回采工作面矿山压力的显现特征与检测

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【摘要】回采工作面矿山压力检测就是利用各种观测仪器或工具，对工作面及四周围岩的应力、顶底板变形与破坏、支柱压缩与载荷、煤壁片帮、支架变形与折损等宏观矿压显现量进行测量与记录，通过整理分析，从而掌握回采工作面矿压显现规律，保证煤矿安全高效生产。

【关键词】回采工作面；矿山压力显现；矿山压力监测

引言

地下岩体在受到开挖以前，原岩应力处于平衡状态。开掘巷道或进行回采工作时，破坏了原始的应力平衡状态，引起岩体内部的应力重新分布，直至形成新的平衡状态。这种由于矿山开采活动的影响，在巷道周围岩体中形成的和作用在巷道支护物上的力定义为矿山压力。矿山压力会引起顶板事故、冲击地压、煤与瓦斯突出等事故。研究煤矿矿压的显现特征，以及矿压检测手段对煤矿安全高效生产意义重大。

1.回采工作面矿山压力显现程度的常见指标

（1）顶板下沉量：一般指煤壁到采空区边缘的顶底板移近量，以每米采高、每米推进度下沉多少毫米表示。（2）顶板下沉速度：指单位时间内的顶底板移近量，以mm/h计算，表示顶板活动的剧烈程度。（3）支柱变形与折损：随着顶板下沉，回采工作面支柱受载也逐渐增加，一般可以用肉眼观察到柱帽、钢梁的变形，剧烈时可以观察到支柱的折损。（4）顶板破碎情况：常常以单位面积中冒落面积所占的百分数来表示，是衡量顶板管理好坏的质量标准。（5）局部冒顶：回采工作面顶板形成局部塌落，它影响回采工作面正常进行。（6）大面积冒顶：指回采工作面由于顶板来压导致顶板沿工作面切落，常常对工作面产生严重影响。其它还有：煤壁片帮、支柱插入底板、底板臌起等一系列矿山压力现象。

2.采煤工作面顶板活动规律

采煤工作面是一个小结构，处于覆岩大结构之下。“大结构”的变形、失稳直接影响到小结构的状态，同时“大结构”周围的支承压力分布情况也将直接影响到煤壁及底板岩层的稳定性。通常把位于直接顶之上（有时直接位于煤层之上）对采场矿山压力直接造成影响的厚而

坚硬的岩层称为老顶，一般是由砂岩、石灰岩及砂砾岩等岩层组成。一般把直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层称为直接顶，它通常由具有一定稳定性且易于随工作面回柱放顶而垮落的页岩、砂页岩或粉砂岩等岩层组成。

（1）直接顶初次垮落：煤层开采后，将首先引起直接顶的垮落，回采工作面从开切眼开始向前推进，直接顶悬露面积增大，当达到其极限垮距时开始垮落。直接顶的第一次大面积垮落称为直接顶初次垮落。直接顶初次垮落的标志：垮落高度超过1到1.5米，垮落的范围超过工作面全长的一半。

（2）老顶的初次来压：当老顶悬露达到极限跨距时，老顶断裂形成三铰拱式的平衡，同时发生已破断的岩块回转失稳（变形失稳），有时可能伴随滑落失稳（顶板的台阶下沉），从而导致工作面顶板的急剧下沉。此时，工作面支架呈现受力普遍加大现象，即称为老顶的初 次来压。老顶岩层初次破断后，老顶破断岩块回转下沉引起工作面顶板急剧下沉、支架受力普遍加大、煤壁片帮等现象。由开切眼到初次来压时工作面推进的距离称为老顶的初次来压步距。一般情况下，老顶的初次来压步距与老顶初次断裂的极限跨距相当。老顶岩块失稳时，形成了岩块滑落，对工作面安全造成严重威胁。

（3）采场老顶周期来压：随着回采工作面的推进，在老顶初次来压以后，裂隙带岩层形成的结构将始终经历“稳定—失稳—再稳定” 周而复始的变化过程。老顶岩层的周期性破断引起“砌体梁”结构的周期性失稳，从而引起的顶板来压现象称为采场周期来压。周期来压的主要表现形式：顶板下沉速度急剧增加，顶板的下沉量变大；支柱载荷普遍增加；有时还可能引起煤壁片帮、顶板台阶下沉、支柱折损，甚至发生工作面冒顶事故。

3.回采工作面前后支承压力的分布规律

由于“压力拱”的存在，回采工作面处于减压状态。随着工作面推进，“压力拱”也向前移动，在工作面前方的煤体中，同样产生支承压力带，其范围自工作面前方2m～3m起直至10m～45m，有时可达近100m，最大支承压力区，约距煤壁5m～15m左右；在工作面后方，当采空区充填物压实到一定程度后，也产生支承压力带。前后两个支承压力带，随工作面推进而移动，即移动支撑压力。

ɑ为应力增高区（增压区）、b为应力降低区（减压区）、c为应力不变区（稳压区）

4.回采工作面矿山压力检测内容

回采工作面矿压观测的目的在于掌握工作面老顶来压显现，步距和强度；分析回采空间支架与围岩相互作用关系。合理地安排工序、合理地选择采煤参数、支护方式和顶板管理方法，提出要求和提供科学依据。矿压监测内容：（1）常规观测：单体支柱工作面一般需观测“三量”—顶底板移近量、支柱工作阻力、活柱下缩量。液压支架工作面一般还需要观测支架阻力和顶板破碎度等，掌握矿压活动基本规律，综合分析矿压控制问题；（2）专项观测：通常根据所研究问题的性质决定需进行的专门观测目的，如上覆岩层变形、移动和破坏过程，支架外载分布等。

回采工作面矿压测站布置普遍采用沿工作面长度方向设立上、中、下3个测站。一般中部测站应选在工作面线的正中，上、下测站分别距两顺槽10-15m。每个测站内设3条测线，布置于相邻的3架支架。常规矿压观测一般按照规定的作业循环，在每一班固定的时间系统观测1次。

（1）回采工作面支护阻力检测：常用的监测方法是测量单体支柱或液压支架的工作压力（单位：兆帕），然后换算其支撑阻力（千牛），具体换算方法是根据液压支柱的油缸面积计算。计算综采支架的总的支撑阻力需要根据支架的类型，将每根支撑立柱支撑力相加。目前可采用压力传感器测定，其工作原理是支柱内部的乳化液将压力传递到传感器上，传感器的输出的模拟信号经电路转换后被计算机采集。典型仪器比如：综采测压表、综采压力记录仪、单体测压仪、单体压力记录仪等。（2）顶底板移近量检测：主要检测工作面或巷道的顶板下沉或底凸，表现在顶底板之间的相对位移量的减小，常用的检测传感器有：电感式位移传感器、容栅式位移传感器、磁阻式位移传感器等，也有机械式测量方法。一般仪器垂直于顶底板安装，在比较松软的地板安装时可以采用木钎或钢钎设置基准点。典型仪器例如：动态仪、顶板下沉量报警仪。（3）锚杆、锚索应力检测：主要测量锚网巷道锚杆或锚索的承载力，该参数可以反映出锚杆、锚索对顶板的控制能力，初锚力反映锚网巷道的施工质量。采用了轴向载荷力测量方法，常用的传感器有应变式载荷传感器、振弦式传感器等。（4）顶板离层检测：利用位移测量方法测量顶板深部的离层情况。在顶板打钻孔，在钻孔不同的深部设置2个基点（A、B），基点由钢丝绳牵引与传感器内的传感部件连接，当基点深度范围内发生离层时，基点牵引钢丝绳相对于传感器位置移动，通过A、B点的相对位移的变化确定顶板离层的大致范围和离层量，目前的离层传感器可以做到0.1mm的位移分辨。典型仪器例如：离层指示仪、离层传感器。（5）钻孔应力检测：用于煤体或岩体内部垂直应力检测。通过在煤层或岩层中打水平钻孔，将传感器安装到钻孔深部，煤层或岩层应力直接作用到传感器上，传感器输出信号通过二次仪表测量。该测量方法测得是压强而不是力。

5.小结

研究采煤工作面矿山压力的显现与监测手段，有助于煤矿技术人员有效的掌握煤矿岩层顶板的运动规律，有效的预防了顶板事故以及其他矿压导致的严重煤矿安全事故，这对煤矿安全高效开采意义重大。

参考文献

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[3]陈炎光，钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，1994