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(guān)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(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'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，通常可分為地質(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面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(guān)。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(shù)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)目缍炔粩嘣黾樱鋸澢鲁烈膊粩嗟卦黾?。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）老頂初次垮落與工作面初次來壓
??????? 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(shù)
??????? (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(guān)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(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。
