关结构参数及其数量，它反映了液压支架第三章矿山压力基本知识-6 -承受顶板压力的最大允许值。选择液压支架时必须根据矿山地质条件和矿山压力 大小确定工作阻力值。支护强度是指液压支架单位面积上的支撑力即支架的工作 阻力与其支护面积的比值。FzA式中 q 支护强度；F z 工作阻力；A 支护面积,其计算值为（支架长度

11、+ 梁端距）X（支架宽度+架间距） 煤层顶板的压力，通过液压支架的立柱和底座传递给底板，在底座与底板接 触面积内形成接触正压强。此压强的平均值即定义为液压支架的平均接触比压。 其值为qjFz2式中 qj液压支架的平均接触比压；A'液压支架底座的底面积。如果平均接触比压较大而底板较软时，底座有可能陷入底板内，不仅使移架 困难，还能增大顶板的下沉量，降低液压支架的支撑能力，甚至使顶板状况恶化。 因此，液压支架的平均接触比压必须和底板的岩性及抗压强度相适应。2.支架阻力的选择。液压支架的阻力是支架设计中最基本的参数，支架所有结构的强度都由此决 定。它在一定程度上显示支架工作的能力和特征。 所

12、以，根据地质条件和煤层赋 存状况，合理地选择支架的工作阻力是很重要的。支架阻力主要指支架的初撑力和工作阻力。目前主要采用现场观测，然后根 据观测数据进行估算或折算。估算法首先考虑支撑冒落带岩层的重量：p =9.8S、hcos：式中p 支架承受的荷载，kN;s 支架支护的顶板面积，m；顶板岩石视密度，t/m3;v h 冒落带岩石的高度（直接顶厚度），m;K -1m 米咼，m第三章矿山压力基本知识-8 -K 岩石碎胀系数，取1.25-1.5 ;:煤层倾角，(°)上式可写成：P =(2 : 4) 9.8S M cos：般用上限，即P = 4 9.8S M cos:-计算中再考虑支架受力不均

13、衡衡量的安全系数 1.52,则P =(68) 9.8S M cos：一般情况下，支架承受的荷载可取68倍采高的岩石柱重量。根据现场观 察和对观测资料的分析：以中等稳定、中等坚固的岩石为界，低者取 68 倍, 高者取911倍。晋城矿区根据多年实践经验取8倍。二、普采单体支架支护强度验算在普采工作面工艺设计中，除了合理选择支架布置方式外，还要正确确定工 作面支护密度和排距、柱距。支护密度既是支护参数，又是确定生产组织管理方 式和经济技术指标的重要参数。支护密度 n (根/m2)可用下式表示：Rt式中pt 工作面支护强度kPa;、Rt 支柱额定工作阻力，kN/根；耳一支柱额定工作阻力实际利用系数，单体液压支柱为 0. 85左右。 在普采和炮采工作面，当排距小于0.8m时，行人困难，会降低工人的生产 效率。因此根据采煤机截深的不同，排距主要有三种规格：0.8 m 1.0 m,1.2 m。按照采煤作业的需要，最少需要3排柱，在工作面形成