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1、第四章 采场矿山压力显现基本规律,矿山压力与岩层控制,第一节 概 述第二节 老顶的初次来压第三节 老顶的周期来压第四节 顶板压力的估算第五节 回采工作面前后支承压力分布第六节 影响采场矿山压力显现的主要因素,目 录,第一节 概 述,回采工作面常见的矿山压力现象：,一、顶板下沉,常以每米采高、每米推进度下沉量（S/LM）作为衡量顶板状态的一个指标。,一般指顶底板相对移近量。,指单位时间内的顶底板移近量。它表示顶板活动的剧烈程度。,二、顶板下沉速度,三、支柱变形与折损,四、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。,五、局部冒顶,六、
2、大面积冒顶,切落、推垮,其它矿山压力现象：煤壁片帮、支柱钻底、底鼓等。,回采工作空间是一个小结构，它处于覆岩大结构之中。“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。,第二节 老顶的初次来压,老顶的初次来压：,图43 老顶断裂成岩块后的转动,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。,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45 老顶初次来压的力学模型,由于支架反力（支撑力）P
3、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。,图44 老顶岩块滑落失稳的两个实例,老顶的初次来压步距：与老顶初次断裂步距相当,动载（动压）系数：,支架来压时载荷与平时载荷之比。,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。如大同矿务局坚硬顶板条件下，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。我国初次来压步距1030m占54，3055m占37.5。,老顶初次来压后，随着回采工作面的推进，老顶岩层将发生周期性破断，老顶破断岩块形成的“砌体梁”结构的稳定性将随之发生周期性变化。
4、,一、回采工作面推进对“砌体梁”结构的影响,第三节 老顶的周期来压,图4-7 回采工作面推进中岩体结构的变化过程,图4-8 A岩块的受力分析,随着回采工作面的推进,上覆岩层的结构经历了“稳定失稳再稳定”的过程，这种变化将呈现周而复始的过程。由于A岩块的回转，必然导致工作面顶板的不断下沉。从管理顶板出发，支架性能必须与之相适应。支架应具备:一定的可缩量;一定的工作阻力：PQABTtg(-)对于冒落带岩层，T0，PQA+B,即支柱阻力能承受控顶区全部岩层重量。,二、老顶的周期来压,老顶岩层的周期性破断致使“砌体梁”结构的周期性失稳而引起的顶板来压现象称为老顶周期来压。周期来压的主要表现形式：顶板下
5、沉速度急剧增加；顶板的下沉量变大；支柱载荷普遍增加；煤壁片帮、顶板台阶下沉、支柱折损，甚至工作面冒顶。,根据材料力学：,与老顶初次断裂时的极限跨距相比：,两端固支,两端简支,老顶的周期来压步距相当于初次来压步距的1/2 1/2.5。,老顶的周期来压步距可近似按老顶的悬臂梁折断来确定。,三、老顶的周期来压步距,四、老顶来压期间的顶板控制,老顶的作用力都是通过直接顶而作用于支架上，同样，支架的支撑力也是通过直接顶而对老顶进行控制。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而形成预生裂隙和直接顶的破碎，不利
6、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。,老顶来压时老顶控制不当，将导致工作面的垮顶现象。,图4-10 永定庄矿8411面垮顶现象,预防老顶来压造成事故的措施：,来压的预测预报；加强支护；工作面与开切眼斜交，使老顶悬板呈梯形，让工作面呈局部来压。,附图 梯形悬露顶板的 破断形状,第四节 顶板压力的估算,一、估算法,1.经验估算法支架受力包括两部分：直接顶的载荷Q1；老顶通过直接顶作用于支架的载荷Q2。,图4-11 回采工作面的顶板压力,(1)直接顶载荷Q1Q1hL1h直接顶厚度；L1悬顶距；容重。单位
7、面积上载荷（支护强度）：q1=Q1/L当L1L，q1=h,(2)老顶载荷Q2采用直接顶载荷的倍数估算老顶的载荷。,2.从老顶形成结构的平衡关系估算(1)从老顶结构的滑落失稳估算顶板压力PQABTtg(-)(2)由老顶结构的变形失稳估算顶板压力基于老顶的位移量L与对支架形成的载荷P呈双曲线关系，提出P L常数，为此，老顶对支架作用载荷为：,图4-8 A岩块的受力分析,实测所得回采工作面顶板下沉量；要求控制的回采工作面顶板下沉量；顶板下沉量为 时，老顶岩梁在控顶距范围内的作用力。,3.威尔逊估算法 最大反力作用位置引起支架与围岩相互平衡而产生的附加力二、实测法从工作面支架上测定其所承受的实际载荷。
8、不仅含顶板压力，同时还含有支架性能的影响。,一、老顶初次破断前后支承压力分布,第五节 回采工作面前后支承压力的分布,在老顶初次来压前，回采工作面四周煤壁上所承受的支承压力将随老顶跨距的加大而增加，初次破断前达最大值，一旦破断，支承压力将有所降低。,二、回采工作面前后支承压力分布鉴于上覆岩层的结构为半拱式结构，因此，煤壁一端几乎支撑着回采工作面空间上方悬露岩,图4-15 工作面前后支承压力分布,块的大部分重量，因而煤壁前方支承压力较大，而在采空区后方已冒落矸石只承受其正上方岩层重量，一般只恢复到H或稍大一点或稍小一点(图4-14)，比煤壁前方支承压力小得多。,第六节 影响采场矿山压力显现的主要因
9、素,一、采高与控顶距,在一定地质条件下，采高是影响上覆岩层破坏状况的最重要因素之一。采高越大，采出的空间越大，必然导致采场上覆岩层破坏严重。,工作面开采后上覆岩层的下沉曲线按负指数函数变化。工作面支架的支撑力一般不能改变此曲线的性质。因此，采场支护的“小结构”必须与覆岩形成的“大结构”相适应,图4-16 上覆岩层移动与工作面空间顶板下沉的关系,图416即表示了这种关系，由此图可导出：,可见，采高越大或控顶距越大，顶板下沉量相应越大，老顶结构越不易平衡。因此，采高大的工作面矿压显现也越严重。,SL/L=S0/L0 SLmLSL 工作面顶板下沉量；下沉系数，一般为0.0250.05；m 煤层采高；
10、L 控顶距。,二、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：“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”。由图417可见,落煤与放顶时，顶板下沉表现最为剧烈。落煤后，增大了回采工作面的控顶距,因而破坏了煤壁前方的应力平衡，使支承压力产生一个向煤壁深处移动的过程，同时使得老顶破断岩块进一步回转，从而引起工作面顶板下沉加剧.,放顶后，老顶岩层形成的结构本来由“煤壁工作面支架采空区已冒落的矸石”支撑体系所支撑.放顶过程就是撤除了靠近采空区一侧的支架支撑力,导致“支架-围岩”的力学系统发生变化，这种变
11、化将使顶板下沉量急剧增加。由上述分析可见,落煤与放顶工序时顶板下沉的影响，实质上是开采后老顶“砌体梁”结构在其前后支承压力不断推移过程中对工作面顶板所带来的影响。,加快工作面推进速度只是缩短了落煤与放顶这两个主要生产过程的时间间隔,只能消除一部分平时的下沉量,但绝不能消除因落煤和放顶所造成的下沉量。所以,只有在原先的工作面推进速度比较缓慢的条件下，加快工作面推进速度才会对工作面顶板状态有所改善。当工作面推进速度提高到一定程度后，顶板下沉量的变化将逐渐减小。因而想把顶板压力“甩掉”的企图实际上是不能实现的。,三、开采深度的影响,开采深度对巷道矿压、冲击地压影响显著。随着深度的增加，巷道围岩的“挤
12、、压、鼓”现象将更为严重。随采深增大，冲击矿压的次数与强度都将明显增加。但采深增大对采场矿压显现影响并不显著，只是煤壁片帮现象将加剧。这是由于老顶岩层形成的“砌体梁”大结构对采场支护“小结构”起到了保护作用。采深对“砌体梁”结构的稳定性影响不大。,四、煤层倾角的影响,图4-23 采空区冒落矸石滑移及其造成的后果,四、煤层倾角的影响,工作面沿倾斜方向向下推进时（俯采工作面）,图4-24 沿倾斜方向开采时岩块的咬合关系,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）,沿走向方向推进时,显然,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。,五、下分层开采时矿山压力显现,下分层的矿压显现与上分层相比有以下特点：老顶来压步距小，强度低；表4-2 南屯煤矿73上40工作面老顶来压步距实测值支架载荷小；顶板下沉量大。,第四章作业题,P117 第1、2、6、11题,思考题采场顶板都有哪些显现规律？影响因素有哪些？顶板压力有哪些估算方法？,
