礦山壓力與巖層控制課件

1、Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-31Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-32 緒論緒論1.1 與礦山壓力有關的安全事故與礦山壓力有關的安全事故 在整個煤礦安全事故中，煤礦頂板事故所占比重超過在整個煤礦安全事故中，煤礦頂板事故所占比重超過50%50%以上，死亡以上，死亡人數所占比重超過人數所占比重超過30%30%以上，每年頂板事故影響的產量約占總產量的以上，每年頂板事

2、故影響的產量約占總產量的5%5%，達到達到30003000萬萬t t至至40004000萬萬t t的巨大數字。的巨大數字。圖圖1.1 中國煤礦安全事故比例中國煤礦安全事故比例 圖圖1.2 中國煤礦死亡人數比例中國煤礦死亡人數比例Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-33 緒論緒論年份傷亡總起數傷亡總人數其 中冒頂運輸機電爆破透水其他起數人數起數人數起數人數起數人數起數人數起數人數Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院-

3、 -資源工程資源工程1 1系系2022-3-34 煤礦重大事故的發(fā)生及有效控制，幾乎都同時與巖層運動和應力場應力煤礦重大事故的發(fā)生及有效控制，幾乎都同時與巖層運動和應力場應力的大小和分布條件有機地聯系在一起。的大小和分布條件有機地聯系在一起。 緒論緒論Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-35沖擊地壓沖擊地壓 承受巨大地壓的頂板突然斷承受巨大地壓的頂板突然斷裂所造成的破壞巖石位能轉變裂所造成的破壞巖石位能轉變?yōu)閯幽芏鴰淼臎_擊地壓。為動能而帶來的沖擊地壓。 緒論緒論Ground Pr

4、essure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-36透水事故透水事故 因礦井頂、底板壓力過大，致使煤礦在開采過程中地表水、老空水或相鄰因礦井頂、底板壓力過大，致使煤礦在開采過程中地表水、老空水或相鄰煤礦報廢礦井中的水沿斷層破碎帶流入井田造成透水事故煤礦報廢礦井中的水沿斷層破碎帶流入井田造成透水事故 。 緒論緒論Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-37（1 1）沒有很好地掌握各個具體煤層需要控制的巖層

5、范圍）沒有很好地掌握各個具體煤層需要控制的巖層范圍及運動規(guī)律（運動發(fā)生的時間、條件），頂板控制設計缺及運動規(guī)律（運動發(fā)生的時間、條件），頂板控制設計缺少基礎；少基礎；（2 2）沒有掌握各種類型支架的特性及實際支撐能力。針）沒有掌握各種類型支架的特性及實際支撐能力。針對具體煤層條件選好和用好支護手段方面的問題；對具體煤層條件選好和用好支護手段方面的問題；（3 3）沒有更好地揭示支架）沒有更好地揭示支架- -頂板運動間的關系，正確合頂板運動間的關系，正確合理選擇控制方案。理選擇控制方案。 緒論緒論頂板事故頻發(fā)的基本原因：頂板事故頻發(fā)的基本原因：Ground Pressure and Strata

6、Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-38 緒論緒論 （1）研究隨采場推進過程中，在采場周圍煤層及巖層）研究隨采場推進過程中，在采場周圍煤層及巖層中重新分布的應力（包括應力大小及方向等）及其發(fā)展變中重新分布的應力（包括應力大小及方向等）及其發(fā)展變化的規(guī)律。該應力的存在和變化是煤及巖層變形、破壞和化的規(guī)律。該應力的存在和變化是煤及巖層變形、破壞和位移的根源，也是采場及周圍巷道支架上壓力顯現的條件。位移的根源，也是采場及周圍巷道支架上壓力顯現的條件。 （2）研究采場支架上顯現的壓力及其控制方法。包括）研究采場支架上顯現的壓力及其控制方法。包

7、括壓力的來源、壓力大小及與上覆巖層運動間的關系、正確壓力的來源、壓力大小及與上覆巖層運動間的關系、正確的控制設計方法等。的控制設計方法等。Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-39（4）控制采動巖層活動的主要因素分析。從復雜的采動巖）控制采動巖層活動的主要因素分析。從復雜的采動巖層活動中建立采動巖層的結構力學模型，從而展開對采場頂層活動中建立采動巖層的結構力學模型，從而展開對采場頂板礦壓、采場突水、巖層移動及地表沉陷規(guī)律等進行系統(tǒng)描板礦壓、采場突水、巖層移動及地表沉陷規(guī)律等進行系統(tǒng)描

8、述。述。（5）深部開采時采場支承壓力分布、巖層結構及運動特點、）深部開采時采場支承壓力分布、巖層結構及運動特點、圍巖大變形的控制機制等。圍巖大變形的控制機制等。 緒論緒論 （3）研究開掘的巷道的位置和時間。不同時間開挖巷道）研究開掘的巷道的位置和時間。不同時間開挖巷道時和不同地點開挖的巷道圍巖壓力的來源、巷道支護設備時和不同地點開挖的巷道圍巖壓力的來源、巷道支護設備上的壓力大小及其影響因素等。上的壓力大小及其影響因素等。Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-310 緒論緒論采動形成的

9、工作空間是在采動形成的工作空間是在“拱拱”結構掩護之下；結構掩護之下； “拱拱”結構承擔上覆巖層的重量，通過拱腳傳遞到煤結構承擔上覆巖層的重量，通過拱腳傳遞到煤層及巖體上的壓力，并且在煤及巖體中形成的應力，該應層及巖體上的壓力，并且在煤及巖體中形成的應力，該應力是煤及巖層破壞的原因，也是力是煤及巖層破壞的原因，也是“拱拱”結構本身向外擴展結構本身向外擴展的條件；的條件；采場空間的支護僅承受拱內已破壞巖層的巖重，支架是采場空間的支護僅承受拱內已破壞巖層的巖重，支架是在由在由“拱拱”的結構尺寸所圈定的破碎巖石荷重下工作。的結構尺寸所圈定的破碎巖石荷重下工作。Ground Pressure and

10、Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-311 緒論緒論cchh dbb AA 圖圖1.7 自然平衡拱自然平衡拱 巷道開掘后，已采空間上部巖層巷道開掘后，已采空間上部巖層將逐步破損成拱的形狀。這個拱是將逐步破損成拱的形狀。這個拱是自然形成的。自然形成的。 拱的高度拱的高度h是巖層的是巖層的巖石強度和巷道寬度巖石強度和巷道寬度b的函數：的函數：Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-312 緒論緒論 當當R和和b已知，

11、即可按上述二式計算出掩護拱的高度已知，即可按上述二式計算出掩護拱的高度h，從，從而可以推算出拱所包圍的破碎巖石的面積而可以推算出拱所包圍的破碎巖石的面積A及相應的巖石重量，及相應的巖石重量，據此即可確定巷道支護所需的反力。據此即可確定巷道支護所需的反力。適用條件：適用條件：普氏拱假說適用于確定強度不高（f=56），開采深度不是很大的巷道支護反力。 應用簡便。沒有深入研究圍巖中應力分布和穩(wěn)定的條件； 不能解釋采場礦壓顯現的周期性變化規(guī)律 。 Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-313

12、 緒論緒論321b3b2b1h1h2h3圖圖1.8 工作面推進中的自然平衡拱工作面推進中的自然平衡拱 Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-314 緒論緒論 S1LkS21圖圖1.9 .許普魯特壓力拱假許普魯特壓力拱假 說模型說模型 壓力拱跨越整個采場，壓力拱跨越整個采場，前后拱腳分別座落在未采前后拱腳分別座落在未采動的煤層和采空區(qū)的矸石上。動的煤層和采空區(qū)的矸石上。Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程

13、資源工程1 1系系2022-3-315 緒論緒論 假說較好的解釋了采場周圍支承壓力的存在，假說較好的解釋了采場周圍支承壓力的存在，較好的說明了支架上的壓力遠小于上覆巖層重量的原較好的說明了支架上的壓力遠小于上覆巖層重量的原因。因。Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-316 緒論緒論 Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-317 緒論緒論 采場是在一系列采場是在一系列“梁梁

14、”的掩護之下。這些梁在冒落前能將的掩護之下。這些梁在冒落前能將自身的重量傳遞至前后兩端支承巖體之上，從而形成支承壓自身的重量傳遞至前后兩端支承巖體之上，從而形成支承壓力力 支架作用在于防止已碎巖體垮落和保持結構梁的連續(xù)性，支架作用在于防止已碎巖體垮落和保持結構梁的連續(xù)性，不必要也不可能在改變頂板下沉量方面發(fā)揮作用。不必要也不可能在改變頂板下沉量方面發(fā)揮作用。 支架可能在由已破壞的巖石重力所支架可能在由已破壞的巖石重力所“給定給定”的的“一定載荷一定載荷條件條件 下下”工作，也可能在由巖梁的沉降所決定的工作，也可能在由巖梁的沉降所決定的“一定變形條件一定變形條件下下” 工作。工作。 “梁梁”的破

15、壞（冒落）和沉降是采場支架上壓力顯現的根的破壞（冒落）和沉降是采場支架上壓力顯現的根源源Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-318 緒論緒論（1）“懸臂梁懸臂梁”假假說說 懸臂梁懸臂梁奠定了掩護梁假說的發(fā)展?！皯冶哿骸钡膸r層組合條件 ；沒有從理論上和方法上解決 生產現場找到懸臂梁范圍；沒有研究采場圍巖中的應力； 不能對采場上覆巖層的結構狀態(tài)作出更全面的描述。 Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工

16、程1 1系系2022-3-319（2）“預生裂隙梁預生裂隙梁”假說假說3113123低應力區(qū)低應力區(qū) 高應力區(qū)高應力區(qū)假塑性變形區(qū)假塑性變形區(qū)煤層超前破壞以及臨近采場的部分巖層出露前可能預先產生裂隙這一點，已經為實踐所證實。 不考慮煤層條件和開采技術條件，也不問巖層強度高低，一律用預生裂隙假說去推斷采場上覆巖層破壞的情況是錯誤的。 Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-320 緒論緒論mz 2=i= n + 1mmimzmm + 1hLkAhLm + 1m + 1SAmz 1=i=

17、1nmi 未能將采場頂板控制設計提高到科學定量的程度 相當深入的研究和揭示了采場支架與圍巖間的部分關系。為采場頂板控制設計提供了重要依據。 Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-321 緒論緒論（1）砌體梁模型（礦大錢鳴高院士）砌體梁模型（礦大錢鳴高院士） 在在老頂老頂巖梁達到斷裂步距之后，隨著工作面的繼續(xù)推進，巖梁達到斷裂步距之后，隨著工作面的繼續(xù)推進，巖梁將會折斷，但斷裂后的巖塊由于排列整齊，在相互回轉時巖梁將會折斷，但斷裂后的巖塊由于排列整齊，在相互回轉時能形成擠壓，由于巖塊間

18、的水平力以及相互間形成的摩擦力，能形成擠壓，由于巖塊間的水平力以及相互間形成的摩擦力，在一定條件下能夠形成外表似梁實則為半拱的平衡結構。形狀在一定條件下能夠形成外表似梁實則為半拱的平衡結構。形狀如砌體如砌體-砌體梁。砌體梁。ACDBGround Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-322 緒論緒論 采動后巖體內形成的砌體梁是一個大結構，而影響采采動后巖體內形成的砌體梁是一個大結構，而影響采場頂板控制的主要因素是離層區(qū)附近的幾個關鍵巖塊。場頂板控制的主要因素是離層區(qū)附近的幾個關鍵巖塊。關鍵塊是否平

19、衡直接影響采場頂板的穩(wěn)定性和支架受力關鍵塊是否平衡直接影響采場頂板的穩(wěn)定性和支架受力大小。應重點分析關鍵塊的平衡關系。大小。應重點分析關鍵塊的平衡關系。砌體梁關鍵塊的砌體梁關鍵塊的滑落滑落和和回轉變形（回轉變形（“SR”）穩(wěn)定條件。穩(wěn)定條件。Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-323 緒論緒論（2）關鍵層理論）關鍵層理論 Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-324 緒論

20、緒論Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-325 緒論緒論1.3.5 以巖層運動為中心的礦山壓力理論以巖層運動為中心的礦山壓力理論 宋院士宋院士-以上覆巖層運動為中心的礦山壓力理論（以上覆巖層運動為中心的礦山壓力理論（“傳遞巖梁傳遞巖梁”理論）。理論）。 Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-326 緒論緒論1.4 本課程的主要研究內容與學習方法本課程的主要研究內容與學習方

21、法 （1）第一章）第一章 緒論。緒論。 了解礦山壓力研究的任務、發(fā)展歷史與現狀，掌握了解礦山壓力研究的任務、發(fā)展歷史與現狀，掌握“傳遞巖梁理論的主要研究內容，了解礦山壓力研究方法。傳遞巖梁理論的主要研究內容，了解礦山壓力研究方法。 （4）第四章）第四章 采場礦山壓力顯現與上覆巖層運動間的關系。掌握確定直接采場礦山壓力顯現與上覆巖層運動間的關系。掌握確定直接頂、老頂的方法與步驟，支承壓力在采場不同推進階段的發(fā)展變化規(guī)律，支頂、老頂的方法與步驟，支承壓力在采場不同推進階段的發(fā)展變化規(guī)律，支架與圍巖相互作用的各種工作方案。架與圍巖相互作用的各種工作方案。 （2）第二章）第二章 礦山壓力及礦山壓力顯現

22、。建立礦山壓力及礦山壓力顯現。建立“礦山壓力礦山壓力”及及“礦山壓礦山壓力顯現力顯現”的基本概念，弄清二者間的聯系和區(qū)別。的基本概念，弄清二者間的聯系和區(qū)別。 （3）第三章）第三章 上覆巖層運動和發(fā)展的基本規(guī)律。掌握上覆巖層運動上覆巖層運動和發(fā)展的基本規(guī)律。掌握上覆巖層運動和破壞的基本形式、上覆巖層沿縱向、采場推進方向的運動規(guī)律。和破壞的基本形式、上覆巖層沿縱向、采場推進方向的運動規(guī)律。Ground Pressure and Strata Control資源與環(huán)境工程學院資源與環(huán)境工程學院- -資源工程資源工程1 1系系2022-3-327 緒論緒論 （5）第五章）第五章 回采工作面頂板控制設

23、計。了解常用支架工作特性、支架實回采工作面頂板控制設計。了解常用支架工作特性、支架實際支撐能力的影響因素，理解控制設計的要求與目標，掌握頂板控制設計的際支撐能力的影響因素，理解控制設計的要求與目標，掌握頂板控制設計的一般方法與步驟。一般方法與步驟。 （6）第六章）第六章 綜采放頂煤采場礦壓控制。了解放頂煤采場礦壓顯現特點，綜采放頂煤采場礦壓控制。了解放頂煤采場礦壓顯現特點，理解與掌握放頂煤采場頂板結構及其控制方法。理解與掌握放頂煤采場頂板結構及其控制方法。 （7）第七章）第七章 礦柱支護采礦法的圍巖控制。掌握礦柱支護采礦法的應用范礦柱支護采礦法的圍巖控制。掌握礦柱支護采礦法的應用范圍和支護結構組成，理解礦柱支護能力的分析方法，了解對此類采礦方法的圍和支護結構組成，理解礦柱支護能力的分析方法，了解對此類采礦方法的巖體控制技術。巖體控制技術。 （8）第八章）第八章 采場周圍巷道礦壓控制。了解采場周圍應力分布規(guī)律，理解采場周圍巷道礦壓控制。了解采場周圍應力分布規(guī)律，理解回采巷道不同階段變形與破壞的規(guī)律，掌握合理巷道位置選擇與合理開掘時回采巷道不同階段變形與破壞的規(guī)律，掌握合理