礦山壓力基本理論與基本規(guī)律

1、礦山壓力基本理論與基本規(guī)律第一節(jié) 采空區(qū)上方巖層移動第二節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)基本規(guī)律第三節(jié) 采區(qū)巷道礦山壓力顯現(xiàn)基本規(guī)律1 兩個基本概念及其關(guān)系： 1、礦山壓力: 開采后，促使圍巖向已采空間運動的力。 2、礦山壓力顯現(xiàn) : 由于受到礦山壓力作用，在采場或巷道中表現(xiàn)出來的支架受力，巷道變形等現(xiàn)象。 3、相互關(guān)系: 礦山壓力是基礎(chǔ)，礦壓顯現(xiàn)是表現(xiàn)。2礦山壓力3礦山壓力顯現(xiàn)4 第一節(jié) 采空區(qū)上方巖層移動 一、采空區(qū)上方的巖層移動 1、冒落帶:不規(guī)則垮落，排列不整齊，碎漲系數(shù)大 2、裂隙帶：破斷后排列整齊的巖塊，碎漲系數(shù)小 3、 緩沉帶：沒有明顯的破斷，巖層呈整體或分層整體沉降。56二、砌體梁假

2、說 砌體梁假說是中國礦業(yè)大學(xué)錢嗚高教授在前蘇聯(lián)學(xué)者庫茲涅佐夫教授的鉸接巖塊假說的基礎(chǔ)上根據(jù)相似模型實驗和現(xiàn)場實測，運用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法得到了采場上覆巖層的平衡和失穩(wěn) 條件，從而提出了“砌體梁”假說。7 砌體梁假說認(rèn)為，在老頂巖梁達(dá)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(zhuǎn) 時能形成擠壓，由于巖塊間的水平力以及相互間形成的摩擦力的作用，在一定條件下能夠形成外 表似梁實則為半拱的結(jié)。這種平衡結(jié)構(gòu)形如砌體，故稱之為砌體梁。8砌體梁假說9四、傳遞巖梁假說 傳遞巖梁假說于1978年由山東科技大學(xué)宋振騏教授根據(jù)現(xiàn)場實測資料提出的。該假說首先與眾不同地建立了直接頂

3、與老頂兩個基本概念。 10 直接頂：在采空區(qū)已經(jīng)冒落的巖層總和，由于它們不能長久地保持向煤壁前方傳遞力的聯(lián)系，因此其作用力必須由支架全部承擔(dān)。 老頂：由鄰近采場的一部分傳遞巖梁組成，該部分巖梁的運動對采場礦壓顯現(xiàn)有明顯的影響。11傳遞巖梁假說12 老頂巖梁的結(jié)構(gòu)采用了“傳遞巖梁”的概念，它包括下列含義：(1)該巖梁是由同時運動(或近似于同時運動)因而對礦壓顯現(xiàn)同時有明顯影響的巖層組合而成。(2)該巖梁在采場推進過程中，無論是在相對穩(wěn)定階段，還是進入顯著運動的階段，都能在工作面推進方向上始終保持傳遞力的聯(lián)系，從而能將其作用力傳遞至煤壁前方和采空區(qū)已冒落的矸石之上。13由于采場不斷推進，采場礦山壓

4、力及其顯現(xiàn)總是在不斷發(fā)展變化之中。因此宋振騏教授建議研究的重點不僅是某一時刻瞬間值的大小，而是礦壓的發(fā)展變化規(guī)律及其與上覆巖層運動的關(guān)系。解決了這個問題，則能通過礦壓顯現(xiàn)推測上覆巖層的運動，預(yù)測采場來壓的時刻和強度，解決開采設(shè)計，生產(chǎn)管理等問題。141、對采場礦壓顯現(xiàn)有顯著影響的巖層組成及其運動特征當(dāng)工作面足夠長時，傳遞巖梁(以下簡稱巖梁)第一次來壓步L0為：15巖梁的周期來壓步距Ci為：162采場來壓時刻支架與圍巖的關(guān)系 老頂來壓沉降至某一狀態(tài)(hi)時直接頂板給支架的作用力Pz由下式近似表出： 17式中，mz直接頂厚度； Tz 直接頂平均容重； LK 工作面控頂距； hi 控頂距處頂板下沉

5、量； fz考慮直接懸露的支架合力作用點位置差異的力矩系數(shù)一般可將直接頂對支架的作用看成是與位態(tài)無關(guān)的常數(shù)，即 Pz=mzzfz18老頂對支架的作用有兩種情況： (1) “給定變形”情況：即巖梁的位態(tài)未受到支架的限制，頂板下沉量由自身強度和兩端支承情況決定。 hi= hA式中， hA 控頂距處巖梁最終沉降值。19 此時支架承受的老頂作用力Pz為：式中，ET支架剛度。 上式表明老頂給支架的作用力與支架剛度有關(guān) 20 (2) “限定變形”情況：即巖梁的位態(tài)由支架的阻力限定，也即 hi= hT hT= hA式中， hT要求控制的頂板下沉量。21此時老頂對支架的作用力可由下式近似地表出22式中，mE巖梁

6、厚度； mz巖梁容重； Cz巖梁周期來壓步距； KT考慮支架承擔(dān)巖梁重量比例系數(shù)，一般按KT=2考慮。23其中，支架按“給定變形”方案工作時：該工作方案的頂板下沉量和支架承載能力設(shè)計范圍為： hi=hA 支架按“限定變形”工作方案時：24該方案支架的工作范圍為：其中， 顯然“限定變形”工作條件下公式表達(dá)的支架圍巖關(guān)系是一條起于點 (hA，Pmin)，終于點(hmin，Pmax)的雙曲線。25 該假說以大量的現(xiàn)場實測資料為基礎(chǔ)，從實踐中來到實際中去，密切地聯(lián)系礦山現(xiàn)場生產(chǎn)實際，因此在現(xiàn)場中擁有為數(shù)眾多的支持者，以傳遞巖梁的運用和發(fā)展為理論基礎(chǔ)提出的采場來壓預(yù)報對于采場頂板管理有重要的指導(dǎo)意義，所

7、建立的巖體結(jié)構(gòu)模型能夠?qū)υS多礦壓現(xiàn)象進行解釋，這些都無疑有其合理的因素。26第二節(jié) 采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)基本規(guī)律一、工作面周圍支承壓力分布（一） 周圍應(yīng)力分布272829二、頂板的初次來壓和周期來壓 （一）直接頂?shù)某醮慰迓洌褐苯禹數(shù)牡谝淮蚊奥洹?（二）老頂?shù)某醮蝸韷海豪享數(shù)牡谝淮蚊奥湟鸬墓ぷ髅骓敯鍓毫Α?（三）老頂?shù)闹芷趤韷海豪享數(shù)闹芷谛钥迓湟鸬墓ぷ髅骓敯鍓毫Α?0三、影響礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素 （一）地質(zhì)因素 1、斷層與褶曲 2、擠壓帶與破碎帶 3、節(jié)理、裂隙 4、煤層傾角31（二）影響礦山壓力的生產(chǎn)技術(shù)因素 1、開采深度 2、上部煤層殘留煤柱 3、工作面推進速度 4、采高與控頂距32

8、第三節(jié) 采區(qū)巷道礦山壓力顯現(xiàn)基本規(guī)律一、掘進巷道引起的圍巖應(yīng)力1）未經(jīng)采動的巖體、或離采動較遠(yuǎn)的煤巖體，承受原始應(yīng)力，煤巖體應(yīng)力狀態(tài)為彈性應(yīng)力狀態(tài)2）開掘引起應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生次生應(yīng)力3）次生應(yīng)力超過煤巖體的強度，煤巖體產(chǎn)生變形和破壞，煤巖體應(yīng)力狀態(tài)為塑性應(yīng)力狀態(tài)或破裂狀態(tài)33343536 巷道的穩(wěn)定性和周邊位移主要取決于巖層的原始應(yīng)力P，反映巖石強度性質(zhì)的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力c，巷道支護阻力Pi和半徑a等。 （1）巷道的周邊位移，隨巷道所處的原始應(yīng)力的增大呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系迅速增長。這是巷道隨開采深度增大或受回采影響后，圍巖變形急劇增長的重要原因。 37(2)內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力越小，也就是圍巖強度愈低

9、，則周邊位移值顯著增大。（3）周邊位移與原始應(yīng)力P的關(guān)系中，指數(shù)的大小取決于、c的變化， 、c的值越小，指數(shù)越高，周邊位移增長愈加迅速。且P值愈大， 、c的影響愈大。 這是圍巖松軟巷道隨開采深度增大或受采動影響時變形量比圍巖較穩(wěn)定的巷道要大得多的原因。38二、采區(qū)巷道變形破壞的基本規(guī)律 （一）平巷沿走向的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 從巷道掘進到開采工作面完全結(jié)束，巷道被廢棄的全過程中，礦壓顯現(xiàn)要經(jīng)歷五個階段，或相應(yīng)地分為五個礦壓顯現(xiàn)帶。 39 1、巷道掘進階段 2、無采掘影響階段 3、采動影響階段 4、采動影響穩(wěn)定階段 5、二采動影響階段4041上述曲線表示兩種巷道礦壓顯現(xiàn)1）頂?shù)装逡平?/mm2）頂?shù)装?/p>

10、移近速度 /mm/d3）移近量和移近速度的峰值不在同一時刻出現(xiàn)。速度在本工作面推進影響階段出現(xiàn)，而移近量在巷道服務(wù)終了時刻出現(xiàn)。表明，礦壓顯現(xiàn)出現(xiàn)最大時并不一定對應(yīng)著最大應(yīng)力的時刻。42（二）采區(qū)斜巷沿傾斜方向的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 側(cè)幫煤體的應(yīng)力狀態(tài)劃分 1、煤體邊沿卸載帶 多數(shù)情況下13m，少數(shù)情況下46m。 2、支承壓力顯現(xiàn)帶 多數(shù)礦井15 30m，少數(shù)礦井3540m，在此范圍不宜送巷道，否則將難以維護。 3、原巖應(yīng)力帶 4、煤體應(yīng)力狀態(tài)的劃分是巷道位置選擇和開掘時間選擇的依據(jù)。4344 （三）巷道變形與破壞的基本形式 1、巷道頂板的變形與破壞 （1）頂板規(guī)則冒落 （2）頂板不規(guī)則冒落。 （3）頂板彎曲沉降 452、巷道底板的變形與破壞 （1）底板塑性膨脹。 （2）底板鼓裂 3、巷道兩幫的變形與破壞 4、其他變形與破壞三、影響巷道變形破壞的主要因素 （一）自然因素 1、圍巖性質(zhì)及其構(gòu)造對巷道變形破壞的影響46 圍巖性質(zhì)對巷道變形與破壞有