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1、本章介绍：本章介绍： 矿压显现指标矿压显现指标 老顶初次来压、周期来压老顶初次来压、周期来压 顶板压力估算顶板压力估算 影响矿压显现的因素影响矿压显现的因素 放顶煤开采矿压显现规律放顶煤开采矿压显现规律第四章第四章 采场矿山压力显现基本规律采场矿山压力显现基本规律第一节第一节 矿压显现指标矿压显现指标一、矿压显现：一、矿压显现： 在矿山压力作用下，煤岩体及支护物所表现出的种种力学现象。二、矿压显现指标：二、矿压显现指标： 1 1、顶板下沉、顶板下沉 S S（mmmm）煤壁到采空区边缘范围内顶、底 板间相对位移。 2 2、顶板下沉速度、顶板下沉速度V V（mm/hmm/h）单位时间顶板下沉量。
2、3 3、支柱变形与折损、支柱变形与折损观察喷液、下缩、压裂、折断等。 4 4、顶板破碎度、顶板破碎度单位面积中顶板冒落面积所占百分比。 5 5、局部冒顶、局部冒顶小范围顶板垮落。 6 6、大面积冒顶、大面积冒顶顶板沿工作面煤壁切落。工作面顶底板移近曲线工作面顶底板移近曲线 11顶板绝对下沉曲线；顶板绝对下沉曲线； 22顶板相对移近量（下沉）曲线；顶板相对移近量（下沉）曲线； 33底版臌起曲线底版臌起曲线 第二节第二节 老顶初次来压老顶初次来压一、初次来压的形成：一、初次来压的形成： 初采初采初次放顶初次放顶老顶悬露跨度增大老顶悬露跨度增大老老 顶断裂顶断裂形成平衡结构形成平衡结构失稳失稳初次来
3、压初次来压 初次来压初次来压老顶初次断裂或或垮落前后工作面的矿老顶初次断裂或或垮落前后工作面的矿压显现称为初次来压（压显现称为初次来压（老顶平衡结构第一次失稳而施加给工作面老顶平衡结构第一次失稳而施加给工作面以大型压力的过程以大型压力的过程）。）。 初次来压步距初次来压步距第一次来压时，工作面距开切眼第一次来压时，工作面距开切眼 的距离（推进距离）。的距离（推进距离）。二、初次来压时矿压显现特点：二、初次来压时矿压显现特点： 1 1、来压前，顶板压力无明显增大；、来压前，顶板压力无明显增大； 2 2、煤壁内部支承压力增高，煤壁片帮严重；、煤壁内部支承压力增高，煤壁片帮严重； 3 3、顶板有板炮
4、声响；、顶板有板炮声响； 4 4、顶板下沉速度急剧增加，由、顶板下沉速度急剧增加，由1mm/h 1mm/h 到到5 520mm/h20mm/h； 5 5、支柱载荷急剧增加；支柱载荷急剧增加； 6 6、顶板出现切断（直接顶沿煤壁切断）。、顶板出现切断（直接顶沿煤壁切断）。三、三、预防措施：预防措施： 初次来压前无明显征兆，工作面顶板压力不大，致使支初次来压前无明显征兆，工作面顶板压力不大，致使支架稳定性差，来压猛，易造成顶板事故。架稳定性差，来压猛，易造成顶板事故。 1 1、增大支撑力、增大支撑力 2 2、增加稳定性、增加稳定性 3 3、加强矿压观测及地质、开采资料、加强矿压观测及地质、开采资料
5、 4 4、加强日常支护质量管理。、加强日常支护质量管理。四、四、来压条件：来压条件： 1 1、有老顶存在；、有老顶存在； 2 2、直接顶垮落后不能充填满采空区。、直接顶垮落后不能充填满采空区。五、五、初次来压步距和来压强度影响因素初次来压步距和来压强度影响因素 1 1、老顶的力学性质、厚度、破断岩块之间的相互咬合情、老顶的力学性质、厚度、破断岩块之间的相互咬合情况；况； 2 2、地质构造。、地质构造。第三节第三节 老顶周期来压老顶周期来压一、周期来压的形成：一、周期来压的形成： 初次来压初次来压老顶悬顶跨度增大老顶悬顶跨度增大老顶断裂老顶断裂平衡结构平衡结构失稳失稳周期来压。周期来压。 周期来
6、压周期来压老顶平衡结构周期性失稳而施加给工老顶平衡结构周期性失稳而施加给工作面以大型压力的过程。作面以大型压力的过程。 周期来压步距周期来压步距两次来压期间工作面推进距离。两次来压期间工作面推进距离。 （周期来压步距（周期来压步距 = 1/2 = 1/2 初次来压步距）初次来压步距）二、周期来压时的矿压显现：二、周期来压时的矿压显现： 1 1、顶板下沉量急剧增加；、顶板下沉量急剧增加； 2 2、支柱载荷普遍增加；、支柱载荷普遍增加； 3 3、煤壁片帮严重；、煤壁片帮严重； 4 4、当支撑力不足时，工作面回出现台阶下沉；、当支撑力不足时，工作面回出现台阶下沉； 5 5、如果支护参数选择不合理，会
7、发生冒顶、切顶。、如果支护参数选择不合理，会发生冒顶、切顶。 （周期来压显现一般较初次来压时有所缓和）（周期来压显现一般较初次来压时有所缓和）三、预防措施：三、预防措施： 同初次来压，同时加强统计观测。 煤（矿）层采出后，在围岩应力重新分布的范围内，煤（矿）层采出后，在围岩应力重新分布的范围内，作用在煤（岩）层和矸石上的垂直压力。作用在煤（岩）层和矸石上的垂直压力。 支承压力来源于重量。支承压力来源于重量。 支承压力分布范围将包括高于和低于原岩应力的整个支承压力分布范围将包括高于和低于原岩应力的整个区域。区域。 在单一自重应力场条件下在单一自重应力场条件下, ,若煤（岩）层水平赋存，若煤（岩）
8、层水平赋存，则其支承压力的分布见图则其支承压力的分布见图4.14.1所示：所示：第四节 采场围岩支承压压力分布规律一、支承压力及一、支承压力及基本概念上覆岩层运动状态与支承压力分布上覆岩层运动状态与支承压力分布ss3s2s1L3=L4=.=LnL2L1m4m3m1m2s1ss3s2s1L3=L4=.=LnL2L1m4m3m1m2s11 1）支承压力大小表达式）支承压力大小表达式直接覆盖岩梁的单位重量 直接覆盖岩梁悬跨度部分传递至该处的作用力 niniixiiiiiyCLmm11niiim1来源来源2 2）支承压力与支承压力显现的关系）支承压力与支承压力显现的关系 支承压力的存在是绝对的。支承压
9、力的显现是支承压力的存在是绝对的。支承压力的显现是支承压力作用的结果，就其显现的形式和程度而支承压力作用的结果，就其显现的形式和程度而言，则是相对的，有条件的。言，则是相对的，有条件的。 4.1.2 4.1.2 采场支承压力分布的基本规律采场支承压力分布的基本规律 在工作面中部沿走向作一剖面，（如图在工作面中部沿走向作一剖面，（如图4.24.2所示）。其所示）。其分布的基本规律：分布的基本规律： 回采工作面前后方支承压力的分布回采工作面前后方支承压力的分布可分为四个区域，可分为四个区域， 即工作面前方的原岩应力区（即工作面前方的原岩应力区（A A ）、应力增高区（）、应力增高区（B B ）、）
10、、工作面后方的应力降低区（工作面后方的应力降低区（C C ）和应力稳定区（）和应力稳定区（D D ）。）。ABCDK HHH 在工作面采空区沿倾斜作一剖面，（如图在工作面采空区沿倾斜作一剖面，（如图4.34.3所示）其分布的基本规律：所示）其分布的基本规律： 即在采空区存在应力降低区即在采空区存在应力降低区C C ，煤柱上存在高应，煤柱上存在高应力区力区B2 B2 ，以及上一个工作面采空区的压力稳定区，以及上一个工作面采空区的压力稳定区D D 。AB1CB2CDHHHK1HK2HA原岩应力区；B1、B2应力增高区；C应力降低区； D应力稳定区影响因素影响因素 原岩应力、采空区的形状和尺寸原岩应
11、力、采空区的形状和尺寸、采空区上采空区上覆岩层的性质及动态、煤柱的强度及其周围采动覆岩层的性质及动态、煤柱的强度及其周围采动状况以及煤层的开采厚度等。状况以及煤层的开采厚度等。 图图4.2 4.2 采煤工作面前后方的应力分布采煤工作面前后方的应力分布ABCDK HHH工作面前方应力变化区；工作面前方应力变化区；工作面控顶区；工作面控顶区；垮落岩石松散区；垮落岩石松散区； 垮落岩石逐渐压缩区；垮落岩石逐渐压缩区；垮落岩石压实区；垮落岩石压实区；A A原岩应力区；原岩应力区；B B应力增高区；应力增高区；C C应力降低区；应力降低区；D D应力稳定区应力稳定区图图4.3 4.3 已采区及其已采区及
12、其两侧煤柱的应力分布两侧煤柱的应力分布AB1CB2CDHHHK1HK2HA原岩应力区；B1、B2应力增高区；C应力降低区； D应力稳定区两侧煤柱的应力分布两侧煤柱的应力分布图4.6 正常推进阶段支承压力分布 （a）（b）正常推进阶段支承压力分布图4.6正常推进阶段支承压力分布 123b（c）21bacc（d）岩梁端部断裂前夕 岩梁断裂结束时 x x第四节第四节 顶板压力的估算顶板压力的估算 顶板压力是工作面支护设计的一个重要参数。顶板压力是工作面支护设计的一个重要参数。一、估算法：一、估算法： 1 1、经验估算法、经验估算法 ： 实质实质以直接顶沿煤壁断裂、老顶平衡结构失稳时最不 利状态作为顶
13、板压力估算的依据（最大可能载荷）。 1 1）直接顶载荷）直接顶载荷 ： LhLhQ11hq11q 2）老顶载荷）老顶载荷 ： （按直接顶载荷的倍数估算） 经大量观测，最大压力时也不超过平时的2倍。 故： 因 且 所以有： 即： 顶板压力相当于 48 倍采高岩柱重量。hhnqqp2212q1pKMh5 . 125. 1pKMKMpp42212Mp842、从老顶结构平衡关系估算：、从老顶结构平衡关系估算： 实质：实质：直接顶载荷全部由支架承担，老顶载荷仅当老 顶结构失稳时产生。（失稳：滑落失落、变形失稳） 1）滑落失稳估算：）滑落失稳估算： 老顶载荷 = 两岩块重量 - 咬合处摩擦力 tan200
14、HQLQFiiBA2 2）变形失稳估算：）变形失稳估算： 支撑力与顶板下沉量为双曲线关系： 即：即：式中：式中： 实测顶板下沉量；实测顶板下沉量； 要求控制顶板的下沉量；要求控制顶板的下沉量； 顶板下沉量为顶板下沉量为 时，老顶的作用力。时，老顶的作用力。 PhEiPih0h0K实测要求00hKhPiEiTTEEELKLmK000hhKPiEi0hih0K0hTLELEmE （承载系数）3 3、威尔逊估算法：、威尔逊估算法： 实质实质 只估算只估算 直接顶载荷，直接顶载荷， 载荷与支撑载荷与支撑 力不同线，力不同线， 从而有附加载荷从而有附加载荷 。 的大小受直接顶垮落角的影响。的大小受直接顶
15、垮落角的影响。 所需支撑力所需支撑力 P P 依据直接顶形状，按照力系平衡求出。依据直接顶形状，按照力系平衡求出。二、实测法二、实测法 3Q3Q第五节第五节 影响采场矿山压力显现的主要因素影响采场矿山压力显现的主要因素一、采高与控顶距：一、采高与控顶距： 图中：图中： LL控顶距控顶距 SoSo顶板最终下沉量顶板最终下沉量 S SL L控顶范围内最大下沉量控顶范围内最大下沉量 Lo Lo 弯曲老顶前后最大曲率点间距弯曲老顶前后最大曲率点间距 有：有： 且：且：00Khhms00LsLsL故有：因为 故： 即： 其中 0000LLKhhmLLssL1PKmhLmLKKLLKmKKmmsppPL0
16、000111111LmLKKKsppL0011LmsL0011LKKKpp 由由 （硬岩取小，软岩取大）（硬岩取小，软岩取大） 顶板下沉量与采高、控顶距成正比；顶板下沉量与采高、控顶距成正比； 采高增大，上覆岩层活动范围大，不易形成平衡结构；采高增大，上覆岩层活动范围大，不易形成平衡结构； 采高增大，煤壁不稳定，矿压显现严重；采高增大，煤壁不稳定，矿压显现严重； 控顶距增大，顶板稳定性差。控顶距增大，顶板稳定性差。二、工作面推进速度及工序：二、工作面推进速度及工序： 1 1、 推进速度影响推进速度影响 = = 时间对顶板下沉（变形）的影响。时间对顶板下沉（变形）的影响。 加快推进速度加快推进速
17、度 减少控顶时间减少控顶时间 减少无工序下减少无工序下沉量。沉量。 对破碎顶板，加快推进速度，可改善顶板状况。对破碎顶板，加快推进速度，可改善顶板状况。LmsL05. 0025. 0 2 2、工序影响：、工序影响：落煤引起顶板下沉速度增加；落煤引起顶板下沉速度增加； 放炮影响范围：上、下放炮影响范围：上、下15m15m，剧烈区上、下剧烈区上、下5m5m放顶引起顶板下沉速度增加；放顶引起顶板下沉速度增加； 影响范围：上影响范围：上20m20m下下10m10m 剧烈范围：上剧烈范围：上15m15m下下5m5m落煤、放顶落煤、放顶改变顶板支改变顶板支 撑条件，顶板移动加强。撑条件，顶板移动加强。 注
18、意：注意： 加快推进速度，不能减弱工序对顶板下沉的影响（加快推进速度，不能减弱工序对顶板下沉的影响（“甩甩”掉矿掉矿压）。压）。 当顶板比较破碎时，加快推进速度可改善顶板状态。当顶板比较破碎时，加快推进速度可改善顶板状态。 落煤、放顶两工序要相距落煤、放顶两工序要相距1015m1015m以上。以上。三、采深：三、采深： 片帮几率片帮几率 HHKH HHKH 塑性增强，变形塑性增强，变形 支架载荷支架载荷 弹性能弹性能 采深对巷道影响很大，对回采工作面影响不明显。采深对巷道影响很大，对回采工作面影响不明显。 原因：原因：巷道位于高应力场内，围岩承受高应力作用，变形增大。巷道位于高应力场内，围岩承
19、受高应力作用，变形增大。工作面顶板在上覆岩层平衡结构保护之下，受力变化不大。工作面顶板在上覆岩层平衡结构保护之下，受力变化不大。四、倾角：四、倾角： 垂直层面应力垂直层面应力 冒落矸石充填方式改变矿压规律；冒落矸石充填方式改变矿压规律； 影响顶板影响顶板“三带三带”形态；形态； 俯斜开采时容易形成平衡结构。俯斜开采时容易形成平衡结构。 顶板下沉量顶板下沉量支柱载荷支柱载荷五、分层（网下）开采矿压显现：五、分层（网下）开采矿压显现： 顶板已遭受一次破坏顶板已遭受一次破坏 1 1、分层顶板特点、分层顶板特点 再生顶板碎胀系数减小再生顶板碎胀系数减小 平衡结构内老顶岩块跨度小平衡结构内老顶岩块跨度小
20、 顶板下沉量增大顶板下沉量增大 2 2、矿压显现特点、矿压显现特点 支架载荷减小（动载荷小）支架载荷减小（动载荷小） 老顶来压步距小、强度低老顶来压步距小、强度低 六、放顶煤开采矿压显现：六、放顶煤开采矿压显现： 1 1、放顶煤开采影响本质、放顶煤开采影响本质采高大、厚煤顶。采高大、厚煤顶。 2 2、矿压显现特点（据唐山矿观测）：、矿压显现特点（据唐山矿观测）： 前方支承压力峰值高、距工作面远（前方支承压力峰值高、距工作面远（16241624米）；米）； （采高大，顶板活动范围大，平衡结构高远）（采高大，顶板活动范围大，平衡结构高远） 顶、底板相对移近量大（顶、底板相对移近量大（4.4m4.4m处达处达1.2m1.2m）；）； （采高大，老顶移动倾斜度大，顶板移动量大）（采高大，老顶移动倾斜度大，顶板移动量大） 顶煤在煤壁前方较远处开始较大位移（垂直、水平）；顶煤在煤壁前方较远处开始较大位移（垂直、水平）； （煤体受压，产生塑性变形，垂直缩，水平伸）（煤体受压，产生塑性变形，垂直缩，水平伸） 支架载荷、周期来压强度较小。支架载荷、周期来压强度较小。 （支架顶部煤体起到缓冲作用）（支架顶部煤体起到缓冲作用）