煤矿开采方法
精品课程课件
第二篇 采煤方法
第六章 采煤工作面矿山压力规律
第一节 矿山压力基本概念
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
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
为矿山压力 。
二, 矿山压力来源
（ 一 ） 自重应力
（ 二 ） 构造应力
（ 三 ） 膨胀应力
σ 1
σ 2
σ 3
σ 2
σ 1
σ 3
H
地表
自
重
应
力
三、矿山压力显现
?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
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
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
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
胀鼓起等 。
第二节 采煤工作面围岩移动特征
采煤工作面上方的岩层 —— 顶板
下方的岩层 —— 底板
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
一般 0.3～ 0.5m以下；
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
层；
基本顶：位于直接顶或煤层之上，厚而坚硬难垮落的
岩层。
1
2
3
4
5
1、基本顶； 2、直接顶； 3、伪顶； 4、煤层； 5、底板岩
层
煤
层
顶
底
板
岩
层
一,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
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 。
? Kp=V′ /V
? 直接顶岩层总厚度, 则它冒落后堆积高度为
,其与基本顶间可能留下的空隙,
? ?? ??
????
)1(
h
p
p
Kh
Kmh
?h ?hpK
二、基本顶的初次垮落
（一）基本顶初次垮落前岩层结构
若 Δ >0，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“板” ;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
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。
（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
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。
（ 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 L初 称为基本顶
初次垮落步距。
1、一般情况下，视基本顶为两端固定梁
qD
x
D`
L
R 1 R 2
Q x
Q 图
M 图
x
M 1
M 2
x
y
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） L初,
q
Rh T2L ?
初
q
L
x
R R
M M
Ⅰ
Ⅰ
σ x σ x
τ xy
y c
c
h
b=1
2,浅部煤层情况下，
近似视基本顶为简支
梁
?极限垮距 L初,
q
Rh T
32L ?初
基本顶断裂后的平衡拱结构
? 基本顶岩梁达到
极限跨距断裂后，
并不一定立即垮
落，断裂岩块间
由于回旋形成挤
压，能形成平衡
拱式的结构。
基本顶断裂后形成的平衡拱
F
(qL)/2
L
a
b
c
F h
L/ 2
L/ 4
三、基本顶的周期来压
（ 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
示,
? 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
下, 将沿采煤工作面煤壁甚至煤壁之内发生折断和
垮落 。
? 随着采煤工作面的推进, 基本顶这种, 稳定－失稳
－再稳定, 现象, 将周而复始地出现, 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
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 。
（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
1
2
3
4
1、直接顶； 2、支架； 3、已断裂基本顶； 4、冒落矸石
（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。
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 L周 表示。
比较上式，知
L周 ＝（ 0.5～ 0.25） L初 。
周初
周
＝
L 6
3
L
?L
q
R
h T
（四）周期来压的分析
A
T T
R
B
T
N
F
R
O
(a)
A
T T
R
B
T
N
F
R
O
(b)
O
θ
θ
θ
咬合点的平衡
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
落带 (Ⅰ )、裂缝带 (Ⅱ )、弯曲下沉带 (Ⅲ )。如图所
示,
1
2
3
4
( Ⅰ )
( Ⅱ )
( Ⅲ )
3
?作业,
1,简述矿山压力, 矿压显现的基本概念 。
2,简述直接顶的初次垮落, 基本顶的初次
来 压和周期来压的基本概念 。
第三节 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
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。
（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
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,
采煤工作面前后方支承压力分布
Ky
H
yH
c
a b c
yH
a：应力增高区； b：应力降低区； c：应力稳定区
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
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。
2、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
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
支承点的半拱式平衡，所以采煤工作面处于减压力
范围。
（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
煤体上的支承压力。
Ⅰ －卸载带； Ⅱ －支承压力带； Ⅲ －原岩应力带； Ⅳ －采后应
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
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
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
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。
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
? 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
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
比。
底板岩层中的应力分布
G G
1
e
f
f
d
e
d
1,2－支承压力曲线； 3－原岩应力曲线； 4,5－应力增
高区边界线； 6－应力降低区边界线
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 h。 H与围
岩性质的关系见下表。
巷道类型 岩石种类和特性 合理垂 距 /m
围岩稳定
巷道 砂岩、石灰岩、其他坚硬岩石 6
围岩中等稳
定的巷道
粉砂岩、砂页岩、中硬铝土页岩等 10
围岩较松软
的巷道
塑性较大的泥质页岩、页岩,
煤质页岩等 15～ 20
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。
? 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 S为,
? α －煤层倾角；
? θ － φ 的余角；
? φ －煤柱影响角，一般在 25～ 55° 间。通常支承压力
越大和煤柱尺寸越小，其值越大。
??? s in)s in ( ??? hS
煤层底板巷道位置选择
巷道位置选择示意图
巷道至煤壁边缘水平
距离的计算图
第四节 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
护参数以及为采空区处理方法提供依据。
一、直接顶分类
? 强度指数 D＝ 10RcC1C2
? 式中 Rc－岩石单向抗压强度,MPa；
? C1－节理裂隙影响系数；
? C2－分层厚度影响系数。
类别
指标
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
不稳
定顶
板
中等
稳定
顶板
稳定顶
板 坚硬顶板
主要
指标 强度指数 D 30 31～ 70 71～ 120 >120
无直接顶。
岩层厚度在
2～ 5m以上，
σ >60～
80MPa,I和
h大于 1m的
整体岩层，
即基本顶。
参考
指标
直接顶初
次垮落步
距 L/m
8 9～ 18 19～ 25 >25
二、基本顶分级
基本顶来压强度主要决定于直接顶厚度 Σ h与采高 m的比值 N
及基本顶初次来压步距 L。根据 N和 L两个指标，将基本顶分
为四级。
分级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
基本顶
来压显现
不明显 明显 强烈 非常
强烈
指标
N>3～
5
0.3<N≥3
～ 5,
L＝ 25～
50
0.3<N ≤3～ 5，
L>50
N ≤0.3,L＝
25～ 50
N≤0.3
L>50
?作业,
1,简述开采后上覆岩层移动特征 。
2,采煤工作面两侧支承压力分布有何特征？
精品课程课件
第二篇 采煤方法
第六章 采煤工作面矿山压力规律
第一节 矿山压力基本概念
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
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
为矿山压力 。
二, 矿山压力来源
（ 一 ） 自重应力
（ 二 ） 构造应力
（ 三 ） 膨胀应力
σ 1
σ 2
σ 3
σ 2
σ 1
σ 3
H
地表
自
重
应
力
三、矿山压力显现
?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
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
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
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
胀鼓起等 。
第二节 采煤工作面围岩移动特征
采煤工作面上方的岩层 —— 顶板
下方的岩层 —— 底板
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
一般 0.3～ 0.5m以下；
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
层；
基本顶：位于直接顶或煤层之上，厚而坚硬难垮落的
岩层。
1
2
3
4
5
1、基本顶； 2、直接顶； 3、伪顶； 4、煤层； 5、底板岩
层
煤
层
顶
底
板
岩
层
一,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
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 。
? Kp=V′ /V
? 直接顶岩层总厚度, 则它冒落后堆积高度为
,其与基本顶间可能留下的空隙,
? ?? ??
????
)1(
h
p
p
Kh
Kmh
?h ?hpK
二、基本顶的初次垮落
（一）基本顶初次垮落前岩层结构
若 Δ >0，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“板” ;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
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。
（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
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。
（ 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 L初 称为基本顶
初次垮落步距。
1、一般情况下，视基本顶为两端固定梁
qD
x
D`
L
R 1 R 2
Q x
Q 图
M 图
x
M 1
M 2
x
y
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） L初,
q
Rh T2L ?
初
q
L
x
R R
M M
Ⅰ
Ⅰ
σ x σ x
τ xy
y c
c
h
b=1
2,浅部煤层情况下，
近似视基本顶为简支
梁
?极限垮距 L初,
q
Rh T
32L ?初
基本顶断裂后的平衡拱结构
? 基本顶岩梁达到
极限跨距断裂后，
并不一定立即垮
落，断裂岩块间
由于回旋形成挤
压，能形成平衡
拱式的结构。
基本顶断裂后形成的平衡拱
F
(qL)/2
L
a
b
c
F h
L/ 2
L/ 4
三、基本顶的周期来压
（ 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
示,
? 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
下, 将沿采煤工作面煤壁甚至煤壁之内发生折断和
垮落 。
? 随着采煤工作面的推进, 基本顶这种, 稳定－失稳
－再稳定, 现象, 将周而复始地出现, 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
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 。
（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
1
2
3
4
1、直接顶； 2、支架； 3、已断裂基本顶； 4、冒落矸石
（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。
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 L周 表示。
比较上式，知
L周 ＝（ 0.5～ 0.25） L初 。
周初
周
＝
L 6
3
L
?L
q
R
h T
（四）周期来压的分析
A
T T
R
B
T
N
F
R
O
(a)
A
T T
R
B
T
N
F
R
O
(b)
O
θ
θ
θ
咬合点的平衡
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
落带 (Ⅰ )、裂缝带 (Ⅱ )、弯曲下沉带 (Ⅲ )。如图所
示,
1
2
3
4
( Ⅰ )
( Ⅱ )
( Ⅲ )
3
?作业,
1,简述矿山压力, 矿压显现的基本概念 。
2,简述直接顶的初次垮落, 基本顶的初次
来 压和周期来压的基本概念 。
第三节 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
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。
（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
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,
采煤工作面前后方支承压力分布
Ky
H
yH
c
a b c
yH
a：应力增高区； b：应力降低区； c：应力稳定区
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
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。
2、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
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
支承点的半拱式平衡，所以采煤工作面处于减压力
范围。
（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
煤体上的支承压力。
Ⅰ －卸载带； Ⅱ －支承压力带； Ⅲ －原岩应力带； Ⅳ －采后应
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
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
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
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。
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
? 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
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
比。
底板岩层中的应力分布
G G
1
e
f
f
d
e
d
1,2－支承压力曲线； 3－原岩应力曲线； 4,5－应力增
高区边界线； 6－应力降低区边界线
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 h。 H与围
岩性质的关系见下表。
巷道类型 岩石种类和特性 合理垂 距 /m
围岩稳定
巷道 砂岩、石灰岩、其他坚硬岩石 6
围岩中等稳
定的巷道
粉砂岩、砂页岩、中硬铝土页岩等 10
围岩较松软
的巷道
塑性较大的泥质页岩、页岩,
煤质页岩等 15～ 20
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。
? 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 S为,
? α －煤层倾角；
? θ － φ 的余角；
? φ －煤柱影响角，一般在 25～ 55° 间。通常支承压力
越大和煤柱尺寸越小，其值越大。
??? s in)s in ( ??? hS
煤层底板巷道位置选择
巷道位置选择示意图
巷道至煤壁边缘水平
距离的计算图
第四节 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
护参数以及为采空区处理方法提供依据。
一、直接顶分类
? 强度指数 D＝ 10RcC1C2
? 式中 Rc－岩石单向抗压强度,MPa；
? C1－节理裂隙影响系数；
? C2－分层厚度影响系数。
类别
指标
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
不稳
定顶
板
中等
稳定
顶板
稳定顶
板 坚硬顶板
主要
指标 强度指数 D 30 31～ 70 71～ 120 >120
无直接顶。
岩层厚度在
2～ 5m以上，
σ >60～
80MPa,I和
h大于 1m的
整体岩层，
即基本顶。
参考
指标
直接顶初
次垮落步
距 L/m
8 9～ 18 19～ 25 >25
二、基本顶分级
基本顶来压强度主要决定于直接顶厚度 Σ h与采高 m的比值 N
及基本顶初次来压步距 L。根据 N和 L两个指标，将基本顶分
为四级。
分级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
基本顶
来压显现
不明显 明显 强烈 非常
强烈
指标
N>3～
5
0.3<N≥3
～ 5,
L＝ 25～
50
0.3<N ≤3～ 5，
L>50
N ≤0.3,L＝
25～ 50
N≤0.3
L>50
?作业,
1,简述开采后上覆岩层移动特征 。
2,采煤工作面两侧支承压力分布有何特征？
