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采煤技术基础知识培训教案-中国矿业大学

作者:煤矿安全网 来源:煤矿安全网 发布时间:2013-10-23

第三章  采煤技术

第一章  矿山压力基本知识

一、基本概念

地下岩体在受到开挖以前,原岩应力处于平衡状态。开掘巷道或进行回采工作时,破坏了原始的应力平衡状态,引起岩体内部的应力重新分布,直至形成新的平衡状态。这种由于矿山开采活动的影响,在巷硐周围岩体中形成的和作用在巷硐支护物上的力定义为矿山压力,简称矿压。在相关学科中也称为二次应力或工程扰动力。

在矿山压力的作用下,会引起一系列的力学现象,例如顶板下沉和垮落,底板隆起,煤壁片帮,支架变形和破坏,以及在岩体中产生的动力现象等。这些由于矿山压力作用使巷硐周围岩体和支护物产生的种种力学现象,统称为矿山压力显现。

在大多数情况下,矿压显现会对采矿工程造成不同程度的危害。为使矿压显现不致影响采矿工作正常进行和保障安全生产,必须采取各种技术措施把矿山压力显现控制在一定范围内。对于有利于采矿生产的矿山压力显现,也应当合理地利用。所有减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的各种方法,均叫做矿山压力控制。

矿山压力对回采工艺有重要的影响。例如,从工作面的落煤工序来讲。希望煤壁被矿山压力压酥;从工作面支护空间的支护工序来讲,又不希望顶板受压下沉和垮落;从采空区处理来讲,希望采空区顶板在矿压的作用下,能随着支护的撤出而尽快垮落,以减少工作面的顶板压力;借助采空区上覆岩层压力压实己冒落的矸石形成再生顶板等等。为了保证安全和正常正产,减少地下煤炭资源的损失(合理选择保护煤柱尺寸或取消煤柱),改善地下开采技术(确定支护形式,采煤方法,煤层群开采顺序及间距,巷道布置等),提高采煤经济效率(降低劳动强度和各种材料消耗等),就必须控制好矿山压力。

二、采场矿压显现规律

1. 采场矿山压力现象

在实际生产过程中,回采工作面常有下述一系列矿山压力现象,并且习惯上用这些现象作为衡量矿山压力显现程度的指标。

(1)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。随着工作面推进,顶底板处于不断移近的状态。图3-1中分别表示了顶板绝对下沉、底板鼓起及顶底板相对移近曲线。由于在缓斜及倾斜工作面底板鼓起量比较小,因而常常可以忽略不计,为此顶底板移近量简称为顶板下沉量。实际测定时常常是在工作面煤壁刚悬露的顶板处设置测杆,随着工作面的推进,测得由煤壁到采空区放顶线处的顶底板移近量。也有人利用它作为衡量顶板状态的一个指标,一般以s表示。有时为了对比,常常把这个指标换算为单位采高、单位推进度的顶板下沉量,即(L为控顶距,M为采高),以每米采高、每米推进度下沉多少毫米表示。

(2)顶板下沉速度。是指单位时间内的顶底板移近量,以mm/h计算。它表示顶板活动的剧烈程度。

(3)支柱变形与折损。随着顶板下沉,回采工作面支柱受载也逐渐增加,一般可以用肉眼观察到木柱帽的变形,剧烈时可以观察到支柱的折损。

3-1   工作面顶底板移近曲线

1 -顶板绝对下沉曲线; 2 -顶底相对移近量曲线3-底板鼓起曲线

(4)顶板破碎情况。通常以单位面积中冒落面积所占的百分数来表示顶板破碎情况。它常常是用来衡量顶板管理好坏的质量标准

(5)局部冒顶。这是指回采工作面顶板形成局部塌落、影响回采工作的正常进行。

(6)工作面顶板沿煤壁切落(或称大面积冒项)。这是指采面由于顶板来压而导致顶板沿工作面切落。它常严重影响工作面的生产。

其他还有煤壁片帮、支柱插入底板、底板鼓起等一系列矿山压力现象。

2. 采煤工作面四周支承压力的显现规律

采煤工作面四周支承压力是指采煤工作面前后方、两侧煤柱或采空区大于原岩应力的矿山压力。该支承压力的显现规律与采空区处理方法有关,这里介绍采用全部垮落法管理顶板的采煤工作面四周支承压力的分布规律。

(1)采煤工作面前后方的支承压力分布。

未采动前,煤体所受的原始应力为(即单位面积上所受岩体的重量)。这里,是上覆岩层平均容重,H为距地表的垂高。煤体中开掘巷道(如开切眼)后,原始应力状态受到破坏,应力将重新分布,如图3-2所示。开切眼上方岩体重量Q由两侧煤体分担。于是,在两侧煤体中产生了应力集中现象,这种集中应力称为支承压力。一般支承压力为原始应力的1.25~2.5倍,甚至3~4倍。

回采工作从开切眼开始后,随着工作面的推进,在工作面前方的煤体中同样产生支承压力带(或叫应力升高区)。其范围由工作面前方2~3m起直至10~45m,如图3-3所示。在工作面的后方一定范围内,由于顶板破碎垮落对该范围内的顶板岩层进行了应力释放与转移,从而出现了应力降低区(或叫卸压区)。但随着工作面的进一步推进,当顶板垮落的岩石或充填体压实到相当程度后,在原来的卸压区又产生了支承压力带,相应的卸压区也跟着采面往前移。这样,前后两个支承压力带随回采工作面的推进而移动,因此,又称该支承压力为回采工作面的移动支承压力。

由于支承压力作用在工作面前方煤体,将使煤壁附近的煤“压酥”,这种现象有利于落煤工作;但也增加了煤壁“片帮”的机会,影响安全,所以应加以注意并采取相应的措施

由图3-3中还可以看出,回采工作面空间处于应力降低区,但其上方的顶板在自重及上覆岩层的作用下,也会发生弯曲下沉,一般用顶板下沉量和下沉速度来表示。它们是选择工作面支护型式和安排回采工序的主要参数。

(2)采煤工作面两侧的支承压力分布。

采煤工作面两侧的支承压力是指工作面两侧煤柱或煤体上的支承压力。随着采煤工作面的推进,除工作面前后方产生支承压力外,工作面两侧的煤柱或煤体也将出现支承压力区,如图3-4所示。对采煤工作面两侧支承压力分布规律的掌握,对采煤工作面区段平巷护巷煤柱尺寸的确定、沿空留巷和沿空送巷位置及时间的选择具有指导意义。在采动影响范围内,工作面两侧支承压力的显现特征比较明显。在工作面前方采动影响范围之外和采空区顶板岩层冒落带稳定之后趋于固定值,因此也称为“固定支承压力”。

图3-4  采煤工作面左右两侧支承压力分布

I ─卸压带;Ⅱ─支承压力带;Ⅲ─原岩应力带;Ⅳ—采后应力稳定带; lmax ─峰值位置

根据大量实际观测资料和研究分析,目前对采煤工作面两侧支承压力分布状态可得出如下结论:

采煤工作面两侧的支承压力剧烈影响区并不在煤体的边缘,而是位于煤体边缘有一定距离的地带。长期以来采用8~25 m煤柱护巷,使巷道恰好处于支承压力的高峰区内,这是使用煤柱护巷仍难以维护的根本原因。

采煤工作面两侧煤体边缘处于应力降低区,支承压力低于原岩应力。而且工作面推过一定时间后仍能长期保持稳定,如果把巷道布置在这个应力降低区内,可以使巷道容易维护,这是目前广泛推广无煤柱护巷的理论依据。

采煤工作面两侧支承压力从形成到向煤体深部转移要经过一段时间过程,所以要使沿空掘巷保持稳定,必须从时间上避开未稳定的支承压力作用期,应使沿空掘巷相对于上区段采煤工作面有一个合理的滞后时间,这个合理的滞后时间根据具体条件不同一般在3个月到1年之间。

3. 老顶初次来压


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