煤礦技術人員培訓講

1、.煤礦技術人員培訓講稿第一部分：礦山壓力及其控制1.1礦山壓力及其控制的基本概念礦山壓力：由于在地下煤巖中進行采掘活動而在井巷、硐室及回采工作面周圍煤、巖體中和其中的支護物上所引起的力，簡稱礦壓、地壓等。礦山壓力顯現：由于礦山壓力的作用，使圍巖、煤體和各種人工支撐物產生的種種力學現象。（如頂板下沉、底板臌起、冒頂、斷面縮小等）礦山壓力控制：人為的調節(jié)、改變和利用礦山壓力作用的各種措施。（如支護、充填等，目的是保證生產安全和取得良好的經濟效益）1.2礦壓及其控制研究的歷史：1.2.1對礦壓力早期認識階段：15至19世紀早期，觀測到了地下采掘活動對地表造成的破壞，提出了最初的保護煤柱確定方法。1.

2、2.2建立早期假說的階段：19世紀后期至20世紀，利用某些比較簡單的力學原理解釋實踐中出現的一此礦壓現象，并提出了一此初步的礦壓假說。代表性的是認為巷道上方能形成自然平衡拱的“壓力控假說”及有關的分析計算。提出了以巖石堅固性系數f（普氏系數）作為定量指標的巖石分類方法，開展了地面及巷道中的巖石移動觀測。1.2.3以連續(xù)介質力學為理論基礎的研究階段：20世紀30年代至50年代，開始把巷道周圍的的整個巖體當作連續(xù)的、各相同性的彈性體來進行研究和建立假說，即用彈性理論來研究礦山巖石力學問題，并推出了計算原巖力學的有關公式。以后又考慮了巖石的非均質性及各相異性，同時在實驗手段上較廣泛的利用了相似材料時

3、行的相似模型研究方法及光敏材料進行的光彈性模擬方法，在工程實踐中開始采用U型鋼拱形可縮支架、磨擦式金屬支柱、錨桿支架等支護技術。1.2.4近代發(fā)展階段：指20世紀60年代至今，在理論研究上進一步考慮巖石的真實特性，最重要的是把巖體看作是受到各種性質的弱面切割的多裂隙介質，相應的提出了巖石斷裂力學、塊體穩(wěn)定理論等，另一方面把巖體變形看成是與時間有關的巖石流變特性的研究，提出了巖石流變學，在研究方法上應用計算機技術發(fā)展了新的數值分析方法，如有限元法、邊界元法、離散元法等。在應用方面，采用煤柱護巷和無煤柱護巷的各類巷道中的礦壓顯現規(guī)律研究，進一步改善了巷道支護技術。2.1礦山巖石和巖體的基本性質2.

4、1.1礦山巖石的基本概念巖石：具有一定構造和形態(tài)的礦物結合體。在自然狀態(tài)下，按其固體礦物顆粒之間的結合特征，可以分為固結性巖石、粘結性巖石、散粒狀巖石、流動性巖石等。按照巖石的力學強度和堅實性，常把礦山巖石分為堅硬巖石和松軟巖石。一般將飽水狀態(tài)下單向抗壓強度大于5Mp的巖石叫做堅硬巖石，反之稱為松軟巖石。按照巖石的構成特征，可以區(qū)分出巖石的結構和巖石的構造兩個概念。2.1.2巖石的物理性質巖石的（真）密度：指單位體積的巖石（不包括空隙）的質量，取決于組成巖石的礦物密度，且與巖石的空隙和吸水多少無關。一般在2.7103kg/m3左右。巖石的視密度：指單位體積的巖石（包括空隙）的質量。除了與組成巖

5、石的礦物密度有關外，還與巖石的空隙和吸水多少有關。根據含水狀態(tài)的不同可分為天然視密度、干視密度和飽和視密度。巖石的孔隙性：是指巖石中孔洞各裂隙的發(fā)育程度，常用孔隙度表示。即各種孔洞、裂隙體積的總和與巖石總體積之比，也稱孔隙率。巖石的孔隙性對巖石的其它性質也有顯著影響，一般來說，孔隙率增大可使巖石的視密度和強度降低，同時使塑性變形和透水性增大。巖石的碎脹性和壓實性：碎脹性指巖石在破碎后的體積增大的性質，一般用碎脹系數來表示。巖石在破碎后，在其自重和外加載荷的作用下會逐漸壓實的性質為壓實性。巖石的吸水性：指遇水不崩解的巖石在一定的試驗條件下吸入水份的能力。通常以巖石的自然吸水率和強制吸水率表示。工

6、程上往往用吸水率的大小來評價巖石的抗凍性能，當吸水率小于0.5%時，一般認為巖石是耐凍的。巖石的透水性：即巖石能被水透過的性質，一般用滲透系數來表示。巖石的軟化性：浸水后強度明顯降低的性質。巖石的膨脹性和崩解性：前者指軟巖浸水后體積增大和相應的引起壓力增大的性能；后者指軟巖浸水后發(fā)生解體的現象。2.1.3 巖石的力學性質2.1.3.1 巖石的彈性和塑性彈性：指卸載后能變形能全部恢復的變形性質；塑性：指卸載后變形全部不能恢復的變形性質。巖石的彈性指卸載后巖石變形能完全恢復的性質，隨巖石的性質不同，可能出現線彈性、非線性彈性和滯彈性三種不同的彈性特征。(見圖1)由于巖石是一個復雜的組合體，它的彈性

7、變形和塑性變形往往是同時出現的，即巖石是一個彈塑性體。一般用彈性模量和變形模量表示巖石的變形性質，是評價巖石的受載條件下變形的一個重要參數。一般巖石的變形曲線如圖2所示。2.1.3.2 巖石在單向壓縮下的變形性質在單向壓縮下，巖石的變形表現為橫向變形和體積變化?？筛鶕蜗驂嚎s時的巖石變形性質把巖石分為脆性巖石(破壞前的總應變小于3%)和塑性巖石兩類。脆性巖石、塑性巖石、一般巖石的應力應變曲線分別如下圖3、4、5所示：2.1.3.3 巖石在三向壓縮下的變形性質自然條件下的巖體絕大多數是處于三向壓縮狀態(tài)，研究巖石在三向壓縮狀態(tài)下的變形性質要用專門的三軸應力試驗機，通過試驗表明：隨著側向應力的增大，

8、巖石的塑性變形也相應增大，在單向應力或較低的側向應力狀態(tài)下多表現為脆性，在高壓三向應力狀態(tài)下破壞前也能表現出很大的塑性，另外在巖石在三向壓縮條件下發(fā)生破壞后，仍然保留一定的承載能力，且圍壓俞大，其殘余強度也俞大，這個規(guī)律對于礦壓控制很有實際意義。2.1.3.4 巖石的流變性質流變：即材料在出現塑性變形后，在應力不變或應力增加很小的情況下繼續(xù)產生變形，簡稱流變，也叫屈服。通常把與時間因素有關的應力應變現象統(tǒng)稱為流變，包括蠕變、彈性后效和松弛等現象，其中蠕變對工程應用的意義較大。蠕變：固體材料在不變載荷的長期作用下，其變形隨時間的增長而緩慢增加的現象。大致可分為穩(wěn)定蠕變和不穩(wěn)定蠕變兩類。由于蠕變而

9、造成的應變最后能否趨于穩(wěn)定，取決于所施加的恒定載荷值的大小以及能使這種巖石的蠕變量保持穩(wěn)定的臨界值的大小。如果恒定載荷值小于臨界值，即使主生蠕變，也只是穩(wěn)定蠕變，不會造成工程破壞，反之則出現不穩(wěn)定蠕變，長時間后超過允許的變形量，最終會導致工程破壞。2.1.3.5 巖石的強度性質及其測定巖石的單向抗壓強度：巖石試件在單向壓縮時所能承受的最大應力值。它是地下工程中使用最廣的巖石力學參數。巖石的單向抗拉強度：巖石試件在單向拉伸時肥承受的最大拉應力值，它也是巖石力學性質的重要指標。由于巖石的抗拉強度遠小于抗壓強度(一般只有強壓強度的3-30%)，因此它對研究井下巷硐失穩(wěn)有重要意義。巖石的抗剪強度：巖石

10、試件受到剪斷時，剪切面上的切向應力值。它也是巖石力學性質的最重要的指標之一。巖石的三軸抗壓強度：巖石試件在三軸壓應力作用下所能抵抗的最大軸向應力。試驗表明：巖石的三軸抗壓強度隨圍壓的加大而增加，但不成線性關系。巖石強度的影響因素及相互關系：內在因素：礦物成份、結構、構造、水、溫度等外在因素：巖石的受力狀態(tài)。試驗表明，巖石在不同的受力狀態(tài)下的強度值符合以下規(guī)律：三向等壓抗壓強度>三向不等壓抗壓強度>雙向抗壓強度>單向抗壓強度>抗剪強度>抗彎強度>單向抗拉強度。2.1.3.6 巖石的破壞機理和強度理論巖石的破壞機理：任何材料的破壞，從不同部分散離的狀態(tài)來看，不外

11、是兩種，即產生散離的部分互相遠離或錯開，所以物體的破壞機理歸結到底只有兩種：即拉斷和剪切。因此巖石的破壞從其機理上來說也只有拉壞和剪壞，而通常所說的巖石被“壓壞”，從力學分析來看，實質上是不存在的。巖石的強度理論：研究巖石在復雜應力狀態(tài)下的破壞原因、規(guī)律及其強度條件的理論。目前已提出的有很多，下面是兩種較常用的巖石強度理論。莫爾強度理論：認為材料發(fā)生破壞主要是由于破壞面上的剪應力達到一定限度的緣故，這個剪應力除了與材料本身性質有關外，還與破壞面上由于正應力造成的磨擦阻力有關。即破壞不僅取決于剪應力，同時也取決于正應力。格里菲斯強度理論：脆性破壞是由于拉伸而破壞，并不是因剪切而破壞。格里菲斯認為

12、，巖石內隨機分布著許多窄縫形的微裂隙，當物體受到拉應力作用時，處于不利方位的裂隙的端部就產生了高度的應力集中，于是裂隙就沿著其長度方向上擴張，直至巖石整體破壞。2.2 礦山巖體的基本性質巖體：自然界中由各種巖性和各種結構特征的巖石所組成的集合體。巖體與巖石在力學上有許多區(qū)別，主要有巖體的非均質性、各向異性和非連續(xù)性。巖體的變形破壞過程：巖體是具有彈性的、塑性和粘性的、多裂隙的非連續(xù)介質，因此巖體的變形要比巖塊的變形要復雜得多。巖體和辦學性質是天然巖塊和其結構弱面力學性質的綜合反應，總變形中必然包括結構體的壓縮變形和形狀變形以及結構面的壓密變形和剪切滑移變形，有的結構體還由于剪切過程中的磨擦作用

13、而發(fā)生轉動。根據試驗研究，巖體受力后產生變形和破壞的過程可分為四個階段，其應力應變曲線如下圖6所示：巖體的強度特征及強度試驗：巖體強度主要取決于軟弱結構面的強度，因此可認為巖體是一種不能承受拉力的工程材料，在工程設計中稱為無拉力準則。結構面雖然不能抗拉，但仍能傳遞一定的剪應力，即具有一定的抗剪強度。試驗證實，大部分巖體的強度曲線的受壓區(qū)仍符合“庫侖摩爾”準則，總是處于巖石強度曲線與弱面強度曲線之間。由于弱面的存在，巖體的強度顯著的低于巖塊的強度，并使巖體更易于變形和失穩(wěn)。3.1礦山巖體內應力的重新分布3.1.1巖體中的自重應力與構造應力原巖體：沒有受到人類工程活動影響的巖體。原巖應力場：天然存

14、在與原巖內而與人為原因無關的應力場。主要有因自重引起的自重應力和地質構造運動而引起的構造應力，其次在不均勻沉積的交替區(qū)域，有可能形成局部應力集中。原巖應力場的第一種假說：原巖體中任何地方的水平應力約等于垂直應力的2540%。（較適用于較淺的原巖應力場）原巖應力場的第二種假說：在巖體深處的原巖垂直應力與其上覆巖層的重量成正比，而水平應力大致與垂直應力相等。（適用于深度較大時）。此假說又稱靜水應力狀態(tài)假說，主要是由于長期地質作用和巖石的蠕變特性，使深部的巖體達到靜水應力狀態(tài)。構造應力是一個復雜的問題，目前還無法用數學力學的方法進行計算，但它有以下特點：1、一般以水平壓應力為主2、分布很不均勻3、具

15、有明顯的方向性4、根據測定，構造應力普遍存在著：最大水平應力>最小水平應力>垂直應力的規(guī)律。水平構造應力可能比自重造成的水平應力大幾倍到幾十倍，因此在淺部開采時構造應力顯得比自重應力更為重要。5、構造應力在堅硬巖層中出現一般比較普遍。3.1.2巷道周圍的支承壓力分布。在巖體內開掘巷道后，巷道圍巖必然出現應力重新分布，一般將巷道兩側改變后的切向應力增高部分稱為支承壓力。支承壓力是礦山壓力的重要組成部分。根據計算分析，可近似地認為，一般巷道兩側的應力集中系數為23倍，當巷道為圓形時，集中系數最小且應力分布最均勻，當巷道的高/寬小于1/2時，兩側的應力集中系數可達到45倍，矩形巷道的拐角

16、處切向應力最大。一般巷道兩側的支承壓力分布示意圖7所示：相鄰巷道之間的相互影響：相鄰巷道的相互之間影響程度及其應力分布受到下列因素的影響：巷道斷面的形狀及其尺寸大小；相鄰兩巷之間相隔的距離；在同一水平內相鄰巷道的數目；原巖應力場的性質和有關參數。若以超過原巖應力的5%為限，則影響半徑R的經驗計算公式為：R20*r4.47r（r為巷道半徑）則相鄰兩條巷道之間相互不影響的最小距離為2R8.9r，以半徑為2.4m的巷道為例，則合理的巷道間距應在21.5m以上，這就是我們井下一般巷道布置間距應在2030m以上的原因。同樣如果兩條巷道相向貫通，則當距離很近時，一般在24倍的r處，應力相互疊加相當大，可達

17、到46倍，這也是我們一般要求兩巷相向貫通時，要放小炮且需要加強支護的原因。3.1.3 回采工作面前方的支承壓力分布：(如下圖8所示)由圖上可知，在工作面采空區(qū)的旁邊有一個卸壓區(qū)，這個卸壓區(qū)范圍很小，與頂底板巖性、開采方式、采高等均有關，一般條件下約為05m，這就是沿空送巷或沿空留巷的理論基礎。在工程設計中，為了防采空區(qū)內的水、瓦斯泄出，防止向采空區(qū)漏風引起采空區(qū)發(fā)火，同時又要求小煤柱有一定的支承作用，一般將小煤柱確定為45m為宜。 另外由圖中可知，增壓區(qū)內的支承壓力較高，一般應避免在這個范圍內布置巷道，其中一般認為在距采空區(qū)或工作面前方10-25m的范圍內支承壓力最高，這已是早期長壁工作面留設

18、20m的“大煤柱”頻繁失敗的原因，也是現在我們一般將中巷布置在距采空區(qū)60m以外(穩(wěn)壓區(qū))的原因。 4.1 回采工作面的礦壓顯現及控制 4.1.1 回采工作面上覆巖層 采場：在煤層或礦床的開采過程中，一般把直接進行采煤或采有用礦物的空間稱為回采工作面或簡稱為采場。 頂板：賦存在煤層之上的巖層。 底板：煤層以下的巖層。 直接頂：一般把直接位于煤層上方的一層或幾層性質相近的巖層稱為直接頂。通常有一定的穩(wěn)定性易于隨工作面回柱放頂而垮落。 偽頂：在煤層與直接頂之間有時存在厚度小于0.3至0.5m，極易跨落的軟弱巖層(它隨采隨冒)。 老頂：通常把位于直接頂上方(有時直接位于煤層之上)的厚而堅硬的巖層中老

19、頂。 直接底：直接位于煤層之下的巖層。 回采工作面對上覆巖層的管理方法(即采空區(qū)的處理方法)有：刀柱法、緩慢下沉法、充填法、全部垮落法。 4.1.2 工作面上覆巖層的活動規(guī)律： 當老頂達到極限跨距后，隨著回采工作面繼續(xù)推進，老頂即發(fā)生斷裂。斷裂后的一般狀態(tài)如圖9所示： 根據老頂的OX形破壞特點，可將工作面分為上、中、下三個區(qū)，破斷的巖塊，由于互相擠壓形成水平力，從而在巖快間產生摩擦力，在工作面的中部，可能形成一個外表似梁，實質是拱的平衡結構，保護著回采工作空間，使其不必承受上覆巖層的全部載荷。 根據破斷的程度，回采工作面上覆巖層可分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，即通常所說的“三帶”。如圖9所示

20、。 根據受力及破壞的不同，回采工作面上覆巖層沿推進方向上可分為煤壁支撐區(qū)、離層區(qū)和重新壓實區(qū)。如圖9所示。 4.1.3 老頂的初次及周期來壓 初次來壓：由地老頂的第一次失穩(wěn)而產生的工作面頂板來壓稱為老頂的初次來壓。老頂巖塊失穩(wěn)時，形成了巖塊滑落，給支架帶來了較大沖擊，對工作面安全造成嚴重威脅，因此我們應特別注意加強初次來壓及周期來壓時的頂板管理。 初次來壓步距：由開切眼到初次來壓時工作面推進的距離稱為老頂的初次來壓步距。 周期來壓：由于裂隙帶巖層周期性失穩(wěn)而引起的頂板來壓現象稱之為工作面頂板的周期來壓。周期來壓的主要表現形式是：頂板下沉速度急劇增加，頂板的下沉量變大，支柱所受的載荷普遍增加，有時還可能引起煤壁片幫、支柱折損、頂板發(fā)生臺階下沉等現象，如果支柱參數不合適或支架的穩(wěn)定性較差、支撐力不夠，則可能導致局部冒頂、甚至頂板沿工作面切落等事故。 周期來壓步距：兩次周期來壓之間工作面推進的距離。由于上覆巖層的組成結構及受力狀況的不同，周期來壓的步距并不是每次都相等，有時可能出現很大的差別。 4.1.4 老頂來壓的預測預報 我國應用多種方式預報老頂來壓已有30多年歷史，方法也越來越成熟，并由復雜到逐步簡單易行。一開始是以觀測工作面三量變化來預報的，三量是指頂板下沉量、下沉速度及支