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第一節(jié) 礦山壓力
一、礦山壓力基本知識
地殼中沒有受到人類工程活動影響的巖體稱為原巖，天然存在于原巖內(nèi)與任何人為原因無關的應力場稱為原巖應力場。當開掘巷道或進行回采工作時，破壞了原來的應力平衡狀態(tài)，就會引起巖體內(nèi)部應力的重新分布?；卤憩F(xiàn)為巷道和采煤工作面周圍煤、巖體產(chǎn)生移動、變形甚至破壞，直到煤、巖體內(nèi)部形成一個新的應力平衡狀態(tài)為止。
由于礦山開采活動的影響，在采掘巷道、工作面圍巖中所形成的力稱為礦山壓力，簡稱礦壓。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，并會在巖體中產(chǎn)生一系列動力現(xiàn)象，稱為礦山壓力顯現(xiàn)，簡稱礦壓顯現(xiàn)。
為使礦壓顯現(xiàn)不致影響正常的開采和保證生產(chǎn)安全，就必須采取各種技術措施使礦壓顯現(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)頁巖、頁巖、砂質(zhì)頁巖等不穩(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)頂板的堅硬程度、穩(wěn)定程度以及對工作面礦壓影響程度，直接頂可分為四類:不穩(wěn)定頂板、中等穩(wěn)定頂板、穩(wěn)定頂板和堅硬頂板。
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，采空后能懸露較大面積。
按老頂來壓強烈程度不同，老頂可分為四級:1級頂板，周期來壓不明顯D級頂板，周期來壓明顯皿級頂板，周期來壓強烈w級頂板，周期來壓極強烈。
4、直接底:位于開采層下面的巖層。當它為堅硬巖石時，可作為采煤工作面支柱的底座如果是泥質(zhì)頁巖等松軟巖層時，則常造成底鼓和支柱插人底板等現(xiàn)象在開采急傾斜煤層時，直接底還可能出現(xiàn)沿傾斜滑動的現(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)開掘巷道后，原有巖體應力平衡狀態(tài)受到破壞，巷道圍巖應力情況出現(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，導致向巷道空間移動。為了防止圍巖變形和破壞，需要對圍巖進行支護。這種圍巖變形受阻而作用在支護結(jié)構(gòu)物上的擠壓力或塌落巖石的重力，統(tǒng)稱為巷道圍巖壓力。主要由松動圍巖壓力、變形圍巖壓力、膨脹圍巖壓力以及撞擊圍巖壓力組成。
由于巷道開挖而松動或塌落的巖體，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)為松動圍巖壓力載荷形式。如支護不能有效地控制圍巖變形的發(fā)展，圍巖形成松動垮塌圈時，將導致松動圍巖壓力出現(xiàn)，通常頂壓顯現(xiàn)嚴重。
支護能控制圍巖變形的發(fā)展時，圍巖位移擠壓支架而產(chǎn)生的壓力，稱為變形圍巖壓力，簡稱變形壓力。在"圍巖一支護"力學體系中，只要圍巖與支架相互作用，圍巖就會對支架施加變形壓力。彈性變形壓力是圍巖彈性變形時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，對于圍巖、支護相互作用過程而言，實際意義不大。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上的壓力，稱為膨脹壓力。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，但兩者的變形機制截然不同，前者是指與水發(fā)生物理化學反應，后者主要是圍巖應力與結(jié)構(gòu)效應。
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動時對巷道支護體所產(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?？煞譃榈刭|(zhì)、開采和支護等類，影響圍巖壓力的地質(zhì)因素有:原巖應力狀態(tài)、圍巖力學性質(zhì)及巖體結(jié)構(gòu)等。
(1)原巖應力狀態(tài)。原巖應力是引起圍巖變形、破壞的基本作用力。原巖應力隨開來深度的增加而增長。所以，隨開采深度的增加，巷道圍巖壓力會明顯增長。原巖體中主應力的大小和方向不同，對巷道的影響作用不同，也直接影響到圍巖壓力。
(2)圍巖力學性質(zhì)。圍巖力學性質(zhì)是指它的強度(包括抗壓、抗拉、抗剪等各種強度和黏聚力、內(nèi)摩擦角等值)和變形性質(zhì)及其他力學屬性。
（3）巖體結(jié)構(gòu)。當結(jié)構(gòu)面強度遠小于結(jié)構(gòu)體強度時，結(jié)構(gòu)對圍巖壓力的影響極大。通常巖體破壞首先從弱面開始，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)，物理化學性質(zhì)，圍巖中水分的補給狀況，水與巖石的接觸條件，支護和充填層的可塑性等。
（三）采煤工作面頂板活動的一般規(guī)律
1、支承壓力
1)支承壓力的形成
在煤體未來動前，煤缽上所受的原始應力為單位???積上所受巖體的重量，煤體中開掘巷道（如開切眼）后，原始應力狀態(tài)受到破壞，應力將重新分布。這時在開切眼上部頂板內(nèi)形成了自然平衡"壓力拱"。開切眼上方巖體重量由兩側(cè)煤體平均分擔。因此，在兩側(cè)煤體中產(chǎn)生了應力集中現(xiàn)象，這種集中應力稱為支承壓力。
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間、開來深度、采空區(qū)充填程度、頂?shù)?br> 板巖性、煤質(zhì)軟硬有關。采空區(qū)頂板懸露面積越大、時間越長，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。 底板巖層堅硬，支承壓力影響范圍大，但集中程度小。煤質(zhì)堅硬，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，可導致頂板預先下沉、煤壁破碎片幫、產(chǎn)生沖擊地壓、煤和瓦斯突出等現(xiàn)象。 當頂、底板均為厚而堅硬的巖層且煤質(zhì)很堅硬、開采深度又較大、形成很大的支承壓力時，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，在開采自然條件不能改變的情況下，開采技術上應盡量設法減輕支承壓力集中程度。
2、工作面初次來壓
1)直接頂初次垮落
一個長壁工作面從開切眼開始采煤后，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6-20m后，直接頂開始垮落。一般認為:當直接頂垮落厚度達1m以上、垮落長度達回來工作面長度一半以上時，就叫直接頂初次垮落。直接頂初次垮落時的跨距叫做初次垮落步距。
2）老頂初次垮落與工???面初次來壓
直接頂初次垮落后、回采工作面繼續(xù)向前推進，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。
隨著回采工作面的推進，梁的跨度愈來愈大，老頂就逐漸彎曲、下沉當老頂雙支點梁達到極限時，它就斷裂、下沉。這時，回采工作面內(nèi)頂板下沉加快、煤壁片幫嚴重、支架受力增大、甚至發(fā)生頂板臺階下沉等老頂來壓現(xiàn)象。
工作面回采以來老頂?shù)谝淮未笠暷韷?，叫做老頂?shù)某醮蝸韷?。由開切眼到初次來壓時工作面推進的距離叫做老頂?shù)某醮蝸韷翰骄唷Ｒ话銥?0-35m。
3）.工作面周期來壓
老頂初次來壓后，隨著回采工作面的繼續(xù)推進，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、煤壁嚴重片幫、支架受載增大、以及頂板臺階下沉等老頂來壓現(xiàn)象，叫做老頂?shù)闹芷趤韷骸?br> 老頂巖梁周期斷裂的距離叫做老頂周期來壓步距，一般為老頂初次來壓步距的
1/2-1/4。
二、巷道掘進頂板控制技術
(一)巷道頂板控制包括以下三類方法及途徑
第一類:巷道保護是指，為了使圍巖應力與巖體強度保持適應的關系，以便預防巷道失
穩(wěn)或有效的減輕礦壓危害而采取的各種技術措施，如選用有利于保持巷道穩(wěn)定的斷面形狀，在巷道設計和掘進時就為預期的巷道縮小量預留備用斷面，在巷道旁留護巷煤柱或砌筑人工保護帶，將巷道布置在堅硬巖層中或應力降低區(qū)等等；
第二類:巷道支護，一般指借助于安設各種支架去預防巷道圍巖產(chǎn)生過度變形和防止巷道冒頂、片幫，以保持巷道正常使用；
第三類:巷道維護(維修)，是指對已進行過支護的巷道，為了改善己惡化的維護狀況和恢復其穩(wěn)定性所采取的一些措施，如巷道補棚、補柱、擴幫、起底、更換己損壞的支架構(gòu)件甚至重新支護等。
目前，采用的各種頂板控制方法，從其對付礦壓的原理來看，有"抗壓"、"讓壓。、"躲壓"、"移壓"等幾種。

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