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第一節(jié) 礦山壓力
一、礦山壓力基本知識(shí)
地殼中沒(méi)有受到人類(lèi)工程活動(dòng)影響的巖體稱(chēng)為原巖，天然存在于原巖內(nèi)與任何人為原因無(wú)關(guān)的應(yīng)力場(chǎng)稱(chēng)為原巖應(yīng)力場(chǎng)。當(dāng)開(kāi)掘巷道或進(jìn)行回采工作時(shí)，破壞了原來(lái)的應(yīng)力平衡狀態(tài)，就會(huì)引起巖體內(nèi)部應(yīng)力的重新分布?；卤憩F(xiàn)為巷道和采煤工作面周?chē)?、巖體產(chǎn)生移動(dòng)、變形甚至破壞，直到煤、巖體內(nèi)部形成一個(gè)新的應(yīng)力平衡狀態(tài)為止。
由于礦山開(kāi)采活動(dòng)的影響，在采掘巷道、工作面圍巖中所形成的力稱(chēng)為礦山壓力，簡(jiǎn)稱(chēng)礦壓。由于礦山壓力的作用，5@起巖體的變形、破壞、冒落以及支撐物的變形、破壞與折損，并會(huì)在巖體中產(chǎn)生一系列動(dòng)力現(xiàn)象，稱(chēng)為礦山壓力顯現(xiàn)，簡(jiǎn)稱(chēng)礦壓顯現(xiàn)。
為使礦壓顯現(xiàn)不致影響正常的開(kāi)采和保證生產(chǎn)安全，就必須采取各種技術(shù)措施使礦壓顯現(xiàn)控制在一定的范圍內(nèi)，凡減輕、調(diào)節(jié)、改變和利用礦山壓力作用的方法，均稱(chēng)為礦壓控制。
（一）煤層頂、底板
1、偽頂:直接位于煤層之上，極易垮落的較薄巖層。它由泥巖、頁(yè)巖等軟弱巖層組成，厚度小于0.5m，常隨采隨落。
2、直接頂:位于偽頂或煤層之上的一層或兒層相同或不同的巖層。它由泥質(zhì)頁(yè)巖、頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖等不穩(wěn)定巖層組成，具有隨回柱放頂而垮落的特征。其厚度是指回柱放頂后能在采空區(qū)自行垮落的巖層厚度。
根據(jù)頂板的堅(jiān)硬程度、穩(wěn)定程度以及對(duì)工作面礦壓影響程度，直接頂可分為四類(lèi):不穩(wěn)定頂板、中等穩(wěn)定頂板、穩(wěn)定頂板和堅(jiān)硬頂板。
3、老頂:位于直接頂之上的巖層。由砂巖、石灰?guī)r、砂礫巖等堅(jiān)硬巖石所組成。其厚度大于2m，自然分層厚度較大，整體性較強(qiáng)，采空后能懸露較大面積。
按老頂來(lái)壓強(qiáng)烈程度不同，老頂可分為四級(jí):1級(jí)頂板，周期來(lái)壓不明顯D級(jí)頂板，周期來(lái)壓明顯皿級(jí)頂板，周期來(lái)壓強(qiáng)烈w級(jí)頂板，周期來(lái)壓極強(qiáng)烈。
4、直接底:位于開(kāi)采層下面的巖層。當(dāng)它為堅(jiān)硬巖石時(shí)，可作為采煤工作面支柱的底座如果是泥質(zhì)頁(yè)巖等松軟巖層時(shí)，則常造成底鼓和支柱插人底板等現(xiàn)象在開(kāi)采急傾斜煤層時(shí)，直接底還可能出現(xiàn)沿傾斜滑動(dòng)的現(xiàn)象。
5、老底:位于直接底之下，一般由砂巖、石灰?guī)r等堅(jiān)固的巖層所組成。
(二)巷道圍巖壓力及影響因素
1、巷道圍巖壓力
在巖體內(nèi)開(kāi)掘巷道后，原有巖體應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，巷道圍巖應(yīng)力情況出現(xiàn)部分區(qū)域升高，部分區(qū)域降低。這種巷道圍巖應(yīng)力的集中和重新分布，使巷道周邊巖體自穩(wěn)能力顯降低，導(dǎo)致向巷道空間移動(dòng)。為了防止圍巖變形和破壞，需要對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)。這種圍巖變形受阻而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)物上的擠壓力或塌落巖石的重力，統(tǒng)稱(chēng)為巷道圍巖壓力。主要由松動(dòng)圍巖壓力、變形圍巖壓力、膨脹圍巖壓力以及撞擊圍巖壓力組成。
由于巷道開(kāi)挖而松動(dòng)或塌落的巖體，以重力的形式直接作用于支架結(jié)構(gòu)物上的壓力，表現(xiàn)為松動(dòng)圍巖壓力載荷形式。如支護(hù)不能有效地控制圍巖變形的發(fā)展，圍巖形成松動(dòng)垮塌圈時(shí)，將導(dǎo)致松動(dòng)圍巖壓力出現(xiàn)，通常頂壓顯現(xiàn)嚴(yán)重。
支護(hù)能控制圍巖變形的發(fā)展時(shí)，圍巖位移擠壓支架而產(chǎn)生的壓力，稱(chēng)為變形圍巖壓力，簡(jiǎn)稱(chēng)變形壓力。在"圍巖一支護(hù)"力學(xué)體系中，只要圍巖與支架相互作用，圍巖就會(huì)對(duì)支架施加變形壓力。彈性變形壓力是圍巖彈性變形時(shí)作用于支架上的壓力，彈性變形產(chǎn)生速度極快，變形量很小，對(duì)于圍巖、支護(hù)相互作用過(guò)程而言，實(shí)際意義不大。塑性變形壓力是由于圍巖的塑性變形和破裂，圍巖向巷道空間位移，使支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的壓力，是變形圍巖壓力的&apos主要形式。
圍巖膨脹、崩解體積增大而施加于支護(hù)上的壓力，稱(chēng)為膨脹壓力。膨脹壓力與變形壓力的基本區(qū)別于它是由吸水膨脹而引起的。從現(xiàn)象上看，屬于變形壓力范疇，但兩者的變形機(jī)制截然不同，前者是指與水發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，后者主要是圍巖應(yīng)力與結(jié)構(gòu)效應(yīng)。
撞擊圍巖壓力指圍巖積累了大量彈性變形能之后，突然釋放出來(lái)所產(chǎn)生的壓力撞擊圍巖壓力是回采工作面上覆巖層劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)巷道支護(hù)體所產(chǎn)生的壓力。
2、影響巷道圍巖壓力的地質(zhì)因素
影響圍巖壓力的因素很多，通常可分為地質(zhì)、開(kāi)采和支護(hù)等類(lèi)，影響圍巖壓力的地質(zhì)因素有:原巖應(yīng)力狀態(tài)、圍巖力學(xué)性質(zhì)及巖體結(jié)構(gòu)等。
(1)原巖應(yīng)力狀態(tài)。原巖應(yīng)力是引起圍巖變形、破壞的基本作用力。原巖應(yīng)力隨開(kāi)來(lái)深度的增加而增長(zhǎng)。所以，隨開(kāi)采深度的增加，巷道圍巖壓力會(huì)明顯增長(zhǎng)。原巖體中主應(yīng)力的大小和方向不同，對(duì)巷道的影響作用不同，也直接影響到圍巖壓力。
(2)圍巖力學(xué)性質(zhì)。圍巖力學(xué)性質(zhì)是指它的強(qiáng)度(包括抗壓、抗拉、抗剪等各種強(qiáng)度和黏聚力、內(nèi)摩擦角等值)和變形性質(zhì)及其他力學(xué)屬性。
（3）巖體結(jié)構(gòu)。當(dāng)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖壓力的影響極大。通常巖體破壞首先從弱面開(kāi)始，這是圍巖壓力在節(jié)理和層理等弱面發(fā)育區(qū)、破壞帶、斷層和摺皺區(qū)顯現(xiàn)強(qiáng)烈的重要原因。 3、膨脹壓力的影響因素
影響膨脹壓力的因素主要有巖石的組成與膠結(jié)狀態(tài)，物理化學(xué)性質(zhì)，圍巖中水分的補(bǔ)給狀況，水與巖石的接觸條件，支護(hù)和充填層的可塑性等。
（三）采煤工作面頂板活動(dòng)的一般規(guī)律
1、支承壓力
1)支承壓力的形成
在煤體未來(lái)動(dòng)前，煤缽上所受的原始應(yīng)力為單位???積上所受巖體的重量，煤體中開(kāi)掘巷道（如開(kāi)切眼）后，原始應(yīng)力狀態(tài)受到破壞，應(yīng)力將重新分布。這時(shí)在開(kāi)切眼上部頂板內(nèi)形成了自然平衡"壓力拱"。開(kāi)切眼上方巖體重量由兩側(cè)煤體平均分擔(dān)。因此，在兩側(cè)煤體中產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，這種集中應(yīng)力稱(chēng)為支承壓力。
2）影響文承壓力大小、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(shí)間、開(kāi)來(lái)深度、采空區(qū)充填程度、頂?shù)?br> 板巖性、煤質(zhì)軟硬有關(guān)。采空區(qū)頂板懸露面積越大、時(shí)間越長(zhǎng)，頂板壓力就越大，而支承壓力的分布范圍和集中程度也就越大。開(kāi)采深度越大，懸露頂板的重量越大，支承壓力也越大。 頂板巖層越堅(jiān)硬，頂板壓力分布越均勻，支承壓力的集中程度就比較小。 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。 底板巖層堅(jiān)硬，支承壓力影響范圍大，但集中程度小。煤質(zhì)堅(jiān)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，其集中程度越低。
3）支承壓力顯現(xiàn)
由于文承壓力的作用，可導(dǎo)致頂板預(yù)先下沉、煤壁破碎片幫、產(chǎn)生沖擊地壓、煤和瓦斯突出等現(xiàn)象。 當(dāng)頂、底板均為厚而堅(jiān)硬的巖層且煤質(zhì)很堅(jiān)硬、開(kāi)采深度又較大、形成很大的支承壓力時(shí)，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。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。
為了避免沖擊地壓發(fā)生而造成重大事故，必須采取措施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，避免兩個(gè)工作面相向回采，以防止形成文承壓力的重疊。支承壓力集中程度高，不僅可能產(chǎn)生煤層突出，還可能伴隨大量瓦斯突出，造成煤和瓦斯突出事故。
綜上所述，生產(chǎn)中必須重視支承壓力的作用和影響，在開(kāi)采自然條件不能改變的情況下，開(kāi)采技術(shù)上應(yīng)盡量設(shè)法減輕支承壓力集中程度。
2、工作面初次來(lái)壓
1)直接頂初次垮落
一個(gè)長(zhǎng)壁工作面從開(kāi)切眼開(kāi)始采煤后，直接頂?shù)目缍炔粩嘣黾?，其彎曲下沉也不斷地增加。一般在直接頂跨距達(dá)6-20m后，直接頂開(kāi)始垮落。一般認(rèn)為:當(dāng)直接頂垮落厚度達(dá)1m以上、垮落長(zhǎng)度達(dá)回來(lái)工作面長(zhǎng)度一半以上時(shí)，就叫直接頂初次垮落。直接頂初次垮落時(shí)的跨距叫做初次垮落步距。
2）老頂初次垮落與工???面初次來(lái)壓
直接頂初次垮落后、回采工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，隨著每次回柱放頂，采空區(qū)上方的直接頂也就隨著垮落下來(lái)。
隨著回采工作面的推進(jìn)，梁的跨度愈來(lái)愈大，老頂就逐漸彎曲、下沉當(dāng)老頂雙支點(diǎn)梁達(dá)到極限時(shí)，它就斷裂、下沉。這時(shí)，回采工作面內(nèi)頂板下沉加快、煤壁片幫嚴(yán)重、支架受力增大、甚至發(fā)生頂板臺(tái)階下沉等老頂來(lái)壓現(xiàn)象。
工作面回采以來(lái)老頂?shù)谝淮未笠暷?lái)壓，叫做老頂?shù)某醮蝸?lái)壓。由開(kāi)切眼到初次來(lái)壓時(shí)工作面推進(jìn)的距離叫做老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距。一般為20-35m。
3）.工作面周期來(lái)壓
老頂初次來(lái)壓后，隨著回采工作面的繼續(xù)推進(jìn)，老頂巖梁周期性斷裂、下沉，工作面內(nèi)周期性地出現(xiàn)頂板下沉加，巖、煤壁嚴(yán)重片幫、支架受載增大、以及頂板臺(tái)階下沉等老頂來(lái)壓現(xiàn)象，叫做老頂?shù)闹芷趤?lái)壓。
老頂巖梁周期斷裂的距離叫做老頂周期來(lái)壓步距，一般為老頂初次來(lái)壓步距的
1/2-1/4。
二、巷道掘進(jìn)頂板控制技術(shù)
(一)巷道頂板控制包括以下三類(lèi)方法及途徑
第一類(lèi):巷道保護(hù)是指，為了使圍巖應(yīng)力與巖體強(qiáng)度保持適應(yīng)的關(guān)系，以便預(yù)防巷道失
穩(wěn)或有效的減輕礦壓危害而采取的各種技術(shù)措施，如選用有利于保持巷道穩(wěn)定的斷面形狀，在巷道設(shè)計(jì)和掘進(jìn)時(shí)就為預(yù)期的巷道縮小量預(yù)留備用斷面，在巷道旁留護(hù)巷煤柱或砌筑人工保護(hù)帶，將巷道布置在堅(jiān)硬巖層中或應(yīng)力降低區(qū)等等；
第二類(lèi):巷道支護(hù)，一般指借助于安設(shè)各種支架去預(yù)防巷道圍巖產(chǎn)生過(guò)度變形和防止巷道冒頂、片幫，以保持巷道正常使用；
第三類(lèi):巷道維護(hù)(維修)，是指對(duì)已進(jìn)行過(guò)支護(hù)的巷道，為了改善己惡化的維護(hù)狀況和恢復(fù)其穩(wěn)定性所采取的一些措施，如巷道補(bǔ)棚、補(bǔ)柱、擴(kuò)幫、起底、更換己損壞的支架構(gòu)件甚至重新支護(hù)等。
目前，采用的各種頂板控制方法，從其對(duì)付礦壓的原理來(lái)看，有"抗壓"、"讓壓。、"躲壓"、"移壓"等幾種。

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