礦山壓力研究方法

礦山壓力研究方法第一節(jié)長壁工作面礦壓觀測采場礦壓觀測方法概述觀測工作面礦壓顯現(xiàn)的指標有兩類：一類是控頂區(qū)圍巖變形量和支架承載變形特征；另一類是控頂區(qū)圍巖破壞特征。前者一般稱為“三量”。后者有煤壁處切頂臺階數(shù)目與高度、煤壁片幫深度、端面頂板破碎度等，是對圍巖破壞的統(tǒng)計觀測，一般又稱為“統(tǒng)計觀測”。“三量”觀測方法是在上一個世紀二次世界大戰(zhàn)后，原蘇聯(lián)和東西歐洲的一些開采煤炭的國家廣泛發(fā)展和應用的觀測方法。六十年代初，我國在借鑒原蘇聯(lián)“三量”觀測方法的基礎上，由煤炭科學研究院制定了統(tǒng)一的觀測規(guī)范，在我國全面推廣應用?！敖y(tǒng)計觀測”是聯(lián)邦德國埃森巖石力學礦山支護研究所0.雅各畢博士在上個世紀六十年代創(chuàng)立的，并在歐共體采煤國得到廣泛應用(12-1)。1975年中國礦業(yè)大學的學者們在我國陽泉礦務局一礦綜采工作面礦壓觀測中首次應用，并迅速在我國推廣應用。二、長壁工作面“三量”觀測(一)“三量”及其測試方法⒈頂?shù)装逡平恐该禾坎沙龊?，同一測點隨開采在控頂區(qū)范圍頂?shù)装逡平怠Ｈ鐖D12-1a所示，對單體支柱工作面，是在開挖后即設置測站，量測頂?shù)装寰嚯xS0，隨工作面推進直到測站至最后一排支架處，量測頂?shù)装宓木嚯xSm，頂?shù)装逡平縎=S0－Sm，即控頂距wr范圍內的頂?shù)装?a)(b)圖12-1頂?shù)装逡平縜—量測方法；b—ADL-2.5測桿（選自1991版“礦山壓力及其控制”圖8-2）1—活柱；2—標尺；3—讀數(shù)口；4—卡環(huán)；5—彈簧；6—套管；7—固定螺釘移近值。對綜采工作面是指到液壓支架尾端的頂?shù)装逡平?。我國曾經應用最廣泛的頂?shù)装逡平苛繙y方法，是選定位置后在頂板和底板對應位置楔入木楔，用專用測桿量測（圖12-1b）。近年已有多種量測儀表可供選用。⒉支架載荷是指實測的支架所承受的載荷，包括實測的初撐力和當時支架載荷。圖12-2圓圖壓力自計儀液壓支架一般采用圓圖壓力自計儀觀測（圖12-2），可實現(xiàn)24h連續(xù)自動記錄支柱內壓力；單體液壓支柱除可采用圓圖壓力自計儀觀測外，也可采用各類測壓壓力表（圖12-3），由觀測工人按照規(guī)定的時間讀表。圖12-2測壓表⒊活柱下縮量是指支架架設后在控頂區(qū)范圍內活柱下縮的值。(二)工作面測站布置普遍采用沿工作面線方向設立上部、中部、下部3個測站。一般情況下中部測站應選在工作面線的正中，上部和下部測站分別距回風平巷和運輸平巷10~15m。每個測站內設3條測線，布置于相鄰的3架支架。如果觀測有特殊要求，可增加輔助測站。如工作面過斷層時，為了研究斷層附近礦壓顯現(xiàn)的變化，在斷層附近增設測站。一般每個測站仍需3條測線，以取得統(tǒng)計規(guī)律。(三)觀測方法規(guī)范性的礦壓觀測的目的是認識和總結工作面開采礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律，及支護結構的適應性，稱為常規(guī)礦壓觀測。一般按照規(guī)定的作業(yè)循環(huán)，在每一班固定的時間系統(tǒng)觀測1次。三、工作面控頂區(qū)圍巖破壞狀態(tài)觀測(一)控頂區(qū)圍巖破壞狀態(tài)的主要指標及測試方法⒈端面頂板破碎是指工作面前方無支護空間懸露頂板中，發(fā)生冒落的部分占整個懸露頂板的比例。如圖12-3所示，端面距就是圖中液壓支架最前方的第一接頂點到工作面煤壁與頂板的接觸點，即該支架工作面前方無支護空間懸露頂板的寬度。圖12-3端面頂板破碎度的量測方法⒉臺階數(shù)目和高度臺階是指在工作面前方無支護空間由于頂板切落形成的頂板錯落（圖12-4），頂板錯落的垂直距離稱為臺階高度。⒊片幫深度片幫是指在礦山壓力作用下煤從煤壁處片落的現(xiàn)象，片幫深度是從原煤壁線到片幫最深處的水平距離（圖12-5）圖12-4臺階數(shù)目和高度圖12-5片幫工作面測站布置圍巖破壞狀態(tài)觀測是一種統(tǒng)計觀測方法，樣本越多，統(tǒng)計結果的可信度也越高。一般情況下沿工作面線每10m布置一條測線。(三)觀測方法在我國，工作面控頂區(qū)圍巖破壞狀態(tài)觀測是工作面礦壓觀測的一方面內容，因而，它的觀測方法與組織和工作面礦壓觀測一樣。四、實例圖12-6鐵山南2111俯偽斜正臺階工作面及礦壓觀測測站布置圖鐵山南2111俯偽斜正臺階工作面采面垂高50m，斜長80m，沿傾斜劃分為5個臺階，臺階高度8m，臺階間由偽斜角35°左右的小巷聯(lián)系。工作面采用HZWA-1700型摩擦金屬支柱支護，排、柱距均為1m，最大控頂距4.5m，最小控頂距2.5m，偽斜小巷采用密集支柱支護。觀測的主要目的是認識礦壓顯現(xiàn)的基本規(guī)律，從而為確定合理的采煤方法參數(shù)及支護提供科學依據(jù)。采用“三量”觀測，沿工作面上中下部布置了三個測站，并對開采期間的頂板事故進行統(tǒng)計分析。工作面上部、中部、下部測站隨工作面推進支柱平均載荷變化如圖12-7。圖12-7工作面上部、中部、下部測站隨工作面推進支柱平均載荷變化圖長壁采場常規(guī)礦壓觀測原始數(shù)據(jù)的整理，一般需要以下一些基本項目：⑴按照觀測序列的“三量”實測原始數(shù)據(jù)表；⑵按照觀測序列的控頂區(qū)破壞狀況實測原始數(shù)據(jù)表（如進行了這方面的觀測）；⑶按照觀測原始數(shù)據(jù)計算的支架載荷計算表，一般包括：①每個測站每根觀測支柱的按照作業(yè)循環(huán)的支柱初撐力值，支柱載荷的平均值（液壓支柱應計算其時間加權平均值），支柱最大載荷值；②單體支柱應計算按照作業(yè)循環(huán)每一排的支柱初撐力平均值，支柱載荷的平均值和支柱最大載荷平均值；并進一步計算每個測站按照作業(yè)循環(huán)的支柱載荷的平均值和支柱最大載荷值；③液壓支架應在分別計算按照作業(yè)循環(huán)前后排支柱的基礎上，計算整個支架的按照作業(yè)循環(huán)的支柱初撐力平均值，時間加權平均載荷值的平均值，支柱最大載荷平均值；④單體支柱應計算按照作業(yè)循環(huán)每一排的支柱處的頂?shù)装逡平亢涂仨攨^(qū)頂?shù)装逡平浚虎菀簤褐Ъ軕嬎惆凑兆鳂I(yè)循環(huán)的控頂區(qū)頂?shù)装逡平?，如無此項觀測數(shù)據(jù)，一般應進行頂板破碎度的觀測；⑥分別計算按照作業(yè)循環(huán)的工作面端面頂板破碎度、片幫面積和深度、臺階個數(shù)和高度的平均值；⑷繪制按照循環(huán)推進的支架載荷變化圖，支架載荷應包括：初撐力平均值，時間加權平均載荷值的平均值，支柱最大載荷平均值。并且在橫坐標上對應每個循環(huán)標注其距開切眼的距離，和循環(huán)的起始時間；⑸繪制按照循環(huán)推進的控頂區(qū)頂?shù)装逡平孔兓瘓D；⑹繪制按照循環(huán)推進的工作面端面頂板破碎度平均值變化圖。這些都有相應的軟件可供使用，具有大學本科程度的也應能編制適用軟件以代替復雜的手工計算。五、回采巷道礦壓觀測簡述礦山巷道的一般觀測方法國內外礦山巷道地壓觀測最常用、也是最普遍應用的是巷道圍巖移近量觀測，其中應用最廣泛、也是最基本的移近量觀測方法是“十”字形觀測法，即觀測巷道開挖后頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平侩S時間的變化與發(fā)展。當巷道斷面較大，需要研究分析變形的復雜受力過程時，也有采用周邊多測點變形觀測方法。(a)(b)圖12-8巷道圍巖移近量觀測方法a—“十”字形觀測法；b—周邊多測點變形觀測法回采巷道礦壓觀測的特點回采巷道處于工作面一側，在其服務期間的相當一段時間，要受工作面采動的影響，其受力帶有明顯的不對稱性，因而其變形發(fā)展過程也有明顯的不對稱性。因而除采用常規(guī)的“十”字形觀測法外，為了研究變形及其控制特點，往往采用圖12-9所示的測點布置方法。(a)(b)圖12-9回采巷道應用的其它一些觀測方法a—“卄”字形觀測法；b—“井”字形觀測法第二節(jié)礦山壓力數(shù)值分析方法概述一、數(shù)值分析方法在礦山壓力研究中的應用礦山壓力是由于工作面開挖在回采工作面和巷道周圍巖體、以及支護結構物上形成的力，研究礦山壓力就必須了解和分析相應開采階段的圍巖應力。但是，要想通過觀測的方法知道礦山開采過程中圍巖中任何一點的力，實際上是非常困難的。因而數(shù)值計算方法的發(fā)展越來越引起采礦界的重視，并逐步引入作為計算礦山壓力的方法，在礦山壓力研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。而且隨著微型計算機的發(fā)展和在礦山越來越普遍的應用，以及相應計算軟件的推廣和普及，將在礦山工程實踐中發(fā)揮它的作用。圖12-10是西安科技學院陳文東等為研究靖遠王家山煤礦大傾角特厚煤層放頂煤開采建立的三維數(shù)值模型網(wǎng)格圖。試采的44407工作面煤層平均厚度16.43m（采高2.4~2.8），傾角29~35，工作面長度112m。為了防止支架的下滑，工作面沿傾斜的下部逐步變化為水平。圖12-10王家山煤礦大傾角煤層放頂煤開采三維數(shù)值模型網(wǎng)格圖計算采用FLAC數(shù)值計算軟件，在微型計算機上進行。模型沿走向長165m，沿傾斜寬240m，三維模型共劃分80836個單元，89881個結點。計算采用的巖石力學參數(shù)如表12-2，服從莫爾-庫侖準則。圖12-11和圖12-12分別為沿傾斜剖面的水平應力場和垂直應力場，可以看出由于煤層傾角的變化，沿工作面線方向無論是水平應力還是垂直應力，都呈現(xiàn)出較為明顯的非對稱性。沿工作面線方向的上部的垂直應力明顯大于下部，說明上部的頂煤自然破壞高度比下部高。而下部向垂直方向的上方應力增大的梯度，又明顯大于上部。還可以看出，沿傾斜最下部的水平段煤體的水平應力和垂直應力都是相對最小的，頂煤自然破碎的應力環(huán)境最差，但對于“支架-圍巖”系統(tǒng)的總體穩(wěn)定性有利。圖12-11沿傾斜剖面的水平應力場圖12-12沿傾斜剖面的垂直應力場圖12-13沿傾斜剖面的破壞場二、有限元方法簡介有限元法求解程序的過程是：結構離散化，輸入或生成有限元網(wǎng)絡→計算單元剛度矩陣形成總剛度矩陣→形成節(jié)點載荷向量→引入約束條件→解線性代數(shù)方程組→輸出節(jié)點位移→計算并輸出單元的應力(12-3)。概括的說，有限單元法解題的一般步驟是：結構的離散化，選擇位移模式，建立平衡方程，求解節(jié)點位移，計算單元中的應變和應力。在礦山壓力研究中應用的有限元計算軟件主要是國內外巖土工程應用的軟件，三、離散元方法簡介離散元法也像有限元法那樣，需要將模型的區(qū)域劃分成單元，但是這些單元是相對獨立的塊體，在以后的運動中一個單元可以和相鄰單元接觸，也可以分離。因而，它不需要滿足變形協(xié)調方程。除了邊界條件以外，它必須滿足表征介質應力與應變之間關系的物理方程和相對于每一個塊體的平衡方程。第三節(jié)礦山開采的相似模擬實驗方法概述一、相似材料模擬實驗的原理與方法相似材料模擬實驗方法最早的應用大約在十八世紀末十九世紀初，著名地質學家、地質構造模擬實驗的先驅JamesHall（1761-1832）最早用模擬模型實驗再現(xiàn)了各種構造形態(tài)的形成過程，包括用疊層濕粘土作褶皺的模擬。我國地質力學的創(chuàng)始人李四光教授早在1929年就進行了弧形構造的模擬實驗研究。相似第一定律考察兩個系統(tǒng)所發(fā)生的現(xiàn)象，如果在其所有對應點上均滿足以下兩個條件，則稱這兩個現(xiàn)象為相似現(xiàn)象。條件甲：相似現(xiàn)象的各對應物理量之比應當是常數(shù)，稱為“相似常數(shù)”。相似材料模擬實驗方法要求滿足的主要是幾何相似，運動相似和動力相似。幾何相似運動相似動力相似式中：l、t、M——長度、時間、質量；p——原型；m——模型“；——長度相似常數(shù)；——時間相似常數(shù)——質量相似常數(shù)條件乙：凡屬相似現(xiàn)象，均可用同一基本方程式描述。相似第二定律約束兩相似現(xiàn)象的基本物理方程可以用量綱分析的方法轉換成用相似判據(jù)方程來表達的新方程，即轉換成方程。兩個系統(tǒng)的方程必須相同。相似第三定律相似第三定律又稱為相似存在定律，認為：只有具有相同的單值條件和相同的主導相似判據(jù)時，現(xiàn)象才互相相似。單值條件為：⑴原型和模型的幾何條件相似；⑵在所研究的過程中具有顯著意義的物理常數(shù)成比例；⑶兩個系統(tǒng)的初始狀態(tài)相似，例如巖體的結構特征；層理、節(jié)理、斷層、洞穴的分布狀況；水文地質情況等等；⑷在研究期間兩個系統(tǒng)的初始邊界條件相似，例如是平面應力問題還是平面應變問題。礦山工程相似材料模擬實驗所選用的材料由骨料、粘結料和添加劑組成。骨料大都采用河沙或石英砂，粘結料采用石膏或石臘，國外也有采用樹脂材料。添加劑主要是為裝置模型工藝需要而加入的緩凝劑、增強劑等。材料配比的準確是保證模擬實驗動力相似的基本條件，裝置模型前必須選擇各類巖層的模擬材料配比，每更換一次材料（骨料或粘結料）都應進行配比的驗證實驗。礦山工程相似材料模擬實驗的基本過程主要包括以下環(huán)節(jié)：⑴根據(jù)研究或實驗課題的基本要求提出實驗設計實驗設計應包括：實驗的目的與任務；選擇模擬實驗方法，即模型架的類型和尺寸；選擇各類實驗巖層的材料配比；確定模型鋪設工藝；確定實驗測試內容，選擇實驗測試儀器儀表；設計模擬實驗過程；⑵相似材料模型的鋪設和裝置；如圖12-14，是實驗前對模擬實驗的總體設計構圖。模型的最下部鋪設一排稱重傳感器（又稱支承壓力傳感器），其上鋪設實驗巖層，自下而上為2m砂質頁巖直接底；3.4m煤層；8m砂巖砂質頁巖互層直接頂；6m砂巖老頂；4m砂質頁巖；3m砂礫巖；20m砂巖砂質頁巖互層；5m砂巖；2m頁巖；6m砂質頁巖。煤層埋藏深度254m，模型上鋪設相當于200m厚度巖層和覆蓋層重量的配重鐵塊。圖12-14模擬實驗的總體設計構圖1—煤層；2—砂質頁巖；3—砂巖；4—頁巖；5—礫巖；6—頁巖砂質頁巖互層⑶實驗前準備提出實驗的具體實施方案，確定實驗人員的分工，安裝和配置