采煤概論教學PPT課件,采煤概論,采煤,概論,教學,PPT,課件 河南理工大學采煤概論精品課程第四篇準備方式與采煤方法第11章礦山壓力及其控制主要內(nèi)容主要內(nèi)容第11章 礦山壓力及其控制第一節(jié)第一節(jié) 礦山巖石和巖體的基本性質(zhì)礦山巖石和巖體的基本性質(zhì)第二節(jié)第二節(jié) 礦山巖體的原巖應(yīng)力及其重新分布礦山巖體的原巖應(yīng)力及其重新分布第三節(jié)第三節(jié) 煤層圍巖分類煤層圍巖分類第四節(jié)第四節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)影響工作面礦山壓力的顯現(xiàn)影響第五節(jié)第五節(jié) 工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇復習思考題復習思考題地下巖體在受到開挖以前,原巖應(yīng)力處于平衡狀態(tài)。開掘巷道或進行回采工作時，破壞了原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起巖體內(nèi)應(yīng)力重新分布，并一直延續(xù)到巖體內(nèi)形成新的平衡為止。在應(yīng)力重新分布過程中，使圍巖產(chǎn)生變形、移動、破壞，從而對工作面、巷道及圍巖產(chǎn)生壓力。通常把這種因圍巖移動而產(chǎn)生的壓力稱為礦山壓力。開挖過程地下巖層及煤層運移規(guī)律模擬開挖過程地下巖層及煤層運移規(guī)律模擬開挖過程地下巖層及煤層運移規(guī)律模擬開挖過程地下巖層及煤層運移規(guī)律模擬開挖過程地下巖層及煤層運移規(guī)律模擬開挖過程地下巖層及煤層運移規(guī)律模擬開挖過程地下巖層及煤層運移規(guī)律模擬開挖過程地下巖層及煤層運移規(guī)律模擬巷道圍巖變形及應(yīng)力分布層狀巖層中的復雜應(yīng)力場錨桿支護巷道變形情況地下巖體在受到開挖以前,原巖應(yīng)力處于平衡狀態(tài)。開掘巷道或進行回采工作時，破壞了原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起巖體內(nèi)應(yīng)力重新分布，并一直延續(xù)到巖體內(nèi)形成新的平衡為止。在應(yīng)力重新分布過程中，使圍巖產(chǎn)生變形、移動、破壞，從而對工作面、巷道及圍巖產(chǎn)生壓力。通常把這種因圍巖移動而產(chǎn)生的壓力稱為礦山壓力。在礦山壓力作用下，會引起各種力學現(xiàn)象，如圍巖的變形、破壞、冒頂、底鼓、煤巖片幫、支護物破壞、折損等等，通常把這些由于礦山壓力作用使巷硐周圍巖體和支護物產(chǎn)生的種種力學現(xiàn)象稱為礦山壓力顯現(xiàn)。瓦斯、頂板事故是煤礦的主要災(zāi)害底煤涌出掀翻設(shè)備底煤涌出掀翻設(shè)備底煤涌出掀翻設(shè)備底煤涌出掀翻設(shè)備煤層整體突出煤層整體突出煤層整體突出煤層整體突出U U型鋼支護結(jié)構(gòu)破壞情況型鋼支護結(jié)構(gòu)破壞情況型鋼支護結(jié)構(gòu)破壞情況型鋼支護結(jié)構(gòu)破壞情況直接底變形破壞直接底變形破壞直接底變形破壞直接底變形破壞50年代中期印度某金礦年代中期印度某金礦巷道中巖爆造成的戲劇性效果巷道中巖爆造成的戲劇性效果巷道中巖爆造成的戲劇性效果巷道中巖爆造成的戲劇性效果(dramatic effect)巖爆前巖爆前中度破壞區(qū)中度破壞區(qū)嚴重破壞區(qū)嚴重破壞區(qū)完全閉合區(qū)完全閉合區(qū)地下巖體在受到開挖以前,原巖應(yīng)力處于平衡狀態(tài)。開掘巷道或進行回采工作時，破壞了原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起巖體內(nèi)應(yīng)力重新分布，并一直延續(xù)到巖體內(nèi)形成新的平衡為止。在應(yīng)力重新分布過程中，使圍巖產(chǎn)生變形、移動、破壞，從而對工作面、巷道及圍巖產(chǎn)生壓力。通常把這種因圍巖移動而產(chǎn)生的壓力稱為礦山壓力。在礦山壓力作用下，會引起各種力學現(xiàn)象，如圍巖的變形、破壞、冒頂、底鼓、煤巖片幫、支護物破壞、折損等等，通常把這些由于礦山壓力作用使巷硐周圍巖體和支護物產(chǎn)生的種種力學現(xiàn)象稱為礦山壓力顯現(xiàn)。為使礦壓顯現(xiàn)不致影響采礦工作的正常進行和保障安全生產(chǎn)，必須采取各種技術(shù)措施把礦山壓力顯現(xiàn)控制在一定的范圍內(nèi)。對于有利于采礦生產(chǎn)的礦壓顯現(xiàn)，也應(yīng)當合理利用。所有減輕、調(diào)節(jié)、改變和利用礦山壓力作用的各種方法，均叫做礦山壓力控制。礦山壓力與巖層控制是礦業(yè)工程的基礎(chǔ)學科，其特點：1、采礦工程巖體結(jié)構(gòu)的本質(zhì)與地面工程不同，地下工程圍巖既是一種載荷，也是一種結(jié)構(gòu)，施載體系和承載體系之間沒有明顯界限。2、采礦工程的移動特征3、采礦工程中圍巖的大變形和支護體的可縮特征注重支架-圍巖相互作用關(guān)系的研究，要求支架具備良好的支撐性能和一定的可縮性能。4、采礦工程中的能量原理和動力現(xiàn)象沖擊地壓、頂板大面積來壓、煤與瓦斯突出以及礦震都是動力災(zāi)害。沖擊地壓是裂紋擴展和變形局部化導致的失穩(wěn)現(xiàn)象。巖石：巖石：由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律 聚集而形成的自然物體。這是影響這是影響巖石力學性質(zhì)和物理性質(zhì)巖石力學性質(zhì)和物理性質(zhì)的三個重要因素的三個重要因素。構(gòu)造構(gòu)造:組成成分的空間分布及其相互間排列關(guān)系 礦物：礦物：存在地殼中的具有一定化學成分和物理性 質(zhì)的自然元素和化合物。結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：組成巖石的物質(zhì)成分、顆粒大小和形狀以及其相互結(jié)合的情況。第一節(jié)第一節(jié) 巖石和巖體的基本性質(zhì)巖石和巖體的基本性質(zhì)巖石巖石巖石種類繁多，結(jié)構(gòu)復雜。變質(zhì)巖：穩(wěn)定程度與變質(zhì)程度和 原巖性質(zhì)有關(guān)巖漿巖：強度高、均質(zhì)性好沉積巖：強度不穩(wěn)定，各向異性巖漿巖，火成巖，占地殼總體積的95%。依據(jù)SiO2 分為酸性（大于65%）、基性(小于52%）和中性侵入巖和噴出巖兩大類。細?；鸪蓭r如玄武巖、安山巖等是噴出巖粗粒火成巖如花崗巖、輝長巖、閃長巖是侵入巖巖石巖石巖石種類繁多，結(jié)構(gòu)復雜。變質(zhì)巖：穩(wěn)定程度與變質(zhì)程度和 原巖性質(zhì)有關(guān)巖漿巖：強度高、均質(zhì)性好沉積巖：強度不穩(wěn)定，各向異性沉積巖，覆蓋大陸面積75%，平均厚度 2 km，和幾乎所有的海洋地殼，平均厚度 1 km。砂巖占沉積巖25%，礦物顆粒尺度1/16 mm 2 mm頁巖占沉積巖50%，礦物顆粒尺度小于1/16 mm石灰?guī)r占沉積巖20%，方解石和白云石造巖礦物巖石巖石巖石種類繁多，結(jié)構(gòu)復雜。變質(zhì)巖：穩(wěn)定程度與變質(zhì)程度和 原巖性質(zhì)有關(guān)巖漿巖：強度高、均質(zhì)性好沉積巖：強度不穩(wěn)定，各向異性變質(zhì)巖，已經(jīng)存在的巖石經(jīng)高溫高壓作用形成也占大陸面積18%，是富存各種經(jīng)濟礦物大理巖由石灰?guī)r變質(zhì)而來石英巖由石英砂巖變質(zhì)而來巖石巖石變質(zhì)巖：穩(wěn)定程度與變質(zhì)程度和 原巖性質(zhì)有關(guān)巖漿巖：強度高、均質(zhì)性好沉積巖：強度不穩(wěn)定，各向異性巖石巖石巖體=巖塊+結(jié)構(gòu)面變質(zhì)巖：不穩(wěn)定與變質(zhì)程度和原 巖性質(zhì)有關(guān)巖漿巖：強度高、均質(zhì)性好沉積巖：強度不穩(wěn)定，各向異性巖巖 體體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)面面巖塊巖塊不連續(xù)面：包括節(jié)理、裂隙、孔隙、斷層、層面構(gòu)造和斷層構(gòu)造和斷層 不連續(xù)；不連續(xù)；各向異性；各向異性；不均勻性；不均勻性；巖塊單元的可移動性；巖塊單元的可移動性；地質(zhì)因子特性（水、氣、熱、初應(yīng)力）。地質(zhì)因子特性（水、氣、熱、初應(yīng)力）。巖體的力學特征巖體的力學特征 不好比沒有強。不好比沒有強。最好能估計偏差，最好能估計偏差，尤其是偏于安全還是偏于不安全尤其是偏于安全還是偏于不安全巖體盡管不是彈性體，但由于目前的能力所限，巖體盡管不是彈性體，但由于目前的能力所限，經(jīng)常還利用彈性力學的方法進行研究經(jīng)常還利用彈性力學的方法進行研究（1）巖石的容重、比重和密度 不考慮內(nèi)部孔隙時的數(shù)值 容重越大，力學性質(zhì)越好巖石的物理性質(zhì)指標巖石的物理性質(zhì)指標（2）礦物顆粒的礦物顆粒的容重、比重和密度容重、比重和密度（3）孔隙率：孔隙體積與總體積之比孔隙率：孔隙體積與總體積之比 孔隙比：孔隙比：孔隙體積與固體體積之比孔隙體積與固體體積之比 碎脹性：破碎后體積增大，碎脹系數(shù)碎脹性：破碎后體積增大，碎脹系數(shù)Kp（1）巖石的容重、比重和密度 不考慮內(nèi)部孔隙時的數(shù)值 容重越大，力學性質(zhì)越好測定方法測定方法:先烘干，再吸水；依據(jù)規(guī)程作試驗先烘干，再吸水；依據(jù)規(guī)程作試驗（4 4）吸水率與飽水率：吸水率與飽水率：吸水量與巖石干重量比值巖石的物理性質(zhì)指標巖石的物理性質(zhì)指標（2）礦物顆粒的礦物顆粒的容重、比重和密度容重、比重和密度（3）孔隙率：開口孔隙與閉口孔隙孔隙率：開口孔隙與閉口孔隙飽水系數(shù):實際吸水率與飽水率的比值，冰劈（5）抗凍系數(shù)：巖石抗凍融破壞的性能抗凍系數(shù)：巖石抗凍融破壞的性能（1）巖石的容熱性：比熱巖石的容熱性：比熱 （3 3）熱膨脹性）熱膨脹性巖石的熱學和電學性質(zhì)巖石的熱學和電學性質(zhì)（2）巖石的導熱性能：熱傳導系數(shù)巖石的導熱性能：熱傳導系數(shù) cal/(cm2sec)單位面積、單位溫差、單位時間通過的熱量單位面積、單位溫差、單位時間通過的熱量 巖石：巖石：0.4 7.0，一般為，一般為 0.8 4.0 冰：冰：2.1 水水 0.63 空氣空氣 0.021 巖石導熱性能順層理高于垂直于層理巖石導熱性能順層理高于垂直于層理（4 4）導電性：）導電性：順層理電阻較低順層理電阻較低 根據(jù)溫度梯度確定地球內(nèi)部傳出的熱量根據(jù)溫度梯度確定地球內(nèi)部傳出的熱量巖巖 體體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)面面巖塊巖塊不連續(xù)面：包括節(jié)理、裂隙、孔隙、斷層、層面結(jié)構(gòu)面控制巖體的力學性質(zhì)巖體的基本力學性質(zhì)巖體的基本力學性質(zhì) 不連續(xù)；不連續(xù)；各向異性；各向異性；不均勻性；不均勻性；巖塊單元的可移動性；巖塊單元的可移動性；地質(zhì)因子特性（水、氣、熱、初應(yīng)力）。地質(zhì)因子特性（水、氣、熱、初應(yīng)力）。巖體的力學特征巖體的力學特征 不好比沒有強。不好比沒有強。最好能估計偏差，最好能估計偏差，尤其是偏于安全還是偏于不安全尤其是偏于安全還是偏于不安全巖體盡管不是彈性體，但由于目前的能力所限，巖體盡管不是彈性體，但由于目前的能力所限，經(jīng)常還利用彈性力學的方法進行研究經(jīng)常還利用彈性力學的方法進行研究巖體結(jié)構(gòu)面的分析1 結(jié)構(gòu)面定量描述的八個基本參數(shù) 產(chǎn)狀：結(jié)構(gòu)面在空間的狀態(tài)，走向、傾向和傾角間距：同組結(jié)構(gòu)面之間的垂直距離。平均值延展性：在一個巖體露頭的結(jié)構(gòu)面跡線的長度粗糙度和起伏度；結(jié)構(gòu)面面壁的強度開度與充填物；滲透性結(jié)構(gòu)面的組數(shù)和巖塊尺度巖體結(jié)構(gòu)面的分類2 結(jié)構(gòu)面分類按成因分為：原生結(jié)構(gòu)面原生結(jié)構(gòu)面是在成巖中形成的，如沉積巖的層理、軟弱夾層、不整合面，變質(zhì)巖的片理、板理和片麻構(gòu)造構(gòu)造結(jié)構(gòu)面構(gòu)造結(jié)構(gòu)面是巖體受構(gòu)造應(yīng)力作用所產(chǎn)生的破裂面或破碎帶，包括構(gòu)造節(jié)理、劈理、斷層、層間錯動面次生結(jié)構(gòu)面次生結(jié)構(gòu)面是巖體受卸荷作用、風化作用和地下水活動等產(chǎn)生，如卸荷裂隙、風化裂隙、泥化夾層。巖體結(jié)構(gòu)面的分類2 結(jié)構(gòu)面分類結(jié)構(gòu)面的絕對分類以延展長度為基礎(chǔ)，細小 10 m；還可以結(jié)合工程尺度進行相對分類：P64 表4-1按地質(zhì)力學觀點進行分三種15類 破壞面：大面積的、緩慢破壞形成的 破壞帶：小面積密集的破壞，快速地質(zhì)作用形成 過渡類型2 巖體破碎程度的分類 由裂隙度和度量個定量指標組成 裂隙度 K：取樣線上單位長度上節(jié)理的數(shù)量，與裂隙的平均間距相關(guān) 切割度 Xe：考慮一個巖體中平直斷面內(nèi)巖體中結(jié)構(gòu)面面積所占的比例 一組節(jié)理的切割度 Xr=K*Xe巖體結(jié)構(gòu)面的變形特性結(jié)構(gòu)面的法向加載時變形特征：結(jié)構(gòu)面的閉合，剛度逐步增大結(jié)構(gòu)面的剪切加載時變形特征：比較復雜，隨結(jié)構(gòu)面而變化一、原巖應(yīng)力概念：一、原巖應(yīng)力概念：1、原巖應(yīng)力、原巖應(yīng)力未受開采影響的巖體內(nèi)，由于巖體自重和構(gòu)造運動等原未受開采影響的巖體內(nèi)，由于巖體自重和構(gòu)造運動等原 因引起的應(yīng)力。（原始應(yīng)力）因引起的應(yīng)力。（原始應(yīng)力）自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力2、原巖應(yīng)力組成、原巖應(yīng)力組成地溫應(yīng)力膨脹（收縮）應(yīng)力流體壓應(yīng)力未開采前，地下空間已形成原巖應(yīng)力場；在較大范圍內(nèi)，原巖應(yīng)力場分布不均；不均衡應(yīng)力場隨圍巖變形及時間推移將趨于平衡第二節(jié)第二節(jié) 巖體中的原巖應(yīng)力及其變化巖體中的原巖應(yīng)力及其變化二、自重應(yīng)力：二、自重應(yīng)力：鉛直應(yīng)力：鉛直應(yīng)力：水平應(yīng)力：水平應(yīng)力：其中：其中：側(cè)壓系數(shù) 海 姆：（靜水壓力理論）金尼克：（彈性側(cè)壓理論）一般 則舉例：求采深為800 m處巖體原巖應(yīng)力狀態(tài)。：靜水壓力狀態(tài)三、構(gòu)造應(yīng)力：三、構(gòu)造應(yīng)力：1、構(gòu)造應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力由構(gòu)造運動引起（板塊、火山、升降）現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力 地質(zhì)構(gòu)造殘余應(yīng)力 構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力難以區(qū)分構(gòu)造應(yīng)力場構(gòu)造應(yīng)力場構(gòu)造運動形成構(gòu)造運動形成：板塊擠壓板塊移動，擠壓邊界引起（橫向）；地幔熱對流地幔上下封閉對流形成；巖漿侵入巖漿侵入擠壓、冷凝收縮（局部）2、構(gòu)造應(yīng)力特點：、構(gòu)造應(yīng)力特點：1）分布不均，在構(gòu)造區(qū)域附近最大；2）水平應(yīng)力為主，淺部尤為明顯；3）具有明顯的方向性；4）堅硬巖層中明顯，軟巖中不明顯；5）構(gòu)造應(yīng)力目前尚難以計算，只能實測。3、構(gòu)造應(yīng)力（最大主應(yīng)力）的現(xiàn)場判斷：、構(gòu)造應(yīng)力（最大主應(yīng)力）的現(xiàn)場判斷：1）水水平平巷巷道道，破破壞壞具具有有明明顯顯的的方方向向性性，且且兩兩幫幫破破壞壞程程度度較較頂?shù)灼茐某潭却髸r；頂?shù)灼茐某潭却髸r；2）垂直巷道，巷幫發(fā)生對稱性破壞時，沿破壞連線方向；）垂直巷道，巷幫發(fā)生對稱性破壞時，沿破壞連線方向；3）與褶皺脊線（褶曲軸）、逆斷層走向垂直；）與褶皺脊線（褶曲軸）、逆斷層走向垂直；4）沿）沿X形節(jié)理（斷裂）銳角平分線方向；形節(jié)理（斷裂）銳角平分線方向；5）與縱張節(jié)理走向一致。）與縱張節(jié)理走向一致。四、原巖應(yīng)力分布基本規(guī)律：四、原巖應(yīng)力分布基本規(guī)律：實測鉛直應(yīng)力基本等于上覆巖層重量；實測鉛直應(yīng)力基本等于上覆巖層重量；水平應(yīng)力普遍大于鉛直應(yīng)力；水平應(yīng)力普遍大于鉛直應(yīng)力；平均水平應(yīng)力與鉛直應(yīng)力比值隨深度增加而減??；平均水平應(yīng)力與鉛直應(yīng)力比值隨深度增加而減??；最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力一般相差較大。最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力一般相差較大。（考慮構(gòu)造應(yīng)力后，水平應(yīng)力作用明顯）深度深度RT垂垂 直直 應(yīng)應(yīng) 力力 與與 深深 度度 成成 正正 比比深度深度RT平平、垂垂 應(yīng)應(yīng) 力力 比比 值值 隨隨 深深 度度 增增 加加 而而 減減 小小回采空間周圍應(yīng)力重新分布：回采空間周圍應(yīng)力重新分布：不同方向臨空，應(yīng)力疊加；不同方向臨空，應(yīng)力疊加；在拐角處應(yīng)力集中程度高；在拐角處應(yīng)力集中程度高；按臨空自由面多少，應(yīng)力集按臨空自由面多少，應(yīng)力集中程度有如下關(guān)系：中程度有如下關(guān)系：孤島孤島 半島半島 拐角拐角 單面單面英國對一采深為470 m，工作面長為210 m時的垂直應(yīng)力測定結(jié)果，p為原巖應(yīng)力，相當于H，平面圖所示為等垂直應(yīng)力線 隨著回采工作面的推進，回采工作面四周的垂直應(yīng)力分布將改變,圖中表示的是開灤錢家營煤礦一工作面開采后的應(yīng)力分布計算圖。第一節(jié)第一節(jié) 巖石和巖體的基本性質(zhì)巖石和巖體的基本性質(zhì)圍巖的性質(zhì)，尤其是它的力學性質(zhì)對采掘工作面的壓力顯現(xiàn)影響最大。圍巖的性質(zhì)，尤其是它的力學性質(zhì)對采掘工作面的壓力顯現(xiàn)影響最大。巖石通常為脆性體，有些為彈塑性體，它的力學性質(zhì)表現(xiàn)為：巖石通常為脆性體，有些為彈塑性體，它的力學性質(zhì)表現(xiàn)為：壓壓剪剪彎彎拉拉抗拉強度遠小于抗壓強度，一般抗拉強度只有其抗壓強度的抗拉強度遠小于抗壓強度，一般抗拉強度只有其抗壓強度的 1/151/20巖石破碎通常表現(xiàn)為拉性；有時也表現(xiàn)為剪性，如彈塑性巖石。巖石破碎通常表現(xiàn)為拉性；有時也表現(xiàn)為剪性，如彈塑性巖石。由于巖石為非均質(zhì)體，組成的成分又不同，再加原生和次生的影響，從由于巖石為非均質(zhì)體，組成的成分又不同，再加原生和次生的影響，從而形成了它的復雜的力學性質(zhì)而形成了它的復雜的力學性質(zhì)異向性。例如，巖層中具有層理、節(jié)理異向性。例如，巖層中具有層理、節(jié)理等弱面，沿這些弱面方向的巖石抗拉強度，遠小于其它方向的抗拉強度，等弱面，沿這些弱面方向的巖石抗拉強度，遠小于其它方向的抗拉強度，有些甚至完全失去抗拉能力。又如雖屬同種巖石，由于構(gòu)造裂隙影響，有些甚至完全失去抗拉能力。又如雖屬同種巖石，由于構(gòu)造裂隙影響，它們的力學性質(zhì)，往往相差很大。它們的力學性質(zhì)，往往相差很大。第一節(jié)第一節(jié) 煤層圍巖分類煤層圍巖分類對采煤工作面影響最大的圍巖是煤層頂部巖層。因?qū)Σ擅汗ぷ髅嬗绊懽畲蟮膰鷰r是煤層頂部巖層。因此，通常在研究煤層圍巖性質(zhì)時，重點研究煤層頂此，通常在研究煤層圍巖性質(zhì)時，重點研究煤層頂板性質(zhì)，至于煤層底部巖層，只有在急傾斜煤層開板性質(zhì)，至于煤層底部巖層，只有在急傾斜煤層開采時，才具有實際意義。采時，才具有實際意義。根據(jù)我國巖層的實際情況，一般把直接頂分為三類：根據(jù)我國巖層的實際情況，一般把直接頂分為三類：一類直接頂（不穩(wěn)定）一類直接頂（不穩(wěn)定）回采時不及時支護，很易造回采時不及時支護，很易造成局部冒頂，如頁巖、煤皮、再生頂板等；成局部冒頂，如頁巖、煤皮、再生頂板等；二類直接頂（中等穩(wěn)定）二類直接頂（中等穩(wěn)定）頂板雖有裂隙，但仍比較頂板雖有裂隙，但仍比較完整，如砂質(zhì)頁巖；完整，如砂質(zhì)頁巖；三類直接頂（穩(wěn)定）三類直接頂（穩(wěn)定）頂板允許懸露較大面積而不垮頂板允許懸露較大面積而不垮落，直接頂完整，如砂巖或堅硬的砂質(zhì)頁巖。落，直接頂完整，如砂巖或堅硬的砂質(zhì)頁巖。第一節(jié)第一節(jié) 煤層圍巖分類煤層圍巖分類基本頂（老頂）分類尚無統(tǒng)一規(guī)定，現(xiàn)根據(jù)基本頂基本頂（老頂）分類尚無統(tǒng)一規(guī)定，現(xiàn)根據(jù)基本頂對工作面的壓力（初次和周期來壓）及初次來壓的對工作面的壓力（初次和周期來壓）及初次來壓的步距，把老頂分為四類介紹如下：步距，把老頂分為四類介紹如下：類基本頂類基本頂初次和周期來壓不明顯，來壓時緩和無初次和周期來壓不明顯，來壓時緩和無沖擊。來壓的大小相當于或小于沖擊。來壓的大小相當于或小于68倍采高的頂板巖層倍采高的頂板巖層重量。初次來壓步距大于重量。初次來壓步距大于25m。類基本頂類基本頂初次和周期來壓很明顯，來壓的大小相初次和周期來壓很明顯，來壓的大小相當于當于812倍采高的頂板巖層重量。初次來壓步距大于倍采高的頂板巖層重量。初次來壓步距大于25m50m。類基本頂類基本頂初次和周期來壓強烈，來壓的大小相當初次和周期來壓強烈，來壓的大小相當于于1214倍采高的頂板巖層重量。初次來壓步距大于倍采高的頂板巖層重量。初次來壓步距大于25m50m。類基本頂類基本頂平時頂板無壓力，采空區(qū)懸露面積達幾平時頂板無壓力，采空區(qū)懸露面積達幾千甚至上萬千甚至上萬m2不垮落，初次和周期來壓時，頂板垮落常不垮落，初次和周期來壓時，頂板垮落常形成狂風、巨響。初次來壓步距大于形成狂風、巨響。初次來壓步距大于50m，甚至可達，甚至可達100m150m。這種頂板多為極堅硬的厚砂巖或礫巖。這種頂板多為極堅硬的厚砂巖或礫巖。第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律一、支承壓力一、支承壓力（一）支承壓力的形成（一）支承壓力的形成當煤體未采動前，煤體內(nèi)的應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，煤體上當煤體未采動前，煤體內(nèi)的應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，煤體上所受的力為上覆巖層的重力所受的力為上覆巖層的重力H（巖層的容重，巖層的容重，t/m3；H煤層距地面的深度，煤層距地面的深度，m）。）。當在煤體內(nèi)開掘切眼后，破壞了應(yīng)力的平衡狀態(tài)，引起當在煤體內(nèi)開掘切眼后，破壞了應(yīng)力的平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布。這時在切割眼上部頂板內(nèi)形成了自然平應(yīng)力重新分布。這時在切割眼上部頂板內(nèi)形成了自然平衡衡“壓力拱壓力拱”。切眼上部巖體重量。切眼上部巖體重量Q由兩側(cè)煤壁平均分擔。由兩側(cè)煤壁平均分擔。因此，在切割眼兩幫煤體中，產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，這因此，在切割眼兩幫煤體中，產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，這種集中應(yīng)力稱為種集中應(yīng)力稱為支撐壓力支撐壓力。它的大小為原始應(yīng)力。它的大小為原始應(yīng)力H的的1.252.5倍，最大值可為原始應(yīng)力的倍，最大值可為原始應(yīng)力的24倍或更大。倍或更大。第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律煤體內(nèi)開掘切割眼后應(yīng)力重新分布a切眼寬度；Q切眼上部巖體重量；H煤層距地面深度；上覆巖層的容重第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律由于由于“壓力拱壓力拱”的存在，切割眼處的存在，切割眼處于減壓狀態(tài)。隨著工作面推進，切于減壓狀態(tài)。隨著工作面推進，切割眼擴大了，割眼擴大了，“壓力拱壓力拱”破壞而消破壞而消失，在工作面前方的煤體中，同樣失，在工作面前方的煤體中，同樣產(chǎn)生支承壓力帶，其范圍自工作面產(chǎn)生支承壓力帶，其范圍自工作面前方前方2m3m起直至起直至10m45m，有時可達近有時可達近100m，最大支承壓力區(qū)，最大支承壓力區(qū)，約距煤壁約距煤壁5m15m左右；在工作面左右；在工作面后方，當采空區(qū)充填物壓實到一定后方，當采空區(qū)充填物壓實到一定程度后，也產(chǎn)生支承壓力帶。前后程度后，也產(chǎn)生支承壓力帶。前后兩個支承壓力帶，隨工作面推進而兩個支承壓力帶，隨工作面推進而移動，即移動，即移動支撐壓力移動支撐壓力。工作面圍巖應(yīng)力分布a增壓區(qū)；b減壓區(qū)；c穩(wěn)壓區(qū)第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律從圖看出，由于采動影響的結(jié)果，在工作面前方煤體中和工從圖看出，由于采動影響的結(jié)果，在工作面前方煤體中和工作面后方的采空區(qū)內(nèi)，根據(jù)壓力分布不同可分為三個區(qū)：作面后方的采空區(qū)內(nèi)，根據(jù)壓力分布不同可分為三個區(qū)：a增壓（支承壓力）區(qū)，它的應(yīng)力大于原始應(yīng)力；增壓（支承壓力）區(qū)，它的應(yīng)力大于原始應(yīng)力；b減壓區(qū)，它的應(yīng)力小于原始應(yīng)力；減壓區(qū)，它的應(yīng)力小于原始應(yīng)力；c穩(wěn)壓區(qū)，它的應(yīng)力等于原始應(yīng)力。穩(wěn)壓區(qū)，它的應(yīng)力等于原始應(yīng)力。在采煤工作面上下兩端的區(qū)段煤柱內(nèi)，也由于采煤和掘進區(qū)在采煤工作面上下兩端的區(qū)段煤柱內(nèi)，也由于采煤和掘進區(qū)段平巷而形成支承壓力，它的分布特征和工作面前方的支承段平巷而形成支承壓力，它的分布特征和工作面前方的支承壓力基本相同。當采煤工作面推進較長距離后，區(qū)段煤柱內(nèi)壓力基本相同。當采煤工作面推進較長距離后，區(qū)段煤柱內(nèi)的支承壓力，可隨頂板垮落而逐漸消失。的支承壓力，可隨頂板垮落而逐漸消失。第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律（二）影響支承壓力大小、分布的因素（二）影響支承壓力大小、分布的因素支承壓力的大小及其分布與頂板懸露的面積和時間、開采深度、采空支承壓力的大小及其分布與頂板懸露的面積和時間、開采深度、采空區(qū)充填程度、頂?shù)装鍘r性、煤質(zhì)軟硬有關(guān)。區(qū)充填程度、頂?shù)装鍘r性、煤質(zhì)軟硬有關(guān)。采空區(qū)頂板懸露面積越大，時間越長，頂板壓力就越大，而支承壓力采空區(qū)頂板懸露面積越大，時間越長，頂板壓力就越大，而支承壓力的分布范圍和集中程度越大。的分布范圍和集中程度越大。開采深度越大，懸露頂板的重量越大，支承壓力也越大。開采深度越大，懸露頂板的重量越大，支承壓力也越大。采空區(qū)充填程度越密實，煤壁內(nèi)支承壓力越小。例如采用全部充填時，采空區(qū)充填程度越密實，煤壁內(nèi)支承壓力越小。例如采用全部充填時，上部頂板下沉后，很快就會被充填物支撐，這時懸露頂板巖層的重上部頂板下沉后，很快就會被充填物支撐，這時懸露頂板巖層的重量轉(zhuǎn)移到周圍煤體上的壓力就小。因此，采用全部充填法處理采空量轉(zhuǎn)移到周圍煤體上的壓力就小。因此，采用全部充填法處理采空區(qū)比采用全部垮落法處理采空區(qū)時，煤壁內(nèi)的支承壓力分布范圍和區(qū)比采用全部垮落法處理采空區(qū)時，煤壁內(nèi)的支承壓力分布范圍和大小要小得多。大小要小得多。第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律頂板巖層越堅硬，頂板壓力分布越均勻，支承壓力的集中程頂板巖層越堅硬，頂板壓力分布越均勻，支承壓力的集中程度就比較小。例如，砂巖頂板，支承壓力的影響范圍可達到度就比較小。例如，砂巖頂板，支承壓力的影響范圍可達到工作面前方工作面前方100m左右；泥質(zhì)頁巖頂板，支承壓力的影響范左右；泥質(zhì)頁巖頂板，支承壓力的影響范圍不到圍不到30m40m。若頂板的裂隙發(fā)育，則支承壓力比較集。若頂板的裂隙發(fā)育，則支承壓力比較集中，影響范圍也較小。中，影響范圍也較小。底板巖層堅硬，支承壓力影響范圍大，但集中程度小。底板巖層堅硬，支承壓力影響范圍大，但集中程度小。煤質(zhì)堅硬，支承壓力比較集中，影響范圍較??；反之，煤質(zhì)煤質(zhì)堅硬，支承壓力比較集中，影響范圍較小；反之，煤質(zhì)松軟，變形和破壞程度越大，則支承壓力分布范圍越大，集松軟，變形和破壞程度越大，則支承壓力分布范圍越大，集中程度越低。中程度越低。第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律（三）支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律（三）支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律由于支承壓力的作用，可導致頂板預先下沉、煤壁破碎片幫、產(chǎn)生沖由于支承壓力的作用，可導致頂板預先下沉、煤壁破碎片幫、產(chǎn)生沖擊地壓、煤和沼氣突出等現(xiàn)象。擊地壓、煤和沼氣突出等現(xiàn)象。在支承壓力的作用下，工作面前方尚未懸露的頂板，已經(jīng)開始下沉。在支承壓力的作用下，工作面前方尚未懸露的頂板，已經(jīng)開始下沉。一些實際資料表明，頂板下沉量可達一些實際資料表明，頂板下沉量可達15mm60mm，甚至達，甚至達100mm。當頂板比較堅硬，煤層較厚或較軟時，頂板下沉量較大。當頂板比較堅硬，煤層較厚或較軟時，頂板下沉量較大。由于頂板預先下沉，可能產(chǎn)生裂隙，因而增加了工作面和工作面前方由于頂板預先下沉，可能產(chǎn)生裂隙，因而增加了工作面和工作面前方區(qū)段平巷的壓力。為了防止區(qū)段平巷的支架壓壞，事先必須采取措?yún)^(qū)段平巷的壓力。為了防止區(qū)段平巷的支架壓壞，事先必須采取措施，如增設(shè)抬棚、斜撐支架等。施，如增設(shè)抬棚、斜撐支架等。工作面的煤壁，在支承壓力作用下，產(chǎn)生變形破壞，導致煤壁破碎片工作面的煤壁，在支承壓力作用下，產(chǎn)生變形破壞，導致煤壁破碎片幫成斜面；破碎范圍與煤質(zhì)硬度和支承壓力大小有關(guān)，一般為幫成斜面；破碎范圍與煤質(zhì)硬度和支承壓力大小有關(guān)，一般為1m3m；工作面前方煤壁內(nèi)支承壓力的峰值，向煤壁內(nèi)轉(zhuǎn)移，增壓區(qū)；工作面前方煤壁內(nèi)支承壓力的峰值，向煤壁內(nèi)轉(zhuǎn)移，增壓區(qū)（支承壓力區(qū)）斜向煤壁里面；減壓區(qū)擴大；穩(wěn)壓區(qū)向煤壁里面轉(zhuǎn)（支承壓力區(qū)）斜向煤壁里面；減壓區(qū)擴大；穩(wěn)壓區(qū)向煤壁里面轉(zhuǎn)移。移。第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律煤層壓碎，雖增加了片幫的機會，對安全不利，但可減輕落煤層壓碎，雖增加了片幫的機會，對安全不利，但可減輕落煤工作，淺截式采煤機就是采落壓碎范圍內(nèi)的煤，因而破落煤工作，淺截式采煤機就是采落壓碎范圍內(nèi)的煤，因而破落煤時阻力小。煤時阻力小。當頂、底板均為厚而堅硬的巖層，煤質(zhì)很堅硬；開采深度又當頂、底板均為厚而堅硬的巖層，煤質(zhì)很堅硬；開采深度又較大；形成很大的支承壓力時，就可能產(chǎn)生沖擊地壓。沖擊較大；形成很大的支承壓力時，就可能產(chǎn)生沖擊地壓。沖擊地壓是礦山壓力顯現(xiàn)中最猛烈的形式。地壓是礦山壓力顯現(xiàn)中最猛烈的形式。沖擊地壓是煤和巖層沖擊地壓是煤和巖層在礦壓作用下，急劇地破碎和被拋出的現(xiàn)象在礦壓作用下，急劇地破碎和被拋出的現(xiàn)象。在我國煤礦里，。在我國煤礦里，常常聽到煤層內(nèi)轟鳴聲，有時可能發(fā)生煤被壓出或頂板下沉常常聽到煤層內(nèi)轟鳴聲，有時可能發(fā)生煤被壓出或頂板下沉及斷裂現(xiàn)象，這些都是輕微沖擊地壓的顯現(xiàn)。大規(guī)模的沖擊及斷裂現(xiàn)象，這些都是輕微沖擊地壓的顯現(xiàn)。大規(guī)模的沖擊地壓發(fā)生時，可能拋出大量碎煤、沖倒支架、壓垮煤柱、頂?shù)貕喊l(fā)生時，可能拋出大量碎煤、沖倒支架、壓垮煤柱、頂板大量垮落，造成暴風襲擊或巨大震動，有時還會波及地面，板大量垮落，造成暴風襲擊或巨大震動，有時還會波及地面，甚至影響范圍達幾公里。甚至影響范圍達幾公里。第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律沖擊地壓在煤礦中經(jīng)常會遇到，尤其是隨開采深度的增加，沖擊地壓在煤礦中經(jīng)常會遇到，尤其是隨開采深度的增加，更會頻繁出現(xiàn)。為了避免沖擊地壓發(fā)生而造成重大事故，必更會頻繁出現(xiàn)。為了避免沖擊地壓發(fā)生而造成重大事故，必須降低支承壓力的集中程度，例如采用充填法處理采空區(qū)；須降低支承壓力的集中程度，例如采用充填法處理采空區(qū)；采空區(qū)內(nèi)不留煤柱；避免兩上工作面相向回采，以防止形成采空區(qū)內(nèi)不留煤柱；避免兩上工作面相向回采，以防止形成支承壓力的重疊。支承壓力的重疊。支承壓力集中程度高，不僅可能產(chǎn)生煤層突出，還可能伴隨支承壓力集中程度高，不僅可能產(chǎn)生煤層突出，還可能伴隨大量沼氣突出，造成煤和沼氣突出事故。大量沼氣突出，造成煤和沼氣突出事故。綜上所述，生產(chǎn)中必須重視支承壓力的作用和影響，在開采綜上所述，生產(chǎn)中必須重視支承壓力的作用和影響，在開采自然條件不能改變的情況下，從開采技術(shù)上，應(yīng)自然條件不能改變的情況下，從開采技術(shù)上，應(yīng)盡量設(shè)法減盡量設(shè)法減輕支承壓力集中程度，除上述措施外，還可采取加快工作面輕支承壓力集中程度，除上述措施外，還可采取加快工作面推進速度，減少頂板懸露時間；縮小控頂距，減小支承壓力推進速度，減少頂板懸露時間；縮小控頂距，減小支承壓力。第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律二、工作面初次來壓二、工作面初次來壓當工作面從切割眼向前推進，頂板懸露面積隨之擴大，當工作面從切割眼向前推進，頂板懸露面積隨之擴大，直接頂垮落充填采空區(qū)，直接頂垮落充填采空區(qū)，基本頂仍完整地支承在兩幫煤基本頂仍完整地支承在兩幫煤壁上，形成雙支板梁構(gòu)件壁上，形成雙支板梁構(gòu)件。當板梁垮度隨著工作面推進。當板梁垮度隨著工作面推進增大到一定的范圍，由于基本頂?shù)淖灾睾蜕细矌r層的作增大到一定的范圍，由于基本頂?shù)淖灾睾蜕细矌r層的作用下，使基本頂斷裂垮落。這時，工作面已不再處于基用下，使基本頂斷裂垮落。這時，工作面已不再處于基本頂掩護之下，頂板迅速下沉而破碎，通常把基本頂?shù)诒卷斞谧o之下，頂板迅速下沉而破碎，通常把基本頂?shù)谝淮未竺娣e垮落稱為一次大面積垮落稱為初次垮落初次垮落。由于基本頂初次垮落，。由于基本頂初次垮落，使工作面壓力增大，故稱為使工作面壓力增大，故稱為初次來壓初次來壓。初次來壓對工作。初次來壓對工作面影響一般持續(xù)面影響一般持續(xù)2d3d?；卷敵醮慰迓鋾r，工作面距。基本頂初次垮落時，工作面距切割煤壁的距離切割煤壁的距離L1稱為稱為初次垮落步距初次垮落步距或或初次來壓步距初次來壓步距。L1值與基本頂巖性、厚度以及地質(zhì)構(gòu)造等因素有關(guān)，一般值與基本頂巖性、厚度以及地質(zhì)構(gòu)造等因素有關(guān)，一般為為20m35m，少數(shù)達，少數(shù)達50m70m。第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律初次來壓的特點是：初次來壓的特點是：工作面頂板下沉量和下工作面頂板下沉量和下沉速度急增，甚至出現(xiàn)沉速度急增，甚至出現(xiàn)臺階式下沉；頂板破碎；臺階式下沉；頂板破碎；甚至出現(xiàn)也煤壁平行的甚至出現(xiàn)也煤壁平行的裂隙，有時發(fā)出巨大的裂隙，有時發(fā)出巨大的斷裂聲；支架受力增加，斷裂聲；支架受力增加，采空區(qū)掉塊；煤壁嚴重采空區(qū)掉塊；煤壁嚴重片幫。片幫。初次來壓時，工作面要初次來壓時，工作面要采取措施，如沿放頂線采取措施，如沿放頂線加強支護（增設(shè)排柱、加強支護（增設(shè)排柱、木垛、斜撐、抬棚）、木垛、斜撐、抬棚）、強制放落頂板等。強制放落頂板等。圖53 基本頂初次垮落L1-初次垮落步距第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律三、周期來壓三、周期來壓基本頂初次垮落后，工作面暫時免除了基本頂下沉的影基本頂初次垮落后，工作面暫時免除了基本頂下沉的影響，支架受力減輕，基本頂由雙支板梁變?yōu)閼冶哿?。上響，支架受力減輕，基本頂由雙支板梁變?yōu)閼冶哿骸Ｉ细矌r層的重量主要由基本老頂懸臂梁直接傳給煤壁，部覆巖層的重量主要由基本老頂懸臂梁直接傳給煤壁，部分由垮落的矸石承擔。分由垮落的矸石承擔。圖54 基本頂周期垮落（來壓）示意圖L2-周期垮落步距；h直接頂厚度；m煤層厚度第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律當工作面推進到一定的距離，基本頂懸臂在自重和上覆巖層當工作面推進到一定的距離，基本頂懸臂在自重和上覆巖層的作用下，又會產(chǎn)生斷裂垮落，這時同樣會給工作面帶來增的作用下，又會產(chǎn)生斷裂垮落，這時同樣會給工作面帶來增壓現(xiàn)象。當工作面再繼續(xù)推進，這部分垮落的基本頂被甩入壓現(xiàn)象。當工作面再繼續(xù)推進，這部分垮落的基本頂被甩入采空區(qū)，工作面又處于基本頂懸梁掩護之下，恢復到前述的采空區(qū)，工作面又處于基本頂懸梁掩護之下，恢復到前述的狀態(tài)。繼工作面的推進，基本頂?shù)目迓渑c工作面增壓現(xiàn)象重狀態(tài)。繼工作面的推進，基本頂?shù)目迓渑c工作面增壓現(xiàn)象重復出現(xiàn)。這種垮落與來壓隨工作面推進而周期性的出現(xiàn)，稱復出現(xiàn)。這種垮落與來壓隨工作面推進而周期性的出現(xiàn)，稱為為基本頂周期垮落基本頂周期垮落和和周期來壓周期來壓。兩次周期來壓之間的距離稱。兩次周期來壓之間的距離稱為為周期垮落（來壓）步距周期垮落（來壓）步距。周期垮落步距同樣與基本頂巖性。周期垮落步距同樣與基本頂巖性有關(guān)，一般為有關(guān)，一般為6m30m，多數(shù)為，多數(shù)為10m15m。第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律由于周期來壓前，基本頂呈懸梁狀態(tài)，而初次來壓前，基本由于周期來壓前，基本頂呈懸梁狀態(tài)，而初次來壓前，基本頂呈雙支板梁狀態(tài)。因此，在工作面內(nèi)，周期來壓步距小于頂呈雙支板梁狀態(tài)。因此，在工作面內(nèi)，周期來壓步距小于初次來壓步距，它們的關(guān)系大致為：初次來壓步距，它們的關(guān)系大致為：L2=（1/21/4）L1周期來壓特點與初次來壓類似。周期來壓特點與初次來壓類似。四、頂板下沉四、頂板下沉在工作面推進過程中，采空區(qū)不斷擴大，上覆巖層移動下沉在工作面推進過程中，采空區(qū)不斷擴大，上覆巖層移動下沉而破壞，根據(jù)破壞的特征，上覆巖層沿豎直方向自下而上可而破壞，根據(jù)破壞的特征，上覆巖層沿豎直方向自下而上可分為三帶：分為三帶：冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。在這三帶中，冒。在這三帶中，冒落帶和裂隙帶直接關(guān)系到工作面的頂板管理，彎曲下沉帶對落帶和裂隙帶直接關(guān)系到工作面的頂板管理，彎曲下沉帶對工作面沒有多大影響。工作面沒有多大影響。第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律（一）冒落帶（一）冒落帶易冒落的直接頂，不規(guī)則易冒落的直接頂，不規(guī)則垮落，碎脹的巖塊將填滿垮落，碎脹的巖塊將填滿采空區(qū)，形成冒落帶，支采空區(qū)，形成冒落帶，支撐老頂。當松軟巖層很厚撐老頂。當松軟巖層很厚時，冒落的高度可視為直時，冒落的高度可視為直接頂?shù)暮穸?。當直接頂厚接頂?shù)暮穸?。當直接頂厚度不大，冒落的巖塊填不度不大，冒落的巖塊填不滿采空區(qū)，老頂懸空，這滿采空區(qū)，老頂懸空，這種情況下，老頂也將發(fā)生種情況下，老頂也將發(fā)生部分垮落，使工作面壓力部分垮落，使工作面壓力增加。增加。圖55巖層移動推測圖(a)巖層內(nèi)部破壞推測圖；(b)裂隙帶巖層移動曲線；（c）沿工作面推進方向的分區(qū) 1冒落帶；2裂隙帶；3彎曲下沉帶第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律根據(jù)采高（煤層厚度）根據(jù)采高（煤層厚度）M，可按下式估算直接頂?shù)拿奥浜穸龋?，可按下式估算直接頂?shù)拿奥浜穸龋篽=式中式中h直接頂?shù)拿奥浜穸龋ㄖ苯禹數(shù)拿奥浜穸龋╩）；）；M采高（煤層高度）（采高（煤層高度）（m）；）；k頂板巖層碎脹系數(shù)（一般為頂板巖層碎脹系數(shù)（一般為1.31.5）。第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律（二）裂隙帶（二）裂隙帶位于冒落帶之上的老頂巖層，總是一端支承在煤壁上，另一端支承在采位于冒落帶之上的老頂巖層，總是一端支承在煤壁上，另一端支承在采空區(qū)的碎石充填堆上。在上覆巖層的壓力作用下，冒落的巖塊逐漸壓實?？諈^(qū)的碎石充填堆上。在上覆巖層的壓力作用下，冒落的巖塊逐漸壓實。因此，上覆巖層也隨之逐步彎曲下沉，成段拆斷或產(chǎn)生許多裂隙，但不因此，上覆巖層也隨之逐步彎曲下沉，成段拆斷或產(chǎn)生許多裂隙，但不冒落仍整齊排列，形成裂隙帶。其厚度根據(jù)實測一般為采高（煤層厚度）冒落仍整齊排列，形成裂隙帶。其厚度根據(jù)實測一般為采高（煤層厚度）的的717倍左右。倍左右。由于裂隙帶內(nèi)巖層的性質(zhì)和厚度不一致，所以各層的彎曲下沉量不同，由于裂隙帶內(nèi)巖層的性質(zhì)和厚度不一致，所以各層的彎曲下沉量不同，這樣必然產(chǎn)生離層現(xiàn)象。如直接頂比較厚，沒有全部跨落，而直接頂?shù)倪@樣必然產(chǎn)生離層現(xiàn)象。如直接頂比較厚，沒有全部跨落，而直接頂?shù)膹姸纫话阌中∮诶享攺姸?，因此，在直接頂與老頂之間也會產(chǎn)生離層。強度一般又小于老頂強度，因此，在直接頂與老頂之間也會產(chǎn)生離層。離層現(xiàn)象，往往可能產(chǎn)生沖擊地壓，引起工作面切頂、折斷支架，造成離層現(xiàn)象，往往可能產(chǎn)生沖擊地壓，引起工作面切頂、折斷支架，造成重大事故。重大事故。裂隙帶巖層在水平方向上又可劃分為三個區(qū)裂隙帶巖層在水平方向上又可劃分為三個區(qū)第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律A區(qū)：從工作面前方區(qū)：從工作面前方30、40 m開始到工作面后方開始到工作面后方24m，該，該區(qū)內(nèi)頂板變形特點是水平位移劇烈，垂直位移微小，甚至有區(qū)內(nèi)頂板變形特點是水平位移劇烈，垂直位移微小，甚至有些情況下，頂板還會有上升現(xiàn)象。顯然是由于工作面煤壁支些情況下，頂板還會有上升現(xiàn)象。顯然是由于工作面煤壁支撐使頂板呈張拉變形的結(jié)果，所以稱撐使頂板呈張拉變形的結(jié)果，所以稱煤壁支撐區(qū)煤壁支撐區(qū)。B區(qū)：從工作面后方區(qū)：從工作面后方24m至至30 m左右，頂板劇烈下沉破斷，左右，頂板劇烈下沉破斷，且各巖層下沉速度由下向上逐漸減小，層與層之間產(chǎn)生離層，且各巖層下沉速度由下向上逐漸減小，層與層之間產(chǎn)生離層，稱為稱為離層區(qū)離層區(qū)。C區(qū)：工作面后方區(qū)：工作面后方30 m以遠，已斷裂的巖塊又重新受到采空以遠，已斷裂的巖塊又重新受到采空區(qū)冒落矸石的支撐，由下向上各巖層的下沉速度逐漸增大，區(qū)冒落矸石的支撐，由下向上各巖層的下沉速度逐漸增大，層間進人相互壓實的過程稱層間進人相互壓實的過程稱重新壓實區(qū)重新壓實區(qū)。第二節(jié)第二節(jié) 工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律由此可見，由此可見，A區(qū)和區(qū)和C區(qū)的巖層分別為煤壁（剛性體）和矸石（柔性體）所區(qū)的巖層分別為煤壁（剛性體）和矸石（柔性體）所支撐，支撐，B區(qū)的巖層則離層懸空，說明工作面的覆巖中存在著某種區(qū)的巖層則離層懸空，說明工作面的覆巖中存在著某種“結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)”使之實現(xiàn)平衡，而工作面在這種使之實現(xiàn)平衡，而工作面在這種“結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)”保護下完成采煤作業(yè)過程。保護下完成采煤作業(yè)過程。工作面支架的任務(wù)，就是有效地控制礦山壓力并盡可能使其上覆巖層不工作面支架的任務(wù)，就是有效地控制礦山壓力并盡可能使其上覆巖層不離層，尤其是離層，尤其是直接頂不離層直接頂不離層。為此，要求支架有足夠的支撐力（工作阻。為此，要求支架有足夠的支撐力（工作阻力）和一定的可縮性。支撐力大，可減少上覆巖層下沉量，從而減少離力）和一定的可縮性。支撐力大，可減少上覆巖層下沉量，從而減少離層的可能性，但是層的可能性，但是支撐力再大，也不可能避免上履巖層的撓曲下沉支撐力再大，也不可能避免上履巖層的撓曲下沉。因。因此，要求支架有一定的可縮量，否則支架會被壓斷。此，要求支架有一定的可縮量，否則支架會被壓斷。為避免支架折斷而產(chǎn)生離層，要求支架可縮量與頂板下沉量一致。為避免支架折斷而產(chǎn)生離層，要求支架可縮量與頂板下沉量一致。(三三)彎曲下沉帶彎曲下沉帶裂隙帶上方直到地表的巖層為彎曲下沉帶，這部分巖層不產(chǎn)生裂隙或僅裂隙帶上方直到地表的巖層為彎曲下沉帶，這部分巖層不產(chǎn)生裂隙或僅產(chǎn)生極微小的裂隙，并在采空區(qū)上方的地面形成一個比開采范圍大的空產(chǎn)生極微小的裂隙，并在采空區(qū)上方的地面形成一個比開采范圍大的空間。間。第三節(jié)第三節(jié) 工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇為了保證回采空間的安全，對工作面顯現(xiàn)的礦山壓力，必須為了保證回采空間的安全，對工作面顯現(xiàn)的礦山壓力，必須有效地控制。工作面支架就是控制礦壓的一種結(jié)構(gòu)物。有效地控制。工作面支架就是控制礦壓的一種結(jié)構(gòu)物。按支架的組合形式，工作面支架可分為兩類：按支架的組合形式，工作面支架可分為兩類：單體支架和液壓自移式支架。單體支架和液壓自移式支架。一、單體支架一、單體支架單體支架是指，由單體支柱與橫梁或柱帽組成的支架。前者單體支架是指，由單體支柱與橫梁或柱帽組成的支架。前者稱為懸臂支架或棚子支架；后者稱為帶帽頂柱（點柱）。常稱為懸臂支架或棚子支架；后者稱為帶帽頂柱（點柱）。常用的支柱有：用的支柱有：木支柱、剛性金屬支柱、摩擦式金屬支柱、液木支柱、剛性金屬支柱、摩擦式金屬支柱、液壓支柱壓支柱。常用的橫（頂）梁有：木頂梁和金屬頂梁。常用的橫（頂）梁有：木頂梁和金屬頂梁。第三節(jié)第三節(jié) 工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇木支柱的工作性能差、利用率低、消耗量大、且資源有限，木支柱的工作性能差、利用率低、消耗量大、且資源有限，因此使用很少。因此使用很少。剛性金屬支柱是由鋼管或鋼軌加工制成，本身無縮性，工作剛性金屬支柱是由鋼管或鋼軌加工制成，本身無縮性，工作時頂部的木質(zhì)柱帽，具有較小的可縮性。一般只適用于極薄時頂部的木質(zhì)柱帽，具有較小的可縮性。一般只適用于極薄煤層，或頂板下沉量極小且煤層厚度變化不大的薄煤層。煤層，或頂板下沉量極小且煤層厚度變化不大的薄煤層。摩擦式金屬支柱有兩種：急增阻式的摩擦式金屬支柱有兩種：急增阻式的HZJA型；微增阻式型；微增阻式HZWA型。型。第三節(jié)第三節(jié) 工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇HZJA 1-柱體；2-活柱；3-頂蓋4-鎖箍 5-水平楔；6-底座 HZJA-1000型支柱工作特性曲線1實驗室測定結(jié)果；2井下測定結(jié)果 第三節(jié)第三節(jié) 工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇液壓支柱是利用高壓油或液壓支柱是利用高壓油或乳化液來升柱支撐頂板。乳化液來升柱支撐頂板。高壓油（乳化液）由外部高壓油（乳化液）由外部泵站供給，也可把油事先泵站供給，也可把油事先注入支柱內(nèi)，再靠支柱本注入支柱內(nèi)，再靠支柱本身內(nèi)的油泵加壓為高壓油。身內(nèi)的油泵加壓為高壓油。前者稱為外注式支柱；后前者稱為外注式支柱；后者稱為內(nèi)注式支柱。者稱為內(nèi)注式支柱。HZWA型金屬支柱特性曲線 L1自動夾緊時的可縮量；L2最大工作阻力時的可縮量；P0初撐力；P0始動阻力；P1初始工作阻力；P2最大工作阻力第三節(jié)第三節(jié) 工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇升柱架設(shè)支柱時，液壓支柱的初撐力可達升柱架設(shè)支柱時，液壓支柱的初撐力可達7t11t。當頂板下。當頂板下沉壓縮下沿腔內(nèi)的油時，支柱的工作阻力急增到額定工作阻沉壓縮下沿腔內(nèi)的油時，支柱的工作阻力急增到額定工作阻力，此時，支柱有微小的壓縮，如頂板繼續(xù)下沉。當下油腔力，此時，支柱有微小的壓縮，如頂板繼續(xù)下沉。當下油腔內(nèi)的油壓大于支柱的額定工作阻力時，安全閥打開，油外泄。內(nèi)的油壓大于支柱的額定工作阻力時，安全閥打開，油外泄?；钪驴s。工作阻力略有下降，油壓也隨之下降，安全閥又活柱下縮。工作阻力略有下降，油壓也隨之下降，安全閥又重新交替啟閉。這樣，重新交替啟閉。這樣，保證支柱工作阻力基本恒定，同時又保證支柱工作阻力基本恒定，同時又能隨頂板下沉而下縮，這種支柱又稱為恒阻式支柱。能隨頂板下沉而下縮，這種支柱又稱為恒阻式支柱。外注式單體液壓支柱圖1頂蓋；2三用閥；3活柱體；4油缸；5復位彈簧6活塞；7底座；8卸載手把；9-注液槍；10泵站供液；11注液時操縱手把方向；12-卸載時動作方向單體液壓支柱的工作特性曲線P0初撐力；P1工作阻力；LY增阻期下縮量HDJA型金屬頂梁1接頭；2梁體；3耳子；4銷子；5調(diào)角楔第三節(jié)第三節(jié) 工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇單體液壓支柱適用于傾角小于單體液壓支柱適用于傾角小于25的緩斜或近水平煤層，當?shù)木徯被蚪矫簩樱敳扇】煽康陌踩胧r，可在采取可靠的安全措施時，可在2535的傾斜煤層中使用，的傾斜煤層中使用，也可用煤層底板比較堅硬，抗壓強度一般應(yīng)大于也可用煤層底板比較堅硬，抗壓強度一般應(yīng)大于20MPa的非的非炮采工作面。炮采工作面。單體液壓支柱應(yīng)與鉸接頂梁配套使用，不能與木頂梁配套使單體液壓支柱應(yīng)與鉸接頂梁配套使用，不能與木頂梁配套使用。用。頂梁中使用最多的是金屬鉸接頂梁。頂梁一般利用頂梁中使用最多的是金屬鉸接頂梁。頂梁一般利用15kg/m，18kg/m，24kg/m的礦用鋼軌制成。的礦用鋼軌制成。第三節(jié)第三節(jié) 工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇二、自移式液壓支架（二、自移式液壓支架（液壓支架液壓支架）為了解決支護與落煤不相適應(yīng)的情況，必須實行支護工作機械化。自移為了解決支護與落煤不相適應(yīng)的情況，必須實行支護工作機械化。自移式液壓支架就是一種維護回采空間的機械化支護設(shè)備。它以高壓液體為式液壓支架就是一種維護回采空間的機械化支護設(shè)備。它以高壓液體為動力，使支護頂板、移架、切頂、推移輸送機等工序一起完成。動力，使支護頂板、移架、切頂、推移輸送機等工序一起完成。實踐表明：實踐表明：液壓支架具有支護性能好、強度高、移設(shè)速度快、安全可靠液壓支架具有支護性能好、強度高、移設(shè)速度快、安全可靠等優(yōu)點。它與可彎曲輸送機和采煤機為配合使用，就組成了回采工作面等優(yōu)點。它與可彎曲輸送機和采煤機為配合使用，就組成了回采工作面的綜合機械化設(shè)備，實現(xiàn)了綜合機械化采煤。的綜合機械化設(shè)備，實現(xiàn)了綜合機械化采煤。目前國產(chǎn)的液壓支架類型有：目前國產(chǎn)的液壓支架類型有：BZZC型、型、TZ型、型、WKM400型、型、DM400型、型、ZYZ型、型、ZY型等。型等。按液壓支架與圍巖的相互作用，可分為：按液壓支架與圍巖的相互作用，可分為：支撐式、掩護式、支撐掩護式支撐式、掩護式、支撐掩護式三種。三種。第三節(jié)第三節(jié) 工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇（一）支撐式液壓支架（一）支撐式液壓支架這種液壓支架是最早的一種類型，應(yīng)用仍較廣泛。按其構(gòu)造與動作的這種液壓支架是最早的一種類型，應(yīng)用仍較廣泛。按其構(gòu)造與動作的不同，有不同，有垛式和節(jié)式垛式和節(jié)式兩種。兩種。垛式液壓支架垛式液壓支架的外形和作用好象木垛一樣，礦稱為垛式液壓支架。它的外形和作用好象木垛一樣，礦稱為垛式液壓支架。它由頂梁由頂梁1、立柱、立柱2、擋矸簾、擋矸簾3、底座箱、底座箱4、推移千斤頂、推移千斤頂5、操作控制裝置等、操作控制裝置等組成。組成。垛式液壓支架工作阻力大，側(cè)向穩(wěn)定性和切頂性能好，工作空間較大，垛式液壓支架工作阻力大，側(cè)向穩(wěn)定性和切頂性能好，工作空間較大，易滿足通風要求；但由于頂梁比較寬長，移加時頂板懸露面積較大，在易滿足通風要求；但由于頂梁比較寬長，移加時頂板懸露面積較大，在直接頂破碎的條件下使用是困難的。直接頂破碎的條件下使用是困難的。節(jié)式液壓支架節(jié)式液壓支架由前后立柱、頂梁、底座組成一個框節(jié)。通常由兩個框由前后立柱、頂梁、底座組成一個框節(jié)。通常由兩個框節(jié)組成一架節(jié)式支架，有時也可由三節(jié)或更多框節(jié)組成，故稱為節(jié)式液節(jié)組成一架節(jié)式支架，有時也可由三節(jié)或更多框節(jié)組成，故稱為節(jié)式液壓支架。各框節(jié)之間有一定的連接，移架時，主、副架互為支點，交錯壓支架。各框節(jié)之間有一定的連接，移架時，主、副架互為支點，交錯前移。與垛式比較，結(jié)構(gòu)較靈巧、重量較輕、移架時頂板懸露面積較小、前移。與垛式比較，結(jié)構(gòu)較靈巧、重量較輕、移架時頂板懸露面積較小、對頂板適應(yīng)性較好；但結(jié)構(gòu)復雜、穩(wěn)定性差、維護費高。一般適用于中對頂板適應(yīng)性較好；但結(jié)構(gòu)復雜、穩(wěn)定性差、維護費高。一般適用于中硬或較松軟的頂板，厚度為硬或較松軟的頂板，厚度為0.6m3.2m的煤層。的煤層。圖1113 垛式液壓支架1頂梁；2前梁；3立柱；4控制閥；5推移裝置；6底座圖1114 節(jié)式液壓支架1前梁；2立柱；3底座；4千斤頂；5閥座；6彈簧鋼帶 第三節(jié)第三節(jié) 工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇（二）掩護式液壓支架（二）掩護式液壓支架這種支架一般由頂梁、掩護梁、底座、立柱、連桿、推移和操縱裝置等這種支架一般由頂梁、掩護梁、底座、立柱、連桿、推移和操縱裝置等組成。這種支架的頂梁較短，掩護梁較長，其上、下端分別與頂梁和底座組成。這種支架的頂梁較短，掩護梁較長，其上、下端分別與頂梁和底座鉸接，而立柱一般是支承在掩護梁與底座之間，承受掩護梁上的矸石，故鉸接，而立柱一般是支承在掩護梁與底座之間，承受掩護梁上的矸石，故稱為掩護式支架。稱為掩護式支架。這種支架防護性能好，尤其是破碎頂板情況下更為突出。但支撐力較?。贿@種支架防護性能好，尤其是破碎頂板情況下更為突出。但支撐力較?。磺许斝阅茌^差；工作空間較小，不利于操作和通風。切頂性能較差；工作空間較小，不利于操作和通風。（三）支撐掩護式液壓支架（三）支撐掩護式液壓支架實質(zhì)上就是支撐式和掩護式的組合型支架。這以支撐為主，同時又有掩實質(zhì)上就是支撐式和掩護式的組合型支架。這以支撐為主，同時又有掩護作用，故稱為支撐掩護式支架。它由較長的頂梁、較短的掩護梁、四根護作用，故稱為支撐掩護式支架。它由較長的頂梁、較短的掩護梁、四根立柱組成。立柱組成。圖1115 掩護式液壓支架1掩護梁；2頂梁；3立柱；4側(cè)護板；5連桿；6推移千斤頂；7底座圖1116 支撐掩護式液壓支架1、2護幫裝置；3前梁；4頂梁；5、6立柱；7掩護梁；8、9連桿；10底座；11推移裝置第三節(jié)第三節(jié) 工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇工作面支架的結(jié)構(gòu)、性能和選擇（四）液壓支架的選型（四）液壓支架的選型影響液壓支架選型的主要因素是：影響液壓支架選型的主要因素是：地質(zhì)條件地質(zhì)條件（頂板的穩(wěn)定性、巖性、厚（頂板的穩(wěn)定性、巖性、厚度）；度）；底板的穩(wěn)定性底板的穩(wěn)定性；煤的厚度（采高）煤的厚度（采高）、傾角傾角、地質(zhì)構(gòu)造地質(zhì)構(gòu)造、沼氣含量沼氣含量和技術(shù)經(jīng)濟條件和技術(shù)經(jīng)濟條件。如頂板不穩(wěn)定，起伏不平，支架的整體頂梁不能有效地支撐頂板，這時如頂板不穩(wěn)定，起