1、煤矿开采方法煤矿开采方法精品课程课件精品课程课件第二篇 采煤方法 第一节第一节 矿山压力基本概念矿山压力基本概念一、矿山压力一、矿山压力矿山压力就是由于井下采掘工作破坏了岩体中原岩矿山压力就是由于井下采掘工作破坏了岩体中原岩应力平衡状态，引起应力重新分布，我们把存在应力平衡状态，引起应力重新分布，我们把存在于采掘空间周围岩体内和作用在支护物上的力称于采掘空间周围岩体内和作用在支护物上的力称为矿山压力。为矿山压力。二、矿山压力来源二、矿山压力来源（一）自重应力（一）自重应力（二）构造应力（二）构造应力（三）膨胀应力（三）膨胀应力123213H地 表自自重重应应力力三、矿山压力显现三、矿山压力显现
2、在矿山压力作用下，围岩和支架所表现出来在矿山压力作用下，围岩和支架所表现出来的力学宏观现象，如围岩变形，离层，破坏的力学宏观现象，如围岩变形，离层，破坏和冒落，支架受力变化和折损，煤（岩）突和冒落，支架受力变化和折损，煤（岩）突出，充填物产生压缩和地面塌陷等，称为矿出，充填物产生压缩和地面塌陷等，称为矿山压力显现，简称矿压显现。山压力显现，简称矿压显现。采煤工作面矿压显现的主要形式：工作面顶采煤工作面矿压显现的主要形式：工作面顶板下沉、支架变形与折损、顶板破碎或大面板下沉、支架变形与折损、顶板破碎或大面积冒落、煤壁片帮、支柱插入底板、底板膨积冒落、煤壁片帮、支柱插入底板、底板膨胀鼓起等。胀鼓起
3、等。第二节第二节 采煤工作面围岩移动特征采煤工作面围岩移动特征采煤工作面上方的岩层采煤工作面上方的岩层顶板顶板下方的岩层下方的岩层底板底板顶板分类：顶板分类：伪顶：位于煤层之上随采随落的极不稳定岩层，厚度伪顶：位于煤层之上随采随落的极不稳定岩层，厚度 一般一般0.30.5m以下；以下；直接顶：位于伪顶或直接位于煤层之上，具有一定稳直接顶：位于伪顶或直接位于煤层之上，具有一定稳 定性，随移架或回柱放顶后能自行垮落的岩定性，随移架或回柱放顶后能自行垮落的岩 层；层；基本顶：位于直接顶或煤层之上，厚而坚硬难垮落的基本顶：位于直接顶或煤层之上，厚而坚硬难垮落的 岩层。岩层。123451、基本顶；、基本
4、顶；2、直接顶；、直接顶；3、伪顶；、伪顶；4、煤层；、煤层；5、底板岩层、底板岩层煤煤层层顶顶底底板板岩岩层层一、一、直接顶初次垮落直接顶初次垮落采煤工作面自切眼推进一段距离后，直接顶悬露达采煤工作面自切眼推进一段距离后，直接顶悬露达到一定跨度，就要对采空区顶板进行初次放顶，使到一定跨度，就要对采空区顶板进行初次放顶，使直接顶垮落下来，这一过程称作直接顶的初次垮落。直接顶垮落下来，这一过程称作直接顶的初次垮落。K Kp p=V/V=V/V直接顶岩层总厚度直接顶岩层总厚度 ，则它冒落后堆积高度为，则它冒落后堆积高度为，其与基本顶间可能留下的空隙：，其与基本顶间可能留下的空隙：)1(hppKhK
5、mhhhpK二、基本顶的初次垮落（一）基本顶初次垮落前岩层结构（一）基本顶初次垮落前岩层结构 若若00，随直接顶初次垮落，基本顶在一定范围，随直接顶初次垮落，基本顶在一定范围内呈现悬露状态，可视为内呈现悬露状态，可视为“板板”;”;由于基本顶在采由于基本顶在采煤工作面方向上的长度远大于推进方向长度，可将煤工作面方向上的长度远大于推进方向长度，可将其视为一端由采煤工作面煤壁支承，一端由煤柱支其视为一端由采煤工作面煤壁支承，一端由煤柱支承的两端支撑的梁结构。承的两端支撑的梁结构。（二）基本顶初次垮落与初次来压（二）基本顶初次垮落与初次来压 随采煤面继续推进，基本顶悬露跨度逐渐增大，产随采煤面继续推
6、进，基本顶悬露跨度逐渐增大，产生弯曲，达到一定跨度时，发生垮落。基本顶第一生弯曲，达到一定跨度时，发生垮落。基本顶第一次垮落称为基本顶初次垮落。次垮落称为基本顶初次垮落。（三）基本顶初次垮落步距确定三）基本顶初次垮落步距确定基本顶初次垮落时，其最大悬露跨度基本顶初次垮落时，其最大悬露跨度L初初称为基本顶称为基本顶初次垮落步距。初次垮落步距。1、一般情况下，视基本顶为两端固定梁、一般情况下，视基本顶为两端固定梁qDxD LR1R2QxQ图M图xM1M2xy视基本顶为梁时的受力分析图视基本顶为梁时的受力分析图极限垮距（只考虑按弯距计算）极限垮距（只考虑按弯距计算）L初：初：qRhT2L初qLxRR
7、MMxxxyycchb=12、浅部煤层情况下，浅部煤层情况下，近似视基本顶为简支近似视基本顶为简支梁梁v极限垮距极限垮距L初初：qRhT32L初基本顶断裂后的平衡拱结构基本顶断裂后的平衡拱结构基本顶岩梁达到基本顶岩梁达到极限跨距断裂后，极限跨距断裂后，并不一定立即垮并不一定立即垮落，断裂岩块间落，断裂岩块间由于回旋形成挤由于回旋形成挤压，能形成平衡压，能形成平衡拱式的结构。拱式的结构。基本顶断裂后形成的平衡拱基本顶断裂后形成的平衡拱F(qL)/2LabcFhL/2L/4三、基本顶的周期来压三、基本顶的周期来压（一）基本顶来压前的状态（一）基本顶来压前的状态 基本顶初次垮落后，随着采煤工作面继续
8、推进，工作面上方基本顶初次垮落后，随着采煤工作面继续推进，工作面上方的基本顶岩层由两端固定梁状态转变为悬臂梁状态。如图所的基本顶岩层由两端固定梁状态转变为悬臂梁状态。如图所示：示：当采煤工作面继续推进，基本顶悬挂臂跨度达到极当采煤工作面继续推进，基本顶悬挂臂跨度达到极限跨度时，基本顶在其自重及上覆岩层载荷的作用限跨度时，基本顶在其自重及上覆岩层载荷的作用下，将沿采煤工作面煤壁甚至煤壁之内发生折断和下，将沿采煤工作面煤壁甚至煤壁之内发生折断和垮落。垮落。随着采煤工作面的推进，基本顶这种随着采煤工作面的推进，基本顶这种“稳定失稳稳定失稳再稳定再稳定”现象，将周而复始地出现，使采煤工作现象，将周而复
9、始地出现，使采煤工作面矿山压力周期性明显增大。这种基本顶的周期性面矿山压力周期性明显增大。这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。基本顶的周期来压。（二）基本顶周期来压及矿压显现特征（二）基本顶周期来压及矿压显现特征基本顶周期来压及矿压显现特征基本顶周期来压及矿压显现特征12341、直接顶；、直接顶；2、支架；、支架；3、已断裂基本顶；、已断裂基本顶；4、冒落矸石、冒落矸石（三）周期来压步距的确定（三）周期来压步距的确定基本顶两次周期来压间隔时间称为来压周期。基本顶两次周期来压间隔时间称为来压周期。在来压周期内
10、采煤工作面推进的距离称为周期在来压周期内采煤工作面推进的距离称为周期来压步距，用来压步距，用L周周表示。表示。比较上式，知比较上式，知L周周（0.50.25）L初初。周初周L 63LLqRhT（四）周期来压的分析（四）周期来压的分析ATTRBTNFRO(a)ATTRBTNFRO(b)O咬合点的平衡咬合点的平衡四、工作面上覆岩层移动规律四、工作面上覆岩层移动规律根据岩层移动特征，可将煤层的上覆岩层分为冒根据岩层移动特征，可将煤层的上覆岩层分为冒落带落带()、裂缝带、裂缝带()、弯曲下沉带、弯曲下沉带()。如图所。如图所示：示：1234()()()3作业：作业：1 1、简述矿山压力、矿压显现的基本
11、概念。、简述矿山压力、矿压显现的基本概念。2 2、简述直接顶的初次垮落、基本顶的初次、简述直接顶的初次垮落、基本顶的初次来来 压和周期来压的基本概念。压和周期来压的基本概念。第三节第三节 采煤工作面矿山压力显现规律采煤工作面矿山压力显现规律一、采煤工作面支承压力显现规律一、采煤工作面支承压力显现规律 支承压力显现特征可用支承压力地、峰值的位置及支承压力显现特征可用支承压力地、峰值的位置及应力集中系数表示。应力集中系数表示。（一）采煤工作面前后方支承压力分布（一）采煤工作面前后方支承压力分布 采煤工作面前后方支承压力分布与采空区处理方法采煤工作面前后方支承压力分布与采空区处理方法有关，对于采用全
12、部垮落法管理顶板的采煤工作面，有关，对于采用全部垮落法管理顶板的采煤工作面，其前后方支承压力分布如下图所示：其前后方支承压力分布如下图所示：采煤工作面前后方支承压力分布采煤工作面前后方支承压力分布KyHyHcabcyHa：应力增高区；：应力增高区；b：应力降低区；：应力降低区；c：应力稳定区：应力稳定区采煤工作面前后方支承压力分布的特点采煤工作面前后方支承压力分布的特点1、采煤工作面前方煤壁一端支承着工作面上方裂隙、采煤工作面前方煤壁一端支承着工作面上方裂隙带及其上覆岩层的大部分重量，即工作面前方支承带及其上覆岩层的大部分重量，即工作面前方支承压力远比工作面后方大。压力远比工作面后方大。2、由
13、于采煤工作面的推进，煤壁和采空区冒落带是、由于采煤工作面的推进，煤壁和采空区冒落带是向前移动的，因此工作面前后方支承压力是移动支向前移动的，因此工作面前后方支承压力是移动支承压力。承压力。3、由于裂缝带形成了以煤壁和采空区冒落带为前后、由于裂缝带形成了以煤壁和采空区冒落带为前后支承点的半拱式平衡，所以采煤工作面处于减压力支承点的半拱式平衡，所以采煤工作面处于减压力范围。范围。（二）采煤工作面两侧支承压力分布（二）采煤工作面两侧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。煤体上的支承压力。卸载带；支承压力带；原岩应力带；采
14、后应力稳定带；lmax峰值位置1、采煤工作面两侧的支承压力剧烈影响区并不在煤、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。体的边缘，而是位于煤体边缘有一定距离的地带。2、采煤工作面两侧煤体边缘处于应力降低区，支承、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。压力低于原岩应力。3、采煤工作面两侧支承压力从形成到向煤体深部转、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。定，必须从时间上避开未稳定的支承压力作用期。
15、采煤工作面两侧支承压力分布规律采煤工作面两侧支承压力分布规律二、支承压力在底板中的传递二、支承压力在底板中的传递采煤工作面采动后，在工作面四周形成的支承压力将采煤工作面采动后，在工作面四周形成的支承压力将向煤层底板进行传递，尤其采煤工作面两侧支承压力向煤层底板进行传递，尤其采煤工作面两侧支承压力的传递，对下部煤层开采巷道布置产生重要影响。的传递，对下部煤层开采巷道布置产生重要影响。底板岩层内压应力的大小与煤柱上方的支承压力成正底板岩层内压应力的大小与煤柱上方的支承压力成正比。比。底板岩层中的应力分布底板岩层中的应力分布GG1effded1、2支承压力曲线；支承压力曲线；3原岩应力曲线；原岩应力
16、曲线；4、5应力增应力增高区边界线；高区边界线；6应力降低区边界线应力降低区边界线煤层底板巷道位置选择煤层底板巷道位置选择（1）巷道与煤层底板的垂直距离不小于一定数值）巷道与煤层底板的垂直距离不小于一定数值h。H与围与围岩性质的关系见下表。岩性质的关系见下表。巷道类型巷道类型岩石种类和特性岩石种类和特性合理垂合理垂距距/m/m围岩稳定围岩稳定巷道巷道砂岩、石灰岩、其他坚硬岩石砂岩、石灰岩、其他坚硬岩石6 6围岩中等稳围岩中等稳定的巷道定的巷道粉砂岩、砂页岩、中硬铝土页岩等粉砂岩、砂页岩、中硬铝土页岩等1010围岩较松软围岩较松软的巷道的巷道塑性较大的泥质页岩、页岩、塑性较大的泥质页岩、页岩、煤
17、质页岩等煤质页岩等15152020煤层底板巷道位置选择煤层底板巷道位置选择（2）巷道布置在煤柱向底板传递力的影响角以外。若）巷道布置在煤柱向底板传递力的影响角以外。若巷道布置在煤柱影响角以内，即使巷道位于较稳定的巷道布置在煤柱影响角以内，即使巷道位于较稳定的岩层内，也要受到应力升高的影响。岩层内，也要受到应力升高的影响。为使巷道布置在煤柱影响角以外，巷道离煤柱边界的为使巷道布置在煤柱影响角以外，巷道离煤柱边界的水平距离水平距离S为：为：煤层倾角；煤层倾角；的余角；的余角；煤柱影响角，一般在煤柱影响角，一般在25255555间。通常支承压力间。通常支承压力越大和煤柱尺寸越小，其值越大。越大和煤柱
18、尺寸越小，其值越大。sin)sin(hS煤层底板巷道位置选择煤层底板巷道位置选择巷道位置选择示意图巷道位置选择示意图巷道至煤壁边缘水平巷道至煤壁边缘水平距离的计算图距离的计算图第四节第四节 采煤工作面顶板分类采煤工作面顶板分类科学的分类可为顶板控制、支架选型、合理确定支科学的分类可为顶板控制、支架选型、合理确定支护参数以及为采空区处理方法提供依据。护参数以及为采空区处理方法提供依据。一、直接顶分类一、直接顶分类 强度指数强度指数 D10RcC1C2式中式中 Rc岩石单向抗压强度，岩石单向抗压强度，MPa；C1节理裂隙影响系数；节理裂隙影响系数；C2分层厚度影响系数。分层厚度影响系数。类别类别
19、指标指标 不稳不稳定顶定顶板板 中等中等稳定稳定顶板顶板稳定顶稳定顶板板坚硬顶板坚硬顶板主要主要指标指标强度指数强度指数 D D303031317070 7171120120 120120 无直接顶。无直接顶。岩层厚度在岩层厚度在2 25m5m以上，以上，606080MPa80MPa，I I和和h h大于大于1m1m的的整体岩层，整体岩层，即基本顶。即基本顶。参考参考指标指标 直接顶初直接顶初次垮落步次垮落步距距 L/m L/m8 89 91818 191925252525二、基本顶分级二、基本顶分级 基本顶来压强度主要决定于直接顶厚度基本顶来压强度主要决定于直接顶厚度hh与采高与采高m m的比值的比值N N及基本顶初次来压步距及基本顶初次来压步距L L。根据。根据N N和和L L两个指标，将基本顶分两个指标，将基本顶分为四级。为四级。分级 基本顶来压显现不明显 明显 强烈 非常 强烈指标N350.3N35，L25500.350N 0.3，L2550N0.3 L50作业：作业：1 1、简述开采后上覆岩层移动特征。、简述开采后上覆岩层移动特征。2 2、采煤工作面两侧支承压力分布有何特征？、采煤工作面两侧支承压力分布有何特征？
