礦山壓力觀測與控制

1、資資 源源 開開 發(fā)發(fā) 系系目錄項目一項目一 礦山壓力基本知識礦山壓力基本知識項目二項目二 礦山壓力顯現(xiàn)觀測礦山壓力顯現(xiàn)觀測項目三項目三 采場及巷道礦壓控制采場及巷道礦壓控制礦山壓力觀測與控制礦山壓力觀測與控制項目一項目一礦山壓力基本知識礦山壓力基本知識項目一項目一 礦山壓力基本知識礦山壓力基本知識任務1 煤巖基本力學性質煤巖基本力學性質任務任務1 1 煤巖基本力學性質煤巖基本力學性質一、巖石的密度與體積力（容重）一、巖石的密度與體積力（容重） 1 1、巖石的真密度、巖石的真密度單位體積巖石（不包含空隙）的質單位體積巖石（不包含空隙）的質量：量： 2 2、巖石的視密度、巖石的視密度 ： 視密度

2、視密度單位體積巖石（包括孔隙）的質量單位體積巖石（包括孔隙）的質量式中：式中：巖石的視密度，巖石的視密度，kg/mkg/m3 3 巖石的質量，巖石的質量，kgkg 巖石的體積（含孔隙），巖石的體積（含孔隙），m m3 3 VMMV3 3、巖石的容重、巖石的容重：容重容重巖石單位體積（含孔隙體積）的重力，巖石單位體積（含孔隙體積）的重力， kN/mkN/m3 3 式中：式中： W W被測巖樣的重量被測巖樣的重量, , （ ） kNkN； V V被測巖樣的體積，被測巖樣的體積，m m3 310VWMgW 任務任務1 1 煤巖基本力學性質煤巖基本力學性質二、巖石的碎脹性二、巖石的碎脹性巖石破碎后自然

3、堆積體積大于原體積的性質。巖石破碎后自然堆積體積大于原體積的性質。1 1、初始碎脹系數(shù)、初始碎脹系數(shù)破碎后樣自然堆積體積與原體積之比。破碎后樣自然堆積體積與原體積之比。 2 2、殘余碎脹系數(shù)、殘余碎脹系數(shù)破碎并被壓實后的體積與原體積之比。破碎并被壓實后的體積與原體積之比。 式中：式中： 分別為原體積分別為原體積/ /破碎自然堆積體積破碎自然堆積體積/ /被壓實體積被壓實體積。注：煤系地層巖石碎脹系數(shù)一般為注：煤系地層巖石碎脹系數(shù)一般為1.25-1.51.25-1.5。VVKp1VVKp111/VVV任務任務1 1 煤巖基本力學性質煤巖基本力學性質三、巖石的力學性質三、巖石的力學性質 變形性質變

4、形性質：研究巖石在受力情況下的變形規(guī)律。 強度特性強度特性：研究巖石受力破壞的規(guī)律。 1、巖石單向壓縮變形性質：、巖石單向壓縮變形性質： 1）軸向變形：）軸向變形： 2）橫向變形；）橫向變形； E彈性模量彈性模量 泊松比泊松比巖石橫向應變與縱向應變的比值。巖石橫向應變與縱向應變的比值。E1E12剛性試驗機下巖石應力、應變曲線剛性試驗機下巖石應力、應變曲線任務任務1 1 煤巖基本力學性質煤巖基本力學性質高剛性巖石三軸試驗機高剛性巖石三軸試驗機任務任務1 1 煤巖基本力學性質煤巖基本力學性質2、巖石全應力應變曲線：、巖石全應力應變曲線： 四個階段：OA原有裂隙壓密階段ACAB彈性變形，BC微破裂穩(wěn)

5、定發(fā)展階段（原彈性階段）CD累進性破裂發(fā)展階段，C點為屈服點，約2/3峰值強度；D點為強度極限。 DE破裂后階段（應力降低階段、殘余應力階段） 任務任務1 1 煤巖基本力學性質煤巖基本力學性質3 3、巖石三軸壓縮、巖石三軸壓縮變形性質：變形性質：1 1）三軸實驗：）三軸實驗： （真（真三軸、假三軸）三軸、假三軸）2 2）三軸抗壓強度：）三軸抗壓強度：3 3）三軸變形特征：）三軸變形特征：與單軸試驗結果基本類與單軸試驗結果基本類似 （似 （ E E 、 基 本 相基 本 相同）；圍壓增加同）；圍壓增加三向抗壓強度增加；三向抗壓強度增加；峰值變形增加；彈性峰值變形增加；彈性極限增加。極限增加。任務

6、任務1 1 煤巖基本力學性質煤巖基本力學性質4、巖石的強度性質及測定方法、巖石的強度性質及測定方法1）巖石試件尺寸：巖石試件尺寸： 圓柱形試件：4.85.2cm ，高H=（22.5) 長方體試件：邊長L= 4.85.2cm , 高H=（22.5)L2）單軸抗壓強度單軸抗壓強度巖石在單軸壓縮下，破壞前所能承受的最大壓應力。試驗設備：試驗設備：普通壓力機（60t、100t、200t）試件：試件：5cm，高徑比為2的圓柱體（或5*5*5立方體），每組不少于3塊；加載：加載：0.51.0 MPa/s；抗剪強度抗剪強度巖石在剪切載荷作用下，破壞時所能承受的最大剪應力?？估瓘姸瓤估瓘姸仍趩屋S拉伸載荷作用下

7、，破壞時所能承受的最大拉應力。任務任務1 1 煤巖基本力學性質煤巖基本力學性質單單軸軸壓壓縮縮試試驗驗機機任務任務1 1 煤巖基本力學性質煤巖基本力學性質單單軸軸壓壓縮縮試試驗驗機機任務任務1 1 煤巖基本力學性質煤巖基本力學性質任務任務1 1 煤巖基本力學性質煤巖基本力學性質 5 5、巖石強度分級、巖石強度分級普氏巖石分級法普氏巖石分級法 巖石的強度用巖石的強度用“堅固性系數(shù)堅固性系數(shù)”表示，指巖石被破壞的相對表示，指巖石被破壞的相對難易程度，用難易程度，用f f表示，又稱為普氏系數(shù)，表示，又稱為普氏系數(shù)，f f計算用巖石的單計算用巖石的單向抗壓強度向抗壓強度R RC C（MPaMPa）除以

8、）除以10(Mpa)10(Mpa) 。10CRf 由此把巖石劃分為五類由此把巖石劃分為五類類類 穩(wěn)定巖層穩(wěn)定巖層 f10 堅硬巖堅硬巖類類 穩(wěn)定性較好巖層穩(wěn)定性較好巖層 f=810 硬巖硬巖類類 中等穩(wěn)定巖層中等穩(wěn)定巖層 f46 中硬巖中硬巖類類 穩(wěn)定性較差巖層穩(wěn)定性較差巖層 f23 軟巖軟巖類類 不穩(wěn)定巖層不穩(wěn)定巖層 f2 松、散、軟、弱巖層松、散、軟、弱巖層任務任務1 1 煤巖基本力學性質煤巖基本力學性質 6 6、巖石強度理論、巖石強度理論 1 1）巖石破壞類型：拉斷破壞、剪切破壞。）巖石破壞類型：拉斷破壞、剪切破壞。 2 2）巖石強度理論）巖石強度理論“庫侖庫侖莫爾莫爾”強度條件強度條件

9、任務任務1 1 煤巖基本力學性質煤巖基本力學性質tan C一般情況下，巖石抵抗剪切的能力由兩部分組成：一般情況下，巖石抵抗剪切的能力由兩部分組成： 式中：C內(nèi)聚力破壞面上的正應力 巖石內(nèi)摩擦角抗剪能力抗剪能力=內(nèi)聚力內(nèi)聚力+內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力 （C、為巖石固有） 顯然： 抗剪強度是一個變化量四、巖體力學性質四、巖體力學性質 1.1.巖體巖體賦存于一定地質環(huán)境中的自 然地質體。 巖體巖體 = 巖塊巖塊 + 結構面結構面 結構面（弱面）結構面（弱面）地質界面，如斷層、裂隙、層理、節(jié)理、片理。 結構體（巖塊）結構體（巖塊）被各類結構面切割成的巖石塊體。任務任務1 1 煤巖基本力學性質煤巖基本力學性質任

10、務任務1 1 煤巖基本力學性質煤巖基本力學性質 2.2.巖體結構基本類型：巖體結構基本類型： （按結構面切割狀況及結構體類型分為五種）（按結構面切割狀況及結構體類型分為五種） 完整結構完整結構 塊狀結構塊狀結構 層狀結構層狀結構 碎裂結構碎裂結構 松散結構松散結構 3.3.巖體基本特征巖體基本特征 1 1）非均質性。）非均質性。 2 2）各向異性。）各向異性。 3 3）非連續(xù)性。）非連續(xù)性。五、巖體原始應力狀態(tài)五、巖體原始應力狀態(tài)原巖應力原巖應力1.原巖應力原巖應力未受開采影響的巖體內(nèi)，由于巖體自重和構造運動等原未受開采影響的巖體內(nèi)，由于巖體自重和構造運動等原 因引起的應力。（原始應力）因引起

11、的應力。（原始應力）2.原巖應力組成：原巖應力組成：自重應力、構造應力任務任務1 1 煤巖基本力學性質煤巖基本力學性質 3.3.自重應力自重應力 鉛直應力： 水平應力： 其中： 側壓系數(shù)側壓系數(shù) （海（海 姆：靜水壓力理論）姆：靜水壓力理論） 金尼克：金尼克： （ 彈性側壓理論）彈性側壓理論） 一般一般 則則Hzzyx113 . 02 . 043. 025. 04.4.構造應力構造應力由構造運動引起由構造運動引起1）分布不均，在構造區(qū)域附近最大；2）水平應力為主，淺部尤為明顯；3）具有明顯的方向性；4）堅硬巖層中明顯，軟巖中不明顯；5）5.5.原巖應力分布基本規(guī)律原巖應力分布基本規(guī)律實測鉛直應

12、力基本等于上覆巖層重量；水平應力普遍大于鉛直應力；平均水平應力與鉛直應力比值隨深度增加而減?。蛔畲笾鲬εc最小主應力一般相差較大。（考慮構造應力后，水平應力作用明顯）任務任務1 1 煤巖基本力學性質煤巖基本力學性質ZHHminmax項目一項目一 礦山壓力基本知識礦山壓力基本知識任務1 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律礦山壓力礦山壓力：由于礦山開采活動影響，在巷硐周圍巖體中形成的作用在巷硐支護物上的力。任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律 (a)開采前(b)開采后開采前后應力分布Hq=rH開采前后應力分布111133331 1基本頂基本頂2 2直接頂直接頂3 3偽頂偽頂4 4煤層煤層5 5、6 6底板底板采煤工作面

13、頂板巖層組成采煤工作面頂板巖層組成任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律一、直接頂、基本頂巖層梁式破斷一、直接頂、基本頂巖層梁式破斷懸跨度達到極限跨度中部裂斷彎拉破壞深入煤壁的兩端部斷裂任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律1.1.直接頂初次垮落直接頂初次垮落采煤工作面從切眼開始推進，達到最大控頂距時，回撤采空區(qū)側支采煤工作面從切眼開始推進，達到最大控頂距時，回撤采空區(qū)側支架（初次放頂），采空區(qū)頂板巖層失去支撐。采煤工作面向前推進，采架（初次放頂），采空區(qū)頂板巖層失去支撐。采煤工作面向前推進，采空區(qū)范圍增大，頂板產(chǎn)生下沉、斷裂、垮落。當空區(qū)范圍增大，頂板產(chǎn)生下沉、斷裂、垮落。當冒落高度在冒落高度在0.5m0.5m

14、以上的以上的長度超過采煤工作面長度二分之一，為采煤工作面直接頂初次垮落。長度超過采煤工作面長度二分之一，為采煤工作面直接頂初次垮落。直直接頂初次垮落時工作面煤壁距切眼煤幫的距離，為采煤工作面直接頂初接頂初次垮落時工作面煤壁距切眼煤幫的距離，為采煤工作面直接頂初次垮落步距。次垮落步距。m il ihlo（a）上覆巖層懸露（b）在其重力作用下彎曲（c）中部斷裂、端部開裂（d）形成“假塑性巖梁”（e）自行跨落任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律直接頂彎拉破壞的運動形式直接頂彎拉破壞的運動形式2.2.基本頂初次來壓基本頂初次來壓1）初次來壓老頂平衡結構第一次失穩(wěn)而施加給工作面以大型壓力的過程。2）來壓條件：直

15、接頂垮落后不能充填滿采空區(qū)3）來壓過程初采初次放頂老頂懸露跨度增大老頂斷裂形成平衡結構失穩(wěn)初次來壓初次來壓步距第一次來壓時，工作面距開切眼的距離。任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律(a)hmZmEbo?hoLK(b)SACoLoA = Loi?ho1ao?ho任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律4 4）基本頂初次來壓礦壓顯現(xiàn)特征）基本頂初次來壓礦壓顯現(xiàn)特征1、來壓前，頂板壓力無明顯增大；2、煤壁內(nèi)部支承壓力增高，煤壁片幫嚴重；3、頂板有板炮聲響；4、頂板下沉速度急劇增加，由1mm/h 到 520mm/h；5、支柱載荷急劇增加；6、頂板出現(xiàn)拉綹現(xiàn)象（直接頂沿煤壁切斷）。初次來壓后基本頂處于穩(wěn)定期，采煤工作面壓

16、力顯現(xiàn)減緩。隨采煤工作面繼續(xù)推進，基本頂可呈懸臂狀態(tài)，面積逐漸增大，當懸臂的基本頂在自重和上覆巖層重力作用下達到極限跨距時，再次發(fā)生斷裂垮落。由于基本頂這種斷裂垮落是隨采煤工作面推進重復出現(xiàn)，對采煤工作面造成明顯的壓力影響。稱采煤工作面周期來壓。 兩次來壓的間隔時間稱來壓周期，兩次來壓期間采煤工作面的推進距離稱采煤工作面周期來壓步距。在同一工作面周期來壓步距一般為初次來壓步距的（1/21/4）。任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律4.上覆巖層周期性運動上覆巖層周期性運動基本頂周期來壓基本頂周期來壓任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律基本頂周期來壓基本頂周期來壓 根據(jù)根據(jù)采煤工作面后方（即采煤工作面后方（即采空

17、區(qū)采空區(qū)）上覆巖層上覆巖層頂板移動特征頂板移動特征不同分為三帶：不同分為三帶：冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。5.采場上覆巖層移動規(guī)律采場上覆巖層移動規(guī)律冒落帶：主要是直接頂部分巖層垮落形成，巖石呈破碎狀，堆積雜亂無章，碎脹系數(shù)大，高度一般是煤層開采高度的35倍。裂隙帶：是基本頂下部巖層斷裂垮落形成，排列整齊，碎脹系數(shù)小，高度可達開采高度810倍以上。彎曲下沉帶：是基本頂上部巖層，其位移量比較小，可保持巖層自身的完整性并承載上覆巖層重力作用。任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律1-冒落帶冒落帶 2裂隙帶裂隙帶 3-彎曲下沉帶彎曲下沉帶任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律上覆巖層運動立體

18、示意圖上覆巖層運動立體示意圖ss3s2s1L3=L4=.=LnL2L1m4m3m1m2s1任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律1-冒落帶冒落帶2裂隙帶裂隙帶3彎曲下沉帶彎曲下沉帶二、采場礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律礦山壓力顯現(xiàn)礦山壓力顯現(xiàn)圍巖運動支架受力兩幫運動頂板運動底板運動載荷增減支架壓折支架變形概念？采動后表現(xiàn)出的礦山壓力現(xiàn)象任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律 1.1.礦壓顯現(xiàn)：礦壓顯現(xiàn)：在礦山壓力作用下，煤巖體及支護物所表現(xiàn)出的種種力學現(xiàn)象。 2.2.礦壓顯現(xiàn)指標礦壓顯現(xiàn)指標： 1）頂板下沉 S（mm）煤壁到采空區(qū)邊緣范圍內(nèi)頂、底板間相對位移。煤壁到采空區(qū)邊緣范圍內(nèi)頂、底板間相對位移

19、。一一般以距煤壁般以距煤壁4 4米處下沉量為工作面頂板下沉量?？梢悦棵撞筛呙棵淄七M度下沉米處下沉量為工作面頂板下沉量?？梢悦棵撞筛呙棵淄七M度下沉量量S/L/MS/L/M為比較標準。為比較標準。 2）頂板下沉速度V（mm/h）單位時間頂板下沉量。單位時間頂板下沉量。 3）支柱變形與折損觀察噴液、下縮、壓裂、折斷等。觀察噴液、下縮、壓裂、折斷等。 4）頂板破碎度單位面積中頂板冒落面積所占百分比。單位面積中頂板冒落面積所占百分比。 5）局部冒頂小范圍頂板垮落。小范圍頂板垮落。 6）大面積冒頂頂板沿工作面煤壁切落。頂板沿工作面煤壁切落。 7）煤壁片幫煤壁因支承壓力作用發(fā)生的剪切坍塌破壞。煤壁因支承壓力

20、作用發(fā)生的剪切坍塌破壞。 8）底臌底板塑性變形。底板塑性變形。 9）支柱插入底板底板松軟，對頂板管理很不利。底板松軟，對頂板管理很不利。(a )(b )(c)(d )礦山壓力顯現(xiàn)基本形式頂板下沉與支架承載頂?shù)装逡平鼉蓭凸某雒绊敗⑵瑤腿蝿? 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律 R支 R底 RT壓折鉆底h1221木支柱折斷與壓力顯現(xiàn) (a) (b) (c)木支柱壓折木支柱鉆底h0RTRBR01 - - 增阻支柱2 - - 恒阻支柱可縮性支柱壓力顯現(xiàn) 任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律 支承壓力：支承壓力：煤（礦）層采出后，在圍巖應力重新分煤（礦）層采出后，在圍巖應力重新分布的范圍內(nèi)，作用在

21、煤（巖）層和支護物上的垂直壓力。布的范圍內(nèi)，作用在煤（巖）層和支護物上的垂直壓力。 在單一自重應力場條件下在單一自重應力場條件下, ,若煤（巖）層水平賦存，則若煤（巖）層水平賦存，則其支承壓力的分布見下圖所示：其支承壓力的分布見下圖所示：三、采場支承壓力分布三、采場支承壓力分布2.2.特點特點1.概念2.2.采場支承壓力分布與上覆巖層運動間的關系采場支承壓力分布與上覆巖層運動間的關系 支承壓力分布與顯現(xiàn)變化劃分為三個階段：第一階段：從采場推進開始至煤壁支承能力改變(即煤壁附 近煤體進入塑性狀態(tài))之前。第二階段：從煤壁支承能力改變到老頂巖梁端部斷裂前為止。第三階段：從老頂巖梁端部斷裂到巖梁中部觸

22、矸為止。采場進入正常推進階段后，支承壓力分布的主要特點是伴隨著上覆巖層的周期性運動而呈周期性變化。任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律SXLX0S0 x0 3X0 2X0 1C0S0L0(a )( b )(c )(d )SXLX0S0 x0 3X0 2X0 1C0S0L0(a )( b )(c )(d )初次來壓階段支承壓力分布任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律SXLX0S0 x0 3X0 2X0 1C0S0L0( a )( b )( c )( d )SXLX0S0 x0 3X0 2X0 1C0S0L0(a )( b )(c )(d )初次來壓階段支承壓力分布任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律任務2 礦山壓力及其

23、顯現(xiàn)規(guī)律3.正常推進階段回采工作面前后方支承壓力分布正常推進階段回采工作面前后方支承壓力分布前方移動支承壓力遠遠大于后方支承壓力；工作面僅承受極少量壓力作用。4 4. .工作面兩側支承壓力分布與上覆巖層運動間的關系工作面兩側支承壓力分布與上覆巖層運動間的關系隨采場推進，兩側支承壓力分布將經(jīng)歷下列發(fā)展階段:工作面推進到圖4.7中3的位置，巖層將深入煤壁內(nèi)部斷裂，支承壓力顯現(xiàn)分為內(nèi)、外兩個應力場。 第一階段：上下兩側煤壁邊緣處于彈性狀態(tài)。第二階段： 煤壁邊緣破壞，部分進入塑性狀態(tài)（圖中2位置）。第三階段：任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律LLC0C0LC01233 1233S

24、2S3S2S3123a = 1(a )(b )(c )采場四周支承壓力分布發(fā)展過程任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律5.5.影響工作面支承壓力分布的主要因素：影響工作面支承壓力分布的主要因素： 1）采高及控頂距2）工作作推進速度3）采深；4）煤層傾角 四、采準巷道礦壓顯現(xiàn)及支承壓力分布四、采準巷道礦壓顯現(xiàn)及支承壓力分布 1.受采動影響巷道的圍巖應力 彈性變形應力分布彈性變形應力分布塑性變形應力分布塑性變形應力分布任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律 2 2、回采工作面周圍支承壓力分布、回采工作面周圍支承壓力分布 工作面超前支承壓力 峰值一般在煤壁前48米， 影響范圍為4050米。少 數(shù)可達6080米。應力集 中系數(shù)為2.53。 工作面傾斜方向固定支承壓力范圍一般為1530米。 少數(shù)可達3540米，峰值一般距煤壁1520米，應力集中 系數(shù)為23。 在拐角區(qū)要形成應力疊加，應力集中系數(shù)可達57。 任務2 礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律 3.3.構造應力對巷道穩(wěn)定性的影響構造應力對巷道穩(wěn)定性的影響 1）構造應力