煤礦技術(shù)人員培訓(xùn)講

1、.煤礦技術(shù)人員培訓(xùn)講稿第一部分：礦山壓力及其控制1.1礦山壓力及其控制的基本概念礦山壓力：由于在地下煤巖中進(jìn)行采掘活動而在井巷、硐室及回采工作面周圍煤、巖體中和其中的支護(hù)物上所引起的力，簡稱礦壓、地壓等。礦山壓力顯現(xiàn)：由于礦山壓力的作用，使圍巖、煤體和各種人工支撐物產(chǎn)生的種種力學(xué)現(xiàn)象。（如頂板下沉、底板臌起、冒頂、斷面縮小等）礦山壓力控制：人為的調(diào)節(jié)、改變和利用礦山壓力作用的各種措施。（如支護(hù)、充填等，目的是保證生產(chǎn)安全和取得良好的經(jīng)濟(jì)效益）1.2礦壓及其控制研究的歷史：1.2.1對礦壓力早期認(rèn)識階段：15至19世紀(jì)早期，觀測到了地下采掘活動對地表造成的破壞，提出了最初的保護(hù)煤柱確定方法。1.

2、2.2建立早期假說的階段：19世紀(jì)后期至20世紀(jì)，利用某些比較簡單的力學(xué)原理解釋實踐中出現(xiàn)的一此礦壓現(xiàn)象，并提出了一此初步的礦壓假說。代表性的是認(rèn)為巷道上方能形成自然平衡拱的“壓力控假說”及有關(guān)的分析計算。提出了以巖石堅固性系數(shù)f（普氏系數(shù)）作為定量指標(biāo)的巖石分類方法，開展了地面及巷道中的巖石移動觀測。1.2.3以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為理論基礎(chǔ)的研究階段：20世紀(jì)30年代至50年代，開始把巷道周圍的的整個巖體當(dāng)作連續(xù)的、各相同性的彈性體來進(jìn)行研究和建立假說，即用彈性理論來研究礦山巖石力學(xué)問題，并推出了計算原巖力學(xué)的有關(guān)公式。以后又考慮了巖石的非均質(zhì)性及各相異性，同時在實驗手段上較廣泛的利用了相似材料時

3、行的相似模型研究方法及光敏材料進(jìn)行的光彈性模擬方法，在工程實踐中開始采用U型鋼拱形可縮支架、磨擦式金屬支柱、錨桿支架等支護(hù)技術(shù)。1.2.4近代發(fā)展階段：指20世紀(jì)60年代至今，在理論研究上進(jìn)一步考慮巖石的真實特性，最重要的是把巖體看作是受到各種性質(zhì)的弱面切割的多裂隙介質(zhì)，相應(yīng)的提出了巖石斷裂力學(xué)、塊體穩(wěn)定理論等，另一方面把巖體變形看成是與時間有關(guān)的巖石流變特性的研究，提出了巖石流變學(xué)，在研究方法上應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)發(fā)展了新的數(shù)值分析方法，如有限元法、邊界元法、離散元法等。在應(yīng)用方面，采用煤柱護(hù)巷和無煤柱護(hù)巷的各類巷道中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究，進(jìn)一步改善了巷道支護(hù)技術(shù)。2.1礦山巖石和巖體的基本性質(zhì)2.

4、1.1礦山巖石的基本概念巖石：具有一定構(gòu)造和形態(tài)的礦物結(jié)合體。在自然狀態(tài)下，按其固體礦物顆粒之間的結(jié)合特征，可以分為固結(jié)性巖石、粘結(jié)性巖石、散粒狀巖石、流動性巖石等。按照巖石的力學(xué)強(qiáng)度和堅實性，常把礦山巖石分為堅硬巖石和松軟巖石。一般將飽水狀態(tài)下單向抗壓強(qiáng)度大于5Mp的巖石叫做堅硬巖石，反之稱為松軟巖石。按照巖石的構(gòu)成特征，可以區(qū)分出巖石的結(jié)構(gòu)和巖石的構(gòu)造兩個概念。2.1.2巖石的物理性質(zhì)巖石的（真）密度：指單位體積的巖石（不包括空隙）的質(zhì)量，取決于組成巖石的礦物密度，且與巖石的空隙和吸水多少無關(guān)。一般在2.7103kg/m3左右。巖石的視密度：指單位體積的巖石（包括空隙）的質(zhì)量。除了與組成巖

5、石的礦物密度有關(guān)外，還與巖石的空隙和吸水多少有關(guān)。根據(jù)含水狀態(tài)的不同可分為天然視密度、干視密度和飽和視密度。巖石的孔隙性：是指巖石中孔洞各裂隙的發(fā)育程度，常用孔隙度表示。即各種孔洞、裂隙體積的總和與巖石總體積之比，也稱孔隙率。巖石的孔隙性對巖石的其它性質(zhì)也有顯著影響，一般來說，孔隙率增大可使巖石的視密度和強(qiáng)度降低，同時使塑性變形和透水性增大。巖石的碎脹性和壓實性：碎脹性指巖石在破碎后的體積增大的性質(zhì)，一般用碎脹系數(shù)來表示。巖石在破碎后，在其自重和外加載荷的作用下會逐漸壓實的性質(zhì)為壓實性。巖石的吸水性：指遇水不崩解的巖石在一定的試驗條件下吸入水份的能力。通常以巖石的自然吸水率和強(qiáng)制吸水率表示。工

6、程上往往用吸水率的大小來評價巖石的抗凍性能，當(dāng)吸水率小于0.5%時，一般認(rèn)為巖石是耐凍的。巖石的透水性：即巖石能被水透過的性質(zhì)，一般用滲透系數(shù)來表示。巖石的軟化性：浸水后強(qiáng)度明顯降低的性質(zhì)。巖石的膨脹性和崩解性：前者指軟巖浸水后體積增大和相應(yīng)的引起壓力增大的性能；后者指軟巖浸水后發(fā)生解體的現(xiàn)象。2.1.3 巖石的力學(xué)性質(zhì)2.1.3.1 巖石的彈性和塑性彈性：指卸載后能變形能全部恢復(fù)的變形性質(zhì)；塑性：指卸載后變形全部不能恢復(fù)的變形性質(zhì)。巖石的彈性指卸載后巖石變形能完全恢復(fù)的性質(zhì)，隨巖石的性質(zhì)不同，可能出現(xiàn)線彈性、非線性彈性和滯彈性三種不同的彈性特征。(見圖1)由于巖石是一個復(fù)雜的組合體，它的彈性

7、變形和塑性變形往往是同時出現(xiàn)的，即巖石是一個彈塑性體。一般用彈性模量和變形模量表示巖石的變形性質(zhì)，是評價巖石的受載條件下變形的一個重要參數(shù)。一般巖石的變形曲線如圖2所示。2.1.3.2 巖石在單向壓縮下的變形性質(zhì)在單向壓縮下，巖石的變形表現(xiàn)為橫向變形和體積變化?？筛鶕?jù)單向壓縮時的巖石變形性質(zhì)把巖石分為脆性巖石(破壞前的總應(yīng)變小于3%)和塑性巖石兩類。脆性巖石、塑性巖石、一般巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線分別如下圖3、4、5所示：2.1.3.3 巖石在三向壓縮下的變形性質(zhì)自然條件下的巖體絕大多數(shù)是處于三向壓縮狀態(tài)，研究巖石在三向壓縮狀態(tài)下的變形性質(zhì)要用專門的三軸應(yīng)力試驗機(jī)，通過試驗表明：隨著側(cè)向應(yīng)力的增大，

8、巖石的塑性變形也相應(yīng)增大，在單向應(yīng)力或較低的側(cè)向應(yīng)力狀態(tài)下多表現(xiàn)為脆性，在高壓三向應(yīng)力狀態(tài)下破壞前也能表現(xiàn)出很大的塑性，另外在巖石在三向壓縮條件下發(fā)生破壞后，仍然保留一定的承載能力，且圍壓俞大，其殘余強(qiáng)度也俞大，這個規(guī)律對于礦壓控制很有實際意義。2.1.3.4 巖石的流變性質(zhì)流變：即材料在出現(xiàn)塑性變形后，在應(yīng)力不變或應(yīng)力增加很小的情況下繼續(xù)產(chǎn)生變形，簡稱流變，也叫屈服。通常把與時間因素有關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變現(xiàn)象統(tǒng)稱為流變，包括蠕變、彈性后效和松弛等現(xiàn)象，其中蠕變對工程應(yīng)用的意義較大。蠕變：固體材料在不變載荷的長期作用下，其變形隨時間的增長而緩慢增加的現(xiàn)象。大致可分為穩(wěn)定蠕變和不穩(wěn)定蠕變兩類。由于蠕變而

9、造成的應(yīng)變最后能否趨于穩(wěn)定，取決于所施加的恒定載荷值的大小以及能使這種巖石的蠕變量保持穩(wěn)定的臨界值的大小。如果恒定載荷值小于臨界值，即使主生蠕變，也只是穩(wěn)定蠕變，不會造成工程破壞，反之則出現(xiàn)不穩(wěn)定蠕變，長時間后超過允許的變形量，最終會導(dǎo)致工程破壞。2.1.3.5 巖石的強(qiáng)度性質(zhì)及其測定巖石的單向抗壓強(qiáng)度：巖石試件在單向壓縮時所能承受的最大應(yīng)力值。它是地下工程中使用最廣的巖石力學(xué)參數(shù)。巖石的單向抗拉強(qiáng)度：巖石試件在單向拉伸時肥承受的最大拉應(yīng)力值，它也是巖石力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)。由于巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度(一般只有強(qiáng)壓強(qiáng)度的3-30%)，因此它對研究井下巷硐失穩(wěn)有重要意義。巖石的抗剪強(qiáng)度：巖石

10、試件受到剪斷時，剪切面上的切向應(yīng)力值。它也是巖石力學(xué)性質(zhì)的最重要的指標(biāo)之一。巖石的三軸抗壓強(qiáng)度：巖石試件在三軸壓應(yīng)力作用下所能抵抗的最大軸向應(yīng)力。試驗表明：巖石的三軸抗壓強(qiáng)度隨圍壓的加大而增加，但不成線性關(guān)系。巖石強(qiáng)度的影響因素及相互關(guān)系：內(nèi)在因素：礦物成份、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、水、溫度等外在因素：巖石的受力狀態(tài)。試驗表明，巖石在不同的受力狀態(tài)下的強(qiáng)度值符合以下規(guī)律：三向等壓抗壓強(qiáng)度>三向不等壓抗壓強(qiáng)度>雙向抗壓強(qiáng)度>單向抗壓強(qiáng)度>抗剪強(qiáng)度>抗彎強(qiáng)度>單向抗拉強(qiáng)度。2.1.3.6 巖石的破壞機(jī)理和強(qiáng)度理論巖石的破壞機(jī)理：任何材料的破壞，從不同部分散離的狀態(tài)來看，不外

11、是兩種，即產(chǎn)生散離的部分互相遠(yuǎn)離或錯開，所以物體的破壞機(jī)理歸結(jié)到底只有兩種：即拉斷和剪切。因此巖石的破壞從其機(jī)理上來說也只有拉壞和剪壞，而通常所說的巖石被“壓壞”，從力學(xué)分析來看，實質(zhì)上是不存在的。巖石的強(qiáng)度理論：研究巖石在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞原因、規(guī)律及其強(qiáng)度條件的理論。目前已提出的有很多，下面是兩種較常用的巖石強(qiáng)度理論。莫爾強(qiáng)度理論：認(rèn)為材料發(fā)生破壞主要是由于破壞面上的剪應(yīng)力達(dá)到一定限度的緣故，這個剪應(yīng)力除了與材料本身性質(zhì)有關(guān)外，還與破壞面上由于正應(yīng)力造成的磨擦阻力有關(guān)。即破壞不僅取決于剪應(yīng)力，同時也取決于正應(yīng)力。格里菲斯強(qiáng)度理論：脆性破壞是由于拉伸而破壞，并不是因剪切而破壞。格里菲斯認(rèn)為

12、，巖石內(nèi)隨機(jī)分布著許多窄縫形的微裂隙，當(dāng)物體受到拉應(yīng)力作用時，處于不利方位的裂隙的端部就產(chǎn)生了高度的應(yīng)力集中，于是裂隙就沿著其長度方向上擴(kuò)張，直至巖石整體破壞。2.2 礦山巖體的基本性質(zhì)巖體：自然界中由各種巖性和各種結(jié)構(gòu)特征的巖石所組成的集合體。巖體與巖石在力學(xué)上有許多區(qū)別，主要有巖體的非均質(zhì)性、各向異性和非連續(xù)性。巖體的變形破壞過程：巖體是具有彈性的、塑性和粘性的、多裂隙的非連續(xù)介質(zhì)，因此巖體的變形要比巖塊的變形要復(fù)雜得多。巖體和辦學(xué)性質(zhì)是天然巖塊和其結(jié)構(gòu)弱面力學(xué)性質(zhì)的綜合反應(yīng)，總變形中必然包括結(jié)構(gòu)體的壓縮變形和形狀變形以及結(jié)構(gòu)面的壓密變形和剪切滑移變形，有的結(jié)構(gòu)體還由于剪切過程中的磨擦作用

13、而發(fā)生轉(zhuǎn)動。根據(jù)試驗研究，巖體受力后產(chǎn)生變形和破壞的過程可分為四個階段，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如下圖6所示：巖體的強(qiáng)度特征及強(qiáng)度試驗：巖體強(qiáng)度主要取決于軟弱結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，因此可認(rèn)為巖體是一種不能承受拉力的工程材料，在工程設(shè)計中稱為無拉力準(zhǔn)則。結(jié)構(gòu)面雖然不能抗拉，但仍能傳遞一定的剪應(yīng)力，即具有一定的抗剪強(qiáng)度。試驗證實，大部分巖體的強(qiáng)度曲線的受壓區(qū)仍符合“庫侖摩爾”準(zhǔn)則，總是處于巖石強(qiáng)度曲線與弱面強(qiáng)度曲線之間。由于弱面的存在，巖體的強(qiáng)度顯著的低于巖塊的強(qiáng)度，并使巖體更易于變形和失穩(wěn)。3.1礦山巖體內(nèi)應(yīng)力的重新分布3.1.1巖體中的自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力原巖體：沒有受到人類工程活動影響的巖體。原巖應(yīng)力場：天然存

14、在與原巖內(nèi)而與人為原因無關(guān)的應(yīng)力場。主要有因自重引起的自重應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動而引起的構(gòu)造應(yīng)力，其次在不均勻沉積的交替區(qū)域，有可能形成局部應(yīng)力集中。原巖應(yīng)力場的第一種假說：原巖體中任何地方的水平應(yīng)力約等于垂直應(yīng)力的2540%。（較適用于較淺的原巖應(yīng)力場）原巖應(yīng)力場的第二種假說：在巖體深處的原巖垂直應(yīng)力與其上覆巖層的重量成正比，而水平應(yīng)力大致與垂直應(yīng)力相等。（適用于深度較大時）。此假說又稱靜水應(yīng)力狀態(tài)假說，主要是由于長期地質(zhì)作用和巖石的蠕變特性，使深部的巖體達(dá)到靜水應(yīng)力狀態(tài)。構(gòu)造應(yīng)力是一個復(fù)雜的問題，目前還無法用數(shù)學(xué)力學(xué)的方法進(jìn)行計算，但它有以下特點：1、一般以水平壓應(yīng)力為主2、分布很不均勻3、具

15、有明顯的方向性4、根據(jù)測定，構(gòu)造應(yīng)力普遍存在著：最大水平應(yīng)力>最小水平應(yīng)力>垂直應(yīng)力的規(guī)律。水平構(gòu)造應(yīng)力可能比自重造成的水平應(yīng)力大幾倍到幾十倍，因此在淺部開采時構(gòu)造應(yīng)力顯得比自重應(yīng)力更為重要。5、構(gòu)造應(yīng)力在堅硬巖層中出現(xiàn)一般比較普遍。3.1.2巷道周圍的支承壓力分布。在巖體內(nèi)開掘巷道后，巷道圍巖必然出現(xiàn)應(yīng)力重新分布，一般將巷道兩側(cè)改變后的切向應(yīng)力增高部分稱為支承壓力。支承壓力是礦山壓力的重要組成部分。根據(jù)計算分析，可近似地認(rèn)為，一般巷道兩側(cè)的應(yīng)力集中系數(shù)為23倍，當(dāng)巷道為圓形時，集中系數(shù)最小且應(yīng)力分布最均勻，當(dāng)巷道的高/寬小于1/2時，兩側(cè)的應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)到45倍，矩形巷道的拐角

16、處切向應(yīng)力最大。一般巷道兩側(cè)的支承壓力分布示意圖7所示：相鄰巷道之間的相互影響：相鄰巷道的相互之間影響程度及其應(yīng)力分布受到下列因素的影響：巷道斷面的形狀及其尺寸大小；相鄰兩巷之間相隔的距離；在同一水平內(nèi)相鄰巷道的數(shù)目；原巖應(yīng)力場的性質(zhì)和有關(guān)參數(shù)。若以超過原巖應(yīng)力的5%為限，則影響半徑R的經(jīng)驗計算公式為：R20*r4.47r（r為巷道半徑）則相鄰兩條巷道之間相互不影響的最小距離為2R8.9r，以半徑為2.4m的巷道為例，則合理的巷道間距應(yīng)在21.5m以上，這就是我們井下一般巷道布置間距應(yīng)在2030m以上的原因。同樣如果兩條巷道相向貫通，則當(dāng)距離很近時，一般在24倍的r處，應(yīng)力相互疊加相當(dāng)大，可達(dá)

17、到46倍，這也是我們一般要求兩巷相向貫通時，要放小炮且需要加強(qiáng)支護(hù)的原因。3.1.3 回采工作面前方的支承壓力分布：(如下圖8所示)由圖上可知，在工作面采空區(qū)的旁邊有一個卸壓區(qū)，這個卸壓區(qū)范圍很小，與頂?shù)装鍘r性、開采方式、采高等均有關(guān)，一般條件下約為05m，這就是沿空送巷或沿空留巷的理論基礎(chǔ)。在工程設(shè)計中，為了防采空區(qū)內(nèi)的水、瓦斯泄出，防止向采空區(qū)漏風(fēng)引起采空區(qū)發(fā)火，同時又要求小煤柱有一定的支承作用，一般將小煤柱確定為45m為宜。 另外由圖中可知，增壓區(qū)內(nèi)的支承壓力較高，一般應(yīng)避免在這個范圍內(nèi)布置巷道，其中一般認(rèn)為在距采空區(qū)或工作面前方10-25m的范圍內(nèi)支承壓力最高，這已是早期長壁工作面留設(shè)

18、20m的“大煤柱”頻繁失敗的原因，也是現(xiàn)在我們一般將中巷布置在距采空區(qū)60m以外(穩(wěn)壓區(qū))的原因。 4.1 回采工作面的礦壓顯現(xiàn)及控制 4.1.1 回采工作面上覆巖層 采場：在煤層或礦床的開采過程中，一般把直接進(jìn)行采煤或采有用礦物的空間稱為回采工作面或簡稱為采場。 頂板：賦存在煤層之上的巖層。 底板：煤層以下的巖層。 直接頂：一般把直接位于煤層上方的一層或幾層性質(zhì)相近的巖層稱為直接頂。通常有一定的穩(wěn)定性易于隨工作面回柱放頂而垮落。 偽頂：在煤層與直接頂之間有時存在厚度小于0.3至0.5m，極易跨落的軟弱巖層(它隨采隨冒)。 老頂：通常把位于直接頂上方(有時直接位于煤層之上)的厚而堅硬的巖層中老

19、頂。 直接底：直接位于煤層之下的巖層。 回采工作面對上覆巖層的管理方法(即采空區(qū)的處理方法)有：刀柱法、緩慢下沉法、充填法、全部垮落法。 4.1.2 工作面上覆巖層的活動規(guī)律： 當(dāng)老頂達(dá)到極限跨距后，隨著回采工作面繼續(xù)推進(jìn)，老頂即發(fā)生斷裂。斷裂后的一般狀態(tài)如圖9所示： 根據(jù)老頂?shù)腛X形破壞特點，可將工作面分為上、中、下三個區(qū)，破斷的巖塊，由于互相擠壓形成水平力，從而在巖快間產(chǎn)生摩擦力，在工作面的中部，可能形成一個外表似梁，實質(zhì)是拱的平衡結(jié)構(gòu)，保護(hù)著回采工作空間，使其不必承受上覆巖層的全部載荷。 根據(jù)破斷的程度，回采工作面上覆巖層可分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，即通常所說的“三帶”。如圖9所示

20、。 根據(jù)受力及破壞的不同，回采工作面上覆巖層沿推進(jìn)方向上可分為煤壁支撐區(qū)、離層區(qū)和重新壓實區(qū)。如圖9所示。 4.1.3 老頂?shù)某醮渭爸芷趤韷?初次來壓：由地老頂?shù)牡谝淮问Х€(wěn)而產(chǎn)生的工作面頂板來壓稱為老頂?shù)某醮蝸韷?。老頂巖塊失穩(wěn)時，形成了巖塊滑落，給支架帶來了較大沖擊，對工作面安全造成嚴(yán)重威脅，因此我們應(yīng)特別注意加強(qiáng)初次來壓及周期來壓時的頂板管理。 初次來壓步距：由開切眼到初次來壓時工作面推進(jìn)的距離稱為老頂?shù)某醮蝸韷翰骄唷?周期來壓：由于裂隙帶巖層周期性失穩(wěn)而引起的頂板來壓現(xiàn)象稱之為工作面頂板的周期來壓。周期來壓的主要表現(xiàn)形式是：頂板下沉速度急劇增加，頂板的下沉量變大，支柱所受的載荷普遍增加，有時還可能引起煤壁片幫、支柱折損、頂板發(fā)生臺階下沉等現(xiàn)象，如果支柱參數(shù)不合適或支架的穩(wěn)定性較差、支撐力不夠，則可能導(dǎo)致局部冒頂、甚至頂板沿工作面切落等事故。 周期來壓步距：兩次周期來壓之間工作面推進(jìn)的距離。由于上覆巖層的組成結(jié)構(gòu)及受力狀況的不同，周期來壓的步距并不是每次都相等，有時可能出現(xiàn)很大的差別。 4.1.4 老頂來壓的預(yù)測預(yù)報 我國應(yīng)用多種方式預(yù)報老頂來壓已有30多年歷史，方法也越來越成熟，并由復(fù)雜到逐步簡單易行。一開始是以觀測工作面三量變化來預(yù)報的，三量是指頂板下沉量、下沉速度及支