第十七章矿井防水和排水.ppt

河南理工大学《采煤概论》精品课程
第四篇准备方式与采煤方法
第11章矿山压力及其控制
主要内容
第11章矿山压力及其控制
第一节上煤层围岩分类
第二节工作面矿山压力的显现影响
第三节工作面支架的结构、性能和选择
复****思考题
第一节煤层围岩分类
围岩的性质,尤其是它的力学性质对采掘工作面的压力显现影响最大。
岩石通常为脆性体,有些为弹塑性体,它的力学性质表现为:
σ压>σ剪>σ弯>σ拉
抗拉强度远小于抗压强度,一般抗拉强度只有其抗压强度的
1/15~1/20
岩石破碎通常表现为拉性;有时也表现为剪性,如弹塑性岩石。
由于岩石为非均质体,组成的成分又不同,再加原生和次生的影响,从而形成了它的复杂的力学性质—异向性。例如,岩层中具有层理、节理等弱面,沿这些弱面方向的岩石抗拉强度,远小于其它方向的抗拉强度,有些甚至完全失去抗拉能力。又如虽属同种岩石,由于构造裂隙影响,它们的力学性质,往往相差很大。
第一节煤层围岩分类
对采煤工作面影响最大的围岩是煤层顶部岩层。因此,通常在研究煤层围岩性质时,重点研究煤层顶板性质,至于煤层底部岩层,只有在急倾斜煤层开采时,才具有实际意义。
根据我国岩层的实际情况,一般把直接顶分为三类:
一类直接顶(不稳定)——回采时不及时支护,很易造成局部冒顶,如页岩、煤皮、再生顶板等;
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;
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。
第一节煤层围岩分类
基本顶(老顶)分类尚无统一规定,现根据基本顶对工作面的压力(初次和周期来压)及初次来压的步距,把老顶分为四类介绍如下:
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。初次来压步距大于25m。
Ⅱ类基本顶——初次和周期来压很明显,来压的大小相当于8~12倍采高的顶板岩层重量。初次来压步距大于25m~50m。
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。初次来压步距大于25m~50m。
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m2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100m~150m。这种顶板多为极坚硬的厚砂岩或砾岩。
第二节工作面矿山压力的显现规律
一、支承压力
(一)支承压力的形成
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力γH(γ—岩层的容重,t/m3;H—煤层距地面的深度,m)。
当在煤体内开掘切眼后,破坏了应力的平衡状态,引起应力重新分布。这时在切割眼上部顶板内形成了自然平衡“压力拱”。切眼上部岩体重量Q由两侧煤壁平均分担。因此,在切割眼两帮煤体中,产生了应力集中现象,这种集中应力称为支撑压力。~,最大值可为原始应力的2~4倍或更大。
第二节工作面矿山压力的显现规律
煤体内开掘切割眼后应力重新分布
a—切眼宽度;Q—切眼上部岩体重量;H—煤层距地面深度;γ—上覆岩层的容重
第二节工作面矿山压力的显现规律
由于“压力拱”的存在,切割眼处于减压状态。随着工作面推进,切割眼扩大了,“压力拱”破坏而消失,在工作面前方的煤体中,同样产生支承压力带,其范围自工作面前方2m~3m起直至10m~45m,有时可达近100m,最大支承压力区,约距煤壁5m~15m左右;在工作面后方,当采空区充填物压实到一定程度后,也产生支承压力带。前后两个支承压力带,随工作面推进而移动,即移动支撑压力。
工作面围岩应力分布
a—增压区;b—减压区;c—稳压区
第二节工作面矿山压力的显现规律
从图看出,由于采动影响的结果,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三个区:
a——增压(支承压力)区,它的应力大于原始应力;
b——减压区,它的应力小于原始应力;
c——稳压区,它的应力等于原始应力。
在采煤工作面上下两端的区段煤柱内,也由于采煤和掘进区段平巷而形成支承压力,它的分布特征和工作面前方的支承压力基本相同。当采煤工作面推进较长距离后,区段煤柱内的支承压力,可随顶板垮落而逐渐消失。
第二节工作面矿山压力的显现规律
(二)影响支承压力大小、分布的因素
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、顶底板岩性、煤质软硬有关。
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。
采空区充填程度越密实,煤壁内支承压力越小。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