第四章-采煤工作面矿山压力规律课件

煤矿开采方法煤矿开采方法第四章第四章 采煤工作面矿山压力规律采煤工作面矿山压力规律 煤矿开采方法第四章 采煤工作面矿山压力规律 1第一节第一节 矿山压力基本概念矿山压力基本概念一、矿山压力一、矿山压力 矿矿山山压压力力就就是是由由于于井井下下采采掘掘工工作作破破坏坏了了岩岩体体中中原原岩岩应应力力平平衡衡状状态态，引引起起应应力力重重新新分分布布，我我们们把把存存在在于于采采掘掘空空间间周周围围岩岩体体内内和和作作用用在在支支护护物物上上的的力力称称为为矿矿山压力。山压力。二、矿山压力来源二、矿山压力来源（一）自重应力（一）自重应力（二）构造应力（二）构造应力（三）膨胀应力（三）膨胀应力自自重重应应力力第一节 矿山压力基本概念一、矿山压力自重应力2三、矿山压力显现三、矿山压力显现v在在矿矿山山压压力力作作用用下下，围围岩岩和和支支架架所所表表现现出出来来的的力力学学宏宏观观现现象象，称称为为矿矿山山压压力力显显现现，简简称称矿压显现。矿压显现。v采采煤煤工工作作面面矿矿压压显显现现的的主主要要形形式式：工工作作面面顶顶板板下下沉沉、支支架架变变形形与与折折损损、顶顶板板破破碎碎或或大大面面积积冒冒落落、煤煤壁壁片片帮帮、支支柱柱插插入入底底板板、底底板板膨膨胀鼓起等。胀鼓起等。三、矿山压力显现在矿山压力作用下，围岩和支架所表现出来的力学3第二节第二节 采煤工作面围岩移动特征采煤工作面围岩移动特征采煤工作面上方的岩层采煤工作面上方的岩层顶板顶板下方的岩层下方的岩层底板底板顶板分类：顶板分类：伪顶：位于煤层之上随采随落的极不稳定岩层，厚度伪顶：位于煤层之上随采随落的极不稳定岩层，厚度 一般一般0.30.5m以下；以下；直接顶：位于伪顶或直接位于煤层之上，具有一定稳直接顶：位于伪顶或直接位于煤层之上，具有一定稳 定性，随移架或回柱放顶后能自行垮落的岩定性，随移架或回柱放顶后能自行垮落的岩 层；层；基本顶：位于直接顶或煤层之上，厚而坚硬难垮落的基本顶：位于直接顶或煤层之上，厚而坚硬难垮落的 岩层。岩层。第二节 采煤工作面围岩移动特征采煤工作面上方的岩层顶板41、基本顶；、基本顶；2、直接顶；、直接顶；3、伪顶；、伪顶；4、煤层；、煤层；5、底板岩层、底板岩层煤煤层层顶顶底底板板岩岩层层1、基本顶；2、直接顶；3、伪顶；4、煤层；5、底板岩层煤层5一、一、直接顶初次垮落直接顶初次垮落v采采煤煤工工作作面面自自切切眼眼推推进进一一段段距距离离后后，直直接接顶顶悬悬露露达达到到一一定定跨跨度度，就就要要对对采采空空区区顶顶板板进进行行初初次次放放顶顶，使使直直接接顶顶垮垮落落下下来来，这一过程称作直接顶的初次垮落。这一过程称作直接顶的初次垮落。一、直接顶初次垮落采煤工作面自切眼推进一段距离后，直接顶悬6二、基本顶的初次垮落（一）基本顶初次垮落前岩层结构（一）基本顶初次垮落前岩层结构 随直接顶初次垮落，基本顶在一定范围内呈现随直接顶初次垮落，基本顶在一定范围内呈现悬露状态，可视为悬露状态，可视为“板板”;”;由于基本顶在采煤工作面由于基本顶在采煤工作面方向上的长度远大于推进方向长度，可将其视为一方向上的长度远大于推进方向长度，可将其视为一端由采煤工作面煤壁支承，一端由煤柱支承的两端端由采煤工作面煤壁支承，一端由煤柱支承的两端支撑的梁结构。支撑的梁结构。（二）基本顶初次垮落与初次来压（二）基本顶初次垮落与初次来压 随采煤面继续推进，基本顶悬露跨度逐渐增大，随采煤面继续推进，基本顶悬露跨度逐渐增大，产生弯曲，达到一定跨度时，发生垮落。基本顶第产生弯曲，达到一定跨度时，发生垮落。基本顶第一次垮落称为基本顶初次垮落。一次垮落称为基本顶初次垮落。二、基本顶的初次垮落（一）基本顶初次垮落前岩层结构7（三）基本顶初次垮落步距确定三）基本顶初次垮落步距确定v基本顶初次垮落时，其最大悬露跨度基本顶初次垮落时，其最大悬露跨度L初初称为基本顶称为基本顶初次垮落步距。初次垮落步距。1、一般情况下，视基本顶为两端固定梁、一般情况下，视基本顶为两端固定梁视基本顶为梁时的受力分析图视基本顶为梁时的受力分析图（三）基本顶初次垮落步距确定基本顶初次垮落时，其最大悬露跨度8v极限垮距（只考虑按弯距计算）极限垮距（只考虑按弯距计算）L初：初：2、浅部煤层情况下，浅部煤层情况下，近似视基本顶为简支近似视基本顶为简支梁梁v极限垮距极限垮距L初初：极限垮距（只考虑按弯距计算）L初：2、浅部煤层情况下，近似9基本顶断裂后的平衡拱结构基本顶断裂后的平衡拱结构v基本顶岩梁达到基本顶岩梁达到极限跨距断裂后，极限跨距断裂后，并不一定立即垮并不一定立即垮落，断裂岩块间落，断裂岩块间由于回旋形成挤由于回旋形成挤压，能形成平衡压，能形成平衡拱式的结构。拱式的结构。基本顶断裂后形成的平衡拱基本顶断裂后形成的平衡拱基本顶断裂后的平衡拱结构基本顶岩梁达到极限跨距断裂后，并不一10三、基本顶的周期来压三、基本顶的周期来压（一）基本顶来压前的状态（一）基本顶来压前的状态 基基本本顶顶初初次次垮垮落落后后，随随着着采采煤煤工工作作面面继继续续推推进进，工工作作面面上上方方的的基基本本顶顶岩岩层层由由两两端端固固定定梁梁状状态态转转变变为为悬悬臂梁状态。如图所示：臂梁状态。如图所示：三、基本顶的周期来压（一）基本顶来压前的状态11v当当采采煤煤工工作作面面继继续续推推进进，基基本本顶顶悬悬挂挂臂臂跨跨度度达达到到极极限限跨跨度度时时，基基本本顶顶在在其其自自重重及及上上覆覆岩岩层层载载荷荷的的作作用用下下，将将沿沿采采煤煤工工作作面面煤煤壁壁甚甚至至煤壁之内发生折断和垮落。煤壁之内发生折断和垮落。v随随着着采采煤煤工工作作面面的的推推进进，基基本本顶顶这这种种“稳稳定定失失稳稳再再稳稳定定”现现象象，将将周周而而复复始始地地出出现现。这这种种基基本本顶顶的的周周期期性性破破断断失失稳稳对对工工作作面面产产生生的的周周期期性性的的来来压压显显现现，称称为为基基本本顶顶的的周周期期来来压。压。（二）基本顶周期来压及矿压显现特征（二）基本顶周期来压及矿压显现特征当采煤工作面继续推进，基本顶悬挂臂跨度达到极限跨度时，基本顶12基本顶周期来压及矿压显现特征基本顶周期来压及矿压显现特征1、直接顶；、直接顶；2、支架；、支架；3、已断裂基本顶；、已断裂基本顶；4、冒落矸石、冒落矸石基本顶周期来压及矿压显现特征1、直接顶；2、支架；3、已断裂13（三）周期来压步距的确定（三）周期来压步距的确定基本顶两次周期来压间隔时间称为来压周期。基本顶两次周期来压间隔时间称为来压周期。在来压周期内采煤工作面推进的距离称为周期在来压周期内采煤工作面推进的距离称为周期来压步距，用来压步距，用L周周表示。表示。比较上式，知比较上式，知L周周（0.50.25）L初初。（三）周期来压步距的确定基本顶两次周期来压间隔时间称为来压周14四、工作面上覆岩层移动规律四、工作面上覆岩层移动规律v根据岩层移动特征，可将煤层的上覆岩层分为冒落根据岩层移动特征，可将煤层的上覆岩层分为冒落带带()、裂缝带、裂缝带()、弯曲下沉带、弯曲下沉带()。如图所示：。如图所示：四、工作面上覆岩层移动规律根据岩层移动特征，可将煤层的上覆岩15第三节第三节 采煤工作面矿山压力显现规律采煤工作面矿山压力显现规律一、采煤工作面支承压力显现规律一、采煤工作面支承压力显现规律 支承压力显现特征可用支承压力范围、峰值的位置支承压力显现特征可用支承压力范围、峰值的位置及应力集中系数表示。及应力集中系数表示。（一）采煤工作面前后方支承压力分布（一）采煤工作面前后方支承压力分布 采煤工作面前后方支承压力分布与采空区处理方法采煤工作面前后方支承压力分布与采空区处理方法有关，对于采用全部垮落法管理顶板的采煤工作面，有关，对于采用全部垮落法管理顶板的采煤工作面，其前后方支承压力分布如下图所示：其前后方支承压力分布如下图所示：第三节 采煤工作面矿山压力显现规律一、采煤工作面支承压力显现16（二）采煤工作面两侧支承压力分布（二）采煤工作面两侧支承压力分布v采煤工作面两侧的支承压力是指工作面两侧煤柱或采煤工作面两侧的支承压力是指工作面两侧煤柱或煤体上的支承压力。煤体上的支承压力。卸载带；支承压力带；原岩应力带；采后应力稳定带；lmax峰值位置（二）采煤工作面两侧支承压力分布采煤工作面两侧的支承压力是指171、采煤工作面两侧的支承压力剧烈影响区并不在煤、采煤工作面两侧的支承压力剧烈影响区并不在煤体的边缘，而是位于煤体边缘有一定距离的地带。体的边缘，而是位于煤体边缘有一定距离的地带。2、采煤工作面煤体边缘处于应力降低区，支承压力、采煤工作面煤体边缘处于应力降低区，支承压力低于原岩应力。低于原岩应力。3、采煤工作面两侧支承压力从形成到向煤体深部转、采煤工作面两侧支承压力从形成到向煤体深部转移要经过一段时间过程。移要经过一段时间过程。采煤工作面两侧支承压力分布规律采煤工作面两侧支承压力分布规律1、采煤工作面两侧的支承压力剧烈影响区并不在煤体的边缘，而是18二、支承压力在底板中的传递二、支承压力在底板中的传递v采煤工作面采动后，在工作面四周形成的支承压力采煤工作面采动后，在工作面四周形成的支承压力将向煤层底板进行传递。将向煤层底板进行传递。v底板岩层内压应力的大小与煤柱上方的支承压力成底板岩层内压应力的大小与煤柱上方的支承压力成正比。正比。二、支承压力在底板中的传递采煤工作面采动后，在工作面四周形成19底板岩层中的应力分布底板岩层中的应力分布1、2支承压力曲线；支承压力曲线；3原岩应力曲线；原岩应力曲线；4、5应力增应力增高区边界线；高区边界线；6应力降低区边界线应力降低区边界线底板岩层中的应力分布1、2支承压力曲线；3原岩应力曲线；20第四节第四节 采煤工作面顶板分类采煤工作面顶板分类v科学的分类可为顶板控制、支架选型、合理确定支科学的分类可为顶板控制、支架选型、合理确定支护参数以及为采空区处理方法提供依据。护参数以及为采空区处理方法提供依据。一、直接顶分类一、直接顶分类v 强度指数强度指数 D10RcC1C2v式中式中 Rc岩石单向抗压强度，岩石单向抗压强度，MPa；v C1节理裂隙影响系数；节理裂隙影响系数；v C2分层厚度影响系数。分层厚度影响系数。第四节 采煤工作面顶板分类科学的分类可为顶板控制、支架选型、21 类别类别 指标指标 不稳不稳定顶定顶板板 中等中等稳定稳定顶板顶板稳定顶稳定顶板板坚硬顶板坚硬顶板主要主要指标指标强度指数强度指数 D D303031317070 7171120120 120120 无直接顶。无直接顶。岩层厚度在岩层厚度在2 25m5m以上，以上，606080MPa80MPa，I I和和h h大于大于1m1m的的整体岩层，整体岩层，即基本顶。即基本顶。参考参考指标指标 直接顶初直接顶初次垮落步次垮落步距距 L/m L/m8 89 91818 191925252525 类别 指标 不稳定顶板 22二、基本顶分级二、基本顶分级 基本顶来压强度主要决定于直接顶厚度基本顶来压强度主要决定于直接顶厚度hh与采高与采高m m的比值的比值N N及及基本顶初次来压步距基本顶初次来压步距L L。根据。根据N N和和L L两个指标，将基本顶分为两个指标，将基本顶分为四级。四级。分级 基本顶来压显现不明显 明显 强烈 非常 强烈指标N350.3N35，L25500.350N 0.3，L2550N0.3 L50二、基本顶分级 基本顶来压强度主要决定于直接顶厚度h与23