长壁工作面开采矿压理论研究
国外研究动态及发展趋势
国外研究动态及发展趋势较早的有前苏联M.秦巴列维奇根据莫斯科近郊煤田浅埋深条件提出的台阶下沉假说。
该假说指出当煤层埋藏较浅时，上覆岩层可视为均质。
随着工作面的推进，顶板将呈斜方六面体沿煤壁斜上方跨落直至地表，支架上所受的载荷应考虑整个上覆岩重的作用。
当有坚硬顶板组成的老顶时，秦氏认为老顶断裂在煤壁内，支架载荷按控顶区跨度计算上覆岩全部重量。
80年代初，澳大利亚B.霍勃尔瓦依特博士等对新南威尔士安古斯．坡来斯煤矿浅部长壁开采的一些矿压现象进行了实测。
该矿开采李氏古煤层，采高约2.6米，煤层赋存平缓，初期煤层开采深度约72 m，工作面长135 m。
实测主要结果如下：（1）顶板破断与岩层移动特征：顶板为煤、页岩互层，坚固稳定，初次跨落步距10m。
随工作面推进，沿工作面和采空区边缘的顶板岩层几乎垂直断裂，岩层破断角为76°～90°。
地表最大下沉量为采高的60%，最大下沉量的85%发生于距工作面40m范围内。
说明采空区迅速压实，煤壁附近顶板岩层迅速发生整体移动。
观测研究认为，顶板破断是从煤层到地表产生“瓶塞”状切落，而不是呈桥拱铰接。
（2）工作面前方顶板移近量：实测工作面前方上平巷顶底板移近量不大，除超前支承压力的最大移近量为20mm外，一般均小于10mm。
观测研究认为，这与工作面煤层埋层浅，顶板产生“瓶塞”状破断有关。
（3）工作面支架载荷：工作面使用89架支撑掩护式支架，额定工作阻力为4500kN/架,初撑力为额定工作阻力的80%。
支架有动载现象，安全阀经常开启。
顶板破断期间支架以很快的速度达到额定工作阻力，但在3～7天内重新减小。
进入九十年代以后，澳大利亚L·Holla等还对新南威尔士浅埋煤层长壁开采的顶板岩层移动进行了观测研究，通过自地表到煤层的多层位钻孔锚固装置实测得出，顶板跨落高度为采高的9倍，顶板岩层在工作面推过后快速移动。
英国和美国为控制浅部开采地表塌陷，多采用房柱式开采，主要进行了地表岩层移动和采前地层地震波探测与工程地质评价等研究工作。
万利矿区浅埋煤层长壁开采矿压显现规律
于初步认识阶段。因此 ， 对其进行研究 ， 具有重要 的 实际应用价值 。
１ 浅埋煤层长壁开 采矿压显 现基本规律
根 据对 万 利矿 区 ４个 不 同开 采条 件 和开采 工 艺 的工作 面 实际 观测 ， 观 测 数 据 及 结 果 进行 整 理分 对
参考 文献 ：
［ ］ 石平五 ， 忠杰． 府浅埋 煤层 顶板 破 断运动 规 １ 侯 神 律［ ］ 西 安矿 业 学 院 学报 ， ９６ １ ３） ２ ３— Ｊ． １９ ，６（ ：０
析 ， 埋煤 层矿 压具 有如 下基 本规 律 ： 浅 浅埋煤 层 工作 面矿压 显 现 的突 出特点 是顶 板基 岩沿全厚切落 ， 基岩破断角较大 ， 破断直接波及地
压 强度 和显 现特 征 有 重 要影 响 。如 表 １所 示 ， 当 ＜． ０ ８时 ， 工作 面都 出现 了顶板 沿 煤 壁 台阶下 沉 ， 而
于顶板厚度变大 ， 为 ｌ １５ 虽然有动载现象 ， — ．， 却
只在 架 后 出 现 了 台 阶 下 沉 。 １０ ２ １工 作 面 为 ０ ． ７， ３ 同样 发 生 了沿煤 壁 台阶 下沉 。
收稿 日期 ：０ ７— ７— ５ ２ ０ ０ ２ 作者简介 ： 王 福 （９ ０一） 男 ，９９年毕 业于 山西矿 院采 矿专业 １６ ， １８ 现万利煤炭分公 司柳塔矿助理工程师 。
滞” 现象 ， 来压期间载荷层 的“ 载荷传递” 效应对认 识 顶板 结 构稳定 性 和支 架 围岩关 系有 重要 意义 。
２ 浅埋煤层长壁开采矿压显现 的影响因素
工作 面 支护 状况 对顶 板 来压有 明显影 响 。用金 属磨 擦支 柱 支护 顶 板 的 Ｃ ０ ２２工 作 面初 次和 周 期 来
采煤工作面矿山压力基本规律
2、基本顶周期来压及矿压显现特征
（1）基本顶周期来压
当采煤工作面继续推进，基本顶悬臂跨度达到极限跨度时，基本顶 当采煤工作面继续推进，基本顶悬臂跨度达到极限跨度时， 在其自重及上覆岩层载荷的作用下，将沿工作面煤壁甚至煤壁之内发生 在其自重及上覆岩层载荷的作用下， 折断和跨落。随着采煤工作面的推进，基本顶这种“稳定—失稳—再稳定” 折断和跨落。随着采煤工作面的推进，基本顶这种“稳定—失稳—再稳定” 现象，将周而复始的出现，使采煤工作面矿山压力周期性明显增大。这 现象，将周而复始的出现，使采煤工作面矿山压力周期性明显增大。 种基本顶的周期性破断失稳对工作面产生的周期性的来压显现， 种基本顶的周期性破断失稳对工作面产生的周期性的来压显现，称为基 本顶的周期来压。 本顶的周期来压。
3、弯曲下沉带
裂隙带上方直至地表的岩层为弯曲下沉带， 裂隙带上方直至地表的岩层为弯曲下沉带，这部分岩层 不产生裂缝或仅产生极微小的裂缝，并在采空区上方的地表 不产生裂缝或仅产生极微小的裂缝， 形成一个比开采范围大的沉降区。 形成一个比开采范围大的沉降区。
三、采煤工作面四周支承压力显现规律
（一）采煤工作面四周支承压力显现规律
Kp=1.5时，则∑h=2hm，即冒落带高度为采高的2倍。一般 即冒落带高度为采高的2
认为开采后冒落带的高度为采高的2 认为开采后冒落带的高度为采高的2～4倍。
2、裂隙带
裂隙带位于冒落带之上，随冒落带岩石的跨落和逐渐压 裂隙带位于冒落带之上， 实，裂隙带岩层出现弯曲下沉，离层和断裂为排列整齐的岩 裂隙带岩层出现弯曲下沉， 块。裂隙带的范围，随冒落带上覆岩层的性质、开采高度变 裂隙带的范围，随冒落带上覆岩层的性质、 化而变化。 化而变化。
开切 眼 直接顶初次跨落步距
工作面矿压显现规律研究
工作面。一般而言， 采高加大时， 工作面顶板压力随之增大 ， 煤壁前方 场顶底板围岩。来压时支架载荷达到或略超过额定值 ３ １ ． ３ ＭＰ ａ ， 因此 支承压力集 中程度也随２ ＿ Ｎ大 ， 导致工作面煤壁片帮和冒顶 ， 工作面 对 ４ ２ ０ ２ １ 面来说 ， 来压时支架的工作阻力富裕不多。 矿压显现明显。加强顶板压观测 ， 分析大采高工作面矿压特征及规律 ４ 工作 面支 架受 力特 点分析 ４ ． １ 老顶初次来压期间 ， 机头一 中部一 机尾支架平均压力相差不大 ， 在 十分必要。
民营 科技 ２ ０ １ ４ 年第２ 期
ห้องสมุดไป่ตู้工程 科技
工作 面矿压显现规 律研 究
王保 山
（ 龙 煤 股份 七 台河 分公 司桃 山煤 矿 ， 黑龙 江 七 台河 １ ５ ４ ６ ０ ０ ）
摘
要： 国 内外成功 经验表 明， 大采高Ｘ － 作 面不仅能提 高工作面单产 、 方便巷道布置 、 简化 生产 系统 ， 而且能提 高矿井资源采 出率 ，
综放工作面采高加大以后顶板岩层垮落后难 以充满采空区 ， 将 动载系数为 Ｉ ． ２ ２ １ ． ４ ３之间， 平均 １ ． ３ ５ 。支架平时载荷平均 ２ ４ ． ９ ＭＰ ａ ， 导致上覆岩层中形成结构的岩层位置及其运动规律都发生了变化 ， 尤 未达到支架的额定泵站压力， 故可认为应该加强工作面支架升架操作 以保证支架的接顶效果和承载有力 ， 使更有效地控制采 其是采高大于 ３ ． ５ ｍ以后 ， 这种规律将显著不同于采高在 ３ ． ５ ｍ以下的 的规范管理 ，
境条件下对综采支架的工作状态 自动监测和分析 。 Ｔ作面共设置 ６ 个 ６ ３ ２ ２ ｋ Ｎ， 因此 ， 来压显现强度大小依次为机尾＞ 机头＞ 中部。 可以看出， 支架工作阻力监测站， 共 ６台矿用数字压力计 ， 分别布设在工作面 ８ 机尾来压反而较机头强烈 ， 这主要因为在监测时间内， 机头位置处于 受构造应力影响较大 ， 应力集 中也较高。 而非周期来 号， ２ ８ 号， ４ ８ 号， ６ ８号， ９ ２号和 １ １ ２ 号支架处 ， 每个测站分别在支架左 褶曲构造的中部 ， １ ８ ０ ｋ Ｎ，中部为 ６ ５ ５ ６ ｋ Ｎ ，机尾 为 右立柱高压腔安装 １ 台矿用数字压力计， 能显示和记录观测支架左右 压期 问 ，机头平均工作 阻力为 ７ 立柱工作压力。 工作面推进过程中支架工作阻力值连续 自动记录在矿 ７ ８ ８ ７ ｋ Ｎ，均不高，并且中部较机头与机尾大 ，动载系数分别为机头 用数字压力计中， 隔２ ３ ｄ取一次读数， 地面及时整理压力数值。 １ ＿ ３ １ ， 中部 １ ． １ ２ ， 机尾 １ ． Ｏ ５ ， 动载系数较小， 来压强度不大 ， 来压不 明显。 ２ 工作 面矿 压显 现规 律 实测分 析 从支架工作阻力分布来看 ， 周期来压期间， 支架工作阻力呈正态规律 机头多以 ８ ０ ０ ０ ． － － １ ０ ０ ０ ０ ｋ Ｎ为主， 约占４ ２ ． １ ％， 相 当于额定ｌ Ｔ作阻 工作 面顶板来压情况主要是通过支架 的＿ Ｔ作阻力来判断。回采 分布 ，
超长大采高综放工作面采场矿压规律研究
大采高放顶煤采煤法是大采高和放顶煤采煤法 的 综合应用 ， 在矿压规律上同时具有 大采 高采煤法和放 顶 煤 采 煤 法 的部 分 规 律 ， 但 又 显 示 出来 新 的特 点 Ｊ 。 余吾 煤业 Ｎ １ ２ ０ ３工作 面采 高为 ３ ． ３ ｍ左 右 ， 放 顶煤 厚度 为３ ． ４ ｍ， 倾斜长度为 ３ ０ ２ ｍ， Ｎ １ ２ ０ ３综放工作面可看和 作为近似超长大采高放顶煤工作面。为了更好地指导 工作面的开采工作 ， 有必要对该大采高放顶煤工作 面 矿 压规律 进行 研 究 。
｛ ｆ 兽 ｊ Ｉ 莒 箍 稆
图Ｉ Ｎ １ ２ ０ ３工作面液பைடு நூலகம்支架工作 阻力测点布置 图
Ｎ １ ２ ０ ３工 作 面共 布置 １ ９ ２台 Ｚ Ｆ ８ ０ ０ ０ ／ ２ ０ ／ ３ ８液压 支
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ５—１ ６ 作者简介 ： 牛华雷（ １ ９ ８ Ｏ 一） ， 男， 山西长治人 ， 毕业于江西理
工大学信息与计算科学 专业 ， 助理工程师 ， 现在 潞安矿业 集团余 吾煤业公 司从 事煤矿技 术管理工作。
・
由现场实测发现 ， Ｎ １ ２ ０ ３超长大采高综放工作 面 Ｚ Ｆ ８ ０ ０ ０ ／ ２ ０ ／ ３ ８型液 压支 架前 柱工 作 阻力普 遍 要 比后 柱 工作 阻 力大 ， 与前 人 研 究 结 果 － ２ 相 符 。根 据 采 集 所 得 数 据进 行分 析 可 得 ： 整 个 工 作 面 工 作 阻力 基 本 呈 近 似 正 态分 布 ， 且 整 个 工 作 面工 作 阻力 呈 现 中 间 大 两 端 相 对小 ， 机头工作阻力相对小于机尾工作阻力 的规律 ； 整 个工作面工作阻力平均值为 ３ ３ ３ ６ ． ４ ２ ｋ Ｎ， 为额定工作阻 力４ １ ． ９ ０ ％； 其 中最大工作阻力 １ ０ ５ ３ ７ ． ３ ｋ Ｎ ， 为额定工 作 阻 力的 １ ３ １ ． ７ ２ ％； 最小 工 作 阻 力 为 ２ ６ ． ４ ９ ｋ Ｎ， 为额 定 工作 阻力 的 ３ ． ３ １ ％； 平均初撑力为 ２ ２ ８ ４ ． ６ ２ ， 为额 定 初 撑力 的 ３ ２ ． ７ ６ ％； 工作阻力分布在 １ ５ ０ ０～３ ０ ０ ０ ｋ Ｎ 占统 计循 环数 的 ３ １ ． ４ ６ ％， 分布在 ３ ０ ０ ０～ ５ ０ ０ ０ ｋ Ｎ范 围 ， 占统 计循环数的 ２ ５ ． ０ ８ ％， 分布在 ５ ０ ０ ０～ ８ ０ ０ ０ ｋ Ｎ， 仅占２ ０ ． ０ ９ ％， 超 出额定 工作 阻力 共 统计 到 ２ ０ ０次 （ 统 计 数 据 共 １ ５ ０ ４ ２个 ） ， 占统计 循环 数 的 １ ． ３ ３ ％。 对工作面液压支架检测仪采集 的数据进行分析可 得： 工作 面 自开切 眼 向前推 进 ， 顶 板 的悬 顶 面积 不 断 扩 大， 推进 到 １ ｌ ｍ左 右时 顶煤 开始 垮落 ， 工 作面 推进 １ ８ ． ５ 左 右时 直 接 顶 开 始 垮 落 ， 推进 到机头 为 ２ ０ ｍ， 机 尾 为 ２ ４ ｍ时 ， 直接 顶垮 落 占整 个 工 作 面 全 长 的 １ ／ ２， 即工 作 面直接 顶来 压 步距 为 ２ ４ ｍ左右 ； 工 作 面 推 进 到机 头 为 ２ ７ ｍ左右 ， 机 尾为 ２ ９ ． ５ ｍ 左 右 工 作 面 直 接 顶 全 部 垮 落 完； 作面推进到机头为 ３ ７ ｍ左右 ， 机尾为 ３ ８ ｍ左右时基 本顶 初次 来压 ， 推进 到 机头 为 ３ ８ ｍ左右 ， 机 尾为 ４ １ ｍ左 右时， 基本顶初次来压结束 ； 随着工作 面 的继续推进 ， 基本 顶呈 不 均 匀 周 期性 垮 落 ， 周期 来压步距在 １ ３ ｍ一 １ ４ ｍ左 右 。 ２ ． ３工作 面煤 壁 片帮 分析 观测期间 Ｎ １ ２ ０ ３综放工作面 回采初期 ， 煤壁片帮 现象较少 ， 随着工作面的向前推进 ， 基本上每割一刀煤 整个工作面均有不 同程度 的片帮发生 ， 周期来压期 间 片帮程 度加 剧 。随 着 推 进 速 度 的增 加 ， 煤 壁 片 帮 程 度
提高上限开采工作面矿压显现规律研究
压 架 的可能 性 。
２ ０
１ ５
架段 煤帮 易片 ， 老塘 冒落严 实 。根据 上述 矿压显 现， ¨ 工作 面老 顶 已断裂 。老顶 初次 来压 步距 为 ２ １ ． ５ ｍ。 ２ ． ３ 周 期来压
空 区。采 用 ＭＧ６ ５ ０ ／ １ ６ ２ ０ 一ＷＤ 型双 滚 筒 电 牵 引采 煤 机 跟煤层 顶 板双 向割 煤 ， Ｚ Ｚ ６ ４ ０ ０ ／ ２ ２ ／ ４ ５型 液压 支 架， 上、 下顺 槽 主要 为 Ｕ 型棚支 护 。
提 高 上 限开 采 工 作 面 矿 压 与 普 通 工 作 面 有 不 同， 为此 ， 制定 了适 用 于上 限开 采 的矿压 观测 方 案 。
Ｉ ＳＳＮ １ ６７１ — ２９ ０ ０
采 矿 技 术 第 １ ３卷 第 ３期
Ｍｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｖｏ １ ． １ ３， Ｎｏ ． ３
２ ０ １ ３年 ５ 月
Ｍａ ｖ ２Ｏ１ ３
ＣＮ ４ ３ —１ ３ ４ ７ ／ ＴＤ
动 影 响 的变形 规律 。 矿 压 观测 方案 为 ：
（ １ ）工 作 面 支 架 压 力 观 测 。采 用 现 场 观 测
方法。
（ ２ ）超前 支 护单 体压 力 。机 巷 和风 巷 的超 前 支 护 单体 用 压力 测量 表 ， 记 录液压 单体 的压 力 。
根 据 采 集 的矿 压 观测 数 据 ， 运 用顶 板 矿 压理 论 分 析 。工作 面 的初次 来 压 在 ２月 ９日早 班 ， 工 作 面
８ ２
采
矿
技
术
退尺 为 ： 上顺 槽 退 尺 ２ ４ ． ５ ｍ， 下顺槽退尺 １ ８ ． ５ ｍ。 此时， 来压 比较 明显 ， 强 度较 大 ， 可 以确 定 工作 面 老 顶 的 初 次 来 压 。 同时 ５ ０ ～８ ０ 支架段 顶板
倾斜长壁工作面的矿压显现特点
、
采场上 方岩层 ｆ 老顶 】 运动及 其 来压 特点
老顶 初次垮 落 前 ， 可将 倾 斜 长 壁 工 作 面 止 方
＝± ， ｈ Ｊ＝ ３
的老顶为两端 由煤壁支撑的双固支点的倾斜岩梁 如图 １ 所示。在圈 １中 ， 为岩梁倾 角， ｈ为岩梁 顾度， Ｌ为岩梁水平跨度 ， ｑ为上履岩层对岩梁的 均 匀荷 载 。
据鸡 西矿 务 局 某矿 观 测 ， 作 面最 大 循环 顶 工 板 下 沉 量 一 般 在 ５ ～６ ｍ 左 右 ， 煤 壁 ４ ２ ０ ０ ｍ 距 ．ｍ
裂 的作用力性质将发生变化 。
二、采场 压 力显现特 征
采 场直 接顶 多为 易 冒岩 层 ，在采 场工 作空 间 顶板呈 悬臂 梁状 态 ，它 已被 自然裂 隙或 压力裂 隙
见 图 ２所示 。
Ｄ
（） １倾斜长壁工作面 ， ｎ＜１ 。 ， 当 ０时 一般可以 认为正应力值无异于走 向长壁工作面， 在 ＝１。 ０
工作 面单产并保 证 井下作业安垒 。 关 键词 ： 矿压 显现 ； ｌ 老＝ 初次垮 落； ｌ 正应力 中图分类 号 ： Ｐ １ 文献标 识码 ： 文章编号 ：０ ８ ７ ９ ２ ０ ）１ ０ ９ ２ Ｔ３ Ａ １１ —８ ０ （０ ２ ０ —０ ０ —０ ）
倾斜长壁工作面采煤方法是集团公司重要采 煤 方法之 一 ， 种 开 采 法 带 来 了矿压 显 现 及 岩 层 此
步距 Ｌ＝５ｍ， 据式 （ ） 算 系数 ， 结 果 见 表 ５ 根 ３计 其
１ 。
该 点距 断 中性轴 的距 离 ；
， —— 对 中性 轴 的惯性 矩 ；
① ＠
收稿 日期： ∞２ ０ — ４ ２ — ３ ０ 作者简舟： 景贤（９ ４ ）男 ， 棘 １６ 一 ． 辽宁法库＾ ， 大学毕业 ， 现任铁煤集团工程师。
煤矿开采学第十一章--走向长壁采煤法分析
• 双巷布置：区段轨道平巷超前区段运输平巷，沿腰线掘进。 优点：探明煤层变化情况，辅助运输、排水，有利于掘进通 风和安全,由上区段工作面立即转到下区段工作面，可减少 轨道巷的维护时间。 缺点：下区段轨道平巷维护比较困难，增加联络巷掘进费。
• 单巷布置：瓦斯含量不大，煤层埋藏稳定，涌水量不大，注 意：加强掘进通风，减少风筒漏风。
优点：区段跳采接替方 便；巷道掘进量少；
缺点：生产分散；“孤 岛”采煤矿压显现强烈；在 深部煤层开采时易出现冲击 地压。
适用：采区区段数目多。
区
段1
3
2
1
3
4
4
2
5
5
2区段回采，4区段正在煤体中 掘进上下两平巷，1、3、5区段 将采用沿空掘巷，回采顺序为 2-4-1-3-5
太原理工大学-矿业工程学院
2~3m (a)
(b)
优点：虽没有减少区段平巷的数目，但是不留或少留煤柱，减少煤损， 减少联络巷，减少巷道维修工程量，甚至不用维修，对巷道支护要求也 不严格。
太原理工大学-矿业工程学院
2020/8/8
11
第一节 单一走向长壁采煤法分析
•沿空掘巷时回采面接替顺序
区段跳采接替： 在采空区上覆岩层尚未垮落(a) 稳定之前不能进行沿空掘巷。
对于瓦斯含量很大的矿井， 要对工作面和采空区瓦斯进 行抽放，此时可采用回风巷 双巷布置。
太原理工大学-矿业工程学院
2020/8/8
5
第一节 单一走向长壁采煤法分析
3
5
4
2
1
2
35
41
1－转载机，2－胶带运输机，3－变电站， 4－泵站，5－配电站。
太原理工大学-矿业工程学院
软煤层大采高长壁工作面矿压观测及显现规律
软煤层 大采 高长壁 工 作 面 的矿 压 显 现规 律 ， 煤壁 片
帮 情 况 ， 提 出 了相 应 的 建 议 及 措 施 。 并
岩
性
单 向抗 压 强 度 ／ ａ ＭＰ
４ ． ３６ ２ ． ３２ １ ． Ｏ３
类
别
砂 岩 砂质 泥 岩
较 坚 硬 较 软 弱 软 弱
１ 工 作 面 概 况
摘 要 ： 对 软 煤 层 大 采 高 长 壁 工 作 面 矿 山 压 力 显 现 剧 烈 、 壁 片 帮 严 重 的 问 题 ， 赵 庄 煤 矿 针 煤 以
３０ ３ ５大 采 高 综 采 工 作 面 为 例 ， 绍 了 大 采 高 综 采 工 作 面 矿 山 压 力 的 观 测 方 案 。 通 过 现 场 观 测 ， 介 对
软 煤 层 大 采 高 综 采 工 作 面 矿 山 压 力 显 现 规 律 和 特 征 进 行 了 分 析 ， 对 工 作 面 煤 壁 片 帮 情 况 进 行 了 并
统 计 分 析 。提 出 了相 应 的 建 议 及 措 施 ， 有 效 满 足 控 制 大 采 高 综 采 工 作 面 顸 板 和 煤 壁 片 帮 的 要 求 ， 以
软煤层大 采高长壁工作面 矿压 观 测 及 显 现 规律
朱 涛 郝庆 利 ， ， 宋 敏 。康 立 勋 ，
（ ． 原理 工 大学 矿 业 工 程 学 院 ， 原 ０ ０ ２ ； ． 蒙 古 煤 矿 设计 研 究 院 ， １太 太 ３０４２内 内蒙 古 呼 和 浩 特 ０ ０ １ ； １ ０ ０ ３ 山东 水 利 职 业 学 院建 筑 工 程 系 ， ． 山东 日照 ２ ６ ２ ） ７ ８ ６
６ ３ ９ｍ。 煤 层 物 理 性 质 为 黑 色 ， 煤 为 主 ， 镜 ３ ． 亮 夹
采矿学第四章长壁工作面围岩控制
采空区处理 采场矿山压力控制
工作面支护 木支柱
单体支柱：支柱与顶梁分开
金属摩擦支柱
液压支柱
液压支架：顶梁、支柱、底座联合为一个整体
第二节 单体支柱控制顶板
一、单体支柱工作特性
单体摩擦支柱支护工作面
支柱的工作特性
‘
工 P0 －初撑力 作 P'0 －始动阻力 阻 P1 －初工作阻力 力 P2 －额定工作阻力
支架－围岩相互作用的特点
•支架－围岩是相互作用的一对力 两者应适应，平衡
支架受力大小及其在工作面的分布规律 与支架性能有关 刚性、急增阻式、微增阻式、恒阻式
250 平均载荷 /kN
200
150 128.5
100
81.24
50
0
0
1
2
182.6
192.5
距煤壁/m
3
4
5
单体液压支柱工作面顶板压力测定
支架型号
工作 阻力 （kN)
支护 强度 （MPa）
支护 高度 （m）
重量 （t）
ZYY6715/21/45KD 6715 0.85 2.1-4.5 21.0
ZYY7625/22/43KD 7625 0.95 2.2-4.3 21.0
ZYY8670/24/50KD 8670 1.05 2.4-5.0 23.5 ZYY7432/22/45KD 7432 0.91 2.2-4.5 22.6 ZYY8638/24/50KD 8638 1.06 2.4-5.0 25.0
支架工作阻力主要应满足垮落带老顶控制的要求
•足够的可缩量
基本顶转动具有“不可抗拒性”，定变形 最大高度与最小高度的差，也就是支架允许的最大收缩量
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长壁工作面开采矿压理论研究 摘要: 在结合大量文献基础上,对长壁工作面开采矿压理论进行了研究。具有一定的历史地位和代表性的矿压理论主要包括掩护拱理论、掩护梁理论、薄岩板理论以及关键层理论。掩护拱理论包括自然平衡拱和压力拱理论；掩护梁理论包括预成裂隙梁理论、悬臂梁理论、弹性基础梁理论、铰接岩块理论、砌体梁理论和传递岩梁理论。并对理论的优点和缺点进行了阐述。研究结果对煤矿生产实践具有重要的指导意义。
关键词: 矿山压力; 矿压理论； 长壁工作面 ABSTRACT: On the basis of a lot of literature, the coal mining theories on long wall coalface are studied. the representative of the mine pressure of having a certain historical status and theories mainly includes cover arch theory 、cover beam theory、thin plate theory and the key strata theory. Natural balance arch theory and pressure arch theory are included in cover arch theory; preliminary crack beam theory, the cantilever beam theory, the elastic foundation beam theory, articulated rock theory, masonry beam theory and transfer YanLiang theory are included in cover beam theory. And the advantages and disadvantages of the theory are discussed.The results of the study have great significance to coal mine production.
Key Words: underground pressure; underground pressure theories；long wall coalface 引言
在未受到人类工程活动影响的地下岩体称为原岩体。原岩体在地壳中各种力的作用下处于一种平衡状态。当进行开进行采矿作业或掘巷道时,破坏了原来的应力平衡状态,从而引起岩体内部应力的重新分布。当重新分布后的应力超过煤、岩的应力强度时,使巷道或采煤工作面周围的煤、岩发生破坏,并向已采空间移动,直到再次形成新的平衡状态。采动后作用于围岩中和劫掠物上的力,称为矿山压力。
国内外专家学者在矿山压力理论研究领域进行了长期大量的研究，相继提出了许多理论，其中具有一定的历史地位和代表性的矿压理论归纳为以下四类:掩护拱理论、掩护梁理论、薄岩板理论以及关键层理论。
一、掩护拱理论 该理论的主要观点是采动形成的工作空间处于“拱结构”的掩护之下，由拱承担上覆岩层的重量。通过拱脚传递到煤层和岩体上的矿山压力及由此在煤岩体中形成的应力造成岩体破坏和拱结构向外扩展。工作面布置的支架仅承受拱结构内己破坏岩层的重量。该理论又分为自然平衡拱和压力拱理论。 1.自然平衡拱理论 1897年前苏联B.里特捷尔教提出用变分法找出所求函数确定拱的数学计算方法，并得出拱的界面为抛物线。1907年前苏联学者M.M.普罗托季亚科诺夫提出了普氏平衡拱，认为已开挖地下空间的上覆岩层将逐步自然冒落成拱型，拱的高度h是巷道宽度b和岩体强度f的函数。
自然平衡拱理论主要对工作面在初次来压阶段随着工作面的推进而增加进行了阐述，但是对工作面周期矿压显现无法做出解释。另外，该理论没有从围岩结构稳定与破坏及围岩应力重新分布的角度来揭示自然平衡拱的形成机理，没有深入研究围岩结构与支承压力的演化过程，片面将拱内岩石作为载荷而忽略其可以作为承载体。
2.压力平衡拱理论 德国学者V.海克和R.日特采尔特及前苏联学者E许普鲁特压力拱跨越整个工作面，前后拱脚分别坐落煤壁前方受采动的煤体和采空区后部己冒落的研石上。压力拱将工作面前后上覆岩层分为三部分: 工作面后方采空区压力拱后脚作用的高压区;工作面推进前方压力拱前脚作用的高压区;工作面工作空间附近的低压区。
该理论主要解析了工作面围岩支承压力的存在，找出了工作面支架上的压力远小于上覆岩层重量的原因，纠正了自然平衡拱关于平衡拱随工作面推进而不断扩大的错误理论。但是该理论在压力拱是无法确定边界的模糊概念上没有做出解释，在压力拱与岩层运动演化间的关系上没有进行阐述，进而无法对工作面周期来压现象进行解释等，另外在工作面支架与围岩空间的力学关系上也是模糊的。
二、掩护梁理论 该理论主要认为工作面处于一系列岩梁的掩护之下，在冒落前这些岩梁将自身及上覆岩层重量传递到前后两端支承岩体上并形成支承压力，工作面支架压力现象的根源是岩梁的破断沉降。
1.预成裂隙梁理论 1947年比利时学者A.拉巴斯提出在工作面前方支承压力的作用下，上覆岩层将不再保持连续性，成为非连续岩层。工作面处于这一系列裂隙岩层的掩护下。预成裂隙梁丧失抗拉能力，靠水平挤压力产生的摩擦维持平衡，当水平挤压力减小或消失，预成裂隙梁将失稳并垮落。
该理论揭示了煤层及其顶板超前支承压力作用下产生预成裂隙的机理。但是没有将该机理与悬臂梁的周期性折断有机结合，无法解析采动覆岩的周期来压规律;没有区分煤层赋存、地层结构及开采条件;无法确定工作面支架需控的围岩范围，在工作面矿压的定量计算问题上没有明确的认识。 2.悬臂梁理论 1928年由德国学者W.Hack和GGiuitzer提出顶板岩层是一种连续介质，垮落后可以看成一端固定在煤壁前方的悬臂梁。当顶板由几个岩层组成时，形成组合悬臂梁。工作面周期性来压现象正是由这些悬臂梁随工作面推进有规律的折断和冒落造成。
该理论对工作面出现的周期性来压现象及工作面前方出现的支承压力进行了解释，
但是按照该理论计算所得到的顶板下沉量和支架载荷与实际测得的数据严重不符，未查明开采后上覆岩层活动规律。
3.弹性基础梁理论 波兰学者基针对覆岩下沉及工作面矿山压力分布提出了工作面覆岩均布载荷的弹性基础梁模型。该理论认为，长壁垮落法开采条件下，顶板下沉从煤壁前方某处开始，在煤壁后方采空区某处逐渐趋近于最大下沉值，煤层和顶底板岩层的稳定性以及煤层厚度、赋存状态、采空区冒落充填程度决定采动影响范围。M.鲍莱茨基基于弹性基础梁弯曲理论，推导了煤层上方和采空区上方顶板岩层的下沉方程和垂直应力方程 [1-6]。
4.铰接岩块理论 1954年前苏联学者T.H.库茨涅佐夫提出工作面支架的压力显现由已冒落的m层岩层和尚未冒落呈铰接状态的m层以上岩层运动决定。
该理论对采动覆岩的垮落条件进行了深入的阐述，提出“给定载荷”和“给定变形”两种支架工作状态，初步涉及到岩层内部的力学关系及其可能形成的结构，在一定程度上对工作面支架围岩间的关系进行了阐述，为顶板控制设计提供了依据。但是未能揭示对铰接岩块间的力学平衡条件，不能确定呈铰接状态的基本顶岩梁形成条件和具体范围，无法解决工作面顶板定量控制设计方面的问题。
5.砌体梁理论 钱鸣高院士上世纪70年代末，通过研究断裂岩块间力学关系及总结铰接岩块理论和预
成裂隙梁理论，结合现场观测，提出采场裂隙带岩体砌体梁结构理论模型。 该理论阐述了采动覆岩砌体梁平衡结构的形成原理，给出了采场上覆岩层周期断裂后形 成平衡结构的条件，分析了采场来压和支架围岩关系等重要问题，给出了确定支架载荷的有
效方法，解析了工作面支架载荷远小于上覆岩层重量的原因，明确了采场覆岩的结构形态，
为采场控制给出了具体的上部边界条件。 6.传递岩梁理论 宋振琪院士等人，通过大量现场观测确定了以岩层运动为中心的传递岩梁理论。认为，工作面采动上覆岩层中，除靠近煤层的已冒落到采空区的直接顶外，直接顶上的老顶岩层断裂呈假塑性状态，一端由工作面前方煤体支承，另一端由采空区己冒落的研石承担，推进方向上呈现出不等高的可传递水平力的裂隙岩梁。老顶传递岩梁对支架的作用力取决于支架对传递岩梁运动的抵抗程度，可能存在给定变形和限定变形两种工作面方式，并给出了支架围岩关系的位态方程。通过大量现场观测，宋振琪院士完成了以岩层运动为中心的预测预报、控制设计和控制效果判断三位一体的实用矿压理论体系[7]。
传递岩梁理论明确了工作面支架需控围岩范围及直接顶与老顶相互转化的条件，搞清了
工作面支承压力显现与上覆岩层运动间的关系及支架围岩关系，解决了工作面顶板定量控制
设计问题。 三、关键层理论 该理论认为，在煤系岩层中，由于矿物成分与成岩时间等不同，使得各岩层厚度和力学特性存在差异，从而形成厚度不等，强度不同的多层岩层。坚硬岩层在采动覆岩变形破坏和运动演化过程中起主要控制作用，破断前以连续梁力学结构支承上覆岩层，破断后以砌体梁力学结构支承上覆岩层，并以砌体梁力学结构演化运动影响采场矿压、岩层移动和地表沉陷。
矿压理论研究的进展中，关键层[8]作为采场矿压、岩层移动及地表沉陷统一的基础上，关键层理论研究进一步可解决:l)工作面周期来压的离散性及各项支架一围岩参数确定的依据;2)岩层移动的周期性变化规律以及岩层移动裂隙与边界线的描述;3)地表沉陷与采场推进关系的力学描述。并且对采场矿压控制机理做出更为系统和准确的分析，因而可对传统矿压估算公式作出全面的修正，分析的结果表明:采高越高，采场来压步距越小。在理论的发展中，提出了复合岩层概念[9]，得出复合岩层的抗弯刚度比同组分层岩层简单叠加刚度呈量级增长，而该复合岩层是否为复合关键层，则需要关键层的强度判别公式确定。