采場(chǎng)地壓及其控制

采場(chǎng)地壓及其控制授課學(xué)時(shí)：

4學(xué)時(shí)本章的重點(diǎn)難點(diǎn)：1、采場(chǎng)地壓的特點(diǎn)及影響采場(chǎng)地壓的主要因素；2、充填體的力學(xué)效應(yīng)；3、采場(chǎng)地壓的控制方法；4、巖爆發(fā)生的條件。

第1頁/共97頁關(guān)鍵術(shù)語：采場(chǎng)地壓、

變形地壓、松動(dòng)地壓、膨脹地壓、沖擊地壓、移動(dòng)角、崩落角、充填體要求：1、掌握本課程重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容；2、了解采場(chǎng)地壓的一般規(guī)律。3、了解覆蓋巖層的變形和破壞規(guī)律第2頁/共97頁

§7－1

概述圍巖之間的相互作用力；圍巖對(duì)支架的作用力。原巖對(duì)圍巖的作用力；采場(chǎng)地壓——指在開采過程中，原巖對(duì)采場(chǎng)或采空區(qū)圍巖及礦柱所施加的荷載。地壓現(xiàn)象——井巷開挖，應(yīng)力重新分配使圍巖和支架產(chǎn)生變形、移動(dòng)、破壞等現(xiàn)象，如冒頂、片幫、底鼓、頂板下沉等。地壓——泛指巖體中存在的力，包括：一、地壓現(xiàn)象與地壓第3頁/共97頁松動(dòng)地壓（散體壓力）膨脹地壓變形地壓（彈塑性變形地壓、流變地壓）地壓分類：沖擊地壓

地壓分類第4頁/共97頁二、采場(chǎng)地壓的特點(diǎn)1、暴露空間大2、復(fù)雜性3、多變性4、采場(chǎng)地壓顯現(xiàn)形式的多樣性5、控制采場(chǎng)地壓的難度大第5頁/共97頁

三、影響采場(chǎng)地壓的因素影響采場(chǎng)地壓的因素可概括為自然因素和開采技術(shù)因素兩個(gè)方面。1、自然因素方面的主要有：（1）圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)（2）開采深度（3）礦體的傾角與厚度：（4）構(gòu)造（5）地下水第6頁/共97頁2、采礦生產(chǎn)技術(shù)方面的因素（1）開采順序：（2）開采方法及控頂方法（3）回采速度（4）空區(qū)形態(tài)及空區(qū)形成時(shí)間第7頁/共97頁四、采場(chǎng)地壓的研究?jī)?nèi)容

采場(chǎng)地壓的研究的主要內(nèi)容是采場(chǎng)(包括采空區(qū))圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、變形、移動(dòng)和破壞的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，找到維護(hù)采場(chǎng)穩(wěn)定的措施。采場(chǎng)地壓的研究范圍可歸結(jié)為兩個(gè)方面的問題，一方面是回采期間采場(chǎng)的穩(wěn)定問題，另一方面是回采完畢采空區(qū)的處理問題。第8頁/共97頁1、回采期間采場(chǎng)的穩(wěn)定

這里是指采場(chǎng)(包括采準(zhǔn)巷道、硐室)的圍巖在回采期間不發(fā)生危險(xiǎn)變形，以保障回采的安全，維護(hù)回采作業(yè)的正常進(jìn)行。其研究的范圍包括下述一些問題：

（1）采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布的規(guī)律；

（2）巖體失穩(wěn)的原因、條件和機(jī)理；

（3）確定采場(chǎng)中各種結(jié)構(gòu)物(礦柱、支架)上地壓的大小；研究礦柱的支護(hù)原理和設(shè)計(jì)方法；（4）確定合理的采準(zhǔn)布置方案；（5）研究采場(chǎng)地壓的控制措施，等等。

第9頁/共97頁2、采空區(qū)處理

空區(qū)處理的目的：控制由于空區(qū)引起的地壓顯現(xiàn)的強(qiáng)度。

空區(qū)處理的主要方法：目前處理空區(qū)的方法可歸納為“崩”“充”“撐”“封”四種。崩落：就是用爆破(或其他手段)的方法把空區(qū)上方的巖體崩落下來充塞空區(qū)。充填：用充填物(如碎石、尾砂、水砂、混凝土等)，將空區(qū)充滿。第10頁/共97頁支撐：利用礦柱或支架將空區(qū)撐起來，防止其發(fā)生危險(xiǎn)變形。實(shí)踐表明，此種方法的效果是很差的。

封閉：對(duì)于單獨(dú)的孤立的小空區(qū)可采用封閉的方法，將它與其它采場(chǎng)的通道隔絕，防止該空區(qū)冒落時(shí)對(duì)其它采場(chǎng)發(fā)生氣浪沖擊。其中充填和崩落是兩種主要的方法。2、采空區(qū)處理第11頁/共97頁§7-2采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律

采場(chǎng)頂板的暴露面一般都較巷道頂板大得多，且隨著采面位置的不斷向前推進(jìn)，空區(qū)尺寸也會(huì)不斷發(fā)生變化，故采場(chǎng)應(yīng)力分布也具有自身的特性，變化大，且屬空間問題。

第12頁/共97頁一、支承壓力

在原巖中形成采場(chǎng)后，上覆巖層的重力即轉(zhuǎn)嫁于采場(chǎng)四壁的巖體中，使采場(chǎng)四壁特別是兩側(cè)巖體中的豎向應(yīng)力升高，形成所謂支承壓力。第13頁/共97頁采場(chǎng)周圍應(yīng)力分布第14頁/共97頁1、支承帶應(yīng)力集中系數(shù)KC

式中：kL——開采空間形狀影響系數(shù)，長/寬＝1，kL＝0.7；長/寬>3，kL≈1；b——支承帶寬度；

L——采場(chǎng)跨度。第15頁/共97頁2、支承壓力帶寬度b

式中：kl—跨度影響系數(shù)，L＝3m，kl=1；L=30~40m，kl=0.5；kr—巖石性質(zhì)影響系數(shù)，硬巖kr=0.8；中硬巖kr=1.5。支承壓力帶寬度b，視巖層性質(zhì)及采空區(qū)跨度而異，大致有以下關(guān)系：第16頁/共97頁3、支承壓力帶隨工作面的推進(jìn)而不斷向前移動(dòng)采空區(qū)四周都存在支承壓力區(qū)；前方巖體有較大的應(yīng)力集中；剛充填的充填體中應(yīng)力很小，遠(yuǎn)離開采的充填體被壓實(shí)，其承受的壓力逐漸增高，直至等于原巖應(yīng)力。第17頁/共97頁4、相鄰采場(chǎng)對(duì)支承壓力的影響(a)b>b1+b2，無影響(b)b<b1+b2(c)b<b1+b2，且一側(cè)開采空間位于另一側(cè)的支承壓力帶內(nèi)，則開采空間2的兩側(cè)都會(huì)受到開采空間1的影響，其兩側(cè)的支承壓力都有不同程度的增大。第18頁/共97頁二、頂板巖層中的應(yīng)力分布水平礦體開采第19頁/共97頁傾斜礦體開采二、頂板巖層中的應(yīng)力分布第20頁/共97頁圍巖中的應(yīng)力與礦體傾角的關(guān)系

第21頁/共97頁1、按孔的應(yīng)力集中理論分析采場(chǎng)地壓

埋深大，巖層均勻連續(xù)并可視為彈性體時(shí)，采場(chǎng)應(yīng)力分布可按彈性力學(xué)中，圓孔應(yīng)力集中解分析。第22頁/共97頁2、頂板應(yīng)力分布計(jì)算模型例如：用彈性力學(xué)方法研究在中房柱法頂板中應(yīng)力分布假設(shè)：（1）巖石為均質(zhì)各向同性彈性介質(zhì)；（2）礦床走向長度較大，長度L與開采深度H之比大于1.5，即L/H>1.5；（3）礦柱間距相等；（4）將采場(chǎng)上部厚度為h的巖層視為頂板，且h≥l(l為礦房寬度之半）；（5）作用于頂板上的荷載均勻分布。第23頁/共97頁3、頂板中應(yīng)力區(qū)劃分第24頁/共97頁1、拉應(yīng)力區(qū)2、壓應(yīng)集中區(qū)3、卸壓區(qū)：該區(qū)水平應(yīng)力σx和垂直應(yīng)力σy均較開采前低，處于卸壓狀態(tài)（免壓拱或稱卸壓拱）。卸壓區(qū)的巖體由于自重作用及彈性恢復(fù)，將向空區(qū)移動(dòng)，使頂板巖層下沉，巖體冒落或產(chǎn)生沉間離層現(xiàn)象。4、壓縮區(qū)：垂直應(yīng)力σy比開采前降低，水平應(yīng)力σx比開采前升高，是拱形承壓帶的拱橋，起著引導(dǎo)原巖垂直應(yīng)力向空區(qū)兩壁傳遞的作用。第25頁/共97頁4、應(yīng)用梁理論分析上覆巖層的應(yīng)力及其穩(wěn)定性

當(dāng)埋深淺，開采空間跨度較大（L>2H），上覆巖層整體性好，可當(dāng)作彈性梁看待時(shí)，可采用材料力學(xué)中的梁理論進(jìn)行分析。（1）D.F.科次用下式驗(yàn)算頂板中最大拉應(yīng)力

式中：γ——上覆巖層重度；λ——原巖應(yīng)力場(chǎng)側(cè)壓力系數(shù)；H——上覆巖層厚度；L——開采空間跨度。第26頁/共97頁

(2)層狀巖體頂板應(yīng)力分析

近水平巖層中開采矩形洞室后，隨著頂板向空區(qū)下沉，巖層間將會(huì)產(chǎn)生離層現(xiàn)象。各層次生應(yīng)力分布可近似采用梁理論。計(jì)算時(shí)，分別取各層的厚度hi作為梁的高度，γihi為梁的自重荷載。

分析可知：只要層厚小于該層懸露跨度的一半，就可能產(chǎn)生離層現(xiàn)象。第27頁/共97頁

(3)矩形開采空間長寬比對(duì)頂板應(yīng)力影響式中：L——矩形板的寬度（采場(chǎng)跨度）；h——板的厚度；p——單位面積上施加的荷載。K——應(yīng)力計(jì)算系數(shù)，隨l/L變化；l/L=1,1.5,2,3,∞K=0.280,0.487,0.610,0.713,0.750

對(duì)l/L≤2～3的開采空間，可近似采用矩形簡(jiǎn)支板分析，頂板最大拉應(yīng)力可按下式估算：第28頁/共97頁三、覆蓋巖層的變形和破壞1、空區(qū)覆蓋巖層的變形和破壞規(guī)律

由于空區(qū)巖體變形破壞的結(jié)構(gòu)，在覆蓋巖層中將形成三個(gè)不同的地帶：（1）冒落帶（2）裂隙帶（3）彎曲帶第29頁/共97頁（1）冒落帶

緊靠礦體上方的覆蓋巖層由于破碎而呈拱形冒落向上發(fā)展。冒落高度與礦體開采厚度、巖石碎脹性及可壓實(shí)性、采動(dòng)范圍、巖體強(qiáng)度、空區(qū)有無充填等有關(guān)，一般為礦體厚度（W）的2～6倍。第30頁/共97頁（2）裂隙帶

該帶巖體變形較大，巖層沿層理開裂形成離層，在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生垂直巖層的裂隙。若有水，則可從裂隙滲入，威脅空區(qū)。水體下開采必須使采動(dòng)形成的裂隙帶位于不透水層之下，即不破壞水系與礦體之間的不透水層方可進(jìn)行回采。裂隙帶的高度約為礦體厚度的9～28倍。水系不透水層裂隙帶采空區(qū)第31頁/共97頁（3）彎曲帶

整體移動(dòng)帶，僅出現(xiàn)下沉彎曲，不出現(xiàn)裂隙，保持了巖體原有的整體性。如果該帶內(nèi)有構(gòu)造斷裂存在，巖層可能沿構(gòu)造斷裂出現(xiàn)較大的移動(dòng)，使井巷或建筑物受到破壞。彎曲帶高度隨巖性而異，一般當(dāng)巖層脆而硬時(shí)，彎曲帶高度約為裂隙帶高度的3～5倍；巖體軟而具有塑性時(shí)，約為裂隙帶高度的數(shù)十倍。第32頁/共97頁（4）地表下沉盆地與下沉值

隨著彎曲帶的緩慢下沉，地表也逐漸下沉，位于空區(qū)中央上方的地表下沉值最大，空區(qū)周圍上方地表下沉值漸次減小，從而形成一個(gè)下沉盆地。下沉盆地的形態(tài)，視開采面積與開采深度的相對(duì)大小不同而異。第33頁/共97頁

未充分采動(dòng)當(dāng)開采面積相對(duì)較小，采空區(qū)寬度（走向或傾向）：L<(0.9～2.2)H(H為開采深度），盆地呈碗狀；L<(0.9～2.2)H

盆地呈碗狀；

充分采動(dòng)：當(dāng)開采面積相對(duì)較大，采空區(qū)寬度（走向或傾向）：L>2.2H，盆地呈平底狀。L>2.2H，盆地呈平底狀第34頁/共97頁

下沉系數(shù)η：最大下沉值wmax與對(duì)應(yīng)的礦體厚度M之比。采空區(qū)處理方法下沉系數(shù)η常用值崩落圍巖0.6～0.80.7削壁帶狀干式充填0.6～0.80.7外運(yùn)材料干式充填0.4～0.50.5水砂充填0.06～0.200.15水砂充填，帶狀部分開采0.020.02膠結(jié)充填0.02～0.050.02第35頁/共97頁不同傾角礦體的覆蓋巖層冒落帶和裂隙帶高度

不同傾角礦體的覆蓋巖層冒落帶和裂隙帶高度示意圖

1、裂隙帶；2、冒落帶第36頁/共97頁2、地表塌陷及崩落角和移動(dòng)角

礦體埋深較大，冒落帶、裂隙帶一般不會(huì)到地表，只在地表形成一個(gè)下沉盆地。若礦體埋藏淺，開采深度淺時(shí)，則會(huì)冒落到地表，形成塌陷坑。第37頁/共97頁（1）地表塌陷盆地第38頁/共97頁（2）崩落角和移動(dòng)角

根據(jù)地表變形破壞程度，可將移動(dòng)盆地劃分為崩落區(qū)和變形區(qū)。

崩落區(qū)——地表開裂，發(fā)生劇烈變形和破壞。變形區(qū)——地表只發(fā)生變形并未受到嚴(yán)重破壞。

移動(dòng)角——指用儀器測(cè)出的地表移動(dòng)邊界線至井下采空區(qū)下部邊界線的連線與水平面所成的夾角。

崩落角——指地表開裂區(qū)的最邊緣裂隙至井下采空區(qū)下部邊界線的連線與水平面所成的夾角。第39頁/共97頁

一般上盤崩落角β0約小于下盤崩落角α050～100。礦體走向方向的崩落角常用δ表示,盲礦體上端的下盤崩落角常用γ表示。

對(duì)于巖性堅(jiān)硬而脆的巖層，崩落角和移動(dòng)角差別較小，只相差50～100。第40頁/共97頁第41頁/共97頁（3）影響崩落角的因素

巖體性質(zhì)——堅(jiān)硬，崩落角大（650～750或更大）；軟巖，崩落角小，表土約450。

結(jié)構(gòu)面分布——若結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與空區(qū)構(gòu)成有利于滑動(dòng)關(guān)系時(shí)，巖體可沿此面滑動(dòng)。

采礦方法——深孔爆破比淺孔爆破對(duì)上覆巖層破壞震動(dòng)大，崩落角小；重復(fù)采動(dòng)，崩落角??；

空區(qū)處理方法——空區(qū)及時(shí)充填且密實(shí)，崩落角大；

開采深度及走向長度——在充分采動(dòng)條件下，上盤崩落角常隨開采深度的增大而變小。但當(dāng)開采深度進(jìn)一步增加時(shí)，崩落角將有所增大。第42頁/共97頁

在近地表開采，崩落廢石充滿空區(qū)，起到支承上盤控制巖移作用，崩落角大；采深增大，崩落廢石不足以充滿空區(qū)，上盤巖移向外擴(kuò)展，使崩落角減小；但當(dāng)開采深度進(jìn)一步增加時(shí)，受走向兩端巖體夾制作用增大，崩落角將有所增大。采深進(jìn)一步加大，頂板崩落成拱形而出現(xiàn)懸頂現(xiàn)象。第43頁/共97頁

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料和實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)分析表明：對(duì)于傾角小于600的走向長度為700～2500m的礦體，上盤巖體將發(fā)生定期崩落；

走向長度為270～700m的礦體，隨開采深度增加，上盤巖體將發(fā)生懸頂（頂板崩落成拱形），地面形成的崩落區(qū)范圍將固定不再向外擴(kuò)展。走向長度小于230m礦體開采時(shí)，僅發(fā)生局部冒落。開采走向長度小的礦體（<270～350m)，隨開采深度增加到一極限值，上盤巖體將發(fā)生懸頂。當(dāng)?shù)V體傾角大于600時(shí)，不僅上盤巖體發(fā)生移動(dòng)，下盤巖體也將發(fā)生移動(dòng)。第44頁/共97頁3、地表移動(dòng)與地表建筑物保護(hù)

地表下沉（W)——地表某點(diǎn)垂直位移分量。地表傾斜——地表下沉盆地沿某一方向的坡度，其平均值以兩點(diǎn)間的下沉差除以兩點(diǎn)間的水平距離，即地表水平移動(dòng)（u)——地表某點(diǎn)的水平位移分量。第45頁/共97頁3、地表移動(dòng)與地表建筑物保護(hù)

地表曲率——地表下沉盆地剖面線的彎曲程度，其平均值以相鄰兩線段傾斜差除以兩段地表水平距離的平均值，即第46頁/共97頁3、地表移動(dòng)與地表建筑物保護(hù)

地表水平變形（ε）——地表移動(dòng)盆地內(nèi)，兩點(diǎn)間水平移動(dòng)差與該兩點(diǎn)距離的比值，即第47頁/共97頁3、地表移動(dòng)與地表建筑物保護(hù)

臨界變形值——無需維修就能保持建筑物正常使用所允許的地表最大變形值。安全開采深度——當(dāng)開采深度超過某一臨界值時(shí)，巖移將不波及地表，或地表最大下沉值<20mm時(shí)，建筑物將不會(huì)出現(xiàn)破壞，通常將此開采深度稱為安全深度。第48頁/共97頁3、地表移動(dòng)與地表建筑物保護(hù)

各級(jí)建筑物所允許的變形值保護(hù)級(jí)別建筑物類型傾斜（mm/m）

曲率（1X103/m）水平變形（mm/m）Ⅰ豎井、水庫、5層以上樓房40.22Ⅱ通風(fēng)井及風(fēng)機(jī)房、空壓機(jī)房、鐵路60.44Ⅲ機(jī)修廠、輔助建筑物、架空索道80.66第49頁/共97頁3、滑坡及滾石

這是一種特殊的地表移動(dòng)，一般發(fā)生在山坡陡，距空區(qū)近的地表。由于采動(dòng)波及地表，常常造成陡坡失去平衡，出現(xiàn)滑坡及滾石。（1）滑坡形成：采動(dòng)影響產(chǎn)生的破碎帶，使山坡巖體抗剪強(qiáng)度降低，巖體可能沿弱面破壞，并在自重作用下沿滑移面整體下滑。

防治措施：削坡減載，消除隱患，或充填空區(qū)，或砌筑攔石壩等。第50頁/共97頁（2）滾石形成：采動(dòng)造成地表塌陷及巖石崩落，使完整巖石破裂成塊體，從而易沿陡坡滾下。防治措施：充填空區(qū)以控制地表巖移范圍，避免地表巖體破壞；建筑物不設(shè)計(jì)在滾石威脅的范圍內(nèi)或遷出；控制回采順序，使巖層移動(dòng)朝著不損壞建筑物一側(cè)發(fā)展，可使?jié)L石落入預(yù)定空區(qū)；砌筑攔石壩，導(dǎo)向槽等。3、滑坡及滾石

第51頁/共97頁§7-3采場(chǎng)地壓假說

一、卸壓拱假說（適用于破碎巖體）拱形：拱高：

卸壓拱上方巖體重力通過拱腳向兩側(cè)傳遞，在采空區(qū)兩側(cè)形成支承壓力區(qū)，拱內(nèi)巖體處于卸壓狀態(tài)。作用在采空區(qū)支護(hù)上的荷載只是卸壓拱內(nèi)巖體的重量，因而它只與拱形和拱內(nèi)巖體重度有關(guān)，而與開采空間距地表的深度無關(guān)。第52頁/共97頁二、覆蓋巖層總重假說

本假說認(rèn)為：水平或傾斜礦體中，開采空間內(nèi)礦柱或人工支撐物所承受的荷載是其上方直達(dá)地表的巖柱的重力。設(shè)礦房1寬度為a,礦柱2寬度為b,礦房長度為L，則礦柱2承受的荷載為P:第53頁/共97頁三、外伸懸臂梁及緩慢下沉假說（長壁采礦法）

直接頂：層狀巖體撤除支架以后能及時(shí)冒落的頂板巖層，稱為直接頂。老頂：直接頂上方不易冒落的巖層稱為老頂?shù)?4頁/共97頁

外伸懸臂梁假說認(rèn)為：用長壁法開采，采場(chǎng)初次放頂后，直接頂可視為懸臂梁。其一端與采場(chǎng)前方巖體連接，另一端呈懸臂狀態(tài)。懸臂梁主要靠自身與固定端巖體的連接力來維持其穩(wěn)定。采場(chǎng)支架的作用在于阻止懸伸巖層出現(xiàn)離層和松脫，控制裂縫發(fā)展，阻止在回采期間冒落。第55頁/共97頁

為了安全，防治懸伸頂板意外冒落，減小懸臂梁長度，減緩支架壓力，工作面推進(jìn)一定距離后，拆出若干排支架，使直接頂板懸伸部分崩落。每次崩落的距離稱為“放頂距”。一般放頂距可取1.5～7m。

老頂巖層的壓力，一部分傳給前方形成支承壓力，一部分傳至采后崩落巖體上，形成后支承力。隨時(shí)間推移，老頂逐漸下沉，斷裂，引起新的地壓活動(dòng)，使采場(chǎng)地壓增大。以后每隔一段時(shí)間，工作面每推進(jìn)一段距離，老頂巖層出現(xiàn)一次斷裂，這種因老頂周期性斷裂引起的采場(chǎng)周期性地壓活動(dòng)稱為“周期來壓”或“二次地壓”，由直接頂板施加于支架上的壓力稱為“初始地壓”。直接頂板越薄越易冒落，老頂越堅(jiān)固，則周期地壓越明顯劇烈。第56頁/共97頁

緩慢下沉假說認(rèn)為：開采厚度不大的水平或緩傾斜礦體，如頂板為塑性巖層，則工作空間上部巖體不發(fā)生折斷而整體緩慢下沉。采場(chǎng)支架主要承受頂板下沉的變形壓力。第57頁/共97頁四、滑動(dòng)棱體假說

適用于急傾斜厚大礦體。該假說認(rèn)為：開采空間結(jié)構(gòu)所承受的荷載（房間礦柱荷載）是其所支承的頂板滑動(dòng)棱體的下滑力。第58頁/共97頁設(shè)：Q為滑動(dòng)棱體ABCD沿走向單位長度的重力；

R上為上部松散楔體DCE的作用力的合力；

R下為滑動(dòng)面AB下部巖體的支承反力與摩擦阻力的合力；p為房間礦柱對(duì)每單位長度滑動(dòng)棱體的反力。平衡條件下，由力三角形可得：式中φ為巖體的內(nèi)摩擦角。第59頁/共97頁

滑動(dòng)棱體對(duì)礦柱的作用力與p等值反向，則礦柱受滑動(dòng)棱體荷載作用產(chǎn)生的平均應(yīng)力為σav:式中：a,b—分別為礦房和礦柱的寬度；L—滑動(dòng)棱體厚度。要保證礦柱穩(wěn)定，則：σc

為礦柱許用抗壓強(qiáng)度。第60頁/共97頁§7-4開采空間極限跨度及礦柱、充填體的受力分析

一、開采空間極限跨度

1、極限跨度Lmax：在保持穩(wěn)定的前提下，開采空間允許的最大跨度稱為極限跨度。

2、影響極限跨度的因素：巖性、開采深度、上覆巖層重量、暴露面傾角、暴露時(shí)間以及開采空間尺寸等。巖性軟弱，Lmax??；采深越大，覆蓋巖層作用在暴露面上的壓力越大，暴露面傾角越平緩，暴露面時(shí)間越長，則Lmax越小。采空區(qū)長度與跨度相接近時(shí)，Lmax較大；增大采空區(qū)長度，則Lmax較小。第61頁/共97頁

實(shí)踐表明：當(dāng)開采空間長度B較大（大于跨度L

3倍以上,即B/L>3），頂板暴露面的穩(wěn)定性取決于其跨度；開采長度不大（B/L<3的矩形采場(chǎng)），其穩(wěn)定性視暴露面積(A=LB)而定.第62頁/共97頁3、求極限跨度Lmax

（1）按梁理論導(dǎo)出的頂板拉應(yīng)力與跨度的關(guān)系：

式中：γ——上覆巖層重度；λ——原巖應(yīng)力場(chǎng)側(cè)壓力系數(shù)；H——開采深度；[σt]——頂板巖層許用抗拉強(qiáng)度。

將σt換成[σt]則可推出Lmax.對(duì)淺埋礦體（采深H<跨度L）且上覆巖體為整體時(shí)，由上式得出Lmax：第63頁/共97頁

某些模型得出的經(jīng)驗(yàn)公式與上式具有相似性。如

經(jīng)驗(yàn)表明：多裂隙的極限跨度約為無裂隙的0.6～0.7倍。

式中：k=|H-100|為考慮到拉應(yīng)力集中系數(shù)隨深度不同所作的修正系數(shù)。上式也適用于深埋礦體。3、求極限跨度Lmax第64頁/共97頁二、礦柱受力分析

1、緩傾斜礦體礦柱穩(wěn)定性分析（1）礦柱類型緩傾斜礦體采用空?qǐng)龇ㄩ_采時(shí)，礦柱有兩種類型：寬大的連續(xù)條帶式礦柱；不連續(xù)的圓形或矩形截面礦柱。（2）選擇礦柱形狀及尺寸的原則從維護(hù)穩(wěn)定性考慮，礦柱間距應(yīng)小于采場(chǎng)的極限跨度，礦柱本身的斷面尺寸應(yīng)滿足強(qiáng)度要求。礦柱形狀及尺寸選擇既要能維護(hù)采場(chǎng)穩(wěn)定，又要使礦石回采率最高。第65頁/共97頁

礦柱設(shè)計(jì)不合理，會(huì)影響整個(gè)采場(chǎng)的穩(wěn)定。若尺寸過小，一旦被壓垮，會(huì)引起連鎖反應(yīng)。例如，4號(hào)礦柱被壓垮，其承載力轉(zhuǎn)移給相鄰的3、5號(hào)礦柱，導(dǎo)致3、5礦柱破壞；3、5礦柱破壞后，2、6礦柱額外承擔(dān)了3、5礦柱擔(dān)負(fù)的荷載，則也可能產(chǎn)生破壞。第66頁/共97頁（3）礦柱應(yīng)力分析

礦柱應(yīng)力的影響因素：原巖應(yīng)力、開采深度、采空區(qū)形狀、礦體傾角、相鄰采場(chǎng)開采情況等。第67頁/共97頁礦房寬度a及個(gè)數(shù)n對(duì)礦柱應(yīng)力分布等影響

礦房寬度a越大，礦柱應(yīng)力集中系數(shù)kc越大，礦房個(gè)數(shù)n增加，礦柱應(yīng)力集中系數(shù)略為增大。b為礦柱寬度。礦房寬度a對(duì)礦柱應(yīng)力分布影響礦房個(gè)數(shù)n對(duì)礦柱應(yīng)力分布影響第68頁/共97頁礦柱內(nèi)部應(yīng)力分布橫向壓應(yīng)力橫向拉應(yīng)力軸向應(yīng)力橫向拉應(yīng)力橫向拉應(yīng)力第69頁/共97頁（4）礦柱平均應(yīng)力σav與礦柱圍巖變形特性的關(guān)系A(chǔ)、礦柱平均應(yīng)力

為簡(jiǎn)便起見，礦柱平均應(yīng)力常按覆巖總重與面積存載理論計(jì)算。式中：Q——礦柱所受荷載；

Ap、Am——礦柱橫截面積，礦房開采面積；

γ,

h——上覆巖體重度和開采深度。第70頁/共97頁礦石回采率：則：

即建立了礦柱平均應(yīng)力與原巖應(yīng)力和回采率的關(guān)系。可見，采深h越大，σv越大，σav越大；礦柱留得越多，即回采率η越低，礦柱受的應(yīng)力σav越小。令：則礦柱平均應(yīng)力：第71頁/共97頁B、礦柱平均應(yīng)力σav與礦柱圍巖變形特性的關(guān)系

按上式計(jì)算出的σav可以認(rèn)為是上限，實(shí)際應(yīng)力需視圍巖和礦柱變形協(xié)調(diào)關(guān)系而定。若礦柱剛度小，易壓縮，則所承受的荷載就?。蝗魢鷰r與礦柱的變形速度不一，圍巖下沉較快而礦柱壓縮變形相對(duì)較慢，則礦柱所承受的荷載增大，反之，礦柱可能卸載。第72頁/共97頁（5）礦柱破壞機(jī)理及破壞形式

礦柱破壞機(jī)理與巖石單軸壓縮實(shí)驗(yàn)類似。常見的破壞形式有三種：（a)貫通性剪切破壞；(b)剪切剝離破壞；(c)橫向膨脹及縱向劈裂。

礦柱在外荷載作用下達(dá)到其極限值時(shí)雖出現(xiàn)破裂，但其發(fā)展結(jié)果有兩種趨勢(shì)：破壞不再發(fā)展，礦柱保持穩(wěn)定，利用殘余強(qiáng)度支承地壓；破壞繼續(xù)發(fā)展，直至喪失穩(wěn)定，殘余強(qiáng)度不足以支承地壓。第73頁/共97頁（6）礦柱設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

礦柱強(qiáng)度條件：

注意：Rc是根據(jù)礦柱標(biāo)準(zhǔn)試件的單向抗壓強(qiáng)度σc并考慮下列影響因素推斷得出：式中：σav——礦柱平均應(yīng)力；

Rc——礦柱抗壓強(qiáng)度；[σc]——礦柱許用應(yīng)力；

n——安全系數(shù)，支承礦柱n=2～3；盤區(qū)礦柱n=3～5。第74頁/共97頁B、承載時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響：由于流變效應(yīng)使強(qiáng)度降低，故應(yīng)取長期強(qiáng)度作為礦柱強(qiáng)度；C、尺寸對(duì)強(qiáng)度的影響：礦柱尺寸大，含裂隙等原因，強(qiáng)度降低。設(shè)計(jì)時(shí)安全系數(shù)應(yīng)大于1；D、弱面的影響；E、爆破作業(yè)的影響。式中：σc——礦柱標(biāo)準(zhǔn)試件的單向抗壓強(qiáng)度；

Rc——礦柱抗壓強(qiáng)度；B——礦柱寬度；

h——礦柱高度。A、幾何形狀及高寬比對(duì)強(qiáng)度的影響：第75頁/共97頁2、急傾斜或傾斜厚礦體礦柱計(jì)算

按滑動(dòng)棱體假說進(jìn)行礦柱穩(wěn)定性計(jì)算。第76頁/共97頁

滑動(dòng)棱體對(duì)礦柱的作用力與p等值反向，則礦柱受滑動(dòng)棱體荷載作用產(chǎn)生的平均應(yīng)力為σav:式中：a,b—分別為礦房和礦柱的寬度；L—滑動(dòng)棱體厚度。要保證礦柱穩(wěn)定，則：σc

為礦柱許用抗壓強(qiáng)度。第77頁/共97頁三、充填體的力學(xué)效應(yīng)1、松散充填體：水砂、碎石、尾砂、爐碴等力學(xué)特點(diǎn)：松散、粘結(jié)力非常小，顆粒間的連結(jié)主要靠摩擦力和微弱的粘結(jié)力（毛細(xì)管表面的張力和松散料中含有的膠結(jié)物質(zhì)所構(gòu)成），強(qiáng)度低，但被壓實(shí)后，能起一定的支承作用，能有效限制圍巖移動(dòng)和地表下沉。第78頁/共97頁2、膠結(jié)充填體膠結(jié)充填體：在散料（水砂、碎石、尾砂、爐碴等）中加入膠結(jié)劑或低標(biāo)號(hào)水泥形成膠結(jié)物，來充填空區(qū)。力學(xué)特點(diǎn)：具有一定的粘結(jié)力，其強(qiáng)度較松散充填體高，力學(xué)性能更好，能更有效限制圍巖移動(dòng)和地表下沉，維護(hù)圍巖穩(wěn)定?？捎媚z結(jié)充填體作為人工頂?shù)字烷g柱，以提高礦石回收率。膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度為2～6MPa，彈性模量為98～980MPa，與圍巖相比仍很低，所以，它對(duì)圍巖的限制和地壓的控制作用仍有限。第79頁/共97頁3、充填體對(duì)地壓的控制作用充填材料性質(zhì)對(duì)采場(chǎng)應(yīng)力分布的影響：第80頁/共97頁(1)改善圍巖和礦柱的應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖和礦柱的自支承能力。

根據(jù)莫爾－庫倫理論，在三向應(yīng)力狀態(tài)下，礦柱強(qiáng)度σ1c為：（2）限制圍巖崩落及裂隙擴(kuò)展，控制地表下沉。

式中σa為充填體施加于礦柱的側(cè)壓力,與充填材料的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)；σc為礦柱單向抗壓強(qiáng)度。第81頁/共97頁4、充填體的承壓作用原巖應(yīng)力狀態(tài)回采礦房形成人工礦柱礦柱開采，人工礦柱受力第82頁/共97頁§7-5采場(chǎng)地壓的控制方法

一、改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)

1、合理確定采場(chǎng)斷面形狀及礦房、礦柱尺寸例如，在自重應(yīng)力場(chǎng)中用空?qǐng)龇ㄩ_采，留傾斜礦柱比水平礦柱更合理。第83頁/共97頁2、確定合理的礦塊開采順序

利用礦房礦柱間隔回采的方法，能大大減輕地壓。礦房礦柱尺寸選取得當(dāng)，可形成免壓拱，在免壓拱下回采則較為安全。第84頁/共97頁3、確定合理的礦體開采順序

（1）在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地段先回采高應(yīng)力礦塊。（2）自斷層下盤后退式回采。礦體被斷層錯(cuò)斷后，斷層下盤礦體的回采順序不同時(shí)，地壓顯現(xiàn)也不同。

后退式回采應(yīng)力降低區(qū)前進(jìn)式回采應(yīng)力集中區(qū)第85頁/共97頁4、合理布置采場(chǎng)

回采空間長軸方向應(yīng)盡可能與礦體最大主應(yīng)力方向一致。

沿最大主應(yīng)力方向掘進(jìn)

垂直最大主應(yīng)力方向掘進(jìn)第86頁/共97頁二、支承與加固圍巖

回采不穩(wěn)固礦體時(shí)，常用人工方法支護(hù)工作面，防止冒落。例如架設(shè)支架，錨桿、錨索和噴射混凝土等。三、充填

利用充填體處理空區(qū)，改善圍巖和礦柱受力狀態(tài)，增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性及礦柱強(qiáng)度，以阻止圍巖冒落，緩解地壓顯現(xiàn)，減小地表下沉。四、崩落崩落巖體處理空區(qū)，可緩解或消除因空區(qū)存在而引起的地壓顯現(xiàn)，降低或消除采場(chǎng)附近巖體中和支承壓力。第87頁/共97頁§7-6沖擊地壓（巖爆）及其控制

一、概述

1、沖擊地壓（巖爆）：在深井開采或在構(gòu)造應(yīng)力很高的地區(qū)開采時(shí)，采空區(qū)周圍巖體（處于極限應(yīng)力狀態(tài)）突然發(fā)生爆發(fā)式破壞現(xiàn)象，猶如炸藥爆炸，巖體彈射、震動(dòng)，大量巖塊拋出，并伴有巨大聲響和氣浪，這種地壓現(xiàn)象稱為沖擊地壓。沖擊地壓是巖體發(fā)生脆性破壞的一種動(dòng)力現(xiàn)象。第88頁/共