長壁工作面采動(dòng)壓力

作者：佚名 2017-12-28 09:15 來源：煤礦安全網(wǎng)

長壁工作面采動(dòng)壓力

??? 工作面周圍巖（煤）體內(nèi)的應(yīng)力和作用在支護(hù)物上壓力的統(tǒng)稱，又稱工作面礦山壓力或礦壓。在工作面地壓作用下引起的一系列力學(xué)現(xiàn)象，如頂板下沉、支架變形與折損、煤壁片幫以及在特殊情況下發(fā)生的局部冒頂和頂板沿工作面煤壁切落（大冒頂）等，稱工作面地壓顯現(xiàn)或礦壓顯現(xiàn)。?
?? 煤系地層是由強(qiáng)度較弱的層狀巖石所組成。隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層將引起程度不同的移動(dòng)，并波及到地表。上覆巖層中由破斷巖塊組合的巖體結(jié)構(gòu)形式及穩(wěn)定性，是決定工作面地壓顯現(xiàn)的基本因素。?
?? 開采后的上覆巖層可分為冒落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶。冒落帶呈規(guī)則或不規(guī)則排列，高度一般為采高的2～5倍；斷裂帶在冒落帶之上，雖已斷裂成塊，仍整齊排列，在彎曲下沉過程中互相鉸接平衡；彎曲下沉帶位于斷裂帶之上，巖層破壞較小。?
?? 從斷裂帶往上存在著一系列巖塊互相鉸接的巖拱，使上覆巖層的重量通過巖拱轉(zhuǎn)移到工作面周圍的煤體、煤柱和采空區(qū)內(nèi)逐漸壓實(shí)的充填物或垮落矸石上，形成支承壓力，使工作面支架上的受力遠(yuǎn)小于上覆原巖的重量。?
?? 頂板??煤層上方的巖層。根據(jù)上覆巖層的冒落情況及巖層和煤層的相對位置，可分為：?
?? 直接頂??位于煤層之上的一層或幾層巖層。通常為泥質(zhì)頁巖、頁巖和砂質(zhì)頁巖等較易冒落的巖層。?
?? 偽頂??位于煤層和直接頂之間，和采煤同時(shí)冒落的薄層巖層。通常為強(qiáng)度低的碳質(zhì)頁巖、泥質(zhì)頁巖等，厚度在0.3～0.5m以下。?
?? 老頂??位于直接頂之上的厚而堅(jiān)固難冒的巖層，少數(shù)也有直接位于煤層之上。通常由砂巖、石灰?guī)r和砂礫巖等巖層組成。在采空區(qū)上部老頂能維持很大的懸露面積而不隨直接頂同時(shí)冒落。?
?? 地壓顯現(xiàn)??隨著工作面的推進(jìn)，地壓顯現(xiàn)程度不斷變化。直接頂?shù)谝淮卧诓煽諈^(qū)的大面積冒落稱直接頂初次垮落。此時(shí)，工作面切頂線到開切眼煤幫的距離叫初次落頂步距，可用來衡量工作面頂板的穩(wěn)定性。老頂?shù)谝淮蔚臄嗔雅c下沉稱為初次來壓。它將使工作面頂板下沉量和下沉速度急劇增加，支架壓力增大，地壓顯現(xiàn)程度比較劇裂。初次來壓后，工作面每往前推進(jìn)一定距離。老頂就相應(yīng)地出現(xiàn)斷裂與下沉，支架壓力增大，工作面地壓顯現(xiàn)明顯增劇，并呈周期性，稱周期來壓。?
?? 初次來壓和周期來壓是長壁工作面頂板巖層移動(dòng)過程中的現(xiàn)象。來壓期間,在工作面采取相應(yīng)的措施,就能保證安全生產(chǎn)。在煤礦的長壁工作面，頂板下沉及煤壁片幫等均屬常見的地壓現(xiàn)象。中國的多數(shù)頂板事故，發(fā)生在老頂初次來壓和周期來壓階段,此時(shí)如控制不當(dāng),形成局部冒頂和大冒頂，將危及安全，影響生產(chǎn)。?
?? 工作面發(fā)生局部冒頂，常是由于局部空頂過大、支護(hù)不及時(shí)和支架架型選擇不當(dāng)所致。若支架工作阻力不足，將引起頂板的臺階下沉，甚至沿煤壁切落，形成工作面大冒頂。?
?? 當(dāng)頂板為砂巖、礫巖等厚實(shí)性巖層時(shí)，頂板常能在采空區(qū)懸露數(shù)萬甚至數(shù)十萬平方米。當(dāng)煤柱逐步失去支撐能力后，頂板會產(chǎn)生瞬時(shí)大面積冒落，形成強(qiáng)烈震動(dòng)與暴風(fēng)，稱頂板大面積來壓，是礦井的嚴(yán)重災(zāi)害。中國大同煤礦自1956～1980年共發(fā)生大面積來壓達(dá)40余次。?
?? 影響工作面地壓顯現(xiàn)的主要因素有：直接頂、老頂?shù)膸r性與厚度，采高，煤層傾角，采深，節(jié)理，裂隙與地質(zhì)構(gòu)造，工作面推進(jìn)速度，煤回采工藝包括支架型式與規(guī)格、控頂距大小等參數(shù)。?
?? 長壁工作面地壓假說??長壁工作面地壓現(xiàn)象最一般的科學(xué)概括，它對于理論研究和作業(yè)指導(dǎo)具有一定的意義。?
?? 壓力拱假說??傳播最廣泛的經(jīng)典假說之一，德國人哈克(W.Hack)和吉利策爾 (G.Gillitzer)于1928年提出。借用巷道頂板巖石的成拱作用，認(rèn)為長壁采煤工作面自開切眼起也形成壓力拱,隨工作面不斷推進(jìn)而擴(kuò)大,直至拱頂達(dá)到地表為止。此后,壓力拱繼續(xù)擴(kuò)伸（圖1[煤層頂板和底板中的壓力拱]），在工作面前方煤體內(nèi)形成前拱腳a；后方垮落巖石上形成后拱腳b。a、b均為應(yīng)力升高區(qū)；工作面則處于應(yīng)力降低區(qū)。支架承受的壓力僅為上覆巖層重量的百分之幾。底板和頂板一樣，也存在相似的壓力拱。?
?? 壓力拱假說能正確解釋圍巖卸載原因，但未能說明巖層變形、移動(dòng)和破壞的發(fā)展過程以及圍巖和支架的相互作用。?
?? 懸臂梁假說??它是另一經(jīng)典假說，受許多學(xué)者擁護(hù)，是由德國施托克(K.Stke)于1916年提出,后得英國弗蘭德(I.Friend)、蘇聯(lián)格爾曼（..）等支持假說認(rèn)為工作面和采空區(qū)上方的頂板可視為梁，一端固定在前方煤壁

上，另一端可自由懸露或支撐在支架和垮落巖石上（圖 2 [ 頂板懸臂梁 ] ）。當(dāng)頂板由幾層巖層組成時(shí)，形成綜合懸梁，在變曲下沉后，被垮落的巖石支撐，可能僅產(chǎn)生彎曲而并不折斷。當(dāng)懸伸長度很大時(shí)，發(fā)生有規(guī)律的周期性折斷，可能引起周期來壓。懸臂梁假說可解釋以下事實(shí)：工作面近煤壁處，頂板下沉最小，支架載荷也小；隨著離煤壁距離越遠(yuǎn)，下沉與載荷越增大；工作面前方存在支承壓力和工作面出現(xiàn)周期來壓等。但計(jì)算所得的頂板下沉和支架載荷與實(shí)際情況不盡吻合。?
?? 鉸接巖塊假說是蘇聯(lián)庫茲涅佐夫于1950～1954年提出，認(rèn)為工作面上覆巖層的破壞可分兩帶，即不規(guī)則垮落帶和其上的規(guī)則移動(dòng)帶。不規(guī)則垮落帶分上下兩部分，下部垮落時(shí)，巖塊雜亂無章；上部垮落時(shí)，則按原有方向較規(guī)則地排列。兩者的高度是采厚、松散膨脹系數(shù)與垮落巖層厚度的函數(shù)。規(guī)則移動(dòng)帶的巖塊相互鉸合形成一條多環(huán)節(jié)的鉸

鏈，規(guī)則地在采空區(qū)上面下沉 , 見圖 3[ 鉸接巖塊假說的頂板巖層不同分布 ] 。假說認(rèn)為工作面支架存在兩種不同的工作狀態(tài)。當(dāng)規(guī)則移動(dòng)帶（相當(dāng)于老頂）下部巖層變形小而不發(fā)生折斷時(shí)，不規(guī)則垮落帶巖層（相當(dāng)于直接頂）和老頂間就可能發(fā)生離層 , 支架最多只承受直接頂折斷巖層的全部重量 , 故稱支架處于“給定載荷狀態(tài)”。當(dāng)直接頂受老頂移動(dòng)影響折斷時(shí)，支架所受載荷和變形取決于規(guī)則移動(dòng)帶下部巖塊的相互作用，載荷和變形將隨巖塊的下沉不斷增加，直到巖塊受已垮落巖石的支承達(dá)到平衡為止。這種情況稱為支架的“給定變形狀態(tài)”。假說對支架和圍巖的相互作用作了較詳細(xì)的分析，但它缺乏巖塊與巖塊之間力的分析。?
?? 中國學(xué)者在鉸接巖塊假說基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，發(fā)展了該學(xué)說。認(rèn)為對工作面地壓顯現(xiàn)影響較大的是斷裂帶巖層。帶中已破斷的巖塊如同磚石結(jié)構(gòu)的砌體，形成的平衡結(jié)構(gòu)可稱為“砌體梁”。外形是梁，實(shí)質(zhì)是拱。?
?? 他們提出開采后的上覆斷裂帶巖層可分為三個(gè)區(qū)，見圖4[a砌體梁平衡假說的斷裂帶分區(qū)b結(jié)構(gòu)力學(xué)模型]