矿山压力与控制.doc

采场：在煤层或矿床的开来过程中，一般把直接进行采煤或采有用矿物的工作空间称为 冋采工作面或简称为采场底板:赋存在煤层之上的岩层称为顶板或称为上覆岩层，位于煤层下方的岩层称为底板 直接顶：一般把直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层称为直接顶伪顶：在煤层与直接顶之间有时存在厚度小于0.3-0.5 m.极易垮落的软弱岩层，称为 伪顶老顶：通常把位于直接项之上（有时直接位于煤层之上）对釆场矿山压力直接造成影响的 厚而坚硬的岩层称为老顶采空区的处理方法：刀柱法（或留煤柱）、顶板缓慢下沉法、全部充填或局部充填法、 全部垮落法直接顶初次垮落/初次垮落距：直接顶的第一次大面积垮落称为直接顶初次垮落；直接 顶初次垮落的标志是；直接顶的垮落高度超过—5米，范围超过全工作面长度的一半此 吋直接顶的跨距称为初次垮落距顶板下沉：一般指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板相对移近量顶板下沉速度:指单位时间内顶底板移近量，以mm/h计算表示顶板活动的剧烈程度老顶初次来压/老顶初次来压步距：当老顶悬露达到极限跨距时，老顶断裂形成三较拱 式的平衡，同时发生已破断的岩块冋转失稳，有时可能伴随滑落失稳，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遍加大的现彖，即称为老顶的初次来压由开切 眼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断裂步距：老顶达到初次断裂时的跨距称为极限跨距，也称为初次断裂步距周期来压：由前述可知，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“稳定•失稳•再稳定”的变化，这种变化将呈现周而复始的过程由于结 构的失稳导致了工作血顶板的来压，这种来压也将随着工作血的推进而呈周期性出现因此 由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板來压现象称之为工作面顶板的周期來压根据回采工作面前后的支承压力状态可将其分为应力降低区b（减压区）、应力增高区 a（增压区）及应力不变区c（稳压区）在工作面前方支承压力的峰值到煤壁为极限平衡区，向 煤体内则为弹性区支柱撑力；支柱工作阻力：支柱对顶板的主动作用力称为支柱的撑力；支柱受顶板压 力作用而反映出來的力称为支柱的阻力，又称工作阻力P'•初撑力：支架支设时，将活柱升起，托住顶梁，利用升柱工具和锁紧装置使支柱 对顶板产生一个主动力这个最初形成的主动力称为支柱的初撐力对于液压支柱;即是 泵压所形成的支柱对顶板的撑力■始动阻力：在顶板压力作用下，活柱开始下缩的瞬间支柱上所反映出来的力称为始 动阻力。

这种力是顶板压缩支柱形成的，因此称为支柱的阻力P1•初工作阻力：指在支架的性能曲线中，活柱下缩时，工作阻力的增长率由急剧增长 转为缓慢增长的转折点处的工作阻力P2■最大工作阻力：支柱所能承受的最大负载能力，乂称额定工作阻力 支架的分类：1. 按对支撑面积和掩护面积的比值进行分类：（1）支撑式液压支架（2）支撑掩护式（3） 掩护支撑式（4）掩护式2. 按支架结构进行分类这种分类方法主要将液压支架按有无掩护梁分为两大类：凡是 有掩护梁的液压支架统称为掩护式，相反则为支撑式支撑式指在结构上没有掩护梁，对顶 板的作用是支撑的支架称为支撑式支架；掩护式指在结构上有掩护梁，单排立柱连接掩护梁 或直接支撑顶梁対顶板起支撑作用的支架；支撑掩护式指具有双排或多排立柱及掩护梁结构 的支架，支柱大部或全部通过顶梁对顶板起支撐作用，可能有部分支柱是通过掩护梁对顶板 起作用另外，将对顶板仅起掩护作用的液压支架称为纯掩护式液压支架这种命名法在一定程 度上既考虑了支架的支撑特点，同时又考虑了支架的结构特点软岩的概念：软岩从定义上分为地质软岩和工程软岩1) 地质软岩：地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影 响显著或含有大量膨胀性黏土矿物的松、散、软、弱岩层的总称。

2) 工程软岩：工程软岩是指在巷道工程力作用下，能产生品著变形的工程岩体，巷道 工程力是指作用在巷道工程岩体上力的总和工程软岩的定义提示了软岩的相对性实质 软岩的基本属性(1)软化临界载荷：岩石的蠕变实验表明，施加的载荷小于某一载荷水平时，岩石处于 稳定变形状态，蠕变曲线趋于某一变形值施加的载荷大于该载荷水平吋，岩石的应变不断 增加，出现明显的塑性变形加速现象这一载荷水平称为软岩的软化临界载荷施加的载荷 水平低于软化临界载荷时，岩石处于硬岩范畴;施加的载荷水平高于软化临界载荷时,岩石称 为软岩2)软化临界深度：与软化临界载荷相对应地存在软化临界深度对特定矿区，软化临界 深度是客观存在的当巷道埋深大于某一开采深度时，围岩产生明显的塑性大变形;当巷道 埋深小于该开采深度时，巷道围岩不出现明显变形这一临界深度即为软化临界深度 巷道围岩应力影响带：巷道开掘以后，巷道周围岩体内的应力重新分布巷道围岩应力受扰 乱的区域称为影响带，一般以超过原岩应力值的5%作为影响带的边界采场上覆岩层活动规律的假说：1・压力拱假说：此假说认为，在回采工作面空I'可上方，由于岩层自然平衡的结果而形成 了一个压力拱在前后拱角之间为减压区，回采工作面的支架只承受压力拱内的岩石重量； 对冋采工作面前后的支撑压力及冋采空间处于减压范围作出了经典解释，而对拱的特性、岩 层变形、移动和破坏的发展过程以及支架与围岩的相互作用没有做出分析。

2. 悬臂梁假说：此假说认为工作面和釆空区上方的顶板可视为梁，它的一端固定于岩体 内，另一端则处于悬伸状态；解释了工作面近煤壁处顶板下沉量小，支架载荷也小的现象， 同时也可以解释工作面出现的周期來压现象，但未能查明开采后上覆岩层的活动规律3. 钱接岩块假说：此假说认为工作面上覆岩层的破坏可分为垮落带和其上的规则移动带; 止确阐明了工作面上覆岩层的分带情况，并初步涉及岩层内部的力学关系及其可能形成的结 构此假说未能对较接岩块间的平衡条件作进一步探讨4•预成裂隙假说：此假说认为，由于开采的影响，回采工作面上覆岩层的连续性遭到破 坏，从而成为非连续体在回采工作面周围存在着应力降低区、应力增高区和采动影响区5. 砌体梁假说：具体给出了破断岩块的咬合方式及其平衡条件，同时还讨论了老顶破断 时在岩体中引起的扰动；很好地解释了采场矿压显现规律，为采场矿山压力控制及支护设计 提供了理论依据影响矿山压力显现的主要因素：1・采高与控顶距：在一定地质条件下，采高是彫响上覆岩层破坏状况的最重要因素之一 采高越大，采出的空间越大，必然导致采场上覆岩层破坏越严重因此，釆高大的工作面中 矿压显现也越严重，采高越低，顶板活动越缓和，煤壁也较为稳定。

此外，从老顶形成结构 的形式出发推导的经验公式可知，冋釆工作面的顶板下沉量与釆高、控顶距的大小成正比关 系因此，控顶距越大，矿压显现也就越为剧烈2. 工作面推进速度的影响：加快工作面的推进速度缩短了落煤和放顶两个主要生产过程 的时间间隔，其结果是能减少顶板下沉量，但同时必然使顶板下沉加剧所以，只有在原先 工作面推进速度比较缓慢的情况下，加快共作面的推进速度才会对工作面顶板顶板状态有所 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逐渐减小此外，由矿压 实测结果表明，当工作面推进速度明显加快时，周期來压步距和來压的持续长度均有所增加3•开采深度的影响：开采深度对巷道矿山压力显现的影响可能比较明显，如在松软岩层 中开掘巷道，随着深度增加，巷道围岩的“挤、压、鼓”现象将更为严重但开采深度对采 场顶板压力大小的影响并不突出，因而对矿山压力显现的影响也不明显，尤其是对顶板下沉 的影响；对开采深度较小的浅埋煤层，由于上覆松散载荷层的作用，一定条件下会发生覆岩 的整体破断，工作面矿压显现不但没有减小反而很强烈；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和强度都将明显增加4. 煤层倾角的影响：实际观测证明，煤层倾角对回采工作面矿山压力显现的影响也是很 大的。

例如，随着煤层倾角增加，顶板下沉量将逐渐变小，众所周知，急倾斜工作面的顶板 下沉量比缓倾斜工作面要小得多支柱的工作特性：急增阻式一支柱开始支设时，有一个极小的人为的初撑力Po〔当支柱在顶板压力作用下, 活柱开始下缩时便形成了始动阻力P而后随着活柱下缩，工作阻力呈直线型急剧增加这 种支柱可缩量较小微增阻式一同急增阻式一样，只具备较小的初撑力与始动阻力但它随看活柱的下缩， 工作阻力先有一个急剧增长过程当达到初工作阻力P1后，随着支柱的继续下缩，工作阻力 的增长变得极为缓慢，一直到支柱的最大可缩量，也即是支柱的最大工作阻力时为止上此 类支柱具有较大的可缩量恒阻式一当支柱安设后，随着活柱下缩，很快达到额定工作阻力，以后尽管活柱继续下 缩，支柱的工作阻力保持不变液压支柱是典型的恒阻性能支柱从支柱工作阻力适应顶板压力的特点进行分析，显然，恒阻性能的支柱较为有利，急增 式性能比较差我国煤矿长壁工作面支护方式从最初的木支柱发展到单体金属摩擦支柱（急 增阻和微增阻），再到单体液压支柱（恒阻式），现在广泛应用由液压支柱和顶梁、底座、移 架千斤顶组合而成的液压白移支架 支架与围岩相互作用的特点： 从已有的资料分析，采面支架与围岩关系的特点如下：1•支架与围岩是相互作用的一对力。

在小范围内，围岩形成的顶板压力可看作是一个 作用力，支架可以视为一个反力，两者应互相适应，使其大小相等，而且尽可能地作用在一个 作用点上2. 支架受力的大小及其在回采工作面分布的规律与支架性能有关事实证明，刚性、急 增阻式、微增阻式或恒阻式支架受力在工作面的分布状态是不一致的，恒阻式支架的受力 比较均匀不仅如此支架受力大小还与围岩的性质，即支架与围岩形成的总特性有关3. 支架结构及尺寸对顶板压力的影响，实际生产中证明，在支架架型选择合适时，可 以用最小的工作阻力维护好顶板例如在有些条件下使用短梁的掩护式支架（工作阻力仅 800kN）却能取得比使用四柱垛式（工作阻力2 400 kN）更好的维护效果支架与围岩体系的刚度模型：1. 支架与围岩体系的刚度模型（1）支架的刚度根据支架的工作特性，支架的刚度一般是指支架增阻阶段的刚度支架刚度越大，支架 单位活柱缩量的增阻量越大，对顶板保持稳定所起的作用越好支架的刚度特征是由立柱的 刚度特征决定的，反映了工作液体的压缩性、立柱活柱和柱体壁变形的综合特性在支架架 型及工作液一定的情况下，其刚度则与立柱的密封程度有关因此，提髙支架刚度，则应从 增大立柱缸径，改善工作液的物理特性及提高立柱的密封质量着手。

支架的刚度可用下式表示：Ks = N.K・cos0式中K・支架的刚度;N■支架立柱数；k•支架立柱的刚度;/?支架立柱与竖直方向的夹角2）支架与围岩体系的刚度支架与|韦|岩体系的刚度K由直接顶、支架和底板的刚度共同决定，可由下式表示：* =右+扌+右■直接顶刚度；心■支架刚度；§■底板刚度丫 s J认为底板的影响是有限的，在支架围岩系统中，主要是直接顶和支架的相互作用上式简化2. 采场支架的工作状态在支架与围岩体系中，若令支架为围岩体系的总变形量为As,支架及直接顶的变形量分别为 g和则有：= KsLss = Kr^令第F，则誓=曲由此可见，支架的变形在系统总体变形中所占的比重，取决于直接顶刚度与支架刚度的相对 大小支架的刚度相对直接顶越小，则支架的变形量越大若当Ss/S>80%吋，即认为系统的变形主要是由支架的变形决定的、则支架的刚度特性决定 系统的总体力学特性;当Ss/S< 20%时，即认为系统的变形主要是由直接顶的变形决定的，则 直接顶的刚度特性决定系统的总体力学特性;当20%