長壁工作面地壓（ground pressure at longwall face）工作面周圍岩（煤）體內的應力和作用在支護物上壓力的統稱，又稱工作面礦山壓力或礦壓。在工作面地壓作用下引起的一系列力學現象，如頂板下沉、支架變形與折損、煤壁片幫以及在特殊情況下發生的局部冒頂和頂板沿工作面煤壁切落（大冒頂）等，稱工作面地壓顯現或礦壓顯現。
基本介紹
- 中文名：長壁工作面地壓
- 外文名：ground pressure at longwall face
- 讀音：chángbìgōng zuò miàn
- 別稱：工作面礦山壓力或礦壓
- 出現原因：力學現象
- 套用：煤礦開採
簡介,頂板,直接頂,老頂,地壓顯現,長壁工作面地壓假說,壓力拱假說,壓力拱假說,懸臂樑假說,鉸接岩塊假說,工作面地壓控制,控制地壓的基本技術途徑和措施,
簡介
工作面周圍岩（煤）體內的應力和作用在支護物上壓力的統稱，又稱工作面礦山壓力或礦壓。在工作面地壓作用下引起的一系列力學現象，如頂板下沉、支架變形與折損、煤壁片幫以及在特殊情況下發生的局部冒頂和頂板沿工作面煤壁切落（大冒頂）等，稱工作面地壓顯現或礦壓顯現。
煤系地層是由強度較弱的層狀岩石所組成。隨著工作面的推進，上覆岩層將引起程度不同的移動，並波及到地表。上覆岩層中由破斷岩塊組合的岩體結構形式及穩定性，是決定工作面地壓顯現的基本因素。
開採後的上覆岩層可分為冒落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶。冒落帶呈規則或不規則排列，高度一般為采高的2～5倍；斷裂帶在冒落帶之上，雖已斷裂成塊，仍整齊排列，在彎曲下沉過程中互相鉸接平衡；彎曲下沉帶位於斷裂帶之上，岩層破壞較小。
從斷裂帶往上存在著一系列岩塊互相鉸接的岩拱，使上覆岩層的重量通過岩拱轉移到工作面周圍的煤體、煤柱和採空區內逐漸壓實的充填物或垮落矸石上，形成支承壓力，使工作面支架上的受力遠小於上覆原岩的重量。
頂板
煤層上方的岩層。根據上覆岩層的冒落情況及岩層和煤層的相對位置，可分為：
直接頂
位於煤層之上的一層或幾層岩層。通常為泥質頁岩、頁岩和砂質頁岩等較易冒落的岩層。
偽頂 位於煤層和直接頂之間，和採煤同時冒落的薄層岩層。通常為強度低的碳質頁岩、泥質頁岩等，厚度在0.3～0.5m以下。
老頂
位於直接頂之上的厚而堅固難冒的岩層，少數也有直接位於煤層之上。通常由砂岩、石灰岩和砂礫岩等岩層組成。在採空區上部老頂能維持很大的懸露面積而不隨直接頂同時冒落。
地壓顯現
；隨著工作面的推進，地壓顯現程度不斷變化。直接頂第一次在採空區的大面積冒落稱直接頂初次垮落。此時，工作面切頂線到開切眼煤幫的距離叫初次落頂步距，可用來衡量工作面頂板的穩定性。老頂第一次的斷裂與下沉稱為初次來壓。它將使工作面頂板下沉量和下沉速度急劇增加，支架壓力增大，地壓顯現程度比較劇裂。初次來壓後，工作面每往前推進一定距離。老頂就相應地出現斷裂與下沉，支架壓力增大，工作面地壓顯現明顯增劇，並呈周期性，稱周期來壓。
初次來壓和周期來壓是長壁工作面頂板岩層移動過程中的現象。來壓期間，在工作面採取相應的措施，就能保證安全生產。在煤礦的長壁工作面，頂板下沉及煤壁片幫等均屬常見的地壓現象。中國的多數頂板事故，發生在老頂初次來壓和周期來壓階段，此時如控制不當，形成局部冒頂和大冒頂，將危及安全，影響生產。
工作面發生局部冒頂，常是由於局部空頂過大、支護不及時和支架架型選擇不當所致。若支架工作阻力不足，將引起頂板的台階下沉，甚至沿煤壁切落，形成工作面大冒頂。
當頂板為砂岩、礫岩等厚實性岩層時，頂板常能在採空區懸露數萬甚至數十萬平方米。當煤柱逐步失去支撐能力後，頂板會產生瞬時大面積冒落，形成強烈震動與暴風，稱頂板大面積來壓，是礦井的嚴重災害。中國大同煤礦自1956～1980年共發生大面積來壓達40餘次。
影響工作面地壓顯現的主要因素有：直接頂、老頂的岩性與厚度，采高，煤層傾角，采深，節理，裂隙與地質構造，工作面推進速度，煤回採工藝包括支架型式與規格、控頂距大小等參數。
長壁工作面地壓假說
長壁工作面地壓現象最一般的科學概括，它對於理論研究和作業指導具有一定的意義。
壓力拱假說
傳播最廣泛的經典假說之一，德國人哈克（W.Hack）和吉利策爾(G.Gillitzer）於1928年提出。借用巷道頂板岩石的成拱作用，認為長壁採煤工作面自開切眼起也形成壓力拱，隨工作面不斷推進而擴大，直至拱頂達到地表為止。此後，壓力拱繼續擴伸（圖1），在工作面前方煤體內形成前拱腳a；後方垮落岩石上形成後拱腳b。a、b均為應力升高區；工作面則處於應力降低區。支架承受的壓力僅為上覆岩層重量的百分之幾。底板和頂板一樣，也存在相似的壓力拱。長壁工作面地壓
長壁工作面地壓
長壁工作面地壓壓力拱假說
能正確解釋圍岩卸載原因，但未能說明岩層變形、移動和破壞的發展過程以及圍岩和支架的相互作用。
懸臂樑假說
它是另一經典假說，受許多學者擁護，是由德國施托克（K.St?ke）於1916年提出，後得英國弗蘭德(I.Friend）、蘇聯格爾曼（Α.П.Герман）等支持。假說認為工作面和採空區上方的頂板可視為梁，一端固定在前方煤壁上，另一端可自由懸露或支撐在支架和垮落岩石上（圖2）。當頂板由幾層岩層組成時，形成綜合懸樑，在變曲下沉後，被垮落的岩石支撐，可能僅產生彎曲而並不折斷。當懸伸長度很大時，發生有規律的周期性折斷，可能引起周期來壓。懸臂樑假說可解釋以下事實：工作面近煤壁處，頂板下沉最小，支架載荷也小；隨著離煤壁距離越遠，下沉與載荷越增大；工作面前方存在支承壓力和工作面出現周期來壓等。但計算所得的頂板下沉和支架載荷與實際情況不盡吻合。長壁工作面地壓
長壁工作面地壓
長壁工作面地壓鉸接岩塊假說
是蘇聯庫茲涅佐夫（Г.Н.κузнецов）於1950～1954年提出，認為工作面上覆岩層的破壞可分兩帶，即不規則垮落帶和其上的規則移動帶。不規則垮落帶分上下兩部分，下部垮落時，岩塊雜亂無章；上部垮落時，則按原有方向較規則地排列。兩者的高度是采厚、鬆散膨脹係數與垮落岩層厚度的函式。規則移動帶的岩塊相互鉸合形成一條多環節的鉸鏈，規則地在採空區上面下沉，見圖3。假說認為工作面支架存在兩種不同的工作狀態。當規則移動帶（相當於老頂）下部岩層變形小而不發生折斷時，不規則垮落帶岩層（相當於直接頂）和老頂間就可能發生離層，支架最多只承受直接頂折斷岩層的全部重量，故稱支架處於“給定載荷狀態”。當直接頂受老頂移動影響折斷時，支架所受載荷和變形取決於規則移動帶下部岩塊的相互作用，載荷和變形將隨岩塊的下沉不斷增加，直到岩塊受已垮落岩石的支承達到平衡為止。這種情況稱為支架的“給定變形狀態”。假說對支架和圍岩的相互作用作了較詳細的分析，但它缺乏岩塊與岩塊之間力的分析。
長壁工作面地壓
長壁工作面地壓中國學者在鉸接岩塊假說基礎上進行研究，發展了該學說。認為對工作面地壓顯現影響較大的是斷裂帶岩層。帶中已破斷的岩塊如同磚石結構的砌體，形成的平衡結構可稱為“砌體梁”。外形是梁，實質是拱。
他們提出開採後的上覆斷裂帶岩層可分為三個區，見圖4a，煤壁支撐區 (A區）、離層區（B區）和重新支撐區（C區）。上覆岩層的位移曲線，由煤壁和已冒落矸石的力學性能決定。若以斷裂帶中各堅硬岩層為主體，將其中各破斷岩塊作為單元體，弱岩層視作載荷或傳遞垂直力的媒介，並將其簡化為支承鏈桿，可得出岩體的結構力學模型（圖4b）。
每層結構的平衡藉助於塊與塊之間由水平擠壓力引起的摩擦力，小於剪下力時，將引起工作面來壓。若支架阻力不夠，將導致頂板台階下沉，乃至切頂，引起工作面垮落。
除上述假說外，有些學者還提出了預成裂隙假說、台階下沉假說、鬆散介質假說等。
工作面地壓控制
人為地調節工作面地壓的措施。可消除或減少地壓對回採工作的危害，也能轉害為利，如利用前方支承壓力壓裂煤壁，以節省採煤機的落煤功率等。
長壁工作面地壓
長壁工作面地壓在採用壁式採煤法初期，由於老頂的初次來壓與周期來壓難於控制，在地壓顯現比較劇烈的工作面，常採用全部或局部充填採空區的辦法控制頂板。只有在地壓顯現較小的工作面，才使用全部垮落法處理採空區。隨著對地壓顯現規律的認識加深，技術的進步和支護方法的改善，絕大部分煤礦，包括頂板堅固的，已採用垮落法處理採空區，並取得很好的技術經濟效果。但在一些特定條件下（見建築物下採煤，鐵路下採煤及水體下採煤），為了控制岩層移動和保護地表，採用全部充填或留條帶處理採空區。
採煤工作面的支架阻力並不能阻止頂板下沉，但對頂板下沉起延緩作用。支架受力的大小是支架與圍岩相互共同作用的結果。支架工作阻力與頂板下沉量的關係的示意曲線，見圖5。圖中C點為理想工作點，如果工作阻力超過PB，頂板下沉量降低的幅度就很小；如果工作阻力低於PA，頂板下沉量就急劇增加；因此支架工作阻力應選在PB和Pc之間，支架必須具備與此相適應的可縮性能。
長壁工作面地壓
據中國煤礦實際套用統計，在使用垮落法時，距煤壁4米處的頂板下沉量達到采高的10～20%。2米采高的工作面，中等穩定和不穩定頂板，支護平均最大工作阻力為25～30噸/米2；穩定頂板為45～50噸/米2；堅固頂板則更大。此外，支架應具有足夠的初撐力。 支架由支柱與頂梁組成。支柱的可縮性與工作阻力關係曲線稱支柱特性曲線。工作面支柱有增阻式、微增阻式與恆阻式三種（見工作面支架），其中以恆阻式支柱控制頂板較為理想。70年代以來，中國大量使用了各種型式的液壓自移支架，若結合頂板條件架型選擇適當，各種頂板事故可大為減少。
長壁工作面地壓
長壁工作面地壓頂板分類 ；蘇、波、 法、 聯邦德國等為了正確選擇工作面支架型式、工作阻力和頂板管理方法，都根據實際的情況對頂板進行了分類，對生產和支架設計起了一定的作用。1980年，中國按直接頂下位岩層強度指數D、直接頂厚度與采高的倍數比N、老頂初次來壓步距L和直接頂初次冒落步距l四項指標，擬定了緩傾斜煤層頂板分類法，用以指導頂板管理和支架選型工作。該分類法將直接頂分四類，見表1；將老頂分四級，見表2；並對各級各類頂板推薦了合理的支護阻力。根據頂板分類的要求和規定，可以在不同頂板條件下選擇合理的架型、工作阻力和採空區處理方法。
控制地壓的基本技術途徑和措施
①根據煤層賦存特點和頂板的類型，選擇合理的支護方法和採空區處理方法，保證工作面安全生產。②推廣使用液壓自移支架、液壓支柱，並在實踐中逐步總結成支架系列，從根本上改善頂板維護狀況，減少頂板事故。③在堅固難冒頂板條件下，將柱式採煤法改為壁式採煤法；採取高壓預注水壓裂和軟化頂板；深孔預爆破，造成人為裂隙；採用大流量安全閥的高工作阻力液壓支架切頂，以減輕衝擊載荷對支架的破壞作用；使堅固難於垮落的頂板，變為可垮落的頂板，消除大面積來壓的威脅。④在破碎頂板條件下，採用能立即支護和防止煤壁片幫和冒頂的掩護式液壓自移支架或其他有效架型；還可採用化學注漿加固頂板及縮小控頂距的採煤設備等方法，改善頂板維護狀況。⑤採用聲發射監測技術及其他測定應力、移動、載荷等方法，預測和預報頂板來壓的強度和時間，掌握來壓規律，以便及時採取有效措施。⑥總結岩層控制科研與生產實踐的經驗，制訂適合各類頂板的工作面支護規程，嚴格按規程、制度進行頂板管理。
長壁工作面地壓
長壁工作面地壓