第四章 采场矿山压力显现基本规律
《矿山压力显现》课件
负责将监测数据从现场传输到数据中心或监控中心，保证数据实时性和可靠性。
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特征提取
从监测数据中提取出反映矿山压力显现的特征指标，如应力变化速率、位移变化量等。
趋势预测
利用历史监测数据和矿山压力显现规律，预测未来矿山压力显现的趋势和可能的影响。
预警分析
根据特征指标和矿山压力显现规律，建立预警模型，及时发出预警信息。
数据处理
对原始监测数据进行预处理，包括去噪、滤波和格式转换等操作，提高数据质量。
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矿山压力显现的预测与评估
利用数值计算方法模拟矿山压力显现的过程，预测矿山压力显现的发展趋势和可能的影响范围。
数值模拟法
根据矿山压力显现的历史数据和经验，建立预测模型，通过输入相关参数来预测矿山压力显现的情况。
经验公式法
持续时间
资源开发
利用预测和评估结果，合理规划资源开发方案，优化采矿作业，提高资源利用率和经济效益。
环境治理
根据矿山压力显现的评估结果，采取相应的环境治理措施，减少对周边环境的负面影响。
安全预警
通过预测和评估矿山压力显现的情况，及时发出安全预警，采取相应的防范措施，保障人员和财产安全。
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矿山压力显现的应对措施
优化采场设计
通过优化采场设计，合理布置采场和回采顺序，控制采场暴露面积和回采强度，减轻矿山压力的显现程度。
采取支护措施
根据采场矿山压力的分布、变化和显现规律，采取适当的支护措施，如采用锚杆、锚索、钢拱架等对采场进行支护，以控制矿山压力的显现。
制定应急预案
制定完善的应急预案，明确应急组织、应急流程、应急资源和救援力量等，确保在紧急情况下能够迅速响应。
建立健全安全生产管理体系，制定完善的安全生产规章制度和操作规程，加强安全培训和教育，提高员工的安全意识和技能水平。
受采动影响矿压显现规律
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顶板巷道位置参数
我国煤层赋存复杂，如开采有底板承压水的煤层，或 我国煤层赋存复杂，如开采有底板承压水的煤层， 开采有煤与瓦斯突出的煤层， 开采有煤与瓦斯突出的煤层，需要开采下部保护层的 煤层时，需考虑将巷道布置在顶板中。 煤层时，需考虑将巷道布置在顶板中。 我国常用煤柱保护顶板巷道 前苏联的经验：布置在尚未开采的煤层顶部，要经历下 部煤层开采影响的顶板巷道，z值不小于回采工作面顶 板裂隙带的高度，用全部跨落法时，z值不小于12倍采 高。巷道与下部煤体边缘之水平距离x=z+2L，且z大于 50 m，L为下部煤层工作面周期来压步距
受采动影响矿压显现规律
1
巷道位置类型 区段巷道的位置和矿压显现规律 底板巷道的位置和矿压显现规律 上下山的位置和矿压显现规律 巷道位置参数的选择 综放面回采巷道矿压显现特点
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分类依据： 回采空间相对位置、 回采空间相对位置、采掘关系
本煤层巷道 底板巷道 顶板巷道
分层巷道
3
二、区段巷道的位置和矿压显现规律 区段巷道的布置方式 区段巷道矿压显现规律
a.布置在已稳定的采空区下部。在上部煤层回采空间形成的 底板应力降低区内，图中I，巷道整个服务期间内不受采动影响。 b.布置在保护煤柱下部。经历保护煤柱两侧回采工作面的超 前采动影响，见图中Ⅱ。保护煤柱形成后，一直受保护煤柱支承 压力的影响。当保护煤柱足够宽或者巷道与保护煤柱的间距足够 大时，巷道可以避开采动影响，处于原岩应力场内。 c.布置在尚未开采的工作面下部。经历上部采面的跨采影响 后，位于已稳定的采空区下部应力降低区内 10
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厚煤层中下分层区段巷道布置和矿压显现规律 三种巷道布置方式；与上部煤层有三种位置 关系：
1.布置在已稳定的采空区下方，附近无上分层 遗留煤柱 2.布置在已稳定的采空区下方，并在上分层护巷煤
采煤工作面与采区巷道矿山压力显现规律及应用
第一节采煤工作面与采区巷道矿山压力显现规律及应用一、采煤工作面采动后压力显现的状况由于岩层本身的重量以及地质构造等因素，使岩体中存在有一定的应力，称之为原岩石应力，未经采动的岩体内原应力处于平衡状态。
工作面回采时，随着采空范围的增大，上覆岩层产生变形挠曲直至破坏冒落后，岩体内的应力将重新分布，并趋于新的平衡。
（一）开采后采煤工作面上覆岩层活动特征顶板岩层的垮落，首先在于顶板岩层的破断、而后在于破断岩块的失稳。
1、老顶的初次断裂老顶岩层悬露时的情况可近似地视其为“板”。
其四周的支承条件则决定于四周采空的情况及煤柱的宽度。
老顶岩层中，最大的弯矩绝对值发生在长周边的中点，即工作面中部上方顶板岩石中。
因而，顶板岩层达到极限垮落时，首先在工作面中部上方岩层中形成平行于工作面方向的裂缝。
其断裂过程，先由长边中间沿工作面方向向两端扩展，而后由短边中间沿煤柱向两端扩展，裂缝在拐角处呈弧形，形成贯通，老顶岩层中间部分形成X型破坏，随着破坏时岩块间的失稳状态，形成了对回采工作面空间安全上的不同威胁。
2、采煤工作面回采期间岩层移动的特点随着回采工作面的推进，老顶初次断裂后，上覆岩层也将逐步活动，上覆岩层的破坏状态可分为冒落带、裂隙带及弯曲下沉带。
（二）采煤工作面矿山压力对采区巷道的影响采煤工作面开采中打破了岩石原有的平衡状态，同时也破坏了原有应力分布状态，从而使岩块冒落，或使开采空间处于高度应力状态。
1、采煤工作面周围支承压力分布采煤工作面在开采过程中，导致围岩内的应力不断地趋于新的相对平衡状态。
由于采掘空间原被采物承受的载荷转移到周围支承体上而形成的压力，称作支承压力。
回采工作面支承压力，常以其分布的范围、形式和峰值大小表示其显现特征。
前支承压力（曾称移动支承压力）——指采煤工作面煤壁前方形成的支承压力，它随着工作面的推进而不断向前移动。
前支承压力作用时间较短，且位置不断变化。
回采工作面推过一定距离后，采空区的冒落矸石有松散状态进入压实状态，此时所形成的最高应力峰值，根据上覆岩层形成的结构状态，前支承压力峰值的位置可深入煤体内2~10m，其影响范围可达到工作面前方90~100m。
第四章矿压及顶板班长培训
楔—背顶—清理和定柱位—立柱—供液升柱。 （二）支架架设要求及回柱放顶安全措施
采煤工作面必须经常存有一定数量的备用支护材料。 采煤工作面严禁使用折损的坑木、损坏的金属顶梁、失效的摩擦式金属支柱和失效的 单体液压支柱。
⑴平行工作面长钻孔强制爆破放顶。放炮有两种方式：一种是长钻孔位于采空区上方 时爆破。另一种是预裂或预爆破。
⑵钻孔垂直工作面的强制放顶。 ⑶地面深孔爆破放顶。 2.预注高压不处理坚硬顶板 3.合理选择支架 4.明确规定允许悬顶面积 5.预测预报
第四章矿压及顶板班长培训
四、单体支柱支护工作面时的顶板控制 单体支柱采煤工作面支护，主要是指采煤工作面采用木支架、摩擦式金属支柱、单体
第四章矿压及顶板班长培训
第二节 采煤工作面顶板控制
一、顶板分类 按照岩层稳定性不同，将直接顶分为四类；按来压强度不同，将老顶分为四级。
（一）直接顶的分类 将直接顶分为四类：不稳定顶板、中等稳定顶板、稳定顶板。
（二）老顶的分级 老顶的来压强度主要决定于直接顶厚度与采高的比值N以及老顶来压步距L0，将老顶
第四章矿压及顶板班长培训
在同一采煤工作面中，不得使用不同类型和不同性能的支柱。 摩擦式金属支柱和单体液压支柱入井前必须逐根进行压力试验。 采煤工作面必须按作业规程的规定及时支护，严禁空顶作业。所有支架必须架设牢固， 并有防倒柱措施。 回柱放顶工要由熟悉工作面顶板管理及支护特性，并具有实际操作经验的支护工担任。 必须按作业规程中顶板管理方法和本规程的规定进行回柱放顶。 回柱放顶工要勤拴、勤拉、勤拣，做到回收率高、复用率高。
液压支柱支护。 （一）支柱类型与结构性能 1.木支架
矿山压力与岩层控制课后习题
第一章 矿山岩石和岩体的基本性质1、岩石的孔隙性、孔隙度和孔隙比有什么不同？研究它们有何意义？2、岩石受载时会产生哪些类型的变形？岩石的塑性和流变性有什么不同？3、将某矿的页岩岩样做成5cm ×5cm ×5cm 的三块立方体试件，分别作剪切角度为45°、55°和65°的抗剪强度实验，施加的最大载荷相应地为22.4、15.3和12.3KN ，求该页岩的内聚力C 和内摩擦角值，并绘出该页岩的抗剪强度曲线图。
4、对某矿石灰岩进行抗剪强度实验结果，当时，当时。
如果已知该岩石的单向抗压强度,求侧压力时其三轴抗压强度是什么？5、莫尔强度理论和格里菲斯强度理论在本质上有何区别？为什么莫尔强度理论较广泛地用作岩石强度条件？他可用来解释那些问题？6、试叙述单向拉伸、单向压缩、双向拉伸、双向压缩、双向不等拉压、纯剪、三向等拉、三向等压和三向不等压的应力圆（设压应力为正，、、分别为最大、中间和最小应力）。
7、岩石强度的压性能有何意义？如何根据莫尔应力圆和斜直线型强度包络线求解岩石试件在单向受力条件下的压拉比？8、如果某种岩石的强度条件为试求：（1）这种岩石的单轴抗压强度；（2）设压应力为正，单位为MPa ，则下列应力状态的各点是否会产生破坏，（40，30，20）；（53，7，30，6.3）；（53.7，30，1）；（1000，1000，1000）。
9、某种岩石在单轴压缩过程中，其压应力达到28MPa 时即发生破坏，破坏面与最大主平面的夹角为60°，假定抗剪强度随正应力呈线性变化，计算，（1）这种岩石的内摩擦角；（2）在正应力为零的平面上的抗剪强度；（3）上述试验中与最大主平面成30°夹角的平面上的抗剪强度；（4）破坏面上的正应力和剪应力。
10、解释岩体强度变化曲线图的含义，是考虑是否有其他方式能更多的反映岩体ϕMPa n 8.41=σMPa 8.151=τMPa n 2.81=σMPa 181=τMPa R 6.821=MPa 53=σ1σ2σ3σ)MPa (tan 10300+=ατ321σσσ>>强度特征？11、某矿按双千斤顶法对主井井口表土层下基岩中制取的四个试体进行了原地剪切试验，每次先施加法线力N 到一定值且稳定不变后再施加倾斜15°的推力P ，直到试体沿底板岩面发生剪切破坏，试验结果如下：擦角υ值。
矿山压力及其控制 回采工作面上覆岩层活动规律
Mx
qx L x
2
最大弯距发生在梁的中间， M max
qL2 8
。
隔离煤柱
4.2.2 老顶岩层的板式结构分析
随着回采工作面自开切眼开始推进，根据已采空面积的情况， 如华北地区的一般条件，回采工作面长150～200m，推进 30m左右，老顶岩层初次断裂。一般老顶岩层厚2～4m。按 照薄板的假设，其厚度（h）与宽度（a）的比值 h/a=1/7~1/15。因此，可视老顶岩层为薄板，当老顶与上部 岩层离层时更是如此。根据开采条件及边界煤柱大小，又可 将老顶岩层假设为四种情况：
显然，在同样条件下，由简支梁计算所得的极限跨距LlT 要比固定梁计算所得的小。
在一般情况下，由于弯距形成的极限跨距LlT要比剪切应 力形成的极限跨距Lls小，因此常常按弯距来计算极限跨距。
在什么条件下应按简支梁计算或按固定梁计算，需根据煤
层赋存深度及边界煤柱两侧采空的情况来定。
在采用刀柱法或房柱法开采时，为了保证工作空间顶板的
由于对称原因，∴ R1 R2 ， M1 M 2 。
Fy
0 ，∴ R1
R2
qL 2
岩梁内任一截面 D D' 上的剪切力为：
Qx
R1
qx
qL 2
qx
qL 1 2
2x L
则最大剪力发生在梁的两端： qL
Qmax R1 R2 2
固定岩梁任意截面 D D' 的弯距为：
Mx
R1 x
老顶
直接顶 伪顶 煤层 直接底
底板
（2）伪顶（false roof）：直接顶与煤层间厚度小于 0.5m极易垮落的软弱岩层，它随采随冒。
（3）老顶（基本顶，main roof）：直接顶上方（有时直 接位于煤层之上）的厚而坚硬的岩层。一般由砂岩、石灰岩、 砂砾岩等岩层组成。也有人认为冒落带以上的裂隙带岩层统 属老顶。
采场矿山压力显现基本规律31页PPT
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
采场矿山压力显现基本规律
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
采煤工作面矿山压力显现规律
二、采煤工作面矿山压力显现规律
• 总之，在采空区四周都存在着应力集中现象。 （回风巷、溜子道几乎相等，煤壁明显大于老 塘。） • ⑸由此可见：回采工作面前方的支承压力主要 是由于工作面的采空区上方岩体的重力转移所造 成的。同时，顶板岩梁弯曲下沉作用也会引起工 作面前方煤体中产生应力升高现象（平时表现不 明显，当工作面来压时就会突然地表现出来，岩 层越硬越明显）。 • ⑹当垮落岩块被压倒一定程度后，回采工作面后 方的采空区，同样会出现支承压力。
二、采煤工作面矿山压力显现规律
④两次来压间隔的天数称为来压周期，在此期 间工作面推进的距离称为周期来压步距。 • 老顶初次来压步距与老顶岩层的力学性质、厚 度、破断岩层之间互相咬合的条件有关（一般为 20—35m，个别矿可达60—70m，甚至更大）。 • 由于周期来压时老顶岩梁处于悬臂状态，与初次 来压时老顶处于双支撑状态不同。周期来压步距 比初次来压步距小得多，一般约为5—20m左右， 少数坚硬顶板可达20—30m。 •
三、掘进工作面矿山压力显现规律
如果两帮岩石节理发育、岩性较软，则 在两帮支承压力作用下，两帮岩石沿着斜 面垮落下来，这就是片帮。 • C、巷道底压。巷道产生侧压，获得新 的平衡后，新的自然平衡拱仍然把压力传 给两帮，再传给底板。当底板岩石强度较 低时，底板岩石就会向上移动，形成底膨。 •
• • 2、影响采场矿压显现的岩层组成 对采场矿压显现有明显影响的岩层，由直接顶 和老顶两部分组成。 • A、直接顶 其作用力必须由支架完全承担， 它由泥质页岩、页岩、矿质页岩等组成。 • B、老顶 由一层或几层岩层（岩梁）组成，它 对采场矿压显现有明显影响，其运动的作用力 （岩层重量）不由支架全部承担（支架承担老顶 作用力的大小，由对岩梁位态控制要求决定）， 它由砂岩、石灰岩、砂砾岩等组成。
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1、顶板压力估算常用方法
1、经验估算法
按照支架承受载荷的原则，可将工作面支架受力情况简化为如图所示。
即支架受力一是直接顶的载荷，二是老顶通过直接顶作用于支架的载荷。
其中，
2、 从老顶形成结构的平衡关系估算
此种估算法认为直接顶的载荷应由支架全部承受，而老顶岩层由于能形成结构，因此支架所承受的载荷仅是当老顶岩层结构失稳时所形成。
失稳的方式有两种，其一是滑落失稳，其二是变形失稳。
（1） 从老顶结构的滑落失稳估算顶板压力
根据老顶的平衡规律，控制老顶滑落失稳时，作用于支架上的力为;
，kN
式中：——岩块A与B的重量及其载荷，kN；
L i0——相当于B岩块（悬露的岩块）的长度，m；
Q i0——相当于B岩块的重量及载荷，kN；
H——老顶岩层厚度，m；
δ——B岩块的下沉量，m；
、——岩块的破断角与内摩擦角，（°）。
（2）由老顶破断岩块结构的变形失稳估算顶板压力
很多学者认为，老顶的位移量与对支架形成的载荷呈双曲线关系，因而提出p与的乘积是常数的概念。
为此，老顶对支架的作用载荷为式中：Δh0——实测所得回采工作面顶板下沉量；
Δh i——要求控制的回采工作面顶板下沉量；
K0——顶板下沉量为Δh0时，老顶岩梁在控顶距范围内的作用力。
式中：m E为老顶岩梁厚度；γE为老顶岩梁的体积力；L E为老顶岩梁
的跨度；L为控顶距；K T为支架承担岩梁重量的系数。
3、威尔逊估算法
估算顶板压力时只考虑直接顶的形状与载荷，因为载荷作用力的位置与支架可能形成的最大反力的作用位置不一定一致，所以引入由于支架与围岩相互平衡而产生的附加力的概念。
式中：Q1、Q3、P——直接顶载荷、附加力、顶板压力；
l P、l、r——直接顶载荷、附加力、顶板压力的力臂。
2、试述影响矿山压力显现的主要因素
①煤层采高及回采工作面控顶距。
在一定的地质条件下，回采工作面顶板下沉量与采高及控顶距成正比。
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，从而矿山压力显现越严重；采高越低，顶板活动越缓和，煤壁也较为稳定。
控顶距越大，矿山压力显现也越严重。
②工作面推进速度。
工作面推进速度越慢，矿山压力显现越严重。
在工作面推进速度较慢的情况下，加快工作面的推进速度可以减小顶板的下沉量，改善顶板状况。
但是当工作面的推进速度提高到一定的程度后，顶板下沉量的变化将逐渐减小。
因此用加快工作面推进速度的办法减少顶板下沉量是有一定限度的。
③开采深度。
随着开采深度的增加，一部分矿山压力显现增大，如煤壁上的支承压力增大，冲击地压，煤壁片帮及底鼓等现象加剧。
但对回采工作面顶板下沉量及支架上所承受的载荷并没有明显的影响，这是因为回采工作面空间总是在上覆岩层结构的保护之下的结果。
④煤层倾角。
由于煤层倾角的变化，顶板岩层重量在垂直于岩层层面的分力也发生变化。
煤层的倾角增大，垂直层面的分力减小，顶板的下沉量也减小。
但煤层倾角的增大会使采空区内的冒落矸石沿倾斜向下滑动，因而会引起上覆岩层移动规律的变化。
⑤分层开采。
开采第一分层时，矿山压力显现于开采单一煤层时基本相同。
开采下部分层时，工作面顶板为已冒落的破碎岩石，因而导致老顶来压步距减小，来压强度减弱；支架承受载荷减小；顶板下沉量增大；顶板破碎且难以管理等现象。
3、我国厚煤层开采的主要方法有哪些？其各自的矿压显现的主要特点和顶板控制的主要难点是什么？
★放顶煤采煤法。
矿压特点：支承压力分布范围大；综放面支架载荷不大，周期来压现象不明显，初次来压强度不大；回采巷道的矿压显现较分层多次开采
缓和；前柱工作阻力大于后柱工作阻力。
难点：无法看到顶煤的放煤过程，放煤步距和放煤时间比较难控制。
★大采高一次采全厚采煤法。
矿压特点：端部冒落和煤壁片帮比较突出；周期来压强度有所增大，支架载荷增大，动载系数增大；
难点：煤壁片帮和冒顶的控制，以及支架稳定性控制比较难。
★倾斜分层长壁采煤法。
矿压特点：下分层巷道要受到多次采动影响，巷道围岩变形强烈、破坏严重；开采下分层时，直接顶已经破碎，易冒落。
难点：多次动压影响是控制的难点。
急倾斜厚煤层方法有：水平分层、水平分段、斜切分层。