沖擊地壓課件

1、山山 東東 科科 技技 大大 學(xué)學(xué) 潘潘 立立 友友 1、概念解釋與知識(shí)儲(chǔ)備、概念解釋與知識(shí)儲(chǔ)備 2、礦山壓力與控制理論、礦山壓力與控制理論 3、沖擊地壓理論體系與進(jìn)展、沖擊地壓理論體系與進(jìn)展 4、沖擊地壓預(yù)測(cè)技術(shù)、沖擊地壓預(yù)測(cè)技術(shù) 5、沖擊地壓防治技術(shù)、沖擊地壓防治技術(shù) 6、沖擊地壓典型案例、沖擊地壓典型案例 科學(xué)與技術(shù)的描述（引導(dǎo)）科學(xué)與技術(shù)的描述（引導(dǎo)） 科學(xué)的任務(wù)是科學(xué)的任務(wù)是揭示揭示事物發(fā)展的客觀規(guī)事物發(fā)展的客觀規(guī) 律，探求真理，是屬于律，探求真理，是屬于“認(rèn)識(shí)世界的范認(rèn)識(shí)世界的范 疇疇”；技術(shù)的任務(wù)是人類；技術(shù)的任務(wù)是人類改變或控制改變或控制周圍周圍 環(huán)境的手段或活動(dòng)，是屬于環(huán)境的

2、手段或活動(dòng)，是屬于“改造世界改造世界” 的范疇（的范疇（蘋果樹(shù)與蘋果）。蘋果樹(shù)與蘋果）。 “科學(xué)是技術(shù)的基本燃料、技術(shù)是經(jīng)科學(xué)是技術(shù)的基本燃料、技術(shù)是經(jīng) 濟(jì)增長(zhǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)濟(jì)增長(zhǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)” 煤炭開(kāi)采的安全需要以煤炭開(kāi)采的安全需要以“科學(xué)發(fā)展觀科學(xué)發(fā)展觀”為總為總 指導(dǎo)，以不斷更新的技術(shù)為突破，建立安全的長(zhǎng)指導(dǎo)，以不斷更新的技術(shù)為突破，建立安全的長(zhǎng) 效機(jī)制（培育安全樹(shù)）。效機(jī)制（培育安全樹(shù)）。 1、概念解釋與知識(shí)儲(chǔ)備、概念解釋與知識(shí)儲(chǔ)備 概念的科學(xué)解釋：概念的科學(xué)解釋： 礦山壓力：采動(dòng)后促使圍巖運(yùn)動(dòng)的力。礦山壓力：采動(dòng)后促使圍巖運(yùn)動(dòng)的力。 礦山壓力顯現(xiàn)：礦壓作用下，出現(xiàn)的礦山壓力顯現(xiàn)：礦壓作用下，出

3、現(xiàn)的“現(xiàn)象現(xiàn)象”。 圖1 礦山壓力顯現(xiàn)的基本形式 a-冒頂、片幫；b-兩幫鼓出；c-頂?shù)装逡平籨-頂板下沉與支架承載 沖擊地壓：巖（煤）體的突然破壞的現(xiàn)象（驅(qū)動(dòng)）。沖擊地壓：巖（煤）體的突然破壞的現(xiàn)象（驅(qū)動(dòng)）。 礦震：礦山開(kāi)采引起的巖層震動(dòng)（結(jié)構(gòu)問(wèn)題）。礦震：礦山開(kāi)采引起的巖層震動(dòng)（結(jié)構(gòu)問(wèn)題）。 巖爆：巖石成片狀破裂、彈射，伴有巖爆：巖石成片狀破裂、彈射，伴有“劈裂劈裂”聲。聲。 頂板大面積垮落：空頂面積超限引發(fā)的大面積冒落。頂板大面積垮落：空頂面積超限引發(fā)的大面積冒落。 煤（巖）與瓦斯突出：礦壓與瓦斯共同作用結(jié)果煤（巖）與瓦斯突出：礦壓與瓦斯共同作用結(jié)果-兩相介質(zhì)。兩相介質(zhì)。 差異性：差異

4、性：發(fā)生機(jī)理不同，都具有動(dòng)力特征，可互為誘發(fā)因素。發(fā)生機(jī)理不同，都具有動(dòng)力特征，可互為誘發(fā)因素。 2004年年11月月07日日15時(shí)時(shí) 23分分ML3.2級(jí)；級(jí)；2005 年年03月月27日日11時(shí)時(shí)47分分 ML3.2級(jí)級(jí) 2005年年5月月21日日 ML3.6級(jí)級(jí) 73上05工作面推采時(shí)，微震基本在軌道順槽一 側(cè)，且基本在過(guò)斷層附近出現(xiàn)；73上07工作面受采空 區(qū)73上05影響，礦震基本發(fā)生在采空一側(cè)和斷層附近， 需要在過(guò)斷層時(shí)多加注意。 應(yīng)力場(chǎng)：應(yīng)力場(chǎng)： 地應(yīng)力場(chǎng)（地應(yīng)力場(chǎng)（stress field in the earths crust）：）： 古構(gòu)造、現(xiàn)代古構(gòu)造、現(xiàn)代 地殼或地球體內(nèi)

5、，應(yīng)力狀態(tài)隨空間點(diǎn)的變化，稱為地應(yīng)力場(chǎng)。地殼或地球體內(nèi)，應(yīng)力狀態(tài)隨空間點(diǎn)的變化，稱為地應(yīng)力場(chǎng)。 采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)：開(kāi)采活動(dòng)形成采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)：開(kāi)采活動(dòng)形成 受采掘影響在巖體內(nèi)重新分布后形成的應(yīng)力。受采掘影響在巖體內(nèi)重新分布后形成的應(yīng)力。 背景應(yīng)力場(chǎng)：歷史演化背景應(yīng)力場(chǎng)：歷史演化 支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)：人為支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)：人為 支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)，簡(jiǎn)單的可以認(rèn)為是提供一個(gè)用以彌補(bǔ)由于巷道開(kāi)挖支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)，簡(jiǎn)單的可以認(rèn)為是提供一個(gè)用以彌補(bǔ)由于巷道開(kāi)挖 卸載造成的應(yīng)力損失而人為構(gòu)造的一種應(yīng)力場(chǎng)。卸載造成的應(yīng)力損失而人為構(gòu)造的一種應(yīng)力場(chǎng)。 相對(duì)應(yīng)力場(chǎng)：次生相對(duì)應(yīng)力場(chǎng)：次生 擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)：深井與軟巖擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)：深井與軟巖 孤島煤柱支承壓力

6、孤島煤柱支承壓力 分布圖（一般應(yīng)力分布）分布圖（一般應(yīng)力分布） 孤島煤柱支承壓力孤島煤柱支承壓力 分布圖（高應(yīng)力分布）分布圖（高應(yīng)力分布） 孤島煤柱支承壓力孤島煤柱支承壓力 分布圖（極限應(yīng)力分布）分布圖（極限應(yīng)力分布） 結(jié)構(gòu)失穩(wěn)與應(yīng)力釋放：結(jié)構(gòu)失穩(wěn)與應(yīng)力釋放： 結(jié)構(gòu)失穩(wěn)：地質(zhì)結(jié)構(gòu)、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)：地質(zhì)結(jié)構(gòu)、采場(chǎng)結(jié)構(gòu) 靜結(jié)構(gòu)、動(dòng)結(jié)構(gòu)靜結(jié)構(gòu)、動(dòng)結(jié)構(gòu) 主動(dòng)結(jié)構(gòu)、被動(dòng)結(jié)構(gòu)主動(dòng)結(jié)構(gòu)、被動(dòng)結(jié)構(gòu) 應(yīng)力釋放：應(yīng)力釋放： 構(gòu)造型構(gòu)造型 重力型重力型 復(fù)合型復(fù)合型 礦震在空間內(nèi)的 失穩(wěn)為主要類型 沖擊地壓是應(yīng)力的擾動(dòng)下破 壞與能量釋放為主 研究沖擊地壓等動(dòng)力問(wèn)題所需的基礎(chǔ)知識(shí)研究沖擊地壓等動(dòng)力問(wèn)題所需的基礎(chǔ)知識(shí)

7、 （1）地質(zhì)、采礦等描述性工程類專業(yè)知識(shí)）地質(zhì)、采礦等描述性工程類專業(yè)知識(shí) 地質(zhì)工程專業(yè)知識(shí)：巖土工程設(shè)計(jì)、巖土工程勘察、巖土工程施工、地質(zhì)工程專業(yè)知識(shí)：巖土工程設(shè)計(jì)、巖土工程勘察、巖土工程施工、 工程地質(zhì)、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與防治、地下礦產(chǎn)的鉆孔工程地質(zhì)、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與防治、地下礦產(chǎn)的鉆孔 開(kāi)采與利用、非開(kāi)挖施工技術(shù)、巖土工程施工管理等。開(kāi)采與利用、非開(kāi)挖施工技術(shù)、巖土工程施工管理等。 采礦工程專業(yè)知識(shí)：采礦學(xué)、礦井通風(fēng)與安全、井巷工程、礦山壓力、采礦工程專業(yè)知識(shí)：采礦學(xué)、礦井通風(fēng)與安全、井巷工程、礦山壓力、 電工與電子技術(shù)、采礦機(jī)械、礦山企業(yè)管理技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等

8、。電工與電子技術(shù)、采礦機(jī)械、礦山企業(yè)管理技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等。 （2）力學(xué)知識(shí)）力學(xué)知識(shí) 工程力學(xué)工程力學(xué)|（理論力學(xué)、材料力學(xué)）、彈性力學(xué)、塑性力（理論力學(xué)、材料力學(xué)）、彈性力學(xué)、塑性力 學(xué)、斷裂力學(xué)、巖石力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、突變理論、分形力學(xué)、學(xué)、斷裂力學(xué)、巖石力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、突變理論、分形力學(xué)、 混沌學(xué)、小波理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)值模擬計(jì)算科學(xué)、實(shí)驗(yàn)力混沌學(xué)、小波理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)值模擬計(jì)算科學(xué)、實(shí)驗(yàn)力 學(xué)等系列基礎(chǔ)知識(shí)。學(xué)等系列基礎(chǔ)知識(shí)。 巖石力學(xué)（Rock Mechanics） 研究巖體在各種不同受力狀態(tài)下產(chǎn)生變形和破壞規(guī)律的研究巖體在各種不同受力狀態(tài)下產(chǎn)生變形和破壞規(guī)律的 學(xué)科。學(xué)科。 巖石與巖

9、體巖石與巖體 巖石：巖石：由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集而形成的自然物體。由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集而形成的自然物體。 影響巖石力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的三個(gè)重要因素影響巖石力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的三個(gè)重要因素:礦物：存在地殼中的具有礦物：存在地殼中的具有 一定化學(xué)成分和物理性質(zhì)的自然元素和化合物；結(jié)構(gòu)：組成巖石的物質(zhì)成分、一定化學(xué)成分和物理性質(zhì)的自然元素和化合物；結(jié)構(gòu)：組成巖石的物質(zhì)成分、 顆粒大小和形狀以及其相互結(jié)合的情況；構(gòu)造：組成成分的空間分布及其相互顆粒大小和形狀以及其相互結(jié)合的情況；構(gòu)造：組成成分的空間分布及其相互 間排列關(guān)系。間排列關(guān)系。 巖石分類巖石分類：巖漿巖：強(qiáng)度

10、高、均質(zhì)性好；沉積巖：強(qiáng)度不穩(wěn)定，各向異性；：巖漿巖：強(qiáng)度高、均質(zhì)性好；沉積巖：強(qiáng)度不穩(wěn)定，各向異性； 變質(zhì)巖：不穩(wěn)定與變質(zhì)程度和原巖性質(zhì)有關(guān)。變質(zhì)巖：不穩(wěn)定與變質(zhì)程度和原巖性質(zhì)有關(guān)。 巖體巖體=巖塊巖塊+結(jié)構(gòu)面，不連續(xù)面：包括節(jié)理、裂隙、孔隙、斷面、孔洞、層面。結(jié)構(gòu)面，不連續(xù)面：包括節(jié)理、裂隙、孔隙、斷面、孔洞、層面。 巖體的力學(xué)特征：巖體的力學(xué)特征：不連續(xù)；各向異性；不均勻性；巖塊單元的可移動(dòng)性；不連續(xù)；各向異性；不均勻性；巖塊單元的可移動(dòng)性； 地質(zhì)因子特性（水、氣、熱、初應(yīng)力）。地質(zhì)因子特性（水、氣、熱、初應(yīng)力）。 巖石力學(xué)研究三個(gè)階段：材料力學(xué)、連介力學(xué)、構(gòu)造力學(xué)。巖石力學(xué)研究三個(gè)階段

11、：材料力學(xué)、連介力學(xué)、構(gòu)造力學(xué)。 新奧法是工程的應(yīng)用體現(xiàn)。新奧法是應(yīng)用巖體力學(xué)理論，以維護(hù)和新奧法是工程的應(yīng)用體現(xiàn)。新奧法是應(yīng)用巖體力學(xué)理論，以維護(hù)和 利用圍巖的自承能力為基點(diǎn)，采用錨桿和噴射混凝土為主要支護(hù)手段，利用圍巖的自承能力為基點(diǎn)，采用錨桿和噴射混凝土為主要支護(hù)手段， 及時(shí)的進(jìn)行支護(hù)，控制圍巖的變形和松弛，使圍巖成為支護(hù)體系的組成及時(shí)的進(jìn)行支護(hù)，控制圍巖的變形和松弛，使圍巖成為支護(hù)體系的組成 部分，并通過(guò)對(duì)圍巖和支護(hù)的量測(cè)、監(jiān)控來(lái)指導(dǎo)隧道施工和地下工程設(shè)部分，并通過(guò)對(duì)圍巖和支護(hù)的量測(cè)、監(jiān)控來(lái)指導(dǎo)隧道施工和地下工程設(shè) 計(jì)施工的方法和原則。計(jì)施工的方法和原則。 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的

12、基本物理力學(xué)性質(zhì) 巖石的基本物理性質(zhì)：巖石的密度巖石的基本物理性質(zhì)：巖石的密度 、巖石的比重 、巖石巖石 的孔隙性的孔隙性 、巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì) 等。等。 巖石的強(qiáng)度特性巖石的強(qiáng)度特性 強(qiáng)度：?jiǎn)蜗蚩箟簭?qiáng)度；單向抗拉強(qiáng)度；剪切強(qiáng)度；強(qiáng)度：?jiǎn)蜗蚩箟簭?qiáng)度；單向抗拉強(qiáng)度；剪切強(qiáng)度； 三軸壓縮：真三軸；假三軸。三軸壓縮：真三軸；假三軸。 擴(kuò)容現(xiàn)象： 巖石在壓力下， 發(fā)生非線性體積 膨脹。 巖石的流變特性巖石的流變特性 長(zhǎng)期強(qiáng)度的的確方法長(zhǎng)期強(qiáng)度的的確方法 巖石介質(zhì)的力學(xué)模型巖石介質(zhì)的力學(xué)模型 1、彈性模型： 3、有硬化的塑性： k塑性硬化系數(shù) 4、粘性模型 ） 2、理想塑性：（ 0屈服應(yīng)力）

13、巖石的強(qiáng)度理論巖石的強(qiáng)度理論 莫爾強(qiáng)度理論（莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則）莫爾強(qiáng)度理論（莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則） 數(shù)學(xué)表達(dá)式： 莫爾于爾于1900年提出了莫爾強(qiáng)度理論，認(rèn)為材料發(fā)生破年提出了莫爾強(qiáng)度理論，認(rèn)為材料發(fā)生破 壞是由于材料的某一面上剪應(yīng)力達(dá)到一定的限度，而這個(gè)壞是由于材料的某一面上剪應(yīng)力達(dá)到一定的限度，而這個(gè) 剪應(yīng)力與材料本身性質(zhì)和正應(yīng)力在破壞面上所造成的摩擦剪應(yīng)力與材料本身性質(zhì)和正應(yīng)力在破壞面上所造成的摩擦 阻力有關(guān)。即材料發(fā)生破壞除了取決于該點(diǎn)的剪應(yīng)力，還阻力有關(guān)。即材料發(fā)生破壞除了取決于該點(diǎn)的剪應(yīng)力，還 與該點(diǎn)正應(yīng)力相關(guān)與該點(diǎn)正應(yīng)力相關(guān)。 巖石動(dòng)力學(xué)巖石動(dòng)力學(xué) 彈性波彈性波: 在應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從虎克定律

14、的介質(zhì)中傳播的波。在應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從虎克定律的介質(zhì)中傳播的波。 粘彈性波：粘彈性波：在非線性彈性體中傳播的波，這種波，除彈性變形產(chǎn)生的在非線性彈性體中傳播的波，這種波，除彈性變形產(chǎn)生的 彈性應(yīng)力外，還產(chǎn)生又摩擦應(yīng)力或粘滯應(yīng)力。彈性應(yīng)力外，還產(chǎn)生又摩擦應(yīng)力或粘滯應(yīng)力。 塑性波塑性波 ：應(yīng)力超過(guò)彈性極限的波。應(yīng)力超過(guò)彈性極限的波。 沖擊波：沖擊波：如果固體介質(zhì)的變形性質(zhì)能使大擾動(dòng)的傳播速度遠(yuǎn)比小擾動(dòng)如果固體介質(zhì)的變形性質(zhì)能使大擾動(dòng)的傳播速度遠(yuǎn)比小擾動(dòng) 的傳播速度大，在介質(zhì)中就會(huì)形成波頭陡峭的、以超聲波傳播的沖擊的傳播速度大，在介質(zhì)中就會(huì)形成波頭陡峭的、以超聲波傳播的沖擊 波。波。 巖石在受到擾動(dòng)時(shí)

15、在巖體中主要傳播的是彈性波。巖石在受到擾動(dòng)時(shí)在巖體中主要傳播的是彈性波。 突變理論 突變理論研究的是從一種穩(wěn)定組態(tài)躍遷到另一種穩(wěn)定組突變理論研究的是從一種穩(wěn)定組態(tài)躍遷到另一種穩(wěn)定組 態(tài)的現(xiàn)象和規(guī)律。它指出自然界或人類社會(huì)中任何一種運(yùn)動(dòng)態(tài)的現(xiàn)象和規(guī)律。它指出自然界或人類社會(huì)中任何一種運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)，都有穩(wěn)定態(tài)和非穩(wěn)定態(tài)之分。在微小的偶然擾動(dòng)因素狀態(tài)，都有穩(wěn)定態(tài)和非穩(wěn)定態(tài)之分。在微小的偶然擾動(dòng)因素 作用下，仍然能夠保持原來(lái)狀態(tài)的是穩(wěn)定態(tài)；而一旦受到微作用下，仍然能夠保持原來(lái)狀態(tài)的是穩(wěn)定態(tài)；而一旦受到微 擾就迅速離開(kāi)原來(lái)狀態(tài)的則是非穩(wěn)定態(tài)，穩(wěn)定態(tài)與非穩(wěn)定態(tài)擾就迅速離開(kāi)原來(lái)狀態(tài)的則是非穩(wěn)定態(tài)，穩(wěn)定態(tài)與非穩(wěn)

16、定態(tài) 相互交錯(cuò)。非線性系統(tǒng)從某一個(gè)穩(wěn)定態(tài)（平衡態(tài)）到另一個(gè)相互交錯(cuò)。非線性系統(tǒng)從某一個(gè)穩(wěn)定態(tài)（平衡態(tài)）到另一個(gè) 穩(wěn)定態(tài)的轉(zhuǎn)化，是以突變形式發(fā)生的。穩(wěn)定態(tài)的轉(zhuǎn)化，是以突變形式發(fā)生的。 分形力學(xué) 分形力學(xué)定義為在分形空間中考慮的巖石力學(xué)，或分形力學(xué)定義為在分形空間中考慮的巖石力學(xué)，或 者說(shuō)在巖石力學(xué)問(wèn)題分析求解中考慮到分形的效應(yīng)和影者說(shuō)在巖石力學(xué)問(wèn)題分析求解中考慮到分形的效應(yīng)和影 響，通過(guò)分形響，通過(guò)分形-巖石力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，從空間、測(cè)度、巖石力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，從空間、測(cè)度、 維數(shù)、分形和分形空間入手，引入自相似和自仿射，多維數(shù)、分形和分形空間入手，引入自相似和自仿射，多 重分形和分形插值等概念，進(jìn)而討論了分形空間中的力重分形和分形插值等概念，進(jìn)而討論了分形空間中的力 學(xué)。學(xué)。 海岸線，礦震問(wèn)題海岸線，礦震問(wèn)題 用半徑去測(cè)量震 動(dòng)數(shù)量 曲線說(shuō)明分形成立 復(fù)雜邊界動(dòng)力學(xué) 數(shù)值模擬計(jì)算（有限單元法） RFPA（Rock Fracture Process Analysis）是巖石失穩(wěn)過(guò)程分析程序。）是巖石失穩(wěn)過(guò)程分析程序。 該程序是基于有限元計(jì)算的原理而開(kāi)發(fā)的，但