(3.2.3)-3.2.3采场矿压及控制-上

与清洁利用煤炭智能开采MEIKUANGKAICAI&QINGJIELIYONGGAILUN采场矿压及控制MEIKUANGKAICAI&QINGJIELIYONGGAILUN根据岩石性质，把煤层顶部岩层分为直接顶和基本顶。一般把直接顶分为3类：（1）一类直接顶（不稳定）。回采时不及时支护，很易造成局部冒顶，如泥岩、煤皮、再生顶板等。（2）二类直接顶（中等稳定）。顶板虽有裂隙，但仍比较完整，如砂质页岩。（3）三类直接顶（稳定）。顶板允许悬露较大面积而不垮落，直接顶完整，如砂岩或坚硬的砂质页岩。一般根据工作面初次、周期来压、初次来压步距，把基本顶分为4类：（1）Ⅰ类基本顶。初次和周期来压不明显，来压时缓和无冲击。来压的大小相当于或小于6~8倍采高的顶板岩层重量。初次来压步距小于25m。（2）Ⅱ类基本顶。初次和周期来压很明显，来压的大小相当8~12倍采高的顶板岩层重量，初次来步距25~50m。（3）Ⅲ类基本顶。初次和周期来压强烈，来压的大小相当于12~14倍采高的顶板岩层重量。初次来压步距25~50m。（4）IV类基本顶。平时顶板无压力，采空区悬露面积达几千甚至上万平方米不垮落，初次和周期来压时，顶板垮落常形成狂风、巨响。初次来压步距大于50m，甚至可达100~150m。这种顶板多为极坚硬的厚砂岩或砾岩。一、采场矿压显现规律采场矿压是指采煤工作面在回采过程中工作面煤壁及支架所受的压力。主要包括支承压力、初次来压、周期来压等。α—开切眼宽度；Q—开切眼上部岩体重量；H—煤层距地面深度；γ—上覆岩层的视密度图1煤体内开掘开切眼后应力重新分布一、采场矿压显现规律当煤体未采动前，煤体内的应力处于平衡状态，煤体上所受的力为上覆岩层的重量γH。在煤体内开掘开切眼后，破坏了应力的平衡状态，引起应力重新分布，如图1所示。这时在开切眼上部顶板内形成了自然平衡“压力拱”。开切眼上部岩体重量Q由两侧煤壁平均分担。因此，在开切眼两帮煤体中，产生了应力集中现象，这种集中应力称为支承压力。它的大小为原始应力γH的1.25~2.5倍，最大值可为原始应力的2~4倍或更大。1.支承压力的形成（一）支承压力一、采场矿压显现规律由于“压力拱”的存在，开切眼处于减压状态。随着工作面推进，“压力拱”破坏而消失，在工作面前方的煤体中，同样产生支承压力，其范围自工作面前方2~3m起直至10~45m,有时可达近100m，最大支承压力区距煤壁5~15m；在工作面后方，当采空区充填物压实到一定程度后，也产生支承压力。在顶板岩层中，前后两个支承压力形成压力拱，随工作面推进而移动，即移动支撑压力，如图2所示。从图2中可看出，在工作面前方煤体中和工作面后方的采空区内，根据压力分布不同可分为3个区：①增压（支承压力）区，它的应力大于原始应力；②减压区，它的应力小于原始应力；③稳压区，它的应力等于原始应力。一、采场矿压显现规律α—增压区；b—减压区；c、c′—稳压区图2工作面围岩应力分布一、采场矿压显现规律支承压力的大小及其分布与顶板悬露的面积和时间、开采深度、采空区充填程度、顶板岩性、煤层软硬有关。采空区顶板悬露面积越大，时间越长，顶板压力就越大，而支承压力的分布范围和集中程度越大。开采深度越大，悬露顶板的重量越大，支承压力也越大。2.影响支承压力的因素一、采场矿压显现规律采空区充填程度越密实，煤璧内支承压力越小。例如采用全部充填时，上部顶板下沉后，很快就会被充填物支撑，这时悬露顶板岩层的重量转移到周围煤体上的压力就小。因此，采用全部充填法处理采空区比采用全部垮落法处理采空区时，煤壁内的支承压力分布范围和大小要小得多。顶板岩层越坚硬，顶板压力分布越均匀，支承压力的集中程度就比较小。例如，砂岩顶板，支承压力的影响范围可达到工作面前方100m左右；泥质页岩顶板，支承压力的影响范围不到30~40m。2.影响支承压力的因素一、采场矿压显现规律若顶板的裂隙发育，则支承压力比较集中，影响范围也较小。顶板岩层坚硬，支承压力影响范围大，但集中程度小。煤层坚硬，支承压力比较集中，影响范围较小；反之，煤质松软，变形和破坏程度越大，则支承压力分布范围越大，集中程度越低。2.影响支承压力的因素一、采场矿压显现规律在支承压力的作用下，工作面前方尚未悬露的顶板已经开始下沉。当顶板比较坚硬，煤层较厚或较软时，顶板下沉量较大。3.支承压力显现规律由于顶板预先下沉，可能产生裂隙，因而增加了工作面和工作面前方区段平巷的压力。在支承压力作用下，工作面的煤壁产生变形破坏，导致煤璧破碎、片帮；破碎范围与煤质硬度和支承压力大小有关，一般为1~3m。工作面前方煤壁内支承压力的峰值向煤壁内转移，增压区（支承压力区）斜向煤壁里面（图2中的ɑ），减压区扩大，稳压区向煤璧里面转移。一、采场矿压显现规律当顶、底板均为厚而坚硬的岩层，煤质很坚硬，开采深度又较大，形成很大的支承压力时，就可能产生冲击地压。当大规模的冲击地压发生时，可能抛出大量碎煤、冲倒支架、压垮煤柱、顶板大量垮落，造成暴风袭击或巨大震动，有时还会波及地面，影响范围达几公里。3.支承压力显现规律综上所述，生产中必须重视支承压力的作用和影响，在开采自然条件不能改变的情况下，从开采技术上，应尽量设法减轻支承压力集中程度，除上述措施外，还可采取加快工作面推进速度，减少顶板悬露时间；缩小控顶距，减小支承压力等措施。一、采场矿压显现规律工作面从开切眼向前推进，顶板悬露面积随之扩大，直接顶垮落充填采空区，基本顶仍完整地支撑在两帮煤壁上，形成简支板梁结构。当板梁跨度随着工作面推进增大到一定的范围时，如图3所示的L1，由于基本顶的自重和上覆岩层的作用，基本顶断裂垮落。这时，工作面已不再处于基本顶掩护之下，顶板迅速下沉而破碎。通常把基本顶第一次大面积垮落称为初次垮落。由于基本顶初次垮落，使工作面压力增大，故称为初次来压。（二）工作面初次来压一、采场矿压显现规律图3基本定初次垮落（二）工作面初次来压一、采场矿压显现规律（二）工作面初次来压初次来压的特点是：工作面顶板下沉量和下沉速度急增，甚至出现台阶式下沉；顶板破碎；甚至出现沿煤壁平行的裂隙，有时发出巨大的断裂声；支架受力增加，采空区掉块；煤壁严重片帮。一、采场矿压显现规律（三）工作面周期来压图4基本顶周期垮落（来压）示意图基本顶初次垮落后，基本顶由简支板梁变为悬臂梁结构，如图4所示。上覆岩层的重量主要由基本顶悬臂梁传给煤壁，部分由垮落的矸石承担。一、采场矿压显现规律（三）工作面周期来压当工作面推进到一定的距离，基本顶悬臂长达图4所示的L2时，在自重和上覆岩层的作用下，又会产生断裂垮落，这时同样会给工作面带来增压现象。当工作面再继续推进，这部分垮落的基本顶被甩入采空区，工作面又处于基本顶悬梁掩护之下，恢复到前述的状态。随工作面的推进，基本顶的垮落与工作面增压现象重复出现。这种垮落与来压随工作面推进而周期性出现的现象，称为基本顶周期垮落和周期来压。两次周期来压之间的距离称为周期垮落（来压）步距。在同一采煤工作面内，周期来压步距一般是初次来压步距的1/2~1/4倍。一、采场矿压显现规律（四）顶板破坏与岩层结构在工作面推进过程中，采空区不断扩大，上覆岩层移动而破坏。上覆岩层沿竖直方向自下而上可分为三带：垮落带、裂隙带、弯曲下沉带，如图5所示。1—垮落带；2—裂隙带；3—弯曲下沉带图5岩层移动示意图一、采场矿压显现规律易垮落的直接顶不规则垮落，碎胀的岩块将填满采空区，形成垮落带，支撑基本顶。1.垮落带根据采高M，可按照下式估算直接顶的垮落高度h：式中h—直接顶的垮落高度，m；

M—采高，m；

k—顶板岩层碎胀系数（一般为1.3~1.5）一、采场矿压显现规律在上覆岩层的压力作用下，垮落的岩块逐渐压实。因此，上覆岩层也随之逐步弯曲下沉，成段折断或产生许多裂隙，但尚未垮落仍整齐排列，形成裂隙带。2.裂隙带图5岩层移动示意图裂隙带岩层在水平方向上又可划分为3个区，如图5（c）所示。A区：从工作面前方30~40m开始到工作面后方2~4m，该区内顶板变形特点是水平位移大，垂直位移微小，甚至有些情况下，顶板还会有上升现象，称煤壁支撑区。一、采场矿压显现规律在上覆岩层的压力作用下，垮落的岩块逐渐压实。因此，上覆岩层也随之逐步弯曲下沉，成段折断或产生许多裂隙，但尚未垮落仍整齐排列，形成裂隙带。2.裂隙带图5岩层移动示意图裂隙带岩层在水平方向上又可划分为3个区，如图5（c）所示。B区：从工作面后方2~4m至30m左右，顶板破断，各岩层之间产生离层，称为离层区。一、采场矿压显现规律在上覆岩层的压力作用下，垮落的岩块逐渐压实。因此，上覆岩层也随之逐步弯曲下沉，成段折断或产生许多裂隙，但尚未垮落仍整齐排列，形成裂隙带。2.裂隙带图5