1、采煤工作面礦山壓力基本規(guī)律第1頁/共41頁自重應(yīng)力第2頁/共41頁 （一）自重應(yīng)力1=2=3 =1 =/1- max=(1-2)/2泊松比：在材料的比例極限中，由均勻分布的縱向應(yīng)力橫向應(yīng)變與相應(yīng)的縱向應(yīng)變之比的絕對(duì)值。越大越大 硬巖大 ，軟巖小當(dāng)=0.5時(shí)有1=2=3=，形成所謂的靜水壓力狀態(tài)，即巖體深部的 原巖垂直應(yīng)力與其上覆巖層重量成正比，側(cè)向應(yīng)力大致與垂直應(yīng)力相等。第3頁/共41頁（二）構(gòu)造應(yīng)力 特點(diǎn)：（1）構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，并以壓應(yīng)力為主。（2）在構(gòu)造應(yīng)力場中，主應(yīng)力的大小和方向可能有很大的變化；兩個(gè)方向的水平應(yīng)力值（2和3）通常不相等。（3）水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，即 （4）構(gòu)造

2、應(yīng)力在堅(jiān)硬巖石中出現(xiàn)一般比較普遍。第4頁/共41頁三、礦山壓力顯現(xiàn) 在礦山壓力作用下，圍巖和支架所表現(xiàn)出來的力學(xué)宏觀現(xiàn)象，如圍巖變形，離層，破壞和冒落，支架受力變化和折損，煤（巖）突出，充填物產(chǎn)生壓縮和地面塌陷等，稱為礦山壓力顯現(xiàn)，簡稱礦壓顯現(xiàn)。 采煤工作面礦壓顯現(xiàn)的主要形式：工作面頂板下沉、支架變形與折損、頂板破碎或大面積冒落、煤壁片幫、支柱插入底板、底板膨脹鼓起等。 把所有人為的調(diào)節(jié)、改變和利用礦山壓力的各種技術(shù)措施，叫做礦山壓力控制，簡稱礦壓控制。第5頁/共41頁第二節(jié)第二節(jié) 采煤工作面圍巖移動(dòng)特征采煤工作面圍巖移動(dòng)特征 采煤工作面上方的巖層頂板 下方的巖層底板頂板分類：偽頂：位于煤層之

3、上隨采隨落的極不穩(wěn)定巖層，厚度 一般0.30.5m以下；直接頂：位于偽頂或直接位于煤層之上，具有一定穩(wěn) 定性，隨移架或回柱放頂后能自行垮落的巖 層；基本頂：位于直接頂或煤層之上，厚而堅(jiān)硬難垮落的 巖層。第6頁/共41頁1、基本頂；2、直接頂；3、偽頂；4、煤層；5、底板巖層煤層頂?shù)装鍘r層第7頁/共41頁一、 直接頂初次垮落 采煤工作面自切眼推進(jìn)一段距離后，直接頂懸露達(dá)到一定跨度，就要對(duì)采空區(qū)頂板進(jìn)行初次放頂，使直接頂垮落下來，這一過程稱作直接頂?shù)某醮慰迓洹?直接頂初次垮落的跨距稱為初次垮落距。初次跨落距的大小取決于直接頂巖層的強(qiáng)度、分層厚度和直接頂內(nèi)節(jié)理裂隙的發(fā)育程度等，一般為6 612m12

4、m。由于巖層破碎后體積將產(chǎn)生碎脹，直接頂垮落后堆積的高度要大于原來的厚度。 K Kp p=V/V =V/V 式中： K Kp p碎脹系數(shù) ， V V 跨落巖層原來的體積 VV破碎后的體積第8頁/共41頁 第9頁/共41頁 mKP-1 第10頁/共41頁二、基本頂?shù)某醮慰迓洌ㄒ唬┗卷敵醮慰迓淝皫r層結(jié)構(gòu) 若00，隨直接頂初次垮落，基本頂在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)懸露狀態(tài)，此時(shí)可將基本頂視為一邊由采煤工作面煤壁支承，另外三邊由煤柱支承的一個(gè)“板”的結(jié)構(gòu)。但由于基本頂在采煤工作面方向上的長度遠(yuǎn)大于推進(jìn)方向長度，可將其視為一端由采煤工作面煤壁支承，一端由煤柱支承的兩端支撐的梁結(jié)構(gòu)。 若上覆巖層的強(qiáng)度低于基本頂?shù)?/p>

5、強(qiáng)度時(shí)，則上浮巖層的重量將通過梁傳遞至采煤工作面煤壁和后方煤柱上。第11頁/共41頁第12頁/共41頁（三）基本頂初次垮落步距確定 基本頂初次垮落時(shí)，其最大懸露跨度L初稱為基本頂初次垮落步距。1、一般情況下，視基本頂為兩端固定梁第13頁/共41頁 極限垮距（只考慮按彎距計(jì)算） L初：2、淺部煤層情況下，近似視基本頂為簡支梁 極限垮距L初：第14頁/共41頁基本頂斷裂后的平衡拱結(jié)構(gòu) 基本頂巖梁達(dá)到極限跨距斷裂后，并不一定立即垮落，斷裂巖塊間由于回旋形成擠壓，能形成平衡拱式的結(jié)構(gòu)。第15頁/共41頁基本頂斷裂后的形成平衡拱結(jié)構(gòu)條件1、咬合點(diǎn)處形成的壓應(yīng)力應(yīng)小于巖塊的抗壓強(qiáng)度。巖石將破壞。2、在擠壓

6、過程中要求巖石具有一定的厚度，從而保證b鉸點(diǎn)在a、c鉸接點(diǎn)連接之上，才能形成三角拱式的平衡。3、拱兩端點(diǎn)支座處，巖塊與煤壁的摩擦力要大于支座反力，即fFfF。第16頁/共41頁三、基本頂?shù)闹芷趤韷海ㄒ唬┗卷攣韷呵暗臓顟B(tài) 基本頂初次垮落后，隨著采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)，工作面上方的基本頂巖層由兩端固定梁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閼冶哿籂顟B(tài)。如圖所示：第17頁/共41頁 當(dāng)采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)，基本頂懸掛臂跨度達(dá)到極限跨度時(shí)，基本頂在其自重及上覆巖層載荷的作用下，將沿采煤工作面煤壁甚至煤壁之內(nèi)發(fā)生折斷和垮落。 隨著采煤工作面的推進(jìn)，基本頂這種“穩(wěn)定失穩(wěn)再穩(wěn)定”現(xiàn)象，將周而復(fù)始地出現(xiàn)，使采煤工作面礦山壓力周期性明顯增大。

7、這種基本頂?shù)闹芷谛云茢嗍Х€(wěn)對(duì)工作面產(chǎn)生的周期性的來壓顯現(xiàn)，稱為基本頂?shù)闹芷趤韷骸＃ǘ┗卷斨芷趤韷杭暗V壓顯現(xiàn)特征第18頁/共41頁基本頂周期來壓及礦壓顯現(xiàn)特征第19頁/共41頁（三）周期來壓步距的確定 基本頂兩次周期來壓間隔時(shí)間稱為來壓周期。 在來壓周期內(nèi)采煤工作面推進(jìn)的距離稱為周期來壓步距，用L周表示。比較上式，知L周（0.50.25）L初。第20頁/共41頁（四）周期來壓的分析第21頁/共41頁四、工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律 根據(jù)巖層移動(dòng)特征，可將煤層的上覆巖層分為冒落帶()、裂隙帶()、彎曲下沉帶()。如圖所示：第22頁/共41頁 作業(yè)： 1 1、簡述礦山壓力、礦壓顯現(xiàn)的基本概念。 2 2

8、、簡述直接頂?shù)某醮慰迓洹⒒卷數(shù)某醮蝸韷汉椭芷趤韷旱幕靖拍睢５?3頁/共41頁第三節(jié)第三節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律一、采煤工作面支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律 煤層采出后,在圍巖應(yīng)力重新分布的范圍內(nèi),作用在煤層、巖層和矸石上的垂直壓力稱為“支承壓力”。 支承壓力顯現(xiàn)特征可用支承壓力分布范圍、峰值的位置及應(yīng)力集中系數(shù)表示。（一）采煤工作面前后方支承壓力分布 采煤工作面前后方支承壓力分布與采空區(qū)處理方法有關(guān)，對(duì)于采用全部垮落法管理頂板的采煤工作面，其前后方支承壓力分布如下圖所示：第24頁/共41頁第25頁/共41頁采煤工作面前后方支承壓力分布的特點(diǎn) 1、采煤工作面前方煤壁一端支承

9、著工作面上方裂隙帶及其上覆巖層的大部分重量，即工作面前方支承壓力遠(yuǎn)比工作面后方大。 2、由于采煤工作面的推進(jìn)，煤壁和采空區(qū)冒落帶是向前移動(dòng)的，因此工作面前后方支承壓力是移動(dòng)支承壓力。 3、由于裂縫帶形成了以煤壁和采空區(qū)冒落帶為前后支承點(diǎn)的半拱式平衡，所以采煤工作面處于減壓力范圍。第26頁/共41頁 4、采煤工作面前方形成的支承壓力，最大值發(fā)生在工作面中部前方，峰值可達(dá)原巖應(yīng)力的24倍，即應(yīng)力集中系數(shù)K值的變化范圍為2.04.0。前方支承壓力的峰值位置可深入煤體內(nèi)210m，其影響范圍可達(dá)采煤工作面前方90100m。第27頁/共41頁（二）采煤工作面兩側(cè)支承壓力分布 采煤工作面兩側(cè)的支承壓力是指工

10、作面兩側(cè)煤柱或煤體上的支承壓力。第28頁/共41頁 1、采煤工作面兩側(cè)的支承壓力劇烈影響區(qū)并不在煤體的邊緣，而是位于煤體邊緣有一定距離的地帶。 2、采煤工作面兩側(cè)煤體邊緣處于應(yīng)力降低區(qū)，支承壓力低于原巖應(yīng)力。 3、采煤工作面兩側(cè)支承壓力從形成到向煤體深部轉(zhuǎn)移要經(jīng)過一段時(shí)間過程，所以要使沿空掘巷保持穩(wěn)定，必須從時(shí)間上避開未穩(wěn)定的支承壓力作用期。采煤工作面兩側(cè)支承壓力分布規(guī)律第29頁/共41頁二、支承壓力在底板中的傳遞 采煤工作面采動(dòng)后，在工作面四周形成的支承壓力將向煤層底板進(jìn)行傳遞，尤其采煤工作面兩側(cè)支承壓力的傳遞，對(duì)下部煤層開采巷道布置產(chǎn)生重要影響。 底板巖層內(nèi)壓應(yīng)力的大小與煤柱上方的支承壓力

11、成正比。第30頁/共41頁底板巖層中的應(yīng)力分布第31頁/共41頁煤層底板巷道位置選擇（1）巷道與煤層底板的垂直距離不小于一定數(shù)值h。H與圍巖性質(zhì)的關(guān)系見下表。巷道類型巷道類型巖石種類和特性巖石種類和特性合理垂合理垂距距/m/m圍巖穩(wěn)定圍巖穩(wěn)定巷道巷道砂巖、石灰?guī)r、其他堅(jiān)硬巖石砂巖、石灰?guī)r、其他堅(jiān)硬巖石6 6圍巖中等穩(wěn)圍巖中等穩(wěn)定的巷道定的巷道粉砂巖、砂頁巖、中硬鋁土頁巖等粉砂巖、砂頁巖、中硬鋁土頁巖等1010圍巖較松軟圍巖較松軟的巷道的巷道塑性較大的泥質(zhì)頁巖、頁巖、塑性較大的泥質(zhì)頁巖、頁巖、煤質(zhì)頁巖等煤質(zhì)頁巖等15152020第32頁/共41頁煤層底板巷道位置選擇（2）巷道布置在煤柱向底板傳遞

12、力的影響角以外。若巷道布置在煤柱影響角以內(nèi)，即使巷道位于較穩(wěn)定的巖層內(nèi)，也要受到應(yīng)力升高的影響。 為使巷道布置在煤柱影響角以外，巷道離煤柱邊界的水平距離S為： 煤層傾角； 的余角； 煤柱影響角，一般在25255555間。通常支承壓力越大和煤柱尺寸越小，其值越大。第33頁/共41頁煤層底板巷道位置選擇巷道位置選擇示意圖第34頁/共41頁第四節(jié)第四節(jié) 采煤工作面頂板分類采煤工作面頂板分類 科學(xué)的分類可為頂板控制、支架選型、合理確定支護(hù)參數(shù)以及為采空區(qū)處理方法提供依據(jù)。一、直接頂分類 強(qiáng)度指數(shù) D10RcC1C2式中 Rc巖石單向抗壓強(qiáng)度，MPa； C1節(jié)理裂隙影響系數(shù)； C2分層厚度影響系數(shù)。第3

13、5頁/共41頁 類別類別 指標(biāo)指標(biāo) 不穩(wěn)不穩(wěn)定頂板定頂板 中等中等穩(wěn)定頂穩(wěn)定頂板板穩(wěn)定頂穩(wěn)定頂板板堅(jiān)硬頂板堅(jiān)硬頂板主要主要指標(biāo)指標(biāo)強(qiáng)度指數(shù)強(qiáng)度指數(shù) D D303031317070 7171120120 120120 無直接頂。無直接頂。巖層厚度在巖層厚度在2 25m5m以上，以上，606080MPa80MPa，I I和和h h大于大于1m1m的的整體巖層，即整體巖層，即基本頂。基本頂。參考參考指標(biāo)指標(biāo) 直接頂初直接頂初次垮落步距次垮落步距 L/mL/m8 89 91818 191925252525第36頁/共41頁二、基本頂分級(jí) 基本頂來壓強(qiáng)度主要決定于直接頂厚度h h與采高m m的比值N N及基本頂初次來壓步距L L。根據(jù)N N和L L兩個(gè)指標(biāo)，將基本頂分為四級(jí)。分級(jí) 基本頂來壓顯現(xiàn)不明顯 明顯 強(qiáng)烈 非常 強(qiáng)烈指標(biāo)N350.3N35，L25500.350N 0.3，L2550N0.3 L50第37頁/共41頁采煤工作面頂板分類采煤工作面頂板分類頂板分類按相對(duì)位置關(guān)系及移動(dòng)特點(diǎn)劃分偽頂：位于煤層之上，往往