采場支承壓力分布

采場支承壓力分布第1頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四巷道開掘的合理位置和開掘時間的選擇、底板巷道合理位置與維護等巷道礦壓控制設(shè)計，采場頂板來壓預測預報等問題，其共同點都是依據(jù)采場支承壓力分布及其傳播規(guī)律，特別是煤體上支承壓力高峰位置以及內(nèi)外應力場的分布范圍等。煤體上支承壓力分布特征的監(jiān)測內(nèi)容為：1、內(nèi)應力場形成前后支承壓力高峰位置；2、支承壓力影響范圍；3、最大應力集中系數(shù)；4、內(nèi)應力場范圍和穩(wěn)定時間。

第2頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四4.1支承壓力分布與顯現(xiàn)的動態(tài)變化規(guī)律圖4.1側(cè)向支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律

1、2、3、……7－分別為對應動態(tài)儀的動態(tài)曲線第3頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四4.2監(jiān)測方法支承壓力現(xiàn)場測定主要是確定其分布特征，如分布范圍、高峰位置、低應力區(qū)范圍等重要的特征參數(shù)，這些重要的特征參數(shù)也正是有關(guān)礦山壓力控制設(shè)計的依據(jù)。本節(jié)主要介紹幾種現(xiàn)場常用的支承壓力分布特征的監(jiān)測方法。第4頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四（1）鉆孔液壓枕法

該方法是利用鉆孔液壓枕（油枕應力計）測量煤體的相對應力變化。采用鉆孔測力計測定支承壓力分布特征的關(guān)鍵是測力計的預緊，否則只能給出很低的壓力變化或根本測不出壓力。測力計的預緊一般通過楔體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，第5頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四1—液壓囊；2—壓力表；3—外楔體；4—內(nèi)楔體第6頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四安裝時，先在孔底裝入一木質(zhì)墊塊，將外楔體3伸至最長，將應力計置于孔內(nèi)，串接折裝桿，將應力計送到孔底，敲擊拆裝桿尾端使楔體與孔壁撐緊，用手壓油泵通過三通閥將應力探頭加壓至5MPa左右，關(guān)閉三通閥，拆除手壓泵。第7頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四油枕應力計的測點布置，在開采前，從距切眼50m~100m開始，每隔10m~20m由兩順槽巷道向煤體鉆水平孔?？咨钜话?m~10m。每個觀測階段每側(cè)巷道內(nèi)的鉆孔數(shù)不應少于3個~5個。鉆孔的方向也可根據(jù)觀測需要確定。第8頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四圖4.3應力計測孔布置示意圖

第9頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四（2）鉆屑法

鉆屑法根據(jù)鉆孔過程中單位孔深排出煤屑的重量、體積和粒度組成等來判斷采煤工作面煤體應力是一種簡便方法。排出煤屑的狀況，一方面與鉆孔的幾何尺寸有關(guān)，另一方面與煤體內(nèi)應力狀況有關(guān)，在應力作用下鉆孔發(fā)生收縮變形，使鉆孔的煤屑量和粒度組成發(fā)生改變。該方法是用手持式電鉆垂直煤壁打眼，鉆孔深5m～8m，在鉆孔過程中，收集鉆出的煤屑，每鉆進一米測量一次煤屑重量和體積及用3mm篩子測粒度組成。第10頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四圖4.4煤屑重量與鉆孔深度得實測曲線

圖中鉆孔排出的煤屑重量與煤壁內(nèi)應力增高有明顯變化關(guān)系。同時，鉆孔排出的煤屑體積和煤屑粒度大于3mm組成百分數(shù)也有相同的變化規(guī)律。

第11頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四（3）鉆孔鋼弦測力計法鉆孔鋼弦測力計方法同鉆孔液壓枕監(jiān)測支承壓力分布特征的原理相同，主要差異在于傳感原理不同。

圖4.5鋼弦式測力計結(jié)構(gòu)

1—支撐；2，6—導軌；3—楔塊；4—金屬彈性筒；5—振弦；單位mm

第12頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四其工作原理是：鉆孔圍巖內(nèi)應力變化使金屬彈性筒受力變形，通過振弦的弦振頻率變化進行測量。鋼弦長19mm，弦直徑為0.23mm，對弦的要求是均勻、彈性好、抗疲勞性能好，為此須作嚴格的老化處理。測力計安裝在直徑為37mm的鉆孔內(nèi)，依靠楔塊3緊壓鉆孔巖壁。使之具有一定的初始安裝應力。第13頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四（4）超前巷道位移法①原理支承壓力的存在是絕對的。支承壓力顯現(xiàn)是支承壓力的作用結(jié)要，其形式和程度是相對的。只有當煤體進入塑料破壞狀態(tài)后才會發(fā)生明顯的顯現(xiàn)，支承壓力顯示的基本規(guī)律如圖4.6所示。煤壁不出現(xiàn)非彈性區(qū)，壓力分布呈高峰在煤壁的負指數(shù)曲線，相應的支承壓力顯現(xiàn)按同樣的趨勢分布，支承壓力與顯現(xiàn)成正比關(guān)系；煤壁出現(xiàn)非彈性區(qū)后，顯現(xiàn)與壓力的分布規(guī)律不盡相同，顯現(xiàn)仍是一條高峰在煤壁單調(diào)下降曲線，彈性區(qū)內(nèi)顯現(xiàn)與壓力成對應關(guān)系，非彈性區(qū)，顯現(xiàn)與壓力變化趨勢相反。第14頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四圖4.6支承壓力及其顯現(xiàn)分布曲線

第15頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四②測區(qū)布置與監(jiān)測方法超前巷道位移監(jiān)測支承壓力分布特征，在采場前方布置儀器觀測是位移信息的變化過程，實現(xiàn)支承壓力顯現(xiàn)分布特征的測定。測區(qū)布置可以與頂板運動監(jiān)測類似，在巷道內(nèi)等間距安設(shè)5-7臺位移計，間距3m-5m，當靠近煤壁的位移計距煤壁2m左右時移至前方，監(jiān)測頂?shù)装逡平亢鸵平俣取Ｒ话闱闆r下，每隔2小時觀測一次讀數(shù)。也可以在支承壓力影響范圍外的回采道內(nèi)布置固定測站，監(jiān)測采場推進過程中（逼近測站過程中）的移近速度變化，得到距煤壁不同距離的移近速度曲線。第16頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四圖4.7實測支承壓力顯現(xiàn)曲線

圖4.7是實測回采巷道圍巖移近的變化過程。支承壓力顯現(xiàn)范圍延伸到煤壁前方40m左右，愈靠近煤壁顯現(xiàn)愈明顯。煤壁前5m范圍顯現(xiàn)特別強烈，為非彈性區(qū)。

第17頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四（4）側(cè)向聯(lián)絡(luò)巷位移法側(cè)向聯(lián)絡(luò)巷位移法是在順槽一側(cè)設(shè)置一條巷道監(jiān)測線，如圖4.8所示。觀測開采前后傾向支承壓力分布狀態(tài)。圖4.8測區(qū)布置

第18頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四圖4.9支承壓力顯現(xiàn)變化

第19頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四圖4.9為實測側(cè)向巖梁斷裂（斷裂線距煤壁4.5m）后，外應力場壓力顯現(xiàn)變化。（1）工作面推過觀測巷8m（L＝-8m）時，6m點出現(xiàn)峰值，說明外應力場高峰支承壓力已自斷裂線附近向前轉(zhuǎn)移；（2）當工作面推過觀測巷16m（L＝-16m）時，10m點又出現(xiàn)峰值，顯然高峰支承壓力轉(zhuǎn)移到該處。此后，壓力顯現(xiàn)下降并趨于平穩(wěn)。由此可見，沿傾向高峰支承壓力距煤壁10m左右。通過采場動態(tài)綜合觀測，得到采場基本頂巖梁沿傾向運動穩(wěn)定后的狀態(tài)及支承壓力分布狀況如圖4.10所示；第20頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四圖4.10支承壓力分布實測圖

第21頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四圖4.11實測P.H～S#6曲線

第22頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四圖4.11為實測開采上部煤層（6#煤層）時，對下部煤層（8#煤層）工作面兩側(cè)支承壓力的影響范圍（在側(cè)向巷道中測）從各測點的壓力和下沉曲線變化可見，除P1的最大壓力為98kN外，其余各點壓力和下沉都是緩慢遞增。顯然，當6#煤層開采時，在工作面兩側(cè)的影響范圍對8#煤層應在17m以內(nèi)（測點Ⅰ距順槽17m左右）。第23頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四沖擊地壓的監(jiān)測方法

1、對比法對比法就是基于相似條件下對沖擊前兆進行歸類，一般應考慮下列因素：本礦和鄰礦的沖擊地壓現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢；本煤層或鄰層、鄰區(qū)已發(fā)生過的沖擊地壓；頂板為單軸抗壓強度大于70MPa的堅硬巖層；島形或半島形煤柱；支承壓力影響區(qū)；上部或下部遺留煤柱或回采邊界；煤層厚度或傾角突然變化；褶曲或斷裂構(gòu)造帶等。在了解上述因素后，根據(jù)已發(fā)生的沖擊地壓的開采條件、地質(zhì)構(gòu)造特點，以及對煤層的區(qū)域了解程度，可對煤層沖擊地壓前兆信息進行識別，又稱為相似性識別。第24頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四用對比法進行沖擊前兆信息的識別，必須了解以下內(nèi)容：（1）煤巖層賦存特點煤巖層賦存特點包括：煤層埋深、頂?shù)装鍒杂矌r層、煤巖力學性質(zhì)、斷層、褶曲區(qū)域的開采沖擊地壓顯現(xiàn)特征。隨著開采深度的延深，當煤巖體應力滿足強度條件時就可能發(fā)生沖擊地壓。不同的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，沖擊地壓的始發(fā)深度不一樣，自始發(fā)深度起，沖擊地壓就有可能在煤柱、煤層凸出的部位和鄰近煤柱的上下煤層區(qū)段發(fā)生。隨著開采水平的延深，沖擊地壓發(fā)生的地點和范圍也隨之擴大。因此，根據(jù)相同地質(zhì)條件的淺部沖擊地壓的前兆信息，對相似條件的深部沖擊地壓的前兆信息進行識別。第25頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四（2）開采參數(shù)開采參數(shù)包括：相鄰煤層中的殘留煤柱和開采邊界影響的范圍及強度；回采工作面推進到巷道、采空區(qū)、斷層、褶曲帶的時間；采煤方法、頂板控制方法、沖擊巖層、相鄰煤層中的回采工作面相互位置；回采速度及工作面長度等。第26頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四2鉆屑法鉆屑法是通過在煤層中鉆小直徑鉆孔（直徑42mm~50mm），根據(jù)鉆孔在不同深度排出的煤粉量及其變化規(guī)律以及有關(guān)動力現(xiàn)象判斷沖擊危險的一種方法。為了及時客觀地評價采掘地點的沖擊危險程度，必須適時確定支承壓力帶峰值大小和位置。峰值愈大、距煤壁距離愈近，沖擊危險程度就愈大。但直接測定煤層應力相當困難，一般多采用相對評價的方法。第27頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四鉆屑法的原理就是通過測量鉆孔煤粉量的大小以確定相應的煤體應力狀態(tài)，因此，研究煤粉量與煤體應力之間的定量關(guān)系是實施這種方法的理論基礎(chǔ)，也是近代巖體力學的一個新課題——煤體鉆孔力學的主要內(nèi)容。因內(nèi)外不少學者進行了理論分析、室內(nèi)模擬和實測試驗。此外，若將煤粉鉆孔視為在沖擊危險區(qū)開掘了一個微型巷道，則制造煤粉鉆孔，就猶如規(guī)?？s小了的沖擊地壓模擬試驗。打鉆時鉆孔沖擊、粒度、推進時間和推進力的變化以及鉆桿被夾持等有關(guān)動力效應，亦有可能成為鑒別沖擊危險的依據(jù)。第28頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四在煤體中打鉆至一定深度后，鉆孔周圍煤體將逐漸達到極限應力狀態(tài)，如圖1所示?？妆诓糠置后w可能突然擠入孔內(nèi)，并伴有不同程度的響聲和微沖擊；打鉆過程中鉆具的推進情況也會發(fā)生變化，或鉆進容易，或出現(xiàn)卡鉆甚至將鉆卡死。出現(xiàn)這些變化的原因是鉆孔周圍煤體變形和脆性破碎所致。煤層中的應力愈大，煤的脆性破碎愈占優(yōu)勢。在鉆孔的B段，孔周煤體處于極限應力狀態(tài)，打鉆過程中鉆屑量異常增多，鉆屑粒度增大，響聲和微沖擊強度升高，孔徑擴大，這就是所謂的鉆孔效應。粒度增大和鉆進容易，是因為在高應力作用下打鉆幾乎不需要鉆頭參與煤體就自動破碎，勿需推力，研磨也小，造成鉆屑塊度變大。只要出現(xiàn)這種鉆孔效應，就意味著應力集中帶的出現(xiàn)。在應力集中帶鉆孔，鉆屑量異常多，鉆孔沖擊更強烈，鉆孔周圍破碎帶不斷擴大。這也是鉆孔卸壓的根據(jù)所在。第29頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四圖1鉆孔效應示意圖

第30頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四3地球物理法地球物理方法是利用巖體自然或人為激發(fā)的物理場監(jiān)測巖體的動態(tài)變化，沖擊地壓的監(jiān)測可以采用地球物理方法。目前采用的主要方法有：微震法、AE法、電磁輻射法等。第31頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四（1）微震法采礦微震主要是記錄礦山震動，對其進行有目的的解釋、分析記錄的信息，達到對沖擊地壓進行預測和預報的目的。①微震法監(jiān)測沖擊地壓的機理沖擊地壓是應力高度集中的結(jié)果。由于巷道和工作面煤體的受力由表面到煤體深部應力不斷增大，利用微震信息，包括微震的類型、次數(shù)、震級等，揭示這些信息的顯現(xiàn)規(guī)律，就可以對未來沖擊地壓的強度、發(fā)生地點進行預測。第32頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四②微震監(jiān)測系統(tǒng)我國目前有WJD-1和從波蘭引進的SYLOK微震監(jiān)測系統(tǒng)。微震系統(tǒng)由三個部分組成，如圖2。

圖2微震監(jiān)測裝置

第33頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四（a）信號傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括拾震儀、傳輸電纜和接收箱，可接收傳播8路微震信號。微震儀頻帶寬0.1Hz~50Hz，最大傳輸距離10km。（b）信號處理系統(tǒng)。在可編程序支持下，由計算機完成全部處理工作，并對全部信息進行存儲，并可以調(diào)出多次震動參數(shù)進行計算、機制測定和頻譜分析等。（c）模擬記錄系統(tǒng)。實時記錄8路模擬震相，可以粗略定位和確定震源性質(zhì)。第34頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四③沖擊地壓發(fā)生次數(shù)與震級的關(guān)系式中N—沖擊地壓的頻次，大于某一沖擊地壓震級的次數(shù)；M—沖擊地壓次數(shù)；a，b—常數(shù)。

第35頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四（2）AE法利用煤體的聲發(fā)射（AcousticEmission，簡稱AE）特征進行沖擊地壓的預報是主要預報方法之一。AE監(jiān)測方法是在監(jiān)測區(qū)內(nèi)布置AE探頭，由監(jiān)測裝置連續(xù)自動采集AE信號，經(jīng)實時處理加工成報告、圖表。通過對數(shù)據(jù)進行整理分析，判斷監(jiān)測區(qū)域的沖擊危險程度。第36頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四圖3MA0104EAE監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

第37頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四①AE監(jiān)測系統(tǒng)圖3為AE監(jiān)測系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)硬件由通用微機系統(tǒng)和信號采集傳輸系統(tǒng)組成。通用微機系統(tǒng)由計算機、打印機、模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置組成；信號采集與傳輸由AE探頭、發(fā)送器、信號傳輸電纜、接收器等組成。系統(tǒng)采用積木式結(jié)構(gòu)，可配1個~4個接受儀，每個接受儀可接4路AE探頭，每個探頭有效接受范圍為20m~100m。第38頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四②AE監(jiān)測系統(tǒng)的布置AE探頭的布置應注意待測范圍不能超過其有效接受半徑，根據(jù)不同生產(chǎn)、地質(zhì)條件及監(jiān)測目的布置探頭。圖4為工作面與巷道進行AE監(jiān)測的典型布置形式。

圖4典型的地音探頭布置形式a—工作面的布置形式；b—巷道的布置形式；1—已布置探頭；2—待布置探頭

第39頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四③AE監(jiān)測系統(tǒng)的應用圖5為門頭溝煤礦AE監(jiān)測能率變化曲線，在臨近沖擊前，能率出現(xiàn)明顯上升。圖5典型地音能率變化曲線

第40頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四另外，還有流動AE監(jiān)測法，屬于非連續(xù)的監(jiān)測方法，一般與煤粉鉆孔法結(jié)合使用，能提高沖擊地壓預測的準確性。第41頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四（3）電磁輻射法①煤體破壞時將產(chǎn)生電磁輻射現(xiàn)象。圖6為煤體典型應力-時間、電磁輻射（EME）脈沖數(shù)-時間、電磁輻射幅值一時間曲線圖。（a）不同類型的煤體在載荷作用下的變形及破裂過程中都有聲發(fā)射和電磁輻射信號發(fā)生。在煤體的受載荷變形破裂過程中，電磁輻射基本上隨著載荷的增大而增強，隨著加載及變形速率的增加而增強。（b）從煤的變形破壞試驗結(jié)果來看，煤試樣在發(fā)生沖擊性破壞以前，電磁輻射強度較穩(wěn)定，而在擴容突變階段，電磁輻射強度出現(xiàn)突變。（c）煤巖體電磁輻射的脈沖數(shù)隨著擴容突變過程的增大而增大。進入擴容突變后，即煤體的變形破裂強烈，電磁輻射信號也越強。第42頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四第43頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四②電磁輻射預測沖擊地壓的原理。煤體是典型的非均質(zhì)材料，在外力作用下，其內(nèi)部顆粒之間的強度與變形有著顯著的差異，煤體內(nèi)部的應力與應變的分布是不均勻的。當煤體發(fā)生不均勻應變時，會在內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，壓縮區(qū)域的電荷密度升高，而低應力區(qū)的電荷密度降低，導致電荷由高密度區(qū)向低密度區(qū)運動。第44頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四（4）頂板動態(tài)法頂板動態(tài)的前兆主要是通過監(jiān)測頂板的運動狀態(tài)、支承壓力顯現(xiàn)范圍及峰值位置來預測沖擊危險。沖擊