1、4.1 概 述 煤礦生產過程中，回采工作面常有頂板下沉、頂板破碎、局部冒頂、大面積冒頂、支柱變形與折損等一系列礦山壓力現(xiàn)象，這些現(xiàn)象作為衡量礦山壓力顯現(xiàn)程度的指標。(1) 頂板下沉 一般指煤壁到采空區(qū)邊緣裸露的頂?shù)装逑鄬σ平俊?圖4-1 工作面頂?shù)装逡平€1頂板絕對下沉曲線；2頂?shù)装逑鄬σ平壳€；3底板鼓起曲線實際測定時常常是在工作面煤壁剛懸露的頂板處設置測桿，隨著工作面的推進，測得由煤壁到采空區(qū)放頂線處的頂?shù)装逡平俊Ｒ话阋詓表示。有時為了對比，常常把這個指標換算為單位采高、單位推進度的頂板下沉量， 即 (L為控頂距，M為采高)，以 每米采高、每米推進度下沉多少毫米表示。 MLs指單位

2、時間內的頂?shù)装逡平?。通常以mmh計算。它表示頂板活動的劇烈程度。(2) 頂板下沉速度 (3)支柱變形與折損 隨著頂板下沉，回采工作面支柱載荷也逐漸增加，一般可以用肉眼觀察到木柱帽的變形，劇烈時可以觀察到支柱的折損。(4)頂板破碎情況 常以單位面積中冒落面積所占的百分比來表示頂板破碎情況，常用來衡量頂板管理好壞的質量標準之一。(5) 局部冒頂 這是指回采工作面頂板形成局部塌落，影響回采工作的正常進行。(6) 工作面頂板沿煤壁切落(或稱大面積冒頂) 這是指采面由于頂板來壓而導致頂板沿工作面切落，它常嚴重影響工作面的生產。 其它礦山壓力現(xiàn)象：煤壁片幫、支柱鉆底、底鼓等?；夭晒ぷ髅媸且粋€小結構，處于

3、覆巖大結構之下?！按蠼Y構”的變形、失穩(wěn)直接影響到小結構的狀態(tài)，同時“大結構”周圍的支承壓力分布情況也將直接影響到煤壁及底板巖層的穩(wěn)定性。 4.2 老頂?shù)某醮蝸韷寒斃享攽衣哆_到極限跨距時，老頂斷裂形成三鉸拱式的平衡，同時發(fā)生已破斷的巖塊回轉失穩(wěn)(變形失穩(wěn))，有時可能伴隨滑落失穩(wěn)(頂板的臺階下沉)，從而導致工作面頂板的急劇下沉。此時，工作面支架呈現(xiàn)受力普遍加大現(xiàn)象，即稱為老頂?shù)某醮蝸韷撼醮蝸韷?。老頂巖層初次破斷后，老頂破斷巖塊回轉下沉引起工作面頂板急劇下沉、支架受力普遍加大、煤壁片幫的現(xiàn)象。 由開切眼到初次來壓時工作面推進的距離稱為老頂?shù)某醮蝸韷翰骄喑醮蝸韷翰骄?。一般情況下，老頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗯c老

4、頂初次斷裂的極限跨距相當。 由于支架反力（支撐力）P形成的反力矩難以平衡由老頂初次來壓載荷Q2所形成的力矩，因而老頂巖塊的回轉在一定程度上是不可避免的，工作面頂板必然隨之發(fā)生下沉。只有當老頂巖塊在采空區(qū)觸矸形成反力后，其回轉下沉才會緩和和停止。為了不使老頂沿工作面切落，支架工作阻力應等于Q1與Q2之和。 圖4-6 初次來壓前四周圍巖支承壓力分布狀態(tài)A增壓區(qū)；B減壓區(qū)；C穩(wěn)壓區(qū)老頂來壓前，回采工作面的頂板壓力并不大，但煤壁內的支承壓力卻達到了最大值。所以，煤幫的變形與塌落(片幫)，常常是預示工作面頂板來壓的一個重要標志。 老頂初次來壓比較突然，初次來壓時，老頂跨距比較大，影響的范圍也比較廣。 初

5、次來壓一般要持續(xù)23 d。而且來壓期間頂板下沉速度急劇增大，由于老頂初次來壓對工作面的影響較大，因此必須掌握初次來壓步距的大小，以便及時采取對策。在來壓期間，必須加強支架的支撐力，尤其要加強支架的穩(wěn)定性。一般可以采用木垛、斜撐、抬棚等特種支架加強回采工作空間的支護。動載（動壓）系數(shù)、來壓步距來壓時支架載荷與平時支架載荷之比。老頂初次步距越大，工作面來壓顯現(xiàn)越劇烈，相應的動載系數(shù)也越大。大同礦務局堅硬頂板條件下，初次來壓前每架液壓支架僅測得2000 kN的載荷，而來壓時達到了6000 kN，動載系數(shù)達到3以上。老頂初次來壓步距是老頂巖層分類的主要依據(jù)。4.3.1 回采工作面推進對“砌體梁”結構的

6、影響隨著回采工作面的繼續(xù)推進，隨著回采工作面的繼續(xù)推進，A A、B B巖塊又將在下部分開，巖塊又將在下部分開，像像B B、C C巖塊間的關系一樣，如此反復。隨著回采工作面的巖塊間的關系一樣，如此反復。隨著回采工作面的推進，上覆巖層的結構經歷了推進，上覆巖層的結構經歷了“穩(wěn)定穩(wěn)定失穩(wěn)失穩(wěn)再穩(wěn)定再穩(wěn)定”的的過程。由于過程。由于A A巖塊的回轉，必然導致回采工作面頂板的不巖塊的回轉，必然導致回采工作面頂板的不斷下沉，支架所受的載荷也隨之增加。斷下沉，支架所受的載荷也隨之增加。4.3.2 老頂?shù)闹芷趤韷弘S著回采工作面的推進，在老頂初次來壓以后，裂隨著回采工作面的推進，在老頂初次來壓以后，裂隙帶巖層形成

7、的結構將始終經歷隙帶巖層形成的結構將始終經歷“穩(wěn)定穩(wěn)定失穩(wěn)失穩(wěn)再穩(wěn)定再穩(wěn)定” 周而復始的變化過程。周而復始的變化過程。 老頂巖層的周期性破斷而引起老頂巖層的周期性破斷而引起“砌體梁砌體梁”結構的周期結構的周期性失穩(wěn)而引起的頂板來壓現(xiàn)象稱為采場周期來壓。性失穩(wěn)而引起的頂板來壓現(xiàn)象稱為采場周期來壓。 周期來壓的主要表現(xiàn)形式是：頂板下沉速度急劇增加，周期來壓的主要表現(xiàn)形式是：頂板下沉速度急劇增加，頂板的下沉量變大；支柱載荷普遍增加；有時還可能引起頂板的下沉量變大；支柱載荷普遍增加；有時還可能引起煤壁片幫、頂板臺階下沉、支柱折損，甚至工作面冒頂事煤壁片幫、頂板臺階下沉、支柱折損，甚至工作面冒頂事故。故

8、。tan1TQPBA 4.3.3 老頂?shù)闹芷趤韷翰骄嘣摴ぷ髅骈L170 m，煤厚為3 m，老頂為4.5 m，直接頂為3.5 m厚的細砂巖，煤層傾角3235。 4.3.4 老頂來壓期間的頂板控制直接頂傳遞老頂?shù)淖饔昧爸Ъ艿闹瘟ΑＲ虼?，保證直接頂?shù)耐暾詫享數(shù)目刂朴惺种匾囊饬x。 但是，在老頂來壓期間。由于煤壁前方強大的支承壓力，使得直接頂在煤壁前方形成剪切破斷，不利于直接頂?shù)墓芾怼４送?，來壓大小與直接頂在采空區(qū)冒落矸石充滿采空區(qū)的程度直接相關。采空區(qū)冒落愈嚴實，老頂對工作面影響愈??；反之，則越大。圖4-10 永定莊礦8411面垮頂現(xiàn)象 附圖 梯形懸露頂板的破斷形狀4.4 頂板壓力的估算目前

9、，有兩種確定頂板壓力的辦法。目前，有兩種確定頂板壓力的辦法。 一種是估算法，即根據(jù)現(xiàn)有的礦山壓力一種是估算法，即根據(jù)現(xiàn)有的礦山壓力研究成果，對工作面可能出現(xiàn)的頂板壓力大研究成果，對工作面可能出現(xiàn)的頂板壓力大小進行估算；小進行估算； 另一種是實測法，即根據(jù)對大量工作面的另一種是實測法，即根據(jù)對大量工作面的實測與統(tǒng)計數(shù)據(jù)，確定工作面頂板壓力的大實測與統(tǒng)計數(shù)據(jù)，確定工作面頂板壓力的大小。小。4.4.1 估算法(2)老頂載荷Q2采用直接頂載荷的倍數(shù)估算老頂?shù)妮d荷。 在多數(shù)礦井的測定中，一般工作面周期來壓時形成的載荷不超過平時載荷的兩倍。因此可得出下述關系 式中 p考慮直接頂載荷及老頂來壓時的支護強度，

10、kPa；n老頂來壓與平時壓力強度的比值，稱為增載系數(shù)，取2。hnqqp21取 (M為采高，K為碎脹系數(shù))，則 K值一般取剛破碎時的碎脹系數(shù)1.251.5。P=2(24)M=(48)M 即頂板壓力相當于48倍采高巖柱的重量。在周期來壓不明顯時應采用低倍數(shù)，而在周期來壓較劇烈時應采用高倍數(shù)加以估算。1KMh12KMptan200HQLQFiiBAHQLii200tan200HQLiitan200HQLQFiiBAiEihhKP003) 威爾遜估算法 鑒于載荷作用力的位置與支架可能形成的最大反力的作用位置不一定一致，從而引出由于支架與圍巖相互平衡而產生的附加力的概念，最大反力作用位置引起支架與圍巖相

11、互平衡而產生的附加力其力學模型如圖4-12所示。 31QQPrQlQlPp31 4.5 回采工作面前后支承壓力的分布開采后的上覆巖層所形成的結構，由“煤壁已冒落的矸石”支撐體系來支撐，只是在下位巖層中才可能由“煤壁工作面支架采空區(qū)已冒落矸石”支撐體系支撐。 因此煤壁一端幾乎支承著回采工作面空間上方懸露巖層的絕大部分重量，而采空區(qū)后方的已冒落矸石只承受壓實區(qū)的重量，因而一般只恢復到H或有時稍大一點或甚至小一點的程度，比起煤壁前方的支承壓力要小得多。采用刀柱法或剛性支撐采空區(qū)，工作面前后的支承壓力分采用刀柱法或剛性支撐采空區(qū)，工作面前后的支承壓力分布如曲線布如曲線1 1所示。全部垮落法或充填采空區(qū)

12、的辦法，則由所示。全部垮落法或充填采空區(qū)的辦法，則由于上覆巖層中出現(xiàn)塊體咬合的結構，將導致工作面前方支于上覆巖層中出現(xiàn)塊體咬合的結構，將導致工作面前方支承壓力急劇增加，采空區(qū)后方則大幅度減小，如曲線承壓力急劇增加，采空區(qū)后方則大幅度減小，如曲線2 2所所示。假如工作面采高很大或頂板巖層極為堅硬，有可能在示。假如工作面采高很大或頂板巖層極為堅硬，有可能在巖層懸露時，使工作面前方支承壓力有所增高，如曲線巖層懸露時，使工作面前方支承壓力有所增高，如曲線3 3所示。所示。假如深井開采或受巖性影響，致使開采后巖層移動并未能波及到地表，則此時將曲線4所示的情況，即采空區(qū)的支承壓力有可能恢復不到H值。 圖4

13、-13 各種采空區(qū)支撐條件下工作面前后支承壓力分布 4.6 4.6 影響采場礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素影響采場礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素 影響采場礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素是圍巖影響采場礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素是圍巖性質，性質，有關圍巖的分類將在第五章敘述有關圍巖的分類將在第五章敘述，此，此處主要處主要分析采高分析采高、傾角傾角、采采深深及及推進速度對推進速度對工作面礦山壓力顯現(xiàn)的影響。工作面礦山壓力顯現(xiàn)的影響。 4.6.1 4.6.1 采高與控頂距采高與控頂距baxmxeSS1圖4-16 上覆巖層移動與工作面空間 頂板下沉的關系00LsLslhKmhs00LLKKmLLhKmhspL0000111LmLK

14、KKsppL0011式中KP為冒落矸石未承受壓力時的碎脹系數(shù)。 1pKMh 0011LKKKpP4.6.2 4.6.2 工作面推進速度的影響工作面推進速度的影響 實測表明，頂板下沉量是時間的函數(shù)。因而有人認為：實測表明，頂板下沉量是時間的函數(shù)。因而有人認為：“既既然頂板下沉量與時間有關，若加快推進速度，縮短工作面每個循然頂板下沉量與時間有關，若加快推進速度，縮短工作面每個循環(huán)的時間，必然可使頂板下沉量減少。這樣就能把頂板壓力甩環(huán)的時間，必然可使頂板下沉量減少。這樣就能把頂板壓力甩掉掉”。但隨著工作面推進速度加快，頂板下沉速度也明顯加快，。但隨著工作面推進速度加快，頂板下沉速度也明顯加快，因此什

15、么情況下加快推進推進速度能改善工作面狀況，必須從原因此什么情況下加快推進推進速度能改善工作面狀況，必須從原理上進行分析。理上進行分析。神華礦區(qū)綜采工作面推進速度的影響: 在15OOm的推進過程中，工作面周期來壓步距存在大小周期，小周期914m(平均12m)，大周期1724m(平均2Om)。工作面連續(xù)快速推進時周期來壓步距增大，一般20m左右。雖然高速推進下支架初撐力僅為額定初撐力的58%，周期來壓步距增大，但工作阻力并沒有增加?？焖偻七M還減緩了工作面臺階下沉量，因此加快推進速度對頂板控制和實現(xiàn)高產高效有積極作用。 4.6.3 開采深度的影響 隨采深增大，沖擊礦壓的次數(shù)與強度都將明顯增加。巖層受

16、重力變形，它所積聚的能量與深度的平方成正比。因此，對有沖擊礦壓危險的礦井，隨著深度的增加，發(fā)生沖擊礦壓的次數(shù)與強度都將顯著增加。國內外的經驗都已證明，在一般條件下，一定的開采深度是出現(xiàn)沖擊礦壓的一個必要條件。3）開采深度對采場頂板壓力大小的影響并不突出，因而對礦山壓力顯現(xiàn)的影響也不明顯，尤其是對頂板下沉量的影響。支架所受載荷的大小，與裂隙帶形成“結構”的條件有關，因而主要應視煤層采高、直接頂和老頂?shù)牧W性質、厚度等因素而定。在目前的開采深度條件下，實際測定表明，采場頂板下沉量與采深之間并無直接關系。但是，隨著采深進一步增加，支承壓力必然增加，從而導致煤壁片幫及底板鼓起的幾率增加，由此也可能導致

17、支架載荷增加。4.6.4 4.6.4 煤層傾角的影響煤層傾角的影響 隨著煤層傾角增大，頂板下沉量將逐漸變小。上覆巖層的重量W，如圖4-17所示。由于傾角增大，必然使沿巖層面的切向滑移力Wsin(即Q2)增大，而使作用于層面的垂直壓力Wcos(即Q1)減小。 圖4-17傾角對礦山壓力的影響W上覆巖層的重力；Q1垂直于巖層的分力；Q2平行于巖層的分力 由于傾角增加，采空區(qū)頂板冒落的矸石不一定能在原地滯留，很可能沿著底板滑移，從而改變了上覆巖層的運動規(guī)律。 由于冒落巖塊滑移，使采空區(qū)形成了如圖4-19(a)所示的情況，即下部充填較滿，而上部卻形成冒空。這樣必然使回采工作面支架受力不均勻。圖4-19(

18、b)表示了各種不同傾角時工作面支架載荷的分布情況。圖4-20 沿傾斜方向開采時巖塊的咬合關系 工作面沿傾斜方向向下推進時（俯采工作面） 老頂巖塊不滑落失穩(wěn)的條件為： 沿傾斜方向向上推進時（仰采工作面） 老頂巖塊不滑落失穩(wěn)的條件為： 因此，在同樣的生產條件下，俯采工作面與走向工作面相比，老頂巖層更容易形成結構，而仰采工作面頂板最不易形成結構。 4.6.5 下分層開采時礦山壓力顯現(xiàn)留煤皮、人工假頂、再生頂板分層初次來壓步距/m 周期來壓步距/m上6039.4下33.819.4支架載荷小 統(tǒng)計表明，無論采用液壓自移支架還是單體支柱，第二分層的支架載荷要比第一分層小，有時可低40左右。 其原因首先是回采第一分層時，頂板來壓表現(xiàn)的“動載荷”(即老頂折斷時對支柱形成的載荷)較大，而在第二分層則主要表現(xiàn)為“靜載荷。其次，在第一分層回采時，“支架圍巖”系統(tǒng)形成的剛度要比以下各分層大。