礦山壓力與巖層控制課件

礦山壓力與巖層控制電子教案2/6/20231

緒論1.1與礦山壓力有關(guān)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50%以上，死亡人數(shù)所占比重超過30%以上，每年頂板事故影響的產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的5%，達到3000萬t至4000萬t的巨大數(shù)字。圖1.1中國煤礦安全事故比例圖1.2中國煤礦死亡人數(shù)比例2/6/20232

緒論年份傷亡總起數(shù)傷亡總?cè)藬?shù)其中冒頂運輸機電爆破透水其他起數(shù)人數(shù)起數(shù)人數(shù)起數(shù)人數(shù)起數(shù)人數(shù)起數(shù)人數(shù)起數(shù)人數(shù)1994294014232233223555199532361920112211475519962835172211111167231997213191311111151144199817209911221123241999232511111111224446200015183522113466200117255811135855200222286711251315合計2292881101388814141214386047542/6/20233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(yīng)力場應(yīng)力的大小和分布條件有機地聯(lián)系在一起。

圖1.3與巖層運動相關(guān)事故機理

緒論2/6/20234沖擊地壓承受巨大地壓的頂板突然斷裂所造成的破壞巖石位能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽芏鴰淼臎_擊地壓。

緒論2/6/20235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。

圖1.5廣東興寧一煤礦發(fā)生透水事故示意圖圖1.6四川廣安礦井透水事故示意圖

緒論2/6/20236（1）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(shè)計缺少基礎(chǔ)；（2）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；（3）沒有更好地揭示支架-頂板運動間的關(guān)系，正確合理選擇控制方案。

緒論頂板事故頻發(fā)的基本原因：2/6/20237

緒論1.2礦山壓力與巖層控制研究的主要任務(wù)

（1）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(yīng)力（包括應(yīng)力大小及方向等）及其發(fā)展變化的規(guī)律。該應(yīng)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(xiàn)的條件。

（2）研究采場支架上顯現(xiàn)的壓力及其控制方法。包括壓力的來源、壓力大小及與上覆巖層運動間的關(guān)系、正確的控制設(shè)計方法等。2/6/20238（4）控制采動巖層活動的主要因素分析。從復(fù)雜的采動巖層活動中建立采動巖層的結(jié)構(gòu)力學(xué)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)描述。（5）深部開采時采場支承壓力分布、巖層結(jié)構(gòu)及運動特點、圍巖大變形的控制機制等。

緒論（3）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(shè)備上的壓力大小及其影響因素等。2/6/20239

緒論1.3礦山壓力與巖層控制研究的回顧1.3.1掩護“拱”假說①采動形成的工作空間是在“拱”結(jié)構(gòu)掩護之下；②“拱”結(jié)構(gòu)承擔(dān)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(yīng)力，該應(yīng)力是煤及巖層破壞的原因，也是“拱”結(jié)構(gòu)本身向外擴展的條件；③采場空間的支護僅承受拱內(nèi)已破壞巖層的巖重，支架是在由“拱”的結(jié)構(gòu)尺寸所圈定的破碎巖石荷重下工作。2/6/202310

緒論圖1.7自然平衡拱（1）自然平衡拱假說（普氏假說）

巷道開掘后，已采空間上部巖層將逐步破損成拱的形狀。這個拱是自然形成的。拱的高度h是巖層的巖石強度和巷道寬度b的函數(shù)：2/6/202311

緒論

當(dāng)R和b已知，即可按上述二式計算出掩護拱的高度h，從而可以推算出拱所包圍的破碎巖石的面積A及相應(yīng)的巖石重量，據(jù)此即可確定巷道支護所需的反力。適用條件：普氏拱假說適用于確定強度不高（f=5~6），開采深度不是很大的巷道支護反力。優(yōu)點：應(yīng)用簡便。缺點：①沒有深入研究圍巖中應(yīng)力分布和穩(wěn)定的條件；

②不能解釋采場礦壓顯現(xiàn)的周期性變化規(guī)律。

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緒論圖1.8工作面推進中的自然平衡拱

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緒論（2）壓力拱假說

圖1.9Φ.許普魯特壓力拱假

說模型

壓力拱跨越整個采場，前后拱腳分別座落在未采動的煤層和采空區(qū)的矸石上。2/6/202314

緒論

①壓力拱切斷了拱內(nèi)外巖體間力的聯(lián)系，承擔(dān)了上部巖層的重量，并將其轉(zhuǎn)遞至拱腳，從而形成支承壓力；優(yōu)點：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因。

②采場支架僅僅承擔(dān)拱內(nèi)（即控頂區(qū)以上至拱邊界處）巖石的重量，支架是在一定的載荷條件下工作，支架上顯現(xiàn)的壓力大小與本身的承載能力及其力學(xué)特性無關(guān)。壓力拱假說的主要假設(shè)：2/6/202315

緒論假說存在的缺陷：

①沒有明確壓力拱的性質(zhì)及其與巖層運動發(fā)展間的關(guān)系。因此，這個壓力拱始終是一個邊界無法確定的模糊概念，即無法找到采場支架需要控制的具體巖層范圍；

②假說沒有正確的揭示采場支架與圍巖間的力學(xué)關(guān)系，無法解釋采場支架上顯現(xiàn)的壓力往往與支架本身力學(xué)特性有關(guān)的現(xiàn)象。2/6/202316

緒論1.3.2掩護“梁”假說

①采場是在一系列“梁”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，從而形成支承壓力

④支架作用在于防止已碎巖體垮落和保持結(jié)構(gòu)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。

③支架可能在由已破壞的巖石重力所“給定”的“一定載荷條件下”工作，也可能在由巖梁的沉降所決定的“一定變形條件下”工作。

②“梁”的破壞（冒落）和沉降是采場支架上壓力顯現(xiàn)的根源2/6/202317

緒論（1）“懸臂梁”假說懸臂梁連續(xù)梁優(yōu)點：奠定了掩護梁假說的發(fā)展。缺點：“懸臂梁”的巖層組合條件；沒有從理論上和方法上解決生產(chǎn)現(xiàn)場找到懸臂梁范圍；沒有研究采場圍巖中的應(yīng)力；不能對采場上覆巖層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)作出更全面的描述。

2/6/202318（2）“預(yù)生裂隙梁”假說低應(yīng)力區(qū)高應(yīng)力區(qū)假塑性變形區(qū)優(yōu)點：煤層超前破壞以及臨近采場的部分巖層出露前可能預(yù)先產(chǎn)生裂隙這一點，已經(jīng)為實踐所證實。缺點：不考慮煤層條件和開采技術(shù)條件，也不問巖層強度高低，一律用預(yù)生裂隙假說去推斷采場上覆巖層破壞的情況是錯誤的。

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緒論1.3.3鉸接巖塊假說無規(guī)則垮落帶

有規(guī)則垮落帶

鉸接巖梁

缺點：未能將采場頂板控制設(shè)計提高到科學(xué)定量的程度

優(yōu)點：相當(dāng)深入的研究和揭示了采場支架與圍巖間的部分關(guān)系。為采場頂板控制設(shè)計提供了重要依據(jù)。

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緒論1.3.4砌體梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型與關(guān)鍵層理論（1）砌體梁模型（礦大錢鳴高院士）在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，在一定條件下能夠形成外表似梁實則為半拱的平衡結(jié)構(gòu)。形狀如砌體--砌體梁。2/6/202321

緒論

采動后巖體內(nèi)形成的砌體梁是一個大結(jié)構(gòu)，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(guān)鍵巖塊。關(guān)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(yīng)重點分析關(guān)鍵塊的平衡關(guān)系。砌體梁關(guān)鍵塊的滑落和回轉(zhuǎn)變形（“S—R”）穩(wěn)定條件。2/6/202322

緒論（2）關(guān)鍵層理論

某些較為堅硬的厚巖層在活動中起控制作用，即起承載主體與骨架作用；有些較為軟弱的薄巖層在活動中只起加載作用，其自重大部分由堅硬的厚巖層承擔(dān)。在巖體活動中起主要控制作用的巖層稱為關(guān)鍵層。

關(guān)鍵層定義：在采場上覆巖層中存在多個巖層時，對巖體活動全部或局部起控制作用的巖層稱為關(guān)鍵層。2/6/202323

緒論

關(guān)鍵層判別的主要依據(jù)：變形和破斷特征，在關(guān)鍵層破斷時，其上部全部巖層或局部巖層的下沉變形是相互協(xié)調(diào)一致的，關(guān)鍵層的斷裂將導(dǎo)致全部或相當(dāng)部分的上覆巖層產(chǎn)生整體運動，從而引起明顯的巖層運動和礦壓顯現(xiàn)。關(guān)鍵層由其巖層厚度、強度和載荷大小而定。2/6/202324

緒論1.3.5以巖層運動為中心的礦山壓力理論宋院士--以上覆巖層運動為中心的礦山壓力理論（“傳遞巖梁”理論）。明確礦山壓力與礦山壓力顯現(xiàn)的概念和關(guān)系上覆巖層運動和發(fā)展的基本規(guī)律

采場礦山壓力與礦山壓力顯現(xiàn)和上覆巖層運動間的關(guān)系

回采工作面頂板控制設(shè)計

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緒論1.4本課程的主要研究內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法（1）第一章緒論。了解礦山壓力研究的任務(wù)、發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，掌握“傳遞巖梁理論的主要研究內(nèi)容，了解礦山壓力研究方法。（4）第四章采場礦山壓力顯現(xiàn)與上覆巖層運動間的關(guān)系。掌握確定直接頂、老頂?shù)姆椒ㄅc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。（2）第二章礦山壓力及礦山壓力顯現(xiàn)。建立“礦山壓力”及“礦山壓力顯現(xiàn)”的基本概念，弄清二者間的聯(lián)系和區(qū)別。（3）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。2/6/202326

緒論（5）第五章回采工作面頂板控制設(shè)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(shè)計的要求與目標(biāo)，掌握頂板控制設(shè)計的一般方法與步驟。（6）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(xiàn)特點，理解與掌握放頂煤采場頂板結(jié)構(gòu)及其控制方法。（7）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(yīng)用范圍和支護結(jié)構(gòu)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(shù)。（8）第八章采場周圍巷道礦壓控制。了解采場周圍應(yīng)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間的確定方法，掌握錨桿支護等設(shè)計方法。2/6/202327

緒論（9）第九章沖擊地壓及其監(jiān)測。理解沖擊地壓發(fā)生的原因、機理，沖擊地壓預(yù)測方法，掌握防治沖擊地壓的技術(shù)措施。（10）第十章常規(guī)礦山壓力監(jiān)測技術(shù)。了解礦山壓力監(jiān)測常用儀器，掌握單體液壓支柱工作