(5)--4 采场矿山压力显现基本规律.ppt

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矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制主要内容主要内容 4.1概概述述4.2老顶的初次来压老顶的初次来压4.3老顶的周期来压老顶的周期来压4.4顶板压力的估算顶板压力的估算4.5回采工作面前后支承压力分布回采工作面前后支承压力分布4.6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矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制第一节第一节概概述述 煤矿生产过程中，回采工作面常有顶板下沉、顶板破碎、煤矿生产过程中，回采工作面常有顶板下沉、顶板破碎、局部冒顶、大面积冒顶、支柱变形与折损等一系列矿山压力局部冒顶、大面积冒顶、支柱变形与折损等一系列矿山压力现象，这些现象作为现象，这些现象作为衡量矿山压力显现程度的指标衡量矿山压力显现程度的指标一、顶板下沉一、顶板下沉一般指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板一般指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板相对移近量相对移近量工作面顶底板移近曲线工作面顶底板移近曲线1顶板绝对下沉曲线；顶板绝对下沉曲线；2顶底板相对移近量曲线；顶底板相对移近量曲线；3底板鼓起曲线底板鼓起曲线实际测定时常常是在工作面煤壁刚悬露的顶板处设置测杆，实际测定时常常是在工作面煤壁刚悬露的顶板处设置测杆，随着工作面的推进，测得由随着工作面的推进，测得由煤壁到采空区放顶线处的顶底板煤壁到采空区放顶线处的顶底板移近量移近量。一般以。一般以s表示。有时为了对比，常常把这个指标换算表示。有时为了对比，常常把这个指标换算为为单位采高、单位推进度单位采高、单位推进度的顶板下沉量的顶板下沉量即即(L为为控顶距控顶距（工作面支架支护的空间宽度），（工作面支架支护的空间宽度），M为为采高采高)每米采高、每米推进度下沉多少毫米表示每米采高、每米推进度下沉多少毫米表示指单位时间内的顶底板移近量。通常以指单位时间内的顶底板移近量。通常以mmh计算。它计算。它表示顶板活动的剧烈程度表示顶板活动的剧烈程度二、顶板下沉速度二、顶板下沉速度5.006.00常以单位面积中冒落面积所占的百分比常以单位面积中冒落面积所占的百分比来表示顶板破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。碎情况，常用来衡量顶板管理好坏的质量标准之一。三、支柱变形与折损三、支柱变形与折损随着顶板下沉，回采工作面支柱载荷也逐渐增加，一随着顶板下沉，回采工作面支柱载荷也逐渐增加，一般可以用肉眼观察到木柱帽的变形，剧烈时可以观察到般可以用肉眼观察到木柱帽的变形，剧烈时可以观察到支柱的折损。支柱的折损。四、顶板破碎情况四、顶板破碎情况工作面顶板沿煤壁切落工作面顶板沿煤壁切落(或称大面积冒顶或称大面积冒顶)这是指采面由于顶板来压而导致顶板沿工作面切落，这是指采面由于顶板来压而导致顶板沿工作面切落，它常严重影响工作面的生产。它常严重影响工作面的生产。其它矿山压力现象：其它矿山压力现象：煤壁片帮煤壁片帮、支柱钻底支柱钻底、底鼓底鼓等。等。五、局部冒顶五、局部冒顶这是指回采工作面顶板形成局部塌落，影响回采工作这是指回采工作面顶板形成局部塌落，影响回采工作的正常进行。的正常进行。六、工作面顶板沿煤壁切落六、工作面顶板沿煤壁切落回采工作面是一个回采工作面是一个小结构小结构，处于，处于覆岩大结构覆岩大结构之下。之下。“大大结构结构”的变形、失稳直接影响到小结构的状态，同时的变形、失稳直接影响到小结构的状态，同时“大结大结构构”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。层的稳定性。当老顶悬露达到当老顶悬露达到极限跨距极限跨距时，老顶断裂形成时，老顶断裂形成三铰拱式三铰拱式的平衡的平衡，同时发生已破断的岩块，同时发生已破断的岩块回转失稳回转失稳（变形失稳），（变形失稳），有时可能伴随有时可能伴随滑落失稳滑落失稳（顶板的台阶下沉），从而导致（顶板的台阶下沉），从而导致工作面顶板的急剧下沉。此时，工作面支架呈现受力普工作面顶板的急剧下沉。此时，工作面支架呈现受力普遍加大现象，即称为遍加大现象，即称为老顶的初次来压老顶的初次来压第二节第二节老顶的初次来压老顶的初次来压老顶岩层初次破断后，老顶破断岩块回转下沉引起老顶岩层初次破断后，老顶破断岩块回转下沉引起工工作面顶板急剧下沉作面顶板急剧下沉、支架受力普遍加大支架受力普遍加大、煤壁片帮煤壁片帮的现的现象。象。由由开切眼开切眼到初次来压时工作面推进的距离称为老顶的到初次来压时工作面推进的距离称为老顶的初次来压步距初次来压步距。一般情况下，老顶的。一般情况下，老顶的初次来压步距初次来压步距与老与老顶初次断裂的顶初次断裂的极限跨距极限跨距相当。相当。当老顶岩块失稳时，形成了岩块滑落，对工作面安全当老顶岩块失稳时，形成了岩块滑落，对工作面安全造成严重威胁。造成严重威胁。图图4-4老顶岩块滑落失稳的两个实例老顶岩块滑落失稳的两个实例由于支架反力（支撑力）由于支架反力（支撑力）P形成的反力矩难以平衡由形成的反力矩难以平衡由老顶初次来压载荷老顶初次来压载荷Q2所形成的力矩，因而老顶岩块的回所形成的力矩，因而老顶岩块的回转在一定程度上是转在一定程度上是不可避免不可避免，工作面顶板必然随之发生，工作面顶板必然随之发生下沉下沉只有只有当老顶岩块在采空区触当老顶岩块在采空区触矸形成反力后，其回转下沉才会矸形成反力后，其回转下沉才会缓和和停止缓和和停止。为了不使老顶沿工作面切落，为了不使老顶沿工作面切落，支架工作阻力应等于支架工作阻力应等于Q1与与Q2之和之和初次来压前，由于上覆岩层结构中有初次来压前，由于上覆岩层结构中有“梁梁”或或“拱拱”式结构存在，因此整个采空区周围的岩体可以视为一个式结构存在，因此整个采空区周围的岩体可以视为一个结构系统结构系统。这个系统的顶部是老顶岩层，四周则是直接。这个系统的顶部是老顶岩层，四周则是直接顶和煤柱。顶和煤柱。回采工作面就处在回采工作面就处在这样的结构系统保护这样的结构系统保护之下，其四周岩层的之下，其四周岩层的应力分布，沿走向及应力分布，沿走向及倾斜方向分别如图所倾斜方向分别如图所示。示。初次来压前四周围岩支承压力分布状态初次来压前四周围岩支承压力分布状态A增压区；增压区；B减压区；减压区；C稳压区稳压区老顶来压前，回采工作面的老顶来压前，回采工作面的顶板压力并不大顶板压力并不大，但，但煤壁煤壁内的支承压力却达到了最大值内的支承压力却达到了最大值。所以，。所以，煤帮的变形与塌煤帮的变形与塌落落(片帮片帮)，常常是预示工作面顶板来压的一个重要标志。，常常是预示工作面顶板来压的一个重要标志。老顶初次来压比较突然，初次来压时，老顶跨距比较老顶初次来压比较突然，初次来压时，老顶跨距比较大，影响的范围也比较广。大，影响的范围也比较广。初次来压一般要持续初次来压一般要持续23d。由于老顶初次来压对工作。由于老顶初次来压对工作面的影响较大，因此必须掌握初次来压步距的大小，以便及面的影响较大，因此必须掌握初次来压步距的大小，以便及时采取对策。时采取对策。在来压期间在来压期间，必须，必须加强加强支架的支架的支撑力支撑力，尤其要，尤其要加强加强支架的支架的稳定性稳定性。一般可以采用木垛、斜撑、抬棚等特种。一般可以采用木垛、斜撑、抬棚等特种支架加强回采工作空间的支护。支架加强回采工作空间的支护。动载（动压）系数动载（动压）系数：来压时支架载荷来压时支架载荷与与平时支架载荷之平时支架载荷之比比。老顶初次步距越大，工作面来压显现越剧烈，相应的动。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。载系数也越大。大同矿务局坚硬顶板条件下，初次来压前每大同矿务局坚硬顶板条件下，初次来压前每架液压支架仅测得架液压支架仅测得2000kN的载荷，而来压时达到了的载荷，而来压时达到了6000kN，动载系数达到，动载系数达到3以上。以上。老顶初次来压步距是老顶岩层分类的主要依据老顶初次来压步距是老顶岩层分类的主要依据据大量实测资料统计，我国现有的生产工作面中，据大量实测资料统计，我国现有的生产工作面中，初次来压步距为初次来压步距为1030m的约占的约占54%，3055m的约的约占占37.5%，其余为大于，其余为大于55m的情况的情况。有的可达到。有的可达到160m左右，如大同矿务局的砾岩及砂砾岩顶板。左右，如大同矿务局的砾岩及砂砾岩顶板。也存在老顶初次来压步距并不十分大，回采工作也存在老顶初次来压步距并不十分大，回采工作面来压显现却很剧烈，甚至造成工作面支架被压死的面来压显现却很剧烈，甚至造成工作面支架被压死的现象。如现象。如我国神府风积沙浅埋煤层及华东部分矿井在我国神府风积沙浅埋煤层及华东部分矿井在开采浅部煤层时曾遇到这种情况开采浅部煤层时曾遇到这种情况。老顶初次来压后，随着回采工作面的推进，老顶岩层将发老顶初次来压后，随着回采工作面的推进，老顶岩层将发生周期性破断，老顶破断岩块形成生周期性破断，老顶破断岩块形成“砌体梁砌体梁”结构的稳定性结构的稳定性将随之发生周期性变化将随之发生周期性变化一、回采工作面推进对岩体结构的影响一、回采工作面推进对岩体结构的影响第三节第三节老顶的周期来压老顶的周期来压由图中由图中(a)进入进入(b)，A岩块岩块将由将由稳定状态稳定状态进入进入断裂状态断裂状态。此时，结构将进入不稳定状此时，结构将进入不稳定状态。态。形成了形成了A岩块的回转与岩块的回转与B岩块的反向回转。此时岩块的反向回转。此时A岩块的岩块的前咬合点前咬合点O有一向上运动的趋势，这种趋势使有一向上运动的趋势，这种趋势使A岩块前咬合岩块前咬合处的局部范围受拉应力。这种情况很易使处的局部范围受拉应力。这种情况很易使A岩块的岩块的前端点破前端点破碎碎，导致结构的，导致结构的失稳。失稳。当岩块与当岩块与B岩块回转成一体时，如图岩块回转成一体时，如图(c)所示，所示，A、B岩块合为一体岩块合为一体随着回采工作面的继续推进，随着回采工作面的继续推进，A、B岩块又将在下部分岩块又将在下部分开，像开，像B、C岩块间的关系一样，如此反复。随着回采工岩块间的关系一样，如此反复。随着回采工作面的推进，上覆岩层的结构经历了作面的推进，上覆岩层的结构经历了“稳定稳定失稳失稳再再稳定稳定”的过程。由于的过程。由于A岩块的回转，必然导致岩块的回转，必然导致回采工作回采工作面顶板面顶板的不断的不断下沉下沉，支架支架所受的所受的载荷载荷也随之也随之增加增加支架性能必须与周期来压相适应，支架应具备支架性能必须与周期来压相适应，支架应具备:一定的一定的可缩量可缩量;一定的一定的工作阻力工作阻力;P1QABTtan(-)对于冒落带岩层，对于冒落带岩层，T0，P1QA+B,即支柱阻力能承受控即支柱阻力能承受控顶区全部岩层重量顶区全部岩层重量随着回采工作面的推进，在老顶初次来压以后，裂隙带随着回采工作面的推进，在老顶初次来压以后，裂隙带岩层形成的结构将始终经历岩层形成的结构将始终经历“稳定稳定失稳失稳再稳定再稳定”周而周而复始的变化过程。复始的变化过程。老顶岩层的周期性破断而引起老顶岩层的周期性破断而引起“砌体梁砌体梁”结构的结构的周期性周期性失稳失稳而引起的顶板来压现象称为而引起的顶板来压现象称为采场周期来压采场周期来压。周期来压的主要周期来压的主要表现形式表现形式：顶板下沉速度急剧增加，顶板的下沉量变大；顶板下沉速度急剧增加，顶板的下沉量变大；支柱载荷普遍增加；支柱载荷普遍增加；有时还可能引起煤壁片帮、顶板台阶下沉、支柱折有时还可能引起煤壁片帮、顶板台阶下沉、支柱折损，甚至工作面冒顶事故损，甚至工作面冒顶事故二、采场的周期来压二、采场的周期来压周期来压时的力学模型与初次来压时一样，支架必须保周期来压时的力学模型与初次来压时一样，支架必须保证证足够的支撑力足够的支撑力以满足以满足Fy=0，但并不能阻止老顶岩块的，但并不能阻止老顶岩块的回转。支架对老顶岩块所具有的作用力回转。支架对老顶岩块所具有的作用力P1应为应为A、B岩块的岩块的重量再减去重量再减去断裂岩块与未断岩体间的摩擦力断裂岩块与未断岩体间的摩擦力。后者决定于。后者决定于T值，值，T是一个变值（是一个变值（T=0或者右面或者右面0）P1应表达式为应表达式为:根据根据材料力学材料力学：与老顶初次断裂时的极限跨距相比：与老顶初次断裂时的极限跨距相比：两端两端固支固支两端两端简支简支老顶的老顶的周期来压步距周期来压步距相当于相当于初次来压步距初次来压步距的的1/21/2.5老顶周期来压步距老顶周期来压步距可近似按老顶的悬臂梁折断来确定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三、老顶的周期来压步距阜新矿务局高德矿北翼九层一区二段工作面周期来压阜新矿务局高德矿北翼九层一区二段工作面周期来压时的特征。时的特征。该工作面长该工作面长170m，煤厚为，煤厚为3m，老顶为，老顶为4.5m，直接顶为，直接顶为3.5m厚的细砂岩，煤层倾角厚的细砂岩，煤层倾角3235直接顶传递老顶的作用力及支架的支撑力。因此，直接顶传递老顶的作用力及支架的支撑力。因此，保证保证直接顶的完整性对老顶的控制有十分重要的意义直接顶的完整性对老顶的控制有十分重要的意义。但是但是，在老顶来压期间。由于煤壁前方强大的支承，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，不利于直压力，使得直接顶在煤壁前方形成剪切破断，不利于直接顶的管理。接顶的管理。此外此外，来压大小与直接顶在采空区冒落矸石充满采，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。面影响愈小；反之，则越大。四、老顶来压期间的顶板控制四、老顶来压期间的顶板控制老顶来压时老顶控制不当，将导致工作面的垮顶现象老顶来压时老顶控制不当，将导致工作面的垮顶现象永定庄矿永定庄矿8411面垮顶现象面垮顶现象预防老顶来压造成的事故的措施：预防老顶来压造成的事故的措施：来压的预测预报；来压的预测预报；加强支护；加强支护；工作面与开切眼斜交，使老顶悬板呈梯形，根据顶工作面与开切眼斜交，使老顶悬板呈梯形，根据顶板达极限跨度时破断的原理，老顶初次来压的破断将不板达极限跨度时破断的原理，老顶初次来压的破断将不致于造成工作面全面来压，而呈局部来压。让工作面呈致于造成工作面全面来压，而呈局部来压。让工作面呈局部来压。局部来压。梯形悬露顶板梯形悬露顶板的破断形状的破断形状目前，有两种确定顶板压力的办法。目前，有两种确定顶板压力的办法。估算法：估算法：根据现有的矿山压力研究成果，对工作面可根据现有的矿山压力研究成果，对工作面可能出现的顶板压力大小进行估算；能出现的顶板压力大小进行估算；实测法：实测法：根据对大量工作面的实测与统计数据，确定根据对大量工作面的实测与统计数据，确定工作面顶板压力的大小。工作面顶板压力的大小。1、经验估算法、经验估算法按照前述支架承受载荷的原则，可将工作面支架的受按照前述支架承受载荷的原则，可将工作面支架的受力情况进行简化。支架载荷包括两部分：力情况进行简化。支架载荷包括两部分：直接顶的载荷直接顶的载荷Q1；老顶通过直接顶作用于支架的载荷老顶通过直接顶作用于支架的载荷Q2一、估算法一、估算法第四节第四节顶板压力的估算顶板压力的估算（1）直接顶载荷直接顶载荷Q1Q1hL1 (kN/m)式中：式中：h 直接顶厚度；直接顶厚度；L1 悬顶距；悬顶距；容重容重单位面积上载荷单位面积上载荷（支护强度）：（支护强度）：q1=Q1/L当当L1L，q1=h (kPa)（2）老顶载荷老顶载荷Q2采用直接顶载荷的倍数估算老顶的载荷。采用直接顶载荷的倍数估算老顶的载荷。在多数矿井的测定中，一般工作面周期来压时形成在多数矿井的测定中，一般工作面周期来压时形成的载荷不超过平时载荷的两倍。因此可得出下述关系：的载荷不超过平时载荷的两倍。因此可得出下述关系：式中式中:P 考虑直接顶载荷及老顶来压时考虑直接顶载荷及老顶来压时的支护强度，的支护强度，kPa；n 老顶来压与平时压力强度的比老顶来压与平时压力强度的比值，称为值，称为增载系数增载系数，取，取2。取取(M为采高，为采高，K为碎胀系数为碎胀系数)，则，则K值一般取刚破碎时的碎胀系数值一般取刚破碎时的碎胀系数1.251.5。P=2(24)M=(48)M即即顶板压力顶板压力相当于相当于48倍采高倍采高岩柱的重量岩柱的重量在周期来压不明显时应采用低倍数，而在周期来压较在周期来压不明显时应采用低倍数，而在周期来压较剧烈时应采用高倍数加以估算剧烈时应采用高倍数加以估算(悬顶距大于控顶距悬顶距大于控顶距)2、从老顶形成结构的平衡关系估算、从老顶形成结构的平衡关系估算由于老顶岩层能形成结构，因此支架所承受的老顶载由于老顶岩层能形成结构，因此支架所承受的老顶载荷仅是当老顶岩层结构失稳时才能形成。失稳的方式有两荷仅是当老顶岩层结构失稳时才能形成。失稳的方式有两种：种：滑落失稳滑落失稳、变形失稳变形失稳（1）从老顶结构的滑落失稳估算顶板压力从老顶结构的滑落失稳估算顶板压力根据老顶的平衡规律，控制老顶滑落失稳时，作用于根据老顶的平衡规律，控制老顶滑落失稳时，作用于支架上的力支架上的力F为：为：(4-10)式中：式中：QA+B岩块岩块A与与B的重量及其载荷，的重量及其载荷，kN；Li0相当于相当于B岩块岩块(悬露的岩块悬露的岩块)的长度，的长度，m；Qi0相当于相当于B岩块的重量及载荷，岩块的重量及载荷，kN；H 老顶岩层厚度，老顶岩层厚度，m；B岩块的下沉量，岩块的下沉量，m；、岩块的破断角与内摩擦角，岩块的破断角与内摩擦角，()。上式中的上式中的相当于由于岩块回转形成的水平推力相当于由于岩块回转形成的水平推力表示岩块间的摩擦力表示岩块间的摩擦力当水平推力为零时，则悬露岩块的重量在断裂时全部当水平推力为零时，则悬露岩块的重量在断裂时全部变为顶板压力变为顶板压力（2）由老顶结构的变形失稳估算顶板压力由老顶结构的变形失稳估算顶板压力基于老顶的位移量基于老顶的位移量L与对支架形成的载荷与对支架形成的载荷P呈双曲线呈双曲线关系，提出关系，提出PL常数，为此，老顶对支架作用载荷为常数，为此，老顶对支架作用载荷为:h0实测所得回采工作面顶板下沉量，实测所得回采工作面顶板下沉量，m；hi要求控制的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，m；K0顶板下沉量为顶板下沉量为h0时，老顶岩梁在控顶距范围内的作时，老顶岩梁在控顶距范围内的作用力，用力，kN;（3）威尔逊估算法威尔逊估算法鉴于载荷作用力的位置与支架可能形成的最大反力的作鉴于载荷作用力的位置与支架可能形成的最大反力的作用位置不一定一致，从而引出由于用位置不一定一致，从而引出由于支架与围岩支架与围岩相互平衡而产相互平衡而产生的生的附加力附加力的概念，最大反力作用位置引起支架与围岩相互的概念，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其力学模型如图所示平衡而产生的附加力其力学模型如图所示顶板压力顶板压力Q1的作用点变化。整个支架可视为一反作用的作用点变化。整个支架可视为一反作用力力P。由于。由于P与与Q1位置上的差异而形成了附加力位置上的差异而形成了附加力Q3;其关系其关系为为:这种计算法实际上已考虑了这种计算法实际上已考虑了“支架支架-围岩围岩”相互作用而相互作用而导致顶板的作用力导致顶板的作用力。显然，它将随支架架型。显然，它将随支架架型(即即P力的作力的作用位置用位置)及顶板完整状态而变化。因此，及顶板完整状态而变化。因此，Q3是一个不定值是一个不定值从工作面支架上测定其所承受的实际载荷。不仅含顶从工作面支架上测定其所承受的实际载荷。不仅含顶板压力，同时还含有支架性能的影响。板压力，同时还含有支架性能的影响。这些将在第这些将在第5章讨章讨论。论。二、实测法二、实测法开采后的开采后的上覆岩层上覆岩层所形成的结构，由所形成的结构，由“煤壁煤壁已冒落已冒落的矸石的矸石”支撑体系支撑；支撑体系支撑；下位岩层下位岩层可能由可能由“煤壁煤壁工作面工作面支架支架采空区已冒落矸石采空区已冒落矸石”支撑体系支撑。支撑体系支撑。第五节第五节回采工作面前后支承压力的分布回采工作面前后支承压力的分布曲线曲线1：采用：采用刀柱法刀柱法或或刚性支撑采空区刚性支撑采空区曲线曲线2：全部垮落法全部垮落法或或充填采空区充填采空区的办法，则由于上覆的办法，则由于上覆岩层中出现块体咬合的结构，将导致工作面前方支承压力岩层中出现块体咬合的结构，将导致工作面前方支承压力急剧增加，采空区后方则大幅度减小急剧增加，采空区后方则大幅度减小曲线曲线3：工作面采高很大或顶板岩层极为坚硬，有可能：工作面采高很大或顶板岩层极为坚硬，有可能在岩层悬露时，使工作面前方支承压力有所增高在岩层悬露时，使工作面前方支承压力有所增高曲线曲线4：假如深井开采或受岩性影响，致使开采后岩层：假如深井开采或受岩性影响，致使开采后岩层移动并未能波及到地表，移动并未能波及到地表，采空区的支承压力采空区的支承压力有可能恢复不有可能恢复不到到H值值各种采空区支撑条件下工作面前后支承压力分布各种采空区支撑条件下工作面前后支承压力分布前苏联采空区内压力分布如图所示。前苏联采空区内压力分布如图所示。(a)开采第一分层，开采第一分层，采深采深163m(即即H=4070kPa)。工作面长。工作面长120m，测点设在，测点设在工作面推进离开切眼工作面推进离开切眼600m处。处。曲线曲线4是测点处在离风巷是测点处在离风巷20m处。处。在工作面中部离煤壁在工作面中部离煤壁8085m处，冒落矸石所承受的力达到处，冒落矸石所承受的力达到H值，到值，到125m处则达到处则达到1.31H，而后又逐渐恢复到，而后又逐渐恢复到H值。值。图中：图中：曲线曲线1是指测点在靠近运是指测点在靠近运输巷道输巷道10m处；处；曲线曲线2是指测点离运输巷是指测点离运输巷道道30m处；处；曲线曲线3是指测点处于工作是指测点处于工作面的中部；面的中部；图图(b)为为开开采采下下分分层层时时，采采空空区区测测得得的的压压力力变变化化曲曲线线。测测定定条条件件为为：采采深深174m(H=4350kPa)，采采高高2.2m，工工作面长作面长95m。测力计设置在离开切眼。测力计设置在离开切眼320m处。处。1号测力计离运输巷道号测力计离运输巷道5m处，处，2号离运输巷道号离运输巷道20m处，处，3号离运输巷道号离运输巷道45m处处此曲线的特点是稳定较快，此曲线的特点是稳定较快，一般在一般在100m内就已稳定，最内就已稳定，最大值即使在工作面中部也未超大值即使在工作面中部也未超过过H值值鉴于鉴于上覆岩层上覆岩层的结构为的结构为半拱式结构半拱式结构，因此，煤壁一端，因此，煤壁一端几乎支承着回采工作面空间上方悬露岩块的大部分重量，几乎支承着回采工作面空间上方悬露岩块的大部分重量，因而因而煤壁前方支承压力较大煤壁前方支承压力较大，而在，而在采空区后方采空区后方已冒落矸石已冒落矸石只承受其正上方岩层重量，一般只恢复到只承受其正上方岩层重量，一般只恢复到H或稍大一点或稍大一点或稍小一点或稍小一点(如图如图)，比煤壁前方支承压力小得多比煤壁前方支承压力小得多应力不变区应力不变区应力不变区应力不变区（稳压区）（稳压区）（稳压区）（稳压区）应力降低区应力降低区应力降低区应力降低区（减压区）（减压区）（减压区）（减压区）应力增高区应力增高区应力增高区应力增高区（增压区）（增压区）（增压区）（增压区）应力不变区应力不变区应力不变区应力不变区（稳压区）（稳压区）（稳压区）（稳压区）影响采场矿山压力显现的主要因素是影响采场矿山压力显现的主要因素是围岩性质围岩性质，有关，有关围岩的分类将在第五章叙述，此处主要分析围岩的分类将在第五章叙述，此处主要分析采深采深、采高采高、倾角倾角及及推进速度推进速度对工作面矿山压力显现的影响。对工作面矿山压力显现的影响。一、采高与控顶距一、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。在单一煤层或厚煤层第一分层开采时，最重要因素之一。在单一煤层或厚煤层第一分层开采时，冒落带与裂缝带的总厚度与采高基本成正比关系冒落带与裂缝带的总厚度与采高基本成正比关系。采高越。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大，采出的空间越大，必然导致采场上覆岩层破坏严重第六节第六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工作面开采后上覆岩层的下沉曲线按负指数函数：工作面开采后上覆岩层的下沉曲线按负指数函数：工作面支架的支撑力一般不能改变此曲线的性质。因工作面支架的支撑力一般不能改变此曲线的性质。因此从采场支护的此从采场支护的“小结构小结构”必须与覆岩形成的必须与覆岩形成的“大结构大结构”相适应相适应的观点出发，工作面下沉量也将基本上遵循此规律。的观点出发，工作面下沉量也将基本上遵循此规律。上覆岩层移动与工作面空间顶板下沉的关系上覆岩层移动与工作面空间顶板下沉的关系 煤壁支承区的影响角；煤壁支承区的影响角；L0移动曲线中由前最大移动曲线中由前最大曲率点到后最大曲率点的距离；曲率点到后最大曲率点的距离；L控顶距；控顶距；s0和和sL分别是分别是L0和和L范围内的岩层与顶板的下沉量范围内的岩层与顶板的下沉量式中式中：K0指在指在L0处冒落矸石的碎胀系数，一般相当于裂处冒落矸石的碎胀系数，一般相当于裂隙带岩层在采空区与冒落矸石基本接触处的冒落矸石的隙带岩层在采空区与冒落矸石基本接触处的冒落矸石的碎胀系数碎胀系数式中式中KP为冒落矸石未承受压力时的碎胀系数为冒落矸石未承受压力时的碎胀系数令令每米采高、每米推进度的顶板下沉量，称为每米采高、每米推进度的顶板下沉量，称为下沉系数下沉系数工作面顶板下沉量计算公式工作面顶板下沉量计算公式：SLmLSL工作面顶板下沉量；工作面顶板下沉量；下沉系数，一般为下沉系数，一般为0.0250.05；m煤层采高；煤层采高；L控顶距控顶距采高越大或控顶距越大，顶板下沉量相应越大，老顶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结构越不易平衡。因此，采高大的工作面矿压显现也越严重。因此，采高大的工作面矿压显现也越严重。小采高工作面顶板活动缓和，煤壁也较为稳定。小采高工作面顶板活动缓和，煤壁也较为稳定。上述顶板下沉量的估算是从老顶形成结构的形式出发上述顶板下沉量的估算是从老顶形成结构的形式出发估算的，对于回采工作空间的顶板下沉量，估算的，对于回采工作空间的顶板下沉量，若直接顶与老顶若直接顶与老顶之间无任何离层而且直接顶本身也不碎胀，之间无任何离层而且直接顶本身也不碎胀，则上述关系式存则上述关系式存在；否则，工作空间的下沉量将大于上述估算的下沉量在；否则，工作空间的下沉量将大于上述估算的下沉量SL=mL实测表明，顶板下沉量是时间的函数实测表明，顶板下沉量是时间的函数。因而有人认为：。因而有人认为：“既然顶板下沉量与时间有关，若既然顶板下沉量与时间有关，若加快推进速度加快推进速度，缩短工，缩短工作面每个循环的时间，必然可使顶板下沉量减少。这样作面每个循环的时间，必然可使顶板下沉量减少。这样就就能把顶板压力甩掉能把顶板压力甩掉”。落煤与放顶时，顶板下沉最为剧烈。落煤后，增大了落煤与放顶时，顶板下沉最为剧烈。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，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。顶破断岩块进一步回转，从而引起工作面顶板下沉加剧。二、工作面推进速度的影响二、工作面推进速度的影响放顶后放顶后，老顶岩层形成的结构本来由，老顶岩层形成的结构本来由“煤壁工作煤壁工作面支架采空区已冒落的矸石面支架采空区已冒落的矸石”支撑体系所支撑。放顶过支撑体系所支撑。放顶过程就是撤除了靠近采空区一侧的支架支撑力，导致程就是撤除了靠近采空区一侧的支架支撑力，导致“支架支架-围岩围岩”的力学系统发生变化，这种变化将使顶板下沉量的力学系统发生变化，这种变化将使顶板下沉量急剧增加急剧增加放炮对工作面顶板下沉速度的影响放炮对工作面顶板下沉速度的影响P1131放炮经过测点；放炮经过测点；2测点下测点下4m处放炮；处放炮；3测点下测点下10m处放炮处放炮一般放炮的影响范围是沿工作面倾斜方向上下各为一般放炮的影响范围是沿工作面倾斜方向上下各为15m左右，剧左右，剧烈影响范围则为沿倾斜方向上下烈影响范围则为沿倾斜方向上下5m左右。左右。放顶对顶板下沉的影响放顶对顶板下沉的影响P114A倾斜向上；倾斜向上；B倾斜向下倾斜向下放顶的影响范围沿工作面向上为放顶的影响范围沿工作面向上为20m，向下为，向下为10m。剧烈影响范。剧烈影响范围向上为围向上为10m，向下为，向下为5m左右。左右。由上述分析可见，由上述分析可见，落煤与放顶落煤与放顶工序对顶板下沉的影响，工序对顶板下沉的影响，实质上是开采后老顶实质上是开采后老顶“砌体梁砌体梁”结构在其前后支承压力不断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。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加快工作面推进速度只是缩短了落煤与放顶这两个主要缩短了落煤与放顶这两个主要生产过程的时间间隔，生产过程的时间间隔，只能消除一部分平时的下沉量，但只能消除一部分平时的下沉量，但绝绝不能消除因落煤和放顶所造成的下沉量。不能消除因落煤和放顶所造成的下沉量。所以所以,只有在原先的工作面推进速度比较缓慢的条件下，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加快工作面推进速度才会对工作面顶板状态有所改善。当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。逐渐减小。因而想把顶板压力因而想把顶板压力“甩掉甩掉”的企图实际上是不的企图实际上是不能实现的。能实现的。神华矿区综采工作面推进速度的影响神华矿区综采工作面推进速度的影响:在在1500m的的推推进进过过程程中中，工工作作面面周周期期来来压压步步距距存存在在大大小小周周期期，小小周周期期914m(平平均均12m)，大大周周期期1724m(平平均均20m)。工工作作面面连连续续快快速速推推进进时时周周期期来来压压步步距距增大，一般增大，一般20m左右。左右。虽虽然然高高速速推推进进下下支支架架初初撑撑力力仅仅为为额额定定初初撑撑力力的的58%，周周期期来来压压步步距距增增大大，但但工工作作阻阻力力并并没没有有增增加加。快快速速推推进进还还减减缓缓了了工工作作面面台台阶阶下下沉沉量量，因因此此加加快快推推进进速速度度对顶板控制和实现高产高效有积极作用。对顶板控制和实现高产高效有积极作用。1）开采深度影响）开采深度影响原岩应力和支承压力值原岩应力和支承压力值。开采深度。开采深度对矿山压力具有绝对的影响，但对矿山压力显现的影响则对矿山压力具有绝对的影响，但对矿山压力显现的影响则不尽相同。不尽相同。2）开采深度对）开采深度对巷道矿压、冲击地压影响显著巷道矿压、冲击地压影响显著。据德。据德国有关材料统计，当开采深度达国有关材料统计，当开采深度达1400m以上时，巷道围岩以上时，巷道围岩的变形与支架上承受的压力都将增加，估计有的变形与支架上承受的压力都将增加，估计有30的巷道的巷道不能采用现有的维护方法。不能采用现有的维护方法。三、开采深度的影响三、开采深度的影响随采深增大，冲击矿压的次数与强度都将明显增加。随采深增大，冲击矿压的次数与强度都将明显增加。根据第二章的分析可知，根据第二章的分析可知，岩层受重力变形，它所积聚的能岩层受重力变形，它所积聚的能量与深度的平方成正比。量与深度的平方成正比。因此，对有冲击矿压危险的矿井，因此，对有冲击矿压危险的矿井，随着深度的增加，发生冲击矿压的次数与强度都将显著增随着深度的增加，发生冲击矿压的次数与强度都将显著增加。国内外的经验都已证明，加。国内外的经验都已证明，在一般条件下，一定的开采在一般条件下，一定的开采深度是出现冲击矿压的一个必要条件。深度是出现冲击矿压的一个必要条件。3）开采深度开采深度对对采场顶板压力大小采场顶板压力大小的影响并不突出，的影响并不突出，因而对矿山压力显现的影响也不明显，尤其是对顶板下沉因而对矿山压力显现的影响也不明显，尤其是对顶板下沉量的影响。量的影响。支架所受载荷的大小，与裂隙带形成支架所受载荷的大小，与裂隙带形成“结构结构”的条件的条件有关，因而主要应有关，因而主要应视煤层采高、直接顶和老顶的力学性质、视煤层采高、直接顶和老顶的力学性质、厚度等因素而定。厚度等因素而定。在目前的开采深度条件下，实际测定表明，在目前的开采深度条件下，实际测定表明，采场顶板采场顶板下沉量下沉量与与采深之间并无直接关系。采深之间并无直接关系。随着采深进一步增加，随着采深进一步增加，支承压力必然增加，从而导致煤壁片帮及底板鼓起的几率支承压力必然增加，从而导致煤壁片帮及底板鼓起的几率增加，由此也可能导致支架载荷增加。增加，由此也可能导致支架载荷增加。随着煤层倾角增大，顶板下沉量将逐渐变小。上覆随着煤层倾角增大，顶板下沉量将逐渐变小。上覆岩层的重量岩层的重量W，如图所示。，如图所示。由于倾角增大，必然使沿岩层由于倾角增大，必然使沿岩层面的切向滑移力面的切向滑移力Wsin(即即Q2)增大，而使作用于层面的垂增大，而使作用于层面的垂直压力直压力Wcos(即即Q1)减小。减小。四、煤层倾角的影响四、煤层倾角的影响W上覆岩层的重力；上覆岩层的重力；Q1垂直于岩层的分力；垂直于岩层的分力；Q2平行于岩层的分力平行于岩层的分力倾角对矿山压力的影响倾角对矿山压力的影响由于倾角增加，采空区顶板冒落的矸石不一定能在原由于倾角增加，采空区顶板冒落的矸石不一定能在原地滞留，很可能沿着底板滑移，从而改变了上覆岩层的运地滞留，很可能沿着底板滑移，从而改变了上覆岩层的运动规律。动规律。各种倾角情况下导水裂隙带与冒落带的分布各种倾角情况下导水裂隙带与冒落带的分布1导水裂隙带导水裂隙带2冒落带冒落带由于冒落岩块滑移，使采空区形成了如图由于冒落岩块滑移，使采空区形成了如图(a)所示的情所示的情况，即下部充填较满，而上部却形成冒空。况，即下部充填较满，而上部却形成冒空。这样必然使回这样必然使回采工作面支架受力不均匀。图采工作面支架受力不均匀。图(b)表示了各种不同倾角时表示了各种不同倾角时工作面支架载荷的分布情况工作面支架载荷的分布情况当回采工作面沿倾斜方向推进时，开采后上覆岩层破当回采工作面沿倾斜方向推进时，开采后上覆岩层破断岩块间的相互咬合状况如图所示。断岩块间的相互咬合状况如图所示。沿倾斜方向开采时岩块的咬合关系沿倾斜方向开采时岩块的咬合关系工作面沿倾斜方向工作面沿倾斜方向向上向上推进时（推进时（仰采工作面仰采工作面）老顶岩块不滑落失稳的条件为：老顶岩块不滑落失稳的条件为：工作面沿倾斜方向工作面沿倾斜方向向下向下推进时（推进时（俯采工作面俯采工作面）老顶岩块不滑落失稳的条件为：老顶岩块不滑落失稳的条件为：工作面工作面沿走向方向沿走向方向推进时推进时老顶岩块不滑落失稳的条件为：老顶岩块不滑落失稳的条件为：因此因此，在同样的生产条件下，在同样的生产条件下，俯采工作面俯采工作面与与走向工作面相走向工作面相比比，老顶岩层更容易形成结构，而仰采工作面顶板最不易，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。形成结构。_下分层的矿压显现与上分层相比有以下特点：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，强度低老顶来压步距小，强度低；分层分层初次来压步距初次来压步距/m周期来压步距周期来压步距/m上上6039.4下下33.819.4五、下分层开采时矿山压力显现五、下分层开采时矿山压力显现南屯煤矿南屯煤矿73上上40工作面老顶来压步距实测值工作面老顶来压步距实测值支架载荷小；支架载荷小；统