第五章回采工作面矿山压力显现基本规律.ppt

第五章 回采工作面矿山压力显现基本规律 5.1 矿山压力显现程度的常见指标,（1）顶板下沉量：一般指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板移近量=H0-H1 有时为了对比，又将顶底板移近量换算成每米采高、每米推进度的顶底板移近量，即 /L、/M（L为控顶距，M为采高）。由于底臌量较小，通常将称为顶板下沉量。,衡量矿压显现的指标：“三量” 顶板下沉（下沉量S，下沉速度V）反映顶板状况及根据稳定状况反映支护效果。 支架荷载P、活柱下移量L、 顶底板移近量H,（2）顶板下沉速度：指单位时间内的顶底板移近量，以/h计算。表示顶板活动的剧烈程度。 （3）支柱变形与折损：随着顶板下沉，回采工作面支柱受载也逐渐增加，一般可以用肉眼观察到柱帽的变形，剧烈时可以观察到支柱的折损。 （4）顶板破碎情况：常常以单位面积中冒落面积所占的百分数来表示，是衡量顶板管理好坏的质量标准。 一般以冒落敏感度E（空顶1m冒顶面积所占百分比）来表示。如法国埃森中心： E30%高敏感度顶板 E=1130%中等敏感顶板 E=010%低敏感顶板,端面距与顶板破碎度的关系,（5）局部冒顶：回采工作面顶板形成局部塌落，它影响回采工作面正常进行。 （6）工作面顶板沿煤壁切落，或称大面积冒顶：指回采工作面由于顶板来压导致顶板沿工作面切落，常常对工作面产生严重影响。 根据具体条件及研究的需要，还可能有其它指标，如：煤壁片帮、支柱插底、底板臌起等一系列矿山压力现象。 回采工作空间是一个小结构，它处于围岩形成的大结构之中。因此，大结构的变形、失稳将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。,5.2 老顶的初次来压 （1）三铰拱的概念 三铰拱是结构力学中的概念，其基本力学模型是两个曲杆以铰接相联，每个曲杆和支座之间也用铰相联而成的结构，称三铰拱。只要三个铰不在同一直线上，这三铰拱就是几何不变的。见下图。,（2）老顶岩层初次来压,老顶达到极限跨距破断，成“三铰拱”式平衡，随工作面推进，A岩块断裂A转动B转动三铰拱平衡工作面推进铰合平衡失稳来压 初次来压：由于老顶第一次失稳而产生的工作面顶板来压 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2035m，少数为5070m,老顶初次来压时对工作面支架受力的影响，可以用下图表示。P为支架反力，Q1和Q2分别为直接顶和老顶的载荷。 老顶初次来压时，三铰拱平衡已破坏，因此可简化为上图模型。其中Rr是冒落矸石的支承反力。在三铰拱失去平衡后，老顶必然会回转至冒落矸石上方才能借助Rr力阻止老顶岩块回转。但这过程中，工作面顶板必然下沉，为了不使老顶沿工作面发生切落，支架的工作阻力应等于Q1与Q2之和。,初次来压前，由于上覆岩层结构中有“梁”或“拱”式结构存在，因此整个采空区周围岩体可视为一个结构系统。这个系统的顶部是老顶，四周则是直接顶加煤柱。,回采工作面就处在这样的结构系统保护之下，其周围的应力同样可分为减压区B、增压区A和稳压区C。,回采工作面煤壁上所承受的支承压力将随着老顶跨度的加大而增加，即刚从开切眼推进时最小。在初次来压前达到最大，并常伴有煤壁的片帮与漏顶等。初次来压比较突然，且对工作面危害较大。我国一些煤矿的初次来压步距一般为2035m，个别达5070m。,来压特点及控制措施,1、来压预兆 来压前，由于覆岩岩层梁或拱结构系统存在，使采场处于减压区，顶板压力并不大，但煤壁内支承压力达到最大值，导致片帮。 煤壁前方直接顶形成剪切破坏，和预成裂隙，对顶板管理极为不利，来压前2-3天有断裂响，垮落前1-2小时，采空区有隆隆声响。顶板压力不大 煤壁前的压力达到最大（发生剪切破坏），煤壁片帮是来压的重要标志 2、来压特点 表现形式：持续23d 顶板急剧下沉，支架受力明显增大 直接顶破碎，甚至产生台阶下沉现象 煤壁中支承压力增大，片帮严重（预兆之一） 工作面内顶板出现裂缝，并有掉碴现象，有时顶板有断裂声 老顶初次来压的剧裂程度与老顶岩石性质，厚度与裂隙情况，直接顶的厚度（大小），工作面采高，长度，推进速度以及地质构造等因素有关。,2、控制措施 掌握来压规律及步距，作好预测预报 来压前，将直接顶回柱放顶工作作彻底 加强工作面支架支护能力如密度支柱，适当扩大控顶距 加强支柱稳定性，如靠采空区侧增设一梁三柱斜撑支架，在工作面内增设本垛等特种支架。 适当加快工作面推进速度。 注： 来压强度分级 不明显：N3-5 明显：0.350m或N0.3 l=25-50m 极强烈：N0.3 L50m 动载系数KD的概念 老顶来压步距的影响因素：力学性质、厚度、互相咬合的条件、地质构造 来压步距统计情况：1030m 54；3055m 37.5；其余 大于55m （大同坚硬顶板160m） 来压步距矿压显现 动压系数 浅埋厚煤层的特殊情况 ，来压步距小，但矿压显现强烈，东胜神府矿区,5.3 老顶的周期来压 5.3.1 回采工作面推进对岩体结构的影响,老顶初次来压后，随着回采工作面的继续推进，老顶岩块所形成的裂隙体梁将发生一系列变化：A岩块由稳定断裂失稳O岩块稳定断裂失稳。这样随着工作面向前推进，上覆岩层的结构由稳定失稳再稳定，周而复始，其稳定的结构可以称之为裂隙体梁结构的稳定。,5.3.2 采场的周期来压 随着工作面推进，老顶岩层由稳定结构不稳定结构稳定结构。在这种周而复始的工程中，失稳时对工作面就产生了周期性的压力。由此，由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象称为工作面顶板的周期来压。在失稳过程中，由裂隙体梁的平衡 ，沿a-a面力平衡，有：,注： 由于岩层组相互影响，并非每次L周结构均相等，有时可能差别很大。若失稳时Ttan(-)QA+B可能台阶下沉甚至沿煤壁切落 对支架压力影响,第五章回采工作面矿山压力显现基本规律,来压特点与控制措施 来压特点：同初次来压 控制措施 掌握来压规律（步距）与来压预兆 加强支护，保证支架规格质量和稳定性，加大支护密度 适当减小控顶距，并加快工作面推进速度,由于上覆岩层是由几层岩层组成，工作面的周期来压也是由几层岩层共同作用的结果，每次周期来压的步距和强度都有一定差别。 在周期来压期间，老顶的作用力通过直接顶作用到支架上，支架的支撑力也是通过直接顶对老顶进行控制。因此直接顶的完整性对控制老顶平衡起重要作用。若采空区冒落的矸石充满采空区，则可缓解老顶对支架的压力。,第五章回采工作面矿山压力显现基本规律,第五章回采工作面矿山压力显现基本规律,周期来压特征表,表41表示了阜新矿务局高德矿北冀九层一区二段工作面周期来压时的特征。该工作面长170 m，煤厚为3m，老顶45m，直接顶为35m厚的细砂岩，煤层倾角320350。,第五章回采工作面矿山压力显现基本规律,5.4 顶板压力估算 顶板压力确定是支架选型等重要参数。目前有两种方法，一是估算法，另一种是实测法。,5.4.1 估算法 设回采工作面的顶板压力可用如下模型估算。Q1、Q2分别为直接顶和老顶载荷。,上述估算法，事实上各有其适用条件，例如，根据一般的顶板状态，如我国华北等地区的绝大部分矿区，经常用支架主要承担相当于48倍采高岩柱的重量估算，简单实用。在一些单体支柱工作面，尤其是工作阻力偏低，常常导致工作面顶板下沉量过大的情况下，可采用第二种方法，此法的实质并非控制老顶的位移量，事实上是由于直接顶的位移量与老顶的位移量不相适应而造成的结果。根据力学分析，企图依靠支架的反作用力控制老顶的回转，在一定条件下也难以实现的。对一些坚硬顶板地区，或经常发生老顶切落或台阶下沉的地区，则显然使用第三种方法估算比较合适。,5.4.2 实测法 即从工作面支架上测定其所承受的实际荷载。实际上，从一定意义上讲，井下工作面所测得的载荷已不仅是顶板压力，而同时包含了支架性能的影响。 存在问题： 地质，生产技术条件局限性 所测荷载不一定完全是顶板压力 应以周期来压作为支架设计标准,第五章回采工作面矿山压力显现基本规律,1、工作面前方应力变化区： 形成移动支承压力随工作面推进而展变化 煤层支撑体系 峰值距煤壁210m 峰值应力集中K=24 影响距离S=2030m 高的可达90100m,5.5 回采工作面前后支承压力的分布,第五章回采工作面矿山压力显现基本规律,2、工作面控顶区 支架支撑，支架与围岩的相互关系 工作面处于大结构保护之下，为应力降低区 如前述：P=（48）m，若M=3m P=6*3*=18；若采深400m，1=H=400 由此可见，支架工作阻力仅相当于采深的4.5% 如何调节支架与围岩相互作用关系来适应顶板运动状态从而控制矿山压力是待研究的重要课题。,第五章回采工作面矿山压力显现基本规律,3、工作面后方应力变化区 冒矸支撑 冒矸在覆岩压力作用下，逐渐压实，应力逐渐升高 采空区支承压力分布的不均衡性-前苏联观测资料 由图知：冒矸在采空区中部压实程度大于其它部位，且离煤壁有一定距离，这是因为顶板冒落往往从中间开始，并且有弧三角板的问题。 后拱角是存在上分层开采时，冒矸压实，存在后拱角，稳定距离长80120m 下分层开采时，冒矸压实稳定，稳定距离短，75m左右,不存在后拱角 采空区支承压力：K=1 1.3（大多数k1），峰值距煤壁80120 m 由以上分析可建立下图所示力学模型 煤层、支架、冒矸三者共同构成与覆岩的支撑体系,第五章回采工作面矿山压力显现基本规律,由以上分析可建立下图所示力学模型 煤层、支架、冒矸三者共同构成与覆岩的支撑体系 工作面前方应力集中区大于工作面后方 采场处于减压区，其矿压显现（支架受力，顶板下沉等）取决于围岩条件，如硬顶时为1，软顶或软底时传递约1/2，软顶、底传递仅1/3。 支架刚度增加将引起荷载增加，便PR与支架刚度并非线性关系，且与围岩刚度有关，硬顶、底时增长较快，其它情况增长缓慢。 支承压力的分布与采空区处理方法有关,第五章回采工作面矿山压力显现基本规律,1.刀柱法,2.全部垮落法或充填法,3.大采高或坚硬顶板,4.大采深并影响到地表,支承压力的分布与采空区处理方法关系,5.6 影响回采工作面矿山压力显现的主要因素 回采工作面的矿山压力显现受多种因素影响：如围岩性质、采深、采高、倾角、工作面推进速度等。具体工作面要具体分析。,第五章回采工作面矿山压力显现基本规律,5.6.1围岩条件 1、对直接顶的分析 直接顶的完整程度将直接影响工作的安全及工作面生产能力发挥而且有直接影响到所选择的支护方式及支架选型 直接顶的完整性：原生裂隙、构造裂隙、压裂裂隙； 定性分析：岩层力学性质、层理和裂隙发育情况 O.Jacobin将顶板裂隙分为五类 工作面顶板事故中由直接顶引起的推垮型事故占大多数。其中因离层而引起推垮型事故列多，粗略地讲，当h老顶厚度时，均易离层，初次放顶时更应引注意，弱面影响往往引起局部冒顶，方解石、水作用时更为不利。直接顶的完整性将影响支架对老顶的作用力 定量衡量 直接顶的分类，受端面距b的影响，当E30% 高敏感度、采高与控顶距,第五章回采工作面矿山压力显现基本规律,2、对老顶的分析 老顶的稳定性对确定支护强度，支架具备可缩量及采空区处理方法起作用性作用，同时对直接顶的稳定性也有直接影响 老顶平衡及来压特性 老顶距被采煤层远近N=h/m（即直接顶稳定性） 老顶岩层来压特性：老顶厚度，裂隙等 老顶的分级： 前苏联50-60年代的分级方案 I级 N6-8 用于全部垮落法 II级 N5 周期来压不明显 II级 N=2-5 有周期来压 III级 N2 严重周期来压 IV级N=0 老顶特硬，刀柱法或软化顶板 V级 能塑性弯曲顶板，用于特殊煤层,第五章回采工作面矿山压力显现基本规律,3、对底板的分析 指标： 基本指标：底板允许比压和底板允许刚度 辅助指标：底板允许穿透度 参考指标：Rc qc= qc*c，Kc=Km*c，C=C*c，Rc=R*c C为安全系数，一般取0.75，中硬以上岩层取0.85 分类方案I-V,第五章回采工作面矿山压力显现基本规律,采高对有关方面的影响 对覆岩两带高度影响（单一煤层或厚煤层第一分层开采时，与M成正比） 老顶来压（老顶取得平衡的机率较小） 煤壁片帮（支承压力峰值距煤壁较远） 顶板下沉量的影响 对支架受力的影响P=（48）M，但并非线性关系,图1-56 上覆岩层移动与 工作空间顶板下沉的关系,5.6.2 采高与控顶距 在一定条件下，采高是影响上覆岩层破坏状况的最重要因素之一。,图1-56 上覆岩层移动与 工作空间顶板下沉的关系,第五章回采工作面矿山压力显现基本规律,一般情况下，垮落法管理=0.0250.05，充填法管理=0.01；有学者提出I类顶板0.0250.3；II类0.030.04；III类0.040.05； 举例：采高M=2m，控顶距L=4m，则,注：若直接顶与老顶离层，且直接顶本身也不膨胀时，上述关系存在，实际下沉量将大于上于上述估算值。从顶板管理角度出发，控制顶板下沉量应接近或稍小于上述估算值为佳。 结论： SL=mL 采高、控顶距的大小成正比关系 举例说明 采高老顶平衡，煤帮稳定性矿压显现 顶板控制顶板估算量,第五章回采工作面矿山压力显现基本规律,5.6.3 工作面推进速度 1、顶板下沉随时间的变化 t对s有直接影响 由线斜率变化：斜率较陡，一般是工序和时间共同影响；斜率较缓，只有时间影响而无工序影响 曲线斜率不同实质上反映了顶板活动的剧烈程度不同。 2、工序的影响 （1）落煤 增大控顶距。改变煤壁内原应力分布状态，使老顶岩块支撑条件变化，加速回转而迫使顶板下沉速度增大 （2）放顶实质上减小了工作面靠采空区一侧支撑力，改变铰接岩块受力状态而使铰接岩块加速向下回转，迫使顶板活动加剧。放顶将使放顶处上下的的1015m范围顶板下沉速度加剧。 无论是落煤还是放顶，实质上均是对“煤壁支架冒矸”这一共同支撑体系的拢动，使原来平衡状态遭破坏而使顶板下沉速度加快。 因而安全规程规定：落煤与放顶工序平行作业时，要有一定的安全距离1015m。 但综采稳定性好（采与放顶同时）,第五章回采工作面矿山压力显现基本规律,工作面推进速度加快： 减少控顶时间，可改善推护状况 增加工序影响次数，使顶板下沉速度加剧 因而加快推进速度来减小顶板下沉量，是有一定限度的（工作面推进速度很慢情况下，有效），企图加快推进度甩掉矿山压力想法是不现实的。 此外，加快工作面推进度对于防止自燃发为火，减少瓦斯涌出量是有利的 。,5.6.4 开采深度的影响 开采深度直接影响原岩应力大小，同时也影响着开采后巷道或工作面周围岩层的支承压力值。因此开采深度对矿山压力具有影响，但具体影响情况要具体分析。 开采深度对矿山巷道的矿山压力显现比较明显。如在松软岩层中开掘巷道，随着深度增加，巷道围岩的“挤、压、臌”现象更加严重。但对于回采工作面而言，开采深度对工作面顶板压力大小的影响并不突出。 开采深度增加后，岩体内积蓄的能量急剧增加，所以对于有冲击矿压危险的矿井，发生冲击矿压的次数和强度将上升。,第五章回采工作面矿山压力显现基本规律,5.6.4 开采深度的影响,采深增加 地温增加，瓦斯涌出量增加 冲击地压危险增加，积聚弹性能与H2成正比 巷道：可能加剧，巷道围岩变形与支架受力匀增加。 采场：不明显，尤其是对顶板下沉量的影响不显著 矿山压力显现 对矿山压力的影响 对矿山显现的影响 正变：煤壁压缩与片帮；底臌，冲击地压等 无明显关系： 如顶板下沉（直接受大结构和支架特性影响，并和直接顶和老顶力学性质以及厚度等因素有关。 再如支架荷载（主要取决于顶板下沉特点和支架本身特性） 举例：比利时彼尔矿，H=1415m，采用35T支柱，n=1.4根/m2的能把顶板管理得很好,5.6.5 煤层倾角的影响 实际观测表明，煤层倾角对回采工作面矿山压力显现的影响很大。一般说来，随着煤层倾角增加，顶板下沉量将逐渐减小。众所周知，急斜工作面的顶板下沉量比缓斜工作面要小得多。 对顶板压力的影响 垂直岩层压力Q1=Wcos，顶板下沉量小 层高切向滑移Q2=Wsin,当回采工作面沿倾斜方向推进时，即倾斜长壁回采工作面，开采后上覆岩层破断岩块间相互咬合状况如下图所示,5.6.6 分层开采时的矿山压力显现 厚煤层开采第一分层时，其矿山压力显现规律与普通单一煤层开采没有任何分别。但在开采以下各分层时，工作面顶板为第一分层回采时冒落的矸石，这样破碎的顶板必然给顶板管理工作带来一定新困难。总的来说，下分层与顶分层相比，矿压显现有如下特点： 老顶来压步距减小，强度降低； 支架载荷变小，有时第二分层较第一分层减少40; 顶板下沉量变大。 煤壁上支承压力减小，煤壁片帮减弱,