5.矿山压力及其控制(第五章)

1、矿山压力及其控制矿山压力及其控制 主讲：王家臣主讲：王家臣 教授教授 中国矿业大学（北京）中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院资源与安全工程学院第五章第五章 回采工作面矿山压力显现回采工作面矿山压力显现 基本规律基本规律n5.1 矿山压力显现程度的常见指标 n5.2 老顶的初次来压 n5.3 老顶的周期来压 n5.4 顶板压力估算 n5.5 影响回采工作面矿山压力显现的主 要因素 （1）顶板下沉量）顶板下沉量：一般指：一般指煤壁到采空区边缘裸露的顶底煤壁到采空区边缘裸露的顶底板移近量板移近量=H0-H1 有时为了对比，又将顶底有时为了对比，又将顶底板移近量板移近量换算成每米采高每换算成每米采

2、高每米推进度的顶底板移近量，即米推进度的顶底板移近量，即 /L/M（L为控顶距，为控顶距，M为采为采高）。由于底臌量较小，通常高）。由于底臌量较小，通常将将称为顶板下沉量。称为顶板下沉量。H0原顶板原顶板变形后的顶板变形后的顶板变形后的底板变形后的底板H1控顶距控顶距5.1 矿山压力显现程度的常见指标矿山压力显现程度的常见指标 （2）顶板下沉速度）顶板下沉速度：指单位时间内的顶底板移近量，以：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。计算。表示顶板活动的剧烈程度。 （3）支柱变形与折损）支柱变形与折损：随着顶板下沉，回采工作面支柱：随着顶板下沉，回采工作面支柱受载也逐渐增

3、加，一般可以用肉眼观察到柱帽的变形，剧烈受载也逐渐增加，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。时可以观察到支柱的折损。 （4）顶板破碎情况）顶板破碎情况：常常以单位面积中冒落面积所占的：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。百分数来表示，是衡量顶板管理好坏的质量标准。 （5）局部冒顶）局部冒顶：回采工作面顶板形成局部塌落，它影响：回采工作面顶板形成局部塌落，它影响回采工作面正常进行。回采工作面正常进行。5.1 矿山压力显现程度的常见指标矿山压力显现程度的常见指标 （6）工作面顶板沿煤壁切落，或称大面积冒顶）工作面顶板沿煤壁切落，或称大面

4、积冒顶：指回采：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。产生严重影响。 其它还有其它还有：煤壁片帮、支柱插底、底板臌起等一系列矿：煤壁片帮、支柱插底、底板臌起等一系列矿山压力现象。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

5、性。壁及底板岩层的稳定性。5.1 矿山压力显现程度的常见指标矿山压力显现程度的常见指标 （1）三铰拱的概念）三铰拱的概念 三铰拱是结构力学中三铰拱是结构力学中的概念，其基本力学模的概念，其基本力学模型是两个曲杆以铰接相型是两个曲杆以铰接相联，每个曲杆和支座之联，每个曲杆和支座之间也用铰相联而成的结间也用铰相联而成的结构，称三铰拱。只要三构，称三铰拱。只要三个铰不在同一直线上，个铰不在同一直线上，这三铰拱就是几何不变这三铰拱就是几何不变的。见下图。的。见下图。 q5.2 老顶的初次来压老顶的初次来压5.2 老顶的初次来压老顶的初次来压 当老顶岩层达到极限跨距而且断裂时形成三铰拱式平衡当老顶岩层达

6、到极限跨距而且断裂时形成三铰拱式平衡,随着工作面推进，将导致新岩块随着工作面推进，将导致新岩块A的断裂，见上图，形成三的断裂，见上图，形成三块的咬合平衡。随着工作面推进还可能形成四、五块的咬合平衡。随着工作面推进还可能形成四、五不同不同数量岩块的咬合平衡，直至岩块间的咬合关系不能满足平衡数量岩块的咬合平衡，直至岩块间的咬合关系不能满足平衡关系为止。此时，老顶的失稳将对工作面带来严重压力，甚关系为止。此时，老顶的失稳将对工作面带来严重压力，甚至危及生产及人身安全。至危及生产及人身安全。 老顶的初次来压老顶的初次来压：由于老顶的第一次失稳而产生的工作：由于老顶的第一次失稳而产生的工作面顶板来压。面

7、顶板来压。 老顶的初次来压步距老顶的初次来压步距：由开切眼到老顶初次来压时工作：由开切眼到老顶初次来压时工作面的推进距离。面的推进距离。5.2 老顶的初次来压老顶的初次来压 老顶初次来压时对工作面支架受力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。的影响，可以用下图表示。P为支架反为支架反力，力，Q1和和Q2分别为直接顶和老顶的载分别为直接顶和老顶的载荷。荷。 老顶初次来压时，三铰拱平衡已破老顶初次来压时，三铰拱平衡已破坏，因此可简化为上图模型。其中坏，因此可简化为上图模型。其中Rr是是冒落矸石的支承反力。在三铰拱失去平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

8、上方衡后，老顶必然会回转至冒落矸石上方才能借助才能借助Rr力阻止老顶岩块回转。但这力阻止老顶岩块回转。但这过程中，工作面顶板必然下沉，且支架过程中，工作面顶板必然下沉，且支架的工作阻力应等于的工作阻力应等于Q1与与Q2之和。之和。5.2 老顶的初次来压老顶的初次来压 初次来压前，由于上初次来压前，由于上覆岩层结构中有覆岩层结构中有“梁梁”或或“拱拱”式结构存在，因此式结构存在，因此整个采空区周围岩体可视整个采空区周围岩体可视为一个结构系统。这个系为一个结构系统。这个系统的顶部是老顶，四周则统的顶部是老顶，四周则是直接顶加煤柱。回采工是直接顶加煤柱。回采工作面就处在这样的结构系作面就处在这样的结

9、构系统保护之下，其周围的应统保护之下，其周围的应力同样可分为减压区力同样可分为减压区B、增、增压区压区A和稳压区和稳压区C。 5.2 老顶的初次来压老顶的初次来压 回采工作面煤壁上所承受的支承压力将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初次来压步距一般为2035m，个别达，个别达5

10、070m。5.2 老顶的初次来压老顶的初次来压 老顶初次来压后，随着回老顶初次来压后，随着回采工作面的继续推进，老顶岩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块所形成的裂隙体梁将发生一系列变化：系列变化：A岩块由稳定岩块由稳定断断裂裂失稳失稳O岩块稳定岩块稳定断裂断裂失稳。这样随着工作面向前失稳。这样随着工作面向前推进，上覆岩层的结构由稳定推进，上覆岩层的结构由稳定失稳失稳再稳定，周而复始，再稳定，周而复始，其稳定的结构可以称之为裂隙其稳定的结构可以称之为裂隙体梁结构的稳定。体梁结构的稳定。 5.3 老顶的周期来压老顶的周期来压 5.3.1 回采工作面推进对岩体结构的影响回采工作面

11、推进对岩体结构的影响 随着工作面推进，老顶岩层由稳定结构随着工作面推进，老顶岩层由稳定结构不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，由裂隙体梁的平衡中，由裂隙体梁的平衡 ，沿，沿a-a面力平衡，有：面力平衡，有：5.3 老顶的周期来压老顶的周期来压 5.3.2 采场的周期来压采场的周期来压 5.3 老顶的

12、周期来压老顶的周期来压 5.3 老顶的周期来压老顶的周期来压 由于上覆岩层是由几层岩层组成，工作面的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。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平衡起重要作用。若采空

13、区冒落的矸石充满采空区，则可缓解老顶对支架的压力。区，则可缓解老顶对支架的压力。 5.3 老顶的周期来压老顶的周期来压 顶板压力确定是支架选型等重要参数。目前有两种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。方法，一是估算法，另一种是实测法。5.4.1 估算法估算法 设回采工作面的设回采工作面的顶板压力可用如下模顶板压力可用如下模型估算。型估算。Q1、Q2分别分别为直接顶和老顶载荷。为直接顶和老顶载荷。 5.4 顶板压力估算顶板压力估算 5.4 顶板压力估算顶板压力估算 5.4 顶板压力估算顶板压力估算 5.4 顶板压力估算顶板压力估算 5.4 顶板压力估算顶

14、板压力估算 上述估算法，事实上各有其适用条件，例如，根据一般上述估算法，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架主要承担相当于48倍采高岩柱的重量估算，简单实用。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实质并非控制老顶的位移量，事

15、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。阶下沉的地区，则显然使用第三种方法估算比较合适。 5.4 顶板压力估算顶板压力估算 5.4.2 实测法实测法 即从工作面支架上测定其所承受的实际荷载。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

16、下工作面所测得的实际上，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载荷已不仅是顶板压力，而同时包含了支架性能的影响。的影响。5.4 顶板压力估算顶板压力估算 回采工作面的矿山压力显现受多种因素影响：如围岩性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。具体分析。5.5.1 采高与控顶距采高与控顶距 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。采高越大，采出的空间越大，必然导致采场要因素之

17、一。采高越大，采出的空间越大，必然导致采场上覆岩层破坏越严重。某些实测资料表明，在单一煤层或上覆岩层破坏越严重。某些实测资料表明，在单一煤层或厚煤层第一分层开采时，冒落带与裂隙带的总厚度与采高厚煤层第一分层开采时，冒落带与裂隙带的总厚度与采高基本上成正比。基本上成正比。5.5 影响回采工作面矿山压力显现影响回采工作面矿山压力显现的主要因素的主要因素 5.5 影响回采工作面矿山压力显现影响回采工作面矿山压力显现的主要因素的主要因素 从采场支护的小结构必须与围岩形成的大结从采场支护的小结构必须与围岩形成的大结构相适应的观点出发，工作面顶板下沉量也基本构相适应的观点出发，工作面顶板下沉量也基本上满足

18、上式。上满足上式。 当当L为控顶距，为控顶距，L0为移动曲线中由前最大曲为移动曲线中由前最大曲率点到后最大曲率点的距离，率点到后最大曲率点的距离，SL和和S0则分别是则分别是L和和L0范围内的岩层与顶板的下沉量。由近似的三范围内的岩层与顶板的下沉量。由近似的三角关系：角关系：5.5 影响回采工作面矿山压力显现影响回采工作面矿山压力显现的主要因素的主要因素 5.5 影响回采工作面矿山压力显现影响回采工作面矿山压力显现的主要因素的主要因素 5.5 影响回采工作面矿山压力显现影响回采工作面矿山压力显现的主要因素的主要因素 可见回采工作面的顶板下沉量可见回采工作面的顶板下沉量SL正比于采高与工作正比于

19、采高与工作面控顶距。从我国面控顶距。从我国50个工作面的实测情况看，在离煤壁个工作面的实测情况看，在离煤壁4m处的顶板下沉量一般相当于采高的处的顶板下沉量一般相当于采高的1020，即下沉，即下沉系数系数=0.0250.05。 从上述的粗略分析可以得出，采高越高，在同样位从上述的粗略分析可以得出，采高越高，在同样位置老顶可能取得的平衡机率越小。在支承压力作用下，置老顶可能取得的平衡机率越小。在支承压力作用下，煤壁也越易片帮，工作面矿压显现越严重。煤壁也越易片帮，工作面矿压显现越严重。5.5 影响回采工作面矿山压力显现影响回采工作面矿山压力显现的主要因素的主要因素 5.5.2 工作面推进速度工作面

20、推进速度 在几何条件确定后，工作面的顶板下沉量在几何条件确定后，工作面的顶板下沉量S与时间与时间t有有关，一般关，一般tS，见下图。当工作面推进速度大时，顶板，见下图。当工作面推进速度大时，顶板存在的时间较短，所以下沉量较小。但当工作面推进速度存在的时间较短，所以下沉量较小。但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。提高到一定程度后，顶板下沉量的变化将逐渐减小。 从一般分析可知，因为支承压力对煤壁的压裂过程以从一般分析可知，因为支承压力对煤壁的压裂过程以及在采空区的压实过程，均为时间过程，并且上覆岩层破及在采空区的压实过程，均为时间过程，并且上覆岩层破断后，岩块间的相互咬

21、合也经常要经历失稳阶段以及处于断后，岩块间的相互咬合也经常要经历失稳阶段以及处于极限平衡状态。所以，反映在工作面，顶板的下沉也是一极限平衡状态。所以，反映在工作面，顶板的下沉也是一个时间过程。一般的工作面测得的个时间过程。一般的工作面测得的“St”曲线见下图。曲线见下图。5.5 影响回采工作面矿山压力显现影响回采工作面矿山压力显现的主要因素的主要因素 一般说来，只有在原先的工作面推进速度比较缓一般说来，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，才会对工作面顶慢的条件下，加快工作面推进速度，才会对工作面顶板状况有所改善。当工作面推进速度提高到一定程度板状况有所改善。当工作面

22、推进速度提高到一定程度后，顶板的下沉量变化将逐渐减小。因而想把顶板压后，顶板的下沉量变化将逐渐减小。因而想把顶板压力甩掉的企图是不能实现的。力甩掉的企图是不能实现的。 S/mmt/h落煤落煤放顶放顶5.5 影响回采工作面矿山压力显现影响回采工作面矿山压力显现的主要因素的主要因素 5.5.3 开采深度的影响开采深度的影响 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。压力具有影响，但具体影响情况要具体分析

23、。 开采深度对矿山巷道的矿山压力显现比较明显。如在松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，巷道围岩的软岩层中开掘巷道，随着深度增加，巷道围岩的“挤、压、挤、压、臌臌”现象更加严重。但对于回采工作面而言，开采深度对工现象更加严重。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。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。升。5.5 影响回采工作面矿山压力显现影响回采工作面矿山压力显现的主要因素的主要因素 5.5.4 煤层倾角的影响煤层倾角的影响 实际观测表明，煤层倾角对