顶 板 管 理
第一讲 矿山压力基本概念 第二讲 巷道支护 第三讲 巷道顶板管理 第四讲 巷道维修
第五讲
采煤工作面顶板管理1
第一讲 矿山压力基本概念
一、原岩应力及矿山压力的含义
地下岩体在采动前，由于自重的作用在其内部引起的应力，通常称为原岩应力。开采前的岩体处于相对静止状态，所以原岩体处于应力平衡状态。井下采掘活动后，破坏了原岩应力的平衡状态，引起岩体内部的应力重新分布，在重新分布过程中促使围岩产生运动，从而导致围岩发生变形、断裂、位移、直至垮落。这种由于进行采掘活动而在采掘空间周围岩体中及支护物上产生的压力叫矿山压力，简称矿压。
在矿山压力作用下，围岩及支护物会产生一系列现象，如顶板下沉、冒顶、片帮、底臌、煤与瓦斯突出、冲击地压，支架压缩、变形、折断，地表发生移动、塌陷等。这种在矿山压力作用下围岩和支护物上产生的一系列力学现象叫矿山压力显现，简称矿压显现。
二、巷道围岩的应力分布 巷道开掘后，顶板岩石就暴露出来，如不进行支护，巷道顶板岩层便失去支撑，产生拉应力。而岩石的抗拉强度远小于岩石的抗压强度，在岩层中产生的拉应力的作用下，巷道顶板开始弯曲下沉，随后就出现一些逐渐扩大、增多的纵横交错的裂缝，导致原来的整体顶板岩石破坏、冒落。与此同时，上部又产生裂缝，这些裂缝又逐渐扩大，最后冒落。这样由下往上、由低到高，不断地破坏与冒落，直到巷道形成类似拱的形状以后，顶
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板岩石才处于稳定状态。这样形成的拱叫做自然平衡拱，
如图4—1。
在一般条件下形成的自然平衡拱是稳定的。特殊情况下，有时会出现暂时的拱平衡，经一段时间后，仍会向上冒落。
自然平衡拱形成以后，支架上只承受拱内岩石的重力，并达到稳定，其大小随拱的形状和大小而变，称为拱形压力。拱外岩石重量由拱承担，拱内形成压力降低区，这时拱上部的压力由巷道两侧的岩石来支承，因而在巷道两侧形成了压力升高区。这时把巷道两侧所承担的压力叫支承压力。压力分布如图4—2。
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Ⅰ原始应力区；Ⅱ支承压力区；Ⅲ卸压区
1—自然平衡拱；2、岩壁刚露出时的支承压力；3支承压力向深部转移；
K—应力集中系数；r—上覆各岩层平均容重；H—距地表深度
作用在井巷周围岩体中及支护物上的重新分布的力就叫巷道矿山压力，简称巷道矿压。巷道矿压的大小，主要受巷道所处深度、巷道断面大小、地质构造、围岩性质等因素的影响：
三、巷道矿压
巷道变形、破坏的原因主要受到顶压、侧压和底压的作用，其中主要是顶压的作用。只有在底板松软和顶压、侧压大的情况下，才会出现底压，即底臌。
1．顶压
掘进巷道后，暴露出来的顶板形成一个岩梁。由于岩梁上部 岩层和岩梁自重的作用，必然使其产生弯曲，这种弯曲往往在巷 道中间较大，在巷道两帮较小；顶板以及距顶板较近的上部岩层 弯曲大，距顶板较远的上部岩层弯曲小。
2．侧压
侧压是指巷道两帮对支架的压力。它是由于两帮岩石或煤向巷道内挤压而形成的。
3．底压
在巷道侧压的作用下，底板内部将会产生侧压力，并产生向上的底压，使底板鼓起。
4．斜巷地压
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在平巷里，顶压的方向是重力线方向，是垂直于巷道的顶板的；在倾斜巷道却不同，顶压虽然是重力线方向，但顶压(P)可分解为两个方向的压力，一个是垂直于顶板的垂地压力( N)，另一个是平行于顶板的倾斜压力，即下推力(H)，如图4—4所示。
图4-4 斜巷地压示意图
斜巷的支架既要承受垂直压力，又要承受下推力。因此，斜巷的支架就不能按垂直于巷道顶、底板方向去架设，而必须向上迎一个角度，我们把棚腿中心线与顶底板垂线之间的夹角，叫做迎山角。支架迎山角是为了克服下推力，防止支架向下倾倒的措施之一。
支架的迎山角(β)是按照巷道倾角(α)来计算的，一般迎山角等于倾角的1／6～1／8，即β=(1／6～1／8)，例如巷道倾角为30°，则迎山角为5°～4°。迎山角过大、过小都会降低支架的支撑能力，迎山角过大叫过山，迎山角给反了叫退山。
四、回采工作面周围应力分布
如图4—7所示，回采工作面使煤层顶、底板内产生应力升高区和应力降低区。离被开采煤层不远的顶、底板岩层中，支承压力的集中程度较高，离被开采煤层越远，顶底板内支
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