第八章采场矿山压力及其控制

1、 第八章第八章 采场矿山压采场矿山压力及其控制力及其控制 第一节第一节 采场矿山压力及其显现采场矿山压力及其显现 一、采场矿山压力的基本概念一、采场矿山压力的基本概念 1、原岩体： 地壳中没有受到人类工程活动（如矿井中开 掘巷道等）影响的岩体称为原岩体，简称原岩。 2、原岩应力： 地下煤、岩体未采动以前，由于自重作用在其内部引起的应力，通常称为原岩应力。 3、原岩应力场： 天然存在于原岩内而与任何人为因素无关的应力场称为原岩应力场。 4、二次应力场： 当在煤、岩体内开掘巷道或进行开采，破坏了原来的应力平衡状态，使巷道或采场的周围岩体内应力重新分布。在应力重新分布过程中，引起巷道和回采工作面周围

2、的煤、岩体发生变形、破坏，直到煤、岩体内部应力重新平衡为止。此时，巷道和回采工作面周围煤岩体内形成一个与原岩应力场截然不同的新的应力场，有时称为二次应力场。 5、矿山压力： 在地下进行开采而在井巷、硐室及回采工作面周围煤、岩体内和各种支护场上所引起的力，称为矿山压力，简称为矿压或地压、岩压等。 6、矿压显现： 在矿山压力作用下，将引起一系列力学现象，如顶板下沉和冒落、底板鼓起、煤壁片帮、支架变形和破坏、充填物沉缩、岩层和地表移动、冲击地压等。这些由于矿山压力作用，使围岩、煤和各种支护物产生的种种力学现象，统称为矿山压力显现，简称矿压显现。 7、矿压控制 为了安全有效地进行开采工作，就必须采取各

3、种技术措施控制矿山压力，包括对巷道及回采工作空间进行支护，对采空区进行充填或人为的方法使采空区顶板按预定要求冒落等。所以这些人为地调节、改变和利用矿山压力作用的各种措施，称为矿山压力控制矿山压力控制，简称矿压控制。 二、采场矿山压力显现的一般规律二、采场矿山压力显现的一般规律（一）工作面的初次来压（一）工作面的初次来压 1 1、初次垮落距、初次垮落距 当工作面自开切眼推进一段距离后，直接顶悬露达到一定跨度。采空区的支架撤出而进行初次放顶，直接顶开始冒落，此时直接顶的跨距称为初次垮落距。常把直接顶第一次大面积垮落称为直接顶初次垮落距。 2 2、岩石碎胀系数、岩石碎胀系数 直接顶垮落时，岩层由整体

4、到破碎引起了体积膨胀，一般称为岩石碎胀系数。 3 3、支承压力、支承压力 直接顶破碎冒落的岩块松散地填满采空区，这时在回采工作面两侧的煤壁上形成了大于原岩应力的集中应力带，这个带内的应力为支承压力。因此，支承压力就是指在岩体中开掘巷道，在煤层中进行回采时，巷道两侧或回采工作面周围煤壁形成的高于原岩应力的垂直集中应力。 4 4、免压带、免压带 由于直接顶冒落，老顶岩层象“梁”一样支承采空区两侧煤壁上，上覆岩层的重量由老顶传递给工作面两侧的煤壁，此时煤壁上最大的集中应力为,而采空区本身及其底板的部分岩层应力将低于原岩应力，一般称为“免压带”。 5 5、初次来压步距、初次来压步距 把老顶第一次失稳而

5、产生的工作面顶板普遍来压现象称为老顶的初次来压。把从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。 初次来压步距与老顶岩层的强度、厚度及节理裂隙发育程度，破断岩块之间互相咬合条件等因素有关。一般为2035m，有个别矿区可达5070，甚至更大。图图8-1 8-1 老顶初次来压前应力分布老顶初次来压前应力分布a-a-集中应力带；集中应力带；b b免压带免压带a aa ab b（二）老顶的周期来压（二）老顶的周期来压 1 1、老顶的周期来压、老顶的周期来压 老顶初次来压后，随着回采工作面继续推进，老顶老顶初次来压后，随着回采工作面继续推进，老顶岩层将形成新的稳定，这种稳定状态随工作面的

6、不断推岩层将形成新的稳定，这种稳定状态随工作面的不断推进可能再次被打破。由此可知，随着回采工作面的不断进可能再次被打破。由此可知，随着回采工作面的不断推进，老顶岩层将经历推进，老顶岩层将经历“稳定稳定失稳失稳再稳定再稳定”的周期的周期性变化，这种由于裂隙带（老顶）岩层周期性失稳而导性变化，这种由于裂隙带（老顶）岩层周期性失稳而导致顶板来压现象称为老顶的周期来压。致顶板来压现象称为老顶的周期来压。 周期来压的主要表现： 顶板下沉速度急剧增加，顶板下沉量大，支柱载荷普遍增加，还可引起煤壁严重片帮，支柱折损等现象。从而可能导致局部冒顶，甚至切顶等事故。 因此，预防周期来压造成事故，应准确判断周期来压

7、的预兆，加强周期来压的预报工作，及时采取加强支护措施等。（三）回采后（三）回采后“三带三带”的形成及工作面前后方的的形成及工作面前后方的应力分布状态应力分布状态1 1、回采后、回采后“三带三带”的形成的形成(1) (1) 冒落带：冒落带： 回采工作面初次来压后，随回采工作面的继续推进，采空区宽度不断增大，在回采后的采空区上方形成不同特征的变形带。其中，在采空区上方的最下部岩层破断后，岩块呈不规则垮落，排列极不整齐，碎胀系数较大，一般可达1.31.5。经压实后，碎胀系数可降到1.03左右，此带多数情况下是由冒落的直接顶岩层所形成的，称为冒落带。（2 2）裂隙带：）裂隙带： 冒落带往上的岩层虽已断

8、裂，但岩块仍整齐排列，岩块间存在力的联系，其岩块的碎胀系数较小，一般小于1.1，一般是由老顶的岩层组成，此带称为裂隙带。（3 3）下沉带：）下沉带： 在裂隙带之上直至地表，岩层不断裂，只有较少的裂隙，岩层呈弯曲下沉状态，此带称为弯曲下沉带。以上“三带”统称为“竖三带”，这“三带”，除个别厚而坚硬的顶板岩层外，在绝大多数的顶板条件下，普遍存在。图图8-2 8-2 开采后岩层移动概貌开采后岩层移动概貌1 1地表塌陷区；地表塌陷区；2 2岩层开始移动；岩层开始移动；3 3岩层移动稳定边界线；岩层移动稳定边界线；4 4离层现象离层现象（I I）冒落带（冒落带（IIII）- -裂隙带（裂隙带（IIIII

9、I）弯曲下沉带弯曲下沉带2 2、回采工作面前后方的应力分布、回采工作面前后方的应力分布（1 1）砌体梁的形成）砌体梁的形成 在采空区上方，裂隙带断裂的岩块间排列整齐，岩块的回转受到受到相邻岩块的挤压作用，特别是较坚硬的岩层。因此，岩块之间就象建筑砖石结构的砌体一样，由于岩块之间的互相挤压咬合，在岩层移动过程中可能形成铰接的“梁式平衡”。当周期来压后，这种岩层似一端支承于煤壁上，而另一端则在采空区冒落的岩块上的“梁”。显然，这种梁是由于各个岩块相互咬合挤压而成，其形成如同“砌体”一样，所以称为“砌体梁”。图图8-3 8-3 岩层移动岩层移动“砌体铰接梁砌体铰接梁”图形图形I I岩层原位置；岩层原

10、位置；IIII岩层移动后位置岩层移动后位置 （2 2）“三区三区”的形成的形成 1 1）增压区）增压区 由于“砌体梁”的存在，上覆岩层的重量将通过“梁”而传递到工作面前方煤壁上及采空区后方已冒落的岩块上，形成了“煤壁已冒落的矸石”支撑上覆岩层的支撑体系。因而形成了工作面前方煤壁上的应力增高区a（增压区），其影响范围可深入工作面前方煤壁内3040m，甚至更远。 2 2）稳压区）稳压区 在采空区后方已冒落的矸石上可能形成略高于或等于原岩应力的应力不变区c（稳压区），一般在工作面后方5060m冒落矸石已处在压实稳定状态。 3 3）减压区）减压区 根据煤壁与冒落带岩层的力学性能不同，在回采工作空间及部

11、分采空区受力远小于原岩应力，因而形成了应力降低区b（减压区）。 图图8-4 8-4 工作面前后支承压力的分布工作面前后支承压力的分布 第二节第二节 回采工作面回采工作面顶板支护顶板支护 众所周知,回采工作面是地下移动着的工作空间，为了保证生产工作的正常进行与矿工的安全必须对它进行维护。然而回采工作面的矿山压力显现又决定于回采工作面周围所处的围岩和开采条件。因此为了确保回采工作空间的安全，必须对回采工作形成的矿山压力加以控制。从某种意义上讲，维护工作空间就是控制矿山压力的作用与影响，控制矿山压力的基本手段之一就是回采工作面支架。一、回采工作面支架一、回采工作面支架（一）支柱的工作特性（一）支柱的

12、工作特性 1 1、支柱的撑力与阻力的含义、支柱的撑力与阻力的含义 (1)撑力：支柱支撑顶板会产生两种不同的力，即支柱对顶板的主动作用力称为支柱的撑力。 (2)工作阻力：支柱支撑顶板后，受矿山压力作用而反映出来的力称为支柱的阻力，又称工作阻力。 工作面支架形成的构筑物必须与开采后形成的上覆岩层大结构相适应，回采工作面支架必须具备一定的支撑能力和一定的可缩性。 支架的性能常用支架特性曲线表示，即反映支架“工作阻力可缩量”的关系曲线，称为支架特性曲线（“P”曲线）。2、支柱的工作特性种类支柱的工作特性一般可分为三种：（1）急增阻式（2）微增阻式（3）恒阻式（二）单体支柱的种类 目前我国煤矿中使用的单

13、体支柱主要有两种：单体摩擦式金属支柱和单体液压支柱。（三）液压支架 将一组液压支柱、底座与顶梁组成一整体结构，以液压为动力使其联合移动，完全实现支架与回撤的自动化，称之为液压自移支架。液压支架的出现，使得与移溜互相配合形成支架与推移输送同时实现机械化，大大降低了工人的劳动强度。 液压支架的结构虽然繁多，但对其分类，可概括为两种基本观点。1 1按对顶板的支撑面积与掩护面积的比值进行分类按对顶板的支撑面积与掩护面积的比值进行分类（1）支撑式。此类支架对顶板只起支撑作用而无掩护作用，也即掩护部分在水平面上的投影Ls0；（2）支撑掩护式。支架对顶板支撑的顶梁长度大于掩护梁在水平面上投影的长度，即LpL

14、s；（3）掩护支撑式。支架对顶板掩护部分的长度大于支撑部分的长度，LsLp；（4）掩护式。Lp0； 2按支架结构进行分类 液压支架分为：支撑式和掩护式（见图P201） 二、采场支护方法二、采场支护方法 采场内的支柱和顶梁的配合及其排列方式，称为采场支护方式。 ( (一一) )采场基本支架的布置方式采场基本支架的布置方式 1 1带帽点柱带帽点柱 其在工作面的排列方式有两种： （1）矩形排列 （2）三角形排列 这种布置方式主要适用于顶板完整的工作面或薄煤层工作面中。 2 2棚子棚子 根据直接顶岩层裂隙的方向，棚子可分为走向棚子和倾斜棚子。 当裂隙平行于工作面时，可采用走向棚子，反之，应采用倾斜棚子

15、。走向棚子根据顶板压力大小又有两种布置方式：（1）连锁式走向棚。 这种支护方式适用于顶板压力大的情况。 （2）对接式走向棚。 这种布置方式在顶板压力不大的条件下采用。 3 3悬臂式支架悬臂式支架 由单体支柱与金属顶梁组合而成的一种单体支架。按顶梁与支柱的关系，可分为正悬臂与倒悬臂两种。 按梁的排列特点可分为齐梁式和错梁式两种。 一般情况下，多选用正悬臂的齐梁直线柱布置方式当顶板破碎时，可采用正倒悬臂的错梁直线柱布置方式。 （二）采场端头支护（二）采场端头支护 1、普采面端头支护 （1）单体支柱加铰接顶梁构成的端头支架。 为保证跨度大处顶梁铰接点固定，可采用双钩双楔梁，或将普通铰接顶梁反用，使楔

16、钩朝上。 （2）用45对长钢梁与单体支柱组成大跨度的走向迈步抬棚。 这种形式即有利于端头顶板维护，又有利于输送机移置。（3）用基本支架与走向迈步抬棚综合支护。 除上述端头支护外，在端头与平巷交会处的平巷内，还可采用走向托梁或“”字铰接顶梁与单体支柱组成的支架支护。 2、综采面的端头支护 综采面工作面的端部与山下巷的交汇处设备集中，顶板悬露面积大，通常需要采用特殊措施加强维护，这就是端头支护。综采面的端头支护方式主要有三种 （1）采用普采面的单体支柱与长钢梁组成的走向迈步抬棚。 该方式虽然支设麻烦，劳动强度大，但适用性强，有利于工作面排头支架的稳定。（2）采用专门的自移式端头支架。 这种支架结构

17、复杂，对平巷条件适应性差；但能使支架支设和回收以及各种设备的移置等实现机械化，移动速度快，可提高工作面的推进速度。（3）采用与工作面同类型的液压支架支护端头。 这种方式在倾角较小，顶板压力不大的综采面中采用。 第三节第三节 回采工作面采空区处理回采工作面采空区处理 一、采空区处理一、采空区处理 回采工作面是一个不断移动的空间，随着采面的推移，顶板悬面积越来越大，为了避免顶板垮落威胁工作面的安全，因此，在保证足够的工作空间的条件下，对多余的空间进行处理，这种多余的空间一般称作采空区。由于对采空区处理主要是指控制顶板岩层的过大悬露，所以采空区处理方法也常称为顶板管理方法。 根据顶板岩层性质及地表保

18、护要求等条件不同，采空区处理方法一般有如下几种： 1. 1.全部垮落法全部垮落法 这种方法的实质是：当工作面自开切眼推进一定距离（一般为620m）后，有步骤地主动撤除采空区内的支架，使直接顶冒落下来，而且冒落后破碎的矸石体积膨胀而充填了采空区，从而减轻工作面和防止对工作面产生不良影响。 全部垮落法处理采空区通常适用于直接顶易于垮落或具有中等冒落性质的顶板。 这种方法的优点是经济、方便以及煤炭损失少，因此条件适宜时，应尽可能采用。 2.2.煤柱支撑法（又称刀柱法）煤柱支撑法（又称刀柱法） 此法是当工作推进一定距离后，留下适当宽度的煤柱（刀柱）支撑顶板，而后在煤柱另一侧重掘开切眼进行回采工作。 煤柱支撑法虽然简化了采空区处理工作，但煤损大，掘进工程量大，工作面搬家次数多。所以，只有在极坚硬的顶板没有其它更好的顶板管理方法时采用。 3. 3.缓慢下沉法缓慢下沉法 当煤层较薄时，顶板岩层具有塑性弯曲能力，顶板在采空区内下沉未发生垮落之前就已与顶板接触