章采煤工作面上覆巖層移動(dòng)及其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

1、第二章 采煤工作面上覆巖層移動(dòng)及其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 第一節(jié) 采煤工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律 第二節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律 第三節(jié) 影響采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn) 的主要因素 在煤層或巖層中開掘巷道和進(jìn)行回采工作，成為對(duì)煤層或巖層的“采動(dòng)”; 采動(dòng)后在煤層或巖層中形成的空間，為“采動(dòng)空間”; 采動(dòng)空間周圍的巖體統(tǒng)稱為“圍巖”； 采煤工作面圍巖由煤層頂板、底板和兩幫構(gòu)成； 根據(jù)頂、底板巖層距煤層的距離和對(duì)回采工作的影響，煤層的頂、底板巖層可分為：偽頂、直接頂、基本頂和直接底。一、采煤工作面圍巖構(gòu)成 第一節(jié) 采煤工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律 第一節(jié) 采煤工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律偽頂。緊貼在煤層之上，極易垮落的薄巖

2、層。通常由炭質(zhì)頁巖等軟弱巖層組成，厚度一般小于0.5m，隨采隨冒。直接頂。位于偽頂或煤層之上，具有一定的穩(wěn)定性，移架或回柱后能自行垮落的巖層。通常由泥質(zhì)頁巖、頁巖、砂質(zhì)頁巖等不穩(wěn)定巖層組成，具有隨回柱放頂而垮落的特征。直接頂?shù)暮穸纫话阆喈?dāng)于冒落帶內(nèi)的巖層的厚度?；卷敗Ｎ挥谥苯禹敾蛎簩又蠄?jiān)硬而難垮落的巖層。通常由砂巖、石灰?guī)r、砂礫巖等堅(jiān)硬巖石所組成。直接底。直接位于煤層下面的巖層。如為較堅(jiān)硬的巖石時(shí)，可作為采煤工作面支柱的良好支座；如為泥質(zhì)頁巖等松軟巖層時(shí)，則常造成底臌和支柱插入底板等現(xiàn)象。一、采煤工作面圍巖構(gòu)成 二、采動(dòng)巖體破壞的基本形式 巖體中存在結(jié)構(gòu)面(弱面)，采動(dòng)破壞往往是弱面的分離

3、。 破壞形式：冒落巖石在拉應(yīng)力作用下，從巖體中分離成巖塊，在重力作用下下落充填采空區(qū)；離層巖層的層面或?qū)永砻骈g張開的現(xiàn)象；層間錯(cuò)動(dòng)相鄰巖層沿層面或軟弱面發(fā)生相對(duì)滑移；剪切破壞和塑性變形剪應(yīng)力作用產(chǎn)生的成組滑移面；塊體滾動(dòng)已破壞的巖塊滾動(dòng)下移；結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)動(dòng)；沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)巖體沿?cái)鄬?、軟弱夾層和層面產(chǎn)生滑動(dòng)；巖爆和煤爆一般在高地應(yīng)力區(qū)的堅(jiān)硬巖層或煤層中；底鼓由于煤層開挖使底板產(chǎn)生向采空區(qū)方向的隆起；片幫高集中應(yīng)力作用下，煤壁變形、破壞，擠入采空區(qū)； 力學(xué)機(jī)理：張破壞、剪破壞、結(jié)構(gòu)體滾動(dòng)、結(jié)構(gòu)體沿結(jié)構(gòu)面滑移和錯(cuò)動(dòng) 第一節(jié) 采煤工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律三、采煤工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律采煤工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)

4、律與開采后上覆巖層移動(dòng)規(guī)律直接相關(guān)。垂直方向“三帶” 冒落帶：直接頂破碎堆積而成，巖塊不連續(xù)、不規(guī)則排列，堆積高度24m。 第一節(jié) 采煤工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律 裂隙帶：巖層斷裂，巖塊有規(guī)則排列。 彎曲下沉帶：裂隙帶之上，巖層呈彎曲下沉，地表形成橢圓形移動(dòng)盆地，aa區(qū)為壓縮變形，ab區(qū)為拉伸變形。 第一節(jié) 采煤工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律三、采煤工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律 裂隙帶水平方向“三區(qū)”（1）煤壁支撐影響區(qū)A：水平位移大，垂直位移小。（2）離層區(qū)B：頂板急劇下沉、斷裂，下沉速度由下向上逐漸減小，巖層間出現(xiàn)離層現(xiàn)象。（3）重新壓實(shí)區(qū)C：工作面后方30m以外，斷裂巖層被冒落帶矸石支撐，裂隙帶巖層由上而

5、下下沉速度逐漸減小，層間離層被壓實(shí)。四、裂隙帶巖層的結(jié)構(gòu)形式（礦壓假說） 實(shí)測證明，支架的載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上覆巖層的重力，工作面附近區(qū)域的巖層運(yùn)動(dòng)影響支承壓力的分布和支架的載荷，這個(gè)范圍就是冒落帶加裂隙帶，大約相當(dāng)于68倍采高。由三區(qū)的劃分可知，煤壁支撐區(qū)的巖層由煤壁支撐，重新壓實(shí)區(qū)的巖層由矸石支撐，離層區(qū)的巖層部分由支架支撐，大部處于懸空無支撐狀態(tài)。由于工作面支架的壓力小于上覆巖體的重力，說明工作面上方的巖體存在一種平衡結(jié)構(gòu)，支撐著上覆巖體的壓力，工作面在這種結(jié)構(gòu)的保護(hù)之下。有關(guān)巖體結(jié)構(gòu)的形式的假說稱為采場礦壓理論。結(jié)構(gòu)形式：砌體梁、傳遞巖梁、懸梁（板）結(jié)構(gòu)、壓力拱 第一節(jié) 采煤工作面上覆巖層移

6、動(dòng)規(guī)律中國礦大錢鳴高院士提出。裂隙帶巖層為堅(jiān)硬巖層，斷裂后的巖塊象砌體一樣擠壓成一個(gè)能夠承載的結(jié)構(gòu)，其間的松軟巖層可視為作用在巖梁上的載荷。砌體梁結(jié)構(gòu)為半拱式平衡結(jié)構(gòu)。塊體間依靠水平擠壓力產(chǎn)生的摩擦力平衡巖塊的自重和上覆巖層傳遞的載荷。支架的載荷（支護(hù)強(qiáng)度）： 第一節(jié) 采煤工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律四、裂隙帶巖層的結(jié)構(gòu)形式（礦壓假說） （一）砌體梁結(jié)構(gòu)圖2-3 砌體梁結(jié)構(gòu)模型山東科大宋振騏院士提出。一組或幾組基本頂?shù)臄嗔褞r塊的相互咬合，形成一種能向煤壁前方和采空區(qū)矸石上傳遞力的結(jié)構(gòu)，稱為傳遞巖梁。支架承擔(dān)巖梁的作用力的大小，由其對(duì)巖梁運(yùn)動(dòng)的控制要求而定。位態(tài)方程如下： 第一節(jié) 采煤工作面上覆巖層移

7、動(dòng)規(guī)律四、裂隙帶巖層的結(jié)構(gòu)形式（礦壓假說） （二）傳遞巖梁結(jié)構(gòu)圖2-4 傳遞巖梁結(jié)構(gòu)模型 第一節(jié) 采煤工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律頂板較堅(jiān)硬時(shí)，基本頂斷裂可近似看做層狀連續(xù)體。堅(jiān)硬的頂板在初次來壓后，可視為一端固定于工作面前方煤體上的懸臂巖梁(巖板)，隨工作面推進(jìn)，懸臂長度增大，達(dá)極限長度時(shí)，懸梁破斷，工作面出現(xiàn)來壓現(xiàn)象。山西礦業(yè)學(xué)院(現(xiàn)太原理工大學(xué))根據(jù)大同礦區(qū)多年來對(duì)堅(jiān)硬頂板的礦壓觀測，建立了懸梁斷裂瞬間力學(xué)模型。四、裂隙帶巖層的結(jié)構(gòu)形式（礦壓假說） （三）懸梁（板）結(jié)構(gòu)圖2-5 懸梁(板)結(jié)構(gòu)模型 支架的最大載荷： 拱的一個(gè)支點(diǎn)在工作面前方的煤壁上，另一支點(diǎn)在采空區(qū)已垮落的矸石上。工作面支架主

8、要承受拱內(nèi)部分巖石的重量及拱運(yùn)動(dòng)時(shí)的附加載荷。 英國學(xué)者伊萬斯提出了支架載荷計(jì)算式：對(duì)于無基本頂?shù)乃绍泿r層頂板，工作面上方多組裂隙把頂板分割成碎塊。由于巖層自然平衡的結(jié)果將形成一個(gè)壓力拱。 第一節(jié) 采煤工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律四、裂隙帶巖層的結(jié)構(gòu)形式（礦壓假說） （四）壓力拱結(jié)構(gòu)圖2-6 壓力拱結(jié)構(gòu)模型第二節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律 由于采動(dòng)作用促使圍巖向已采動(dòng)空間運(yùn)動(dòng)的力稱為“礦山壓力”。在礦山壓力的作用下，通過圍巖運(yùn)動(dòng)和支架受力表現(xiàn)出的礦山壓力現(xiàn)象叫“礦山壓力顯現(xiàn)”。 顯現(xiàn)的形式：（一）頂?shù)装逡平?（五）煤壁片幫（二）支架的變形與損壞 （六）臺(tái)階下沉（三）頂板破碎 （七）大面積冒頂或垮落

9、（四）局部冒頂一.工作面礦壓顯現(xiàn)方式礦山壓力顯現(xiàn)的基本形式二、直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律（一）直接頂?shù)姆诸惻c垮落形式 依據(jù)對(duì)我國一些礦區(qū)的現(xiàn)場調(diào)查和研究，依據(jù)直接頂巖層的弱面情況可以將直接頂分為10種類型，不同類型的頂板有不同的垮落方式，如下表：第二節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律第二節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律（二）直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)形式 1.直接頂緩慢下沉 一般出現(xiàn)在薄煤層、頂板可塑性大，頂板下沉后沒有斷開，與底板接觸。二、直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律（二）直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)形式二、直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律 2.直接頂不規(guī)則垮落 直接頂懸空后，在重力作用下產(chǎn)生彎曲，當(dāng)巖層彎曲到一定程度后，伸入煤體的端部開始裂開，接下來中部裂開，最

10、后直接頂彎曲破壞發(fā)生不規(guī)則垮落。 直接頂垮落步距從切眼到直接頂初次垮落的距離。是判斷直接頂穩(wěn)定性的指標(biāo)，可作為直接頂分類的依據(jù)。第二節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律（二）直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)形式二、直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律 2.直接頂不規(guī)則垮落第二節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律直接頂冒落高度的確定采空區(qū)充滿程度的判斷充滿條件3.直接頂?shù)囊?guī)則垮落（1）直接頂剪切斷裂（圖2-10） 當(dāng)懸露后直接頂巖層只產(chǎn)生微小的下沉，懸露巖層端部即開始裂開，在巖層中部未開裂或開裂很少的情況下，巖層剪切破壞發(fā)生大面積垮落。 易發(fā)生頂板沿煤壁切下的重大冒頂事故，工作面支架必須有較高的初撐力，工作阻力要能防止頂板沿煤壁線切斷，而把切頂線

11、推至控頂距之外。（2）鉸接巖梁（圖2-11） 巖梁兩端先裂開，然后中部裂開下沉，兩塊相互咬合形成鉸接巖梁結(jié)構(gòu)。第二節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律（二）直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)形式二、直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律三、基本頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律（一）基本頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)形式 1.基本頂緩慢下沉 采高小、直接頂厚度大且直接頂節(jié)理發(fā)育時(shí)，直接頂呈現(xiàn)緩慢下沉的運(yùn)動(dòng)形式。 采空區(qū)充滿程度好，基本頂彎曲斷裂后在矸石支撐下緩慢下沉。此時(shí)，基本頂能形成傳力結(jié)構(gòu)，將自身的重量和上覆巖層的部分重量傳遞到前方煤壁和后方采空區(qū)矸石上，工作面內(nèi)礦壓顯現(xiàn)不明顯。 2.基本的呈長巖梁折斷 直接頂冒落后不能充滿采空區(qū)，基本頂按一定的跨度，周期性折斷，巖梁長度較大。第二

12、節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律 （二）基本頂?shù)某醮蝸韷?1.初次來壓的形成 基本頂視為四周固支的板，當(dāng)工作面由切眼向前推進(jìn)，直接頂垮落后，懸空面積越來越大，達(dá)到極限跨度時(shí)，巖板發(fā)生斷裂破壞，進(jìn)一步巖塊要發(fā)生下沉垮落。在這過程中，采煤工作面有明顯的礦壓顯現(xiàn)。 基本頂初次折斷或初次垮落前后工作面的普遍來壓現(xiàn)象叫基本頂?shù)某醮蝸韷骸?初次來壓步距L：由開切眼到基本頂初次垮落時(shí)工作面推進(jìn)的距離。 L與巖性、厚度、載荷有關(guān)。 統(tǒng)計(jì)數(shù)字：1030m 54%； 3055m 37.5%； 55m 8.5% 特殊的砂巖、砂礫巖頂板的初次來壓步距可達(dá)100160m。第二節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律三、基本頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)

13、規(guī)律 （二）基本頂?shù)某醮蝸韷?2.初次來壓的顯現(xiàn) （1）工作面頂板劇烈下沉； 由于基本頂斷裂導(dǎo)致失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，迫使直接頂壓縮直接而迅速下沉。 （2）支架載荷增加，安全閥開啟，活柱下縮； 基本頂突然斷裂，同時(shí)要發(fā)生巖塊的回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，支架載荷普遍加大。 （3）煤壁片幫嚴(yán)重； 初次來壓前，工作面前方支承壓力峰值達(dá)到最大，可使直接頂和煤壁發(fā)生剪切破壞，從而壓碎煤壁導(dǎo)致片幫，這一現(xiàn)象往往是來壓征兆。 （4）頂板的斷裂聲 基本頂來壓時(shí)產(chǎn)生悶雷聲，有時(shí)伴有基本頂巖塊的滑落失穩(wěn)，從而導(dǎo)致頂板臺(tái)階下沉。第二節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律三、基本頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律1.周期來壓的形成 基本頂初次斷裂后，隨工作面推進(jìn)，工作面上方

14、的基本頂呈懸梁狀態(tài)，當(dāng)懸臂長度達(dá)到極限值時(shí)在煤壁或在煤壁前方折斷下沉，工作面出現(xiàn)來壓現(xiàn)象，這種折斷周期性出現(xiàn)，工作面呈現(xiàn)周期性來壓，稱基本頂周期來壓。周期來壓步距 L周=（1/21/4)L初第二節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律 （三）基本頂?shù)闹芷趤韷喝?、基本頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律 2.周期來壓的表現(xiàn)形式 頂板下沉速度急劇增加； 下沉量增加； 支架載荷普遍增加； 可能引起煤壁片幫，支架折損，頂板發(fā)生臺(tái)階下沉； 若支柱參數(shù)選擇不合適，則可能引起局部冒頂，甚至切頂現(xiàn)象。第二節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律 （三）基本頂?shù)闹芷趤韷喝?、基本頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律四、支承壓力及其顯現(xiàn)（一）支承壓力的定義煤層回采后導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新

15、分布，作用于煤層、巖層、矸石上垂直應(yīng)力稱為支承壓力。采煤工作面周圍支承壓力分布 分布特征：范圍、峰值位置、峰值大小 應(yīng)力集中系數(shù) k=支承壓力峰值/原巖應(yīng)力第二節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律 采煤工作面前后方支承壓力對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)有著很大影響。采煤工作面前方支承壓力依次為原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)。第二節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律四、支承壓力及其顯現(xiàn)（二）支承壓力在底板中的傳播 分布規(guī)律（1）隨深度增加，支承壓力逐漸減小，影響范圍擴(kuò)大；影響角與巖性和煤層傾角有關(guān)；沿走向=1535，傾斜方向=2555第二節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律四、支承壓力及其顯現(xiàn)（2）煤柱下為增壓

16、區(qū)、采空區(qū)下為減壓區(qū)；（3）底板堅(jiān)硬，影響深度小但擴(kuò)展角大；巖層松軟，影響深度大。（三）支承壓力的影響因素（1）開采深度 隨深度增加，原巖應(yīng)力增加，支承壓力也增加，這是深部開采巷道變形嚴(yán)重的主要原因。（2）圍巖性質(zhì) 堅(jiān)硬巖層應(yīng)力傳遞的范圍廣，支承壓力分布范圍廣，應(yīng)力集中系數(shù)小。（3）煤質(zhì)軟硬 煤質(zhì)愈硬，強(qiáng)度愈高，支承壓力分布范圍愈小，而應(yīng)力集中系數(shù)愈高，峰值點(diǎn)位置距煤壁愈近。（4）與煤層的相對(duì)位置遠(yuǎn)離煤層支承壓力變??；接近采空區(qū)，支承壓力變小。第二節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律四、支承壓力及其顯現(xiàn)第三節(jié) 影響采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素一、地質(zhì)因素 （一）頂板巖層的影響 1.直接頂?shù)挠绊?

17、直接頂?shù)耐暾潭群头€(wěn)定性影響工作面的安全和生產(chǎn)效率，決定支護(hù)方式選擇。 直接頂穩(wěn)定性取決因素： 1）巖層力學(xué)強(qiáng)度； 2）層理和裂隙的發(fā)育程度。 2.基本頂?shù)挠绊?基本頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)是工作面礦壓顯現(xiàn)的原因?；卷?shù)膩韷簭?qiáng)度對(duì)工作面的支護(hù)強(qiáng)度、支架可縮量以及采空區(qū)處理方法起決定作用。 基本頂對(duì)工作面來壓影響程度與直接頂?shù)暮穸染o密相關(guān)。直接頂厚，冒落后能充滿采空區(qū)，基本頂破斷后形成的結(jié)構(gòu)易于平衡，或呈緩慢下沉，則周期來壓較弱。反之則較強(qiáng)。 地質(zhì)因素：頂?shù)装濉⒚簩觾A角、開采深度等； 技術(shù)因素：采高和控頂距、采煤工序、推進(jìn)速度。第三節(jié) 影響采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素一、地質(zhì)因素（二）開采深度 開采速度h

18、原巖應(yīng)力z支承壓力峰值k 開采深度對(duì)巷道礦壓顯現(xiàn)影響很明顯。深部巷道變形量大，支架損壞嚴(yán)重、支護(hù)困難。 對(duì)采煤工作面礦壓顯現(xiàn)影響不明顯。工作面的支護(hù)強(qiáng)度與深度無直接關(guān)系。原因：頂板的變形及支架上所受載荷的大小與上覆巖層在運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的平衡“結(jié)構(gòu)”有關(guān)，采煤工作面處于圍巖應(yīng)力分布的低壓區(qū)，且維護(hù)的空間是臨時(shí)的。直接影響采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)程度的是低壓力區(qū)內(nèi)的圍巖變形、破壞和移動(dòng)。第三節(jié) 影響采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素一、地質(zhì)因素（三）煤層傾角 頂板下沉量、支架載荷與傾角關(guān)系：大s??； 大p小 由于矸石滾動(dòng)下滑堆積，對(duì)工作面下部采空區(qū)起到充填作用，而采空區(qū)上部矸石堆積很少，出現(xiàn)工作面下部來壓強(qiáng)度小于中上部。中上部來壓時(shí)間超前下部。二、