| 词条 | 长壁工作面地压 |
| 释义 | 长壁工作面地压（ground pressure at longwall face）工作面周围岩（煤）体内的应力和作用在支护物上压力的统称，又称工作面矿山压力或矿压。在工作面地压作用下引起的一系列力学现象，如顶板下沉、支架变形与折损、煤壁片帮以及在特殊情况下发生的局部冒顶和顶板沿工作面煤壁切落（大冒顶）等，称工作面地压显现或矿压显现。 简介工作面周围岩（煤）体内的应力和作用在支护物上压力的统称，又称工作面矿山压力或矿压。在工作面地压作用下引起的一系列力学现象，如顶板下沉、支架变形与折损、煤壁片帮以及在特殊情况下发生的局部冒顶和顶板沿工作面煤壁切落（大冒顶）等，称工作面地压显现或矿压显现。 煤系地层是由强度较弱的层状岩石所组成。随着工作面的推进，上覆岩层将引起程度不同的移动，并波及到地表。上覆岩层中由破断岩块组合的岩体结构形式及稳定性，是决定工作面地压显现的基本因素。 开采后的上覆岩层可分为冒落带、断裂带和弯曲下沉带。冒落带呈规则或不规则排列，高度一般为采高的2～5倍；断裂带在冒落带之上，虽已断裂成块，仍整齐排列，在弯曲下沉过程中互相铰接平衡；弯曲下沉带位于断裂带之上，岩层破坏较小。 从断裂带往上存在着一系列岩块互相铰接的岩拱，使上覆岩层的重量通过岩拱转移到工作面周围的煤体、煤柱和采空区内逐渐压实的充填物或垮落矸石上，形成支承压力，使工作面支架上的受力远小于上覆原岩的重量。 顶板煤层上方的岩层。根据上覆岩层的冒落情况及岩层和煤层的相对位置，可分为： 直接顶位于煤层之上的一层或几层岩层。通常为泥质页岩、页岩和砂质页岩等较易冒落的岩层。 伪顶 位于煤层和直接顶之间，和采煤同时冒落的薄层岩层。通常为强度低的碳质页岩、泥质页岩等，厚度在0.3～0.5m以下。 老顶位于直接顶之上的厚而坚固难冒的岩层，少数也有直接位于煤层之上。通常由砂岩、石灰岩和砂砾岩等岩层组成。在采空区上部老顶能维持很大的悬露面积而不随直接顶同时冒落。 地压显现随着工作面的推进，地压显现程度不断变化。直接顶第一次在采空区的大面积冒落称直接顶初次垮落。此时，工作面切顶线到开切眼煤帮的距离叫初次落顶步距，可用来衡量工作面顶板的稳定性。老顶第一次的断裂与下沉称为初次来压。它将使工作面顶板下沉量和下沉速度急剧增加，支架压力增大，地压显现程度比较剧裂。初次来压后，工作面每往前推进一定距离。老顶就相应地出现断裂与下沉，支架压力增大，工作面地压显现明显增剧，并呈周期性，称周期来压。 初次来压和周期来压是长壁工作面顶板岩层移动过程中的现象。来压期间,在工作面采取相应的措施,就能保证安全生产。在煤矿的长壁工作面，顶板下沉及煤壁片帮等均属常见的地压现象。中国的多数顶板事故，发生在老顶初次来压和周期来压阶段,此时如控制不当,形成局部冒顶和大冒顶，将危及安全，影响生产。 工作面发生局部冒顶，常是由于局部空顶过大、支护不及时和支架架型选择不当所致。若支架工作阻力不足，将引起顶板的台阶下沉，甚至沿煤壁切落，形成工作面大冒顶。 当顶板为砂岩、砾岩等厚实性岩层时，顶板常能在采空区悬露数万甚至数十万平方米。当煤柱逐步失去支撑能力后，顶板会产生瞬时大面积冒落，形成强烈震动与暴风，称顶板大面积来压，是矿井的严重灾害。中国大同煤矿自1956～1980年共发生大面积来压达40余次。 影响工作面地压显现的主要因素有：直接顶、老顶的岩性与厚度，采高，煤层倾角，采深，节理，裂隙与地质构造，工作面推进速度，煤回采工艺包括支架型式与规格、控顶距大小等参数。 长壁工作面地压假说长壁工作面地压现象最一般的科学概括，它对于理论研究和作业指导具有一定的意义。 压力拱假说传播最广泛的经典假说之一，德国人哈克(W.Hack)和吉利策尔(G.Gillitzer)于1928年提出。借用巷道顶板岩石的成拱作用，认为长壁采煤工作面自开切眼起也形成压力拱,随工作面不断推进而扩大,直至拱顶达到地表为止。此后,压力拱继续扩伸（图1），在工作面前方煤体内形成前拱脚a；后方垮落岩石上形成后拱脚b。a、b均为应力升高区；工作面则处于应力降低区。支架承受的压力仅为上覆岩层重量的百分之几。底板和顶板一样，也存在相似的压力拱。 长壁工作面地压 压力拱假说能正确解释围岩卸载原因，但未能说明岩层变形、移动和破坏的发展过程以及围岩和支架的相互作用。 悬臂梁假说它是另一经典假说，受许多学者拥护，是由德国施托克(K.St?ke)于1916年提出,后得英国弗兰德(I.Friend)、苏联格尔曼（Α.П.Герман）等支持。假说认为工作面和采空区上方的顶板可视为梁，一端固定在前方煤壁上，另一端可自由悬露或支撑在支架和垮落岩石上（图2）。当顶板由几层岩层组成时，形成综合悬梁，在变曲下沉后，被垮落的岩石支撑，可能仅产生弯曲而并不折断。当悬伸长度很大时，发生有规律的周期性折断，可能引起周期来压。悬臂梁假说可解释以下事实：工作面近煤壁处，顶板下沉最小，支架载荷也小；随着离煤壁距离越远，下沉与载荷越增大；工作面前方存在支承压力和工作面出现周期来压等。但计算所得的顶板下沉和支架载荷与实际情况不尽吻合。 长壁工作面地压 铰接岩块假说是苏联库兹涅佐夫(Г.Н.κузнецов)于1950～1954年提出，认为工作面上覆岩层的破坏可分两带，即不规则垮落带和其上的规则移动带。不规则垮落带分上下两部分，下部垮落时，岩块杂乱无章；上部垮落时，则按原有方向较规则地排列。两者的高度是采厚、松散膨胀系数与垮落岩层厚度的函数。规则移动带的岩块相互铰合形成一条多环节的铰链，规则地在采空区上面下沉,见图3。假说认为工作面支架存在两种不同的工作状态。当规则移动带（相当于老顶）下部岩层变形小而不发生折断时，不规则垮落带岩层（相当于直接顶）和老顶间就可能发生离层,支架最多只承受直接顶折断岩层的全部重量,故称支架处于“给定载荷状态”。当直接顶受老顶移动影响折断时，支架所受载荷和变形取决于规则移动带下部岩块的相互作用，载荷和变形将随岩块的下沉不断增加，直到岩块受已垮落岩石的支承达到平衡为止。这种情况称为支架的“给定变形状态”。假说对支架和围岩的相互作用作了较详细的分析，但它缺乏岩块与岩块之间力的分析。 中国学者在铰接岩块假说基础上进行研究，发展了该学说。认为对工作面地压显现影响较大的是断裂带岩层。带中已破断的岩块如同砖石结构的砌体，形成的平衡结构可称为“砌体梁”。外形是梁，实质是拱。 他们提出开采后的上覆断裂带岩层可分为三个区，见图4a，煤壁支撑区 (A区)、离层区(B区)和重新支撑区（C区）。上覆岩层的位移曲线，由煤壁和已冒落矸石的力学性能决定。若以断裂带中各坚硬岩层为主体，将其中各破断岩块作为单元体，弱岩层视作载荷或传递垂直力的媒介，并将其简化为支承链杆,可得出岩体的结构力学模型(图4b)。 每层结构的平衡借助于块与块之间由水平挤压力引起的摩擦力，小于剪切力时，将引起工作面来压。若支架阻力不够，将导致顶板台阶下沉，乃至切顶，引起工作面垮落。 除上述假说外，有些学者还提出了预成裂隙假说、台阶下沉假说、松散介质假说等。 工作面地压控制人为地调节工作面地压的措施。可消除或减少地压对回采工作的危害，也能转害为利，如利用前方支承压力压裂煤壁，以节省采煤机的落煤功率等。 在采用壁式采煤法初期，由于老顶的初次来压与周期来压难于控制，在地压显现比较剧烈的工作面，常采用全部或局部充填采空区的办法控制顶板。只有在地压显现较小的工作面，才使用全部垮落法处理采空区。随着对地压显现规律的认识加深，技术的进步和支护方法的改善，绝大部分煤矿，包括顶板坚固的，已采用垮落法处理采空区，并取得很好的技术经济效果。但在一些特定条件下（见建筑物下采煤，铁路下采煤及水体下采煤），为了控制岩层移动和保护地表，采用全部充填或留条带处理采空区。 采煤工作面的支架阻力并不能阻止顶板下沉，但对顶板下沉起延缓作用。支架受力的大小是支架与围岩相互共同作用的结果。支架工作阻力与顶板下沉量的关系的示意曲线，见图5。图中C点为理想工作点，如果工作阻力超过PB，顶板下沉量降低的幅度就很小；如果工作阻力低于PA，顶板下沉量就急剧增加；因此支架工作阻力应选在PB和Pc之间,支架必须具备与此相适应的可缩性能。 长壁工作面地压 据中国煤矿实际应用统计，在使用垮落法时，距煤壁4米处的顶板下沉量达到采高的10～20％。2米采高的工作面，中等稳定和不稳定顶板，支护平均最大工作阻力为25～30吨/米2；稳定顶板为45～50吨/米2；坚固顶板则更大。此外，支架应具有足够的初撑力。 支架由支柱与顶梁组成。支柱的可缩性与工作阻力关系曲线称支柱特性曲线。工作面支柱有增阻式、微增阻式与恒阻式三种（见工作面支架），其中以恒阻式支柱控制顶板较为理想。70年代以来，中国大量使用了各种型式的液压自移支架，若结合顶板条件架型选择适当，各种顶板事故可大为减少。 顶板分类 苏、波、 法、 联邦德国等为了正确选择工作面支架型式、工作阻力和顶板管理方法，都根据实际的情况对顶板进行了分类，对生产和支架设计起了一定的作用。1980年,中国按直接顶下位岩层强度指数D、直接顶厚度与采高的倍数比N、老顶初次来压步距L和直接顶初次冒落步距l四项指标,拟定了缓倾斜煤层顶板分类法，用以指导顶板管理和支架选型工作。该分类法将直接顶分四类，见表1；将老顶分四级,见表2;并对各级各类顶板推荐了合理的支护阻力。根据顶板分类的要求和规定，可以在不同顶板条件下选择合理的架型、工作阻力和采空区处理方法。 控制地压的基本技术途径和措施①根据煤层赋存特点和顶板的类型，选择合理的支护方法和采空区处理方法，保证工作面安全生产。②推广使用液压自移支架、液压支柱，并在实践中逐步总结成支架系列，从根本上改善顶板维护状况，减少顶板事故。③在坚固难冒顶板条件下，将柱式采煤法改为壁式采煤法；采取高压预注水压裂和软化顶板；深孔预爆破，造成人为裂隙；采用大流量安全阀的高工作阻力液压支架切顶，以减轻冲击载荷对支架的破坏作用;使坚固难于垮落的顶板,变为可垮落的顶板，消除大面积来压的威胁。④在破碎顶板条件下，采用能立即支护和防止煤壁片帮和冒顶的掩护式液压自移支架或其他有效架型；还可采用化学注浆加固顶板及缩小控顶距的采煤设备等方法，改善顶板维护状况。⑤采用声发射监测技术及其他测定应力、移动、载荷等方法，预测和预报顶板来压的强度和时间，掌握来压规律，以便及时采取有效措施。⑥总结岩层控制科研与生产实践的经验，制订适合各类顶板的工作面支护规程，严格按规程、制度进行顶板管理。 控制长壁工作面地压的目的在于改善顶板维护状况，提高机械化程度，降低顶板事故率。较科学地选择工作面支架的架型与工作阻力，有控制地应用岩层压力，使采煤作业生产安全、费力较少，经济效果更好。 |
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