礦山壓力與巖層控制課件

礦山壓力與巖層控制電子教案2/6/20231

緒論1.1與礦山壓力有關(guān)的安全事故在整個(gè)煤礦安全事故中，煤礦頂板事故所占比重超過(guò)50%以上，死亡人數(shù)所占比重超過(guò)30%以上，每年頂板事故影響的產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的5%，達(dá)到3000萬(wàn)t至4000萬(wàn)t的巨大數(shù)字。圖1.1中國(guó)煤礦安全事故比例圖1.2中國(guó)煤礦死亡人數(shù)比例2/6/20232

緒論年份傷亡總起數(shù)傷亡總?cè)藬?shù)其中冒頂運(yùn)輸機(jī)電爆破透水其他起數(shù)人數(shù)起數(shù)人數(shù)起數(shù)人數(shù)起數(shù)人數(shù)起數(shù)人數(shù)起數(shù)人數(shù)1994294014232233223555199532361920112211475519962835172211111167231997213191311111151144199817209911221123241999232511111111224446200015183522113466200117255811135855200222286711251315合計(jì)2292881101388814141214386047542/6/20233煤礦重大事故的發(fā)生及有效控制，幾乎都同時(shí)與巖層運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力的大小和分布條件有機(jī)地聯(lián)系在一起。

圖1.3與巖層運(yùn)動(dòng)相關(guān)事故機(jī)理

緒論2/6/20234沖擊地壓承受巨大地壓的頂板突然斷裂所造成的破壞巖石位能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能而帶來(lái)的沖擊地壓。

緒論2/6/20235透水事故因礦井頂、底板壓力過(guò)大，致使煤礦在開(kāi)采過(guò)程中地表水、老空水或相鄰煤礦報(bào)廢礦井中的水沿?cái)鄬悠扑閹Я魅刖镌斐赏杆鹿省?/p>

圖1.5廣東興寧一煤礦發(fā)生透水事故示意圖圖1.6四川廣安礦井透水事故示意圖

緒論2/6/20236（1）沒(méi)有很好地掌握各個(gè)具體煤層需要控制的巖層范圍及運(yùn)動(dòng)規(guī)律（運(yùn)動(dòng)發(fā)生的時(shí)間、條件），頂板控制設(shè)計(jì)缺少基礎(chǔ)；（2）沒(méi)有掌握各種類(lèi)型支架的特性及實(shí)際支撐能力。針對(duì)具體煤層條件選好和用好支護(hù)手段方面的問(wèn)題；（3）沒(méi)有更好地揭示支架-頂板運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系，正確合理選擇控制方案。

緒論頂板事故頻發(fā)的基本原因：2/6/20237

緒論1.2礦山壓力與巖層控制研究的主要任務(wù)

（1）研究隨采場(chǎng)推進(jìn)過(guò)程中，在采場(chǎng)周?chē)簩蛹皫r層中重新分布的應(yīng)力（包括應(yīng)力大小及方向等）及其發(fā)展變化的規(guī)律。該應(yīng)力的存在和變化是煤及巖層變形、破壞和位移的根源，也是采場(chǎng)及周?chē)锏乐Ъ苌蠅毫︼@現(xiàn)的條件。

（2）研究采場(chǎng)支架上顯現(xiàn)的壓力及其控制方法。包括壓力的來(lái)源、壓力大小及與上覆巖層運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系、正確的控制設(shè)計(jì)方法等。2/6/20238（4）控制采動(dòng)巖層活動(dòng)的主要因素分析。從復(fù)雜的采動(dòng)巖層活動(dòng)中建立采動(dòng)巖層的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，從而展開(kāi)對(duì)采場(chǎng)頂板礦壓、采場(chǎng)突水、巖層移動(dòng)及地表沉陷規(guī)律等進(jìn)行系統(tǒng)描述。（5）深部開(kāi)采時(shí)采場(chǎng)支承壓力分布、巖層結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、圍巖大變形的控制機(jī)制等。

緒論（3）研究開(kāi)掘的巷道的位置和時(shí)間。不同時(shí)間開(kāi)挖巷道時(shí)和不同地點(diǎn)開(kāi)挖的巷道圍巖壓力的來(lái)源、巷道支護(hù)設(shè)備上的壓力大小及其影響因素等。2/6/20239

緒論1.3礦山壓力與巖層控制研究的回顧1.3.1掩護(hù)“拱”假說(shuō)①采動(dòng)形成的工作空間是在“拱”結(jié)構(gòu)掩護(hù)之下；②“拱”結(jié)構(gòu)承擔(dān)上覆巖層的重量，通過(guò)拱腳傳遞到煤層及巖體上的壓力，并且在煤及巖體中形成的應(yīng)力，該應(yīng)力是煤及巖層破壞的原因，也是“拱”結(jié)構(gòu)本身向外擴(kuò)展的條件；③采場(chǎng)空間的支護(hù)僅承受拱內(nèi)已破壞巖層的巖重，支架是在由“拱”的結(jié)構(gòu)尺寸所圈定的破碎巖石荷重下工作。2/6/202310

緒論圖1.7自然平衡拱（1）自然平衡拱假說(shuō)（普氏假說(shuō)）

巷道開(kāi)掘后，已采空間上部巖層將逐步破損成拱的形狀。這個(gè)拱是自然形成的。拱的高度h是巖層的巖石強(qiáng)度和巷道寬度b的函數(shù)：2/6/202311

緒論

當(dāng)R和b已知，即可按上述二式計(jì)算出掩護(hù)拱的高度h，從而可以推算出拱所包圍的破碎巖石的面積A及相應(yīng)的巖石重量，據(jù)此即可確定巷道支護(hù)所需的反力。適用條件：普氏拱假說(shuō)適用于確定強(qiáng)度不高（f=5~6），開(kāi)采深度不是很大的巷道支護(hù)反力。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用簡(jiǎn)便。缺點(diǎn)：①?zèng)]有深入研究圍巖中應(yīng)力分布和穩(wěn)定的條件；

②不能解釋采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的周期性變化規(guī)律。

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緒論圖1.8工作面推進(jìn)中的自然平衡拱

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緒論（2）壓力拱假說(shuō)

圖1.9Φ.許普魯特壓力拱假

說(shuō)模型

壓力拱跨越整個(gè)采場(chǎng)，前后拱腳分別座落在未采動(dòng)的煤層和采空區(qū)的矸石上。2/6/202314

緒論

①壓力拱切斷了拱內(nèi)外巖體間力的聯(lián)系，承擔(dān)了上部巖層的重量，并將其轉(zhuǎn)遞至拱腳，從而形成支承壓力；優(yōu)點(diǎn)：假說(shuō)較好的解釋了采場(chǎng)周?chē)С袎毫Φ拇嬖?，較好的說(shuō)明了支架上的壓力遠(yuǎn)小于上覆巖層重量的原因。

②采場(chǎng)支架僅僅承擔(dān)拱內(nèi)（即控頂區(qū)以上至拱邊界處）巖石的重量，支架是在一定的載荷條件下工作，支架上顯現(xiàn)的壓力大小與本身的承載能力及其力學(xué)特性無(wú)關(guān)。壓力拱假說(shuō)的主要假設(shè)：2/6/202315

緒論假說(shuō)存在的缺陷：

①?zèng)]有明確壓力拱的性質(zhì)及其與巖層運(yùn)動(dòng)發(fā)展間的關(guān)系。因此，這個(gè)壓力拱始終是一個(gè)邊界無(wú)法確定的模糊概念，即無(wú)法找到采場(chǎng)支架需要控制的具體巖層范圍；

②假說(shuō)沒(méi)有正確的揭示采場(chǎng)支架與圍巖間的力學(xué)關(guān)系，無(wú)法解釋采場(chǎng)支架上顯現(xiàn)的壓力往往與支架本身力學(xué)特性有關(guān)的現(xiàn)象。2/6/202316

緒論1.3.2掩護(hù)“梁”假說(shuō)

①采場(chǎng)是在一系列“梁”的掩護(hù)之下。這些梁在冒落前能將自身的重量傳遞至前后兩端支承巖體之上，從而形成支承壓力

④支架作用在于防止已碎巖體垮落和保持結(jié)構(gòu)梁的連續(xù)性，不必要也不可能在改變頂板下沉量方面發(fā)揮作用。

③支架可能在由已破壞的巖石重力所“給定”的“一定載荷條件下”工作，也可能在由巖梁的沉降所決定的“一定變形條件下”工作。

②“梁”的破壞（冒落）和沉降是采場(chǎng)支架上壓力顯現(xiàn)的根源2/6/202317

緒論（1）“懸臂梁”假說(shuō)懸臂梁連續(xù)梁優(yōu)點(diǎn)：奠定了掩護(hù)梁假說(shuō)的發(fā)展。缺點(diǎn)：“懸臂梁”的巖層組合條件；沒(méi)有從理論上和方法上解決生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)找到懸臂梁范圍；沒(méi)有研究采場(chǎng)圍巖中的應(yīng)力；不能對(duì)采場(chǎng)上覆巖層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)作出更全面的描述。

2/6/202318（2）“預(yù)生裂隙梁”假說(shuō)低應(yīng)力區(qū)高應(yīng)力區(qū)假塑性變形區(qū)優(yōu)點(diǎn)：煤層超前破壞以及臨近采場(chǎng)的部分巖層出露前可能預(yù)先產(chǎn)生裂隙這一點(diǎn)，已經(jīng)為實(shí)踐所證實(shí)。缺點(diǎn)：不考慮煤層條件和開(kāi)采技術(shù)條件，也不問(wèn)巖層強(qiáng)度高低，一律用預(yù)生裂隙假說(shuō)去推斷采場(chǎng)上覆巖層破壞的情況是錯(cuò)誤的。

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緒論1.3.3鉸接巖塊假說(shuō)無(wú)規(guī)則垮落帶

有規(guī)則垮落帶

鉸接巖梁

缺點(diǎn)：未能將采場(chǎng)頂板控制設(shè)計(jì)提高到科學(xué)定量的程度

優(yōu)點(diǎn)：相當(dāng)深入的研究和揭示了采場(chǎng)支架與圍巖間的部分關(guān)系。為采場(chǎng)頂板控制設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

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緒論1.3.4砌體梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型與關(guān)鍵層理論（1）砌體梁模型（礦大錢(qián)鳴高院士）在老頂巖梁達(dá)到斷裂步距之后，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，巖梁將會(huì)折斷，但斷裂后的巖塊由于排列整齊，在相互回轉(zhuǎn)時(shí)能形成擠壓，由于巖塊間的水平力以及相互間形成的摩擦力，在一定條件下能夠形成外表似梁實(shí)則為半拱的平衡結(jié)構(gòu)。形狀如砌體--砌體梁。2/6/202321

緒論

采動(dòng)后巖體內(nèi)形成的砌體梁是一個(gè)大結(jié)構(gòu)，而影響采場(chǎng)頂板控制的主要因素是離層區(qū)附近的幾個(gè)關(guān)鍵巖塊。關(guān)鍵塊是否平衡直接影響采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性和支架受力大小。應(yīng)重點(diǎn)分析關(guān)鍵塊的平衡關(guān)系。砌體梁關(guān)鍵塊的滑落和回轉(zhuǎn)變形（“S—R”）穩(wěn)定條件。2/6/202322

緒論（2）關(guān)鍵層理論

某些較為堅(jiān)硬的厚巖層在活動(dòng)中起控制作用，即起承載主體與骨架作用；有些較為軟弱的薄巖層在活動(dòng)中只起加載作用，其自重大部分由堅(jiān)硬的厚巖層承擔(dān)。在巖體活動(dòng)中起主要控制作用的巖層稱(chēng)為關(guān)鍵層。

關(guān)鍵層定義：在采場(chǎng)上覆巖層中存在多個(gè)巖層時(shí)，對(duì)巖體活動(dòng)全部或局部起控制作用的巖層稱(chēng)為關(guān)鍵層。2/6/202323

緒論

關(guān)鍵層判別的主要依據(jù)：變形和破斷特征，在關(guān)鍵層破斷時(shí)，其上部全部巖層或局部巖層的下沉變形是相互協(xié)調(diào)一致的，關(guān)鍵層的斷裂將導(dǎo)致全部或相當(dāng)部分的上覆巖層產(chǎn)生整體運(yùn)動(dòng)，從而引起明顯的巖層運(yùn)動(dòng)和礦壓顯現(xiàn)。關(guān)鍵層由其巖層厚度、強(qiáng)度和載荷大小而定。2/6/202324

緒論1.3.5以巖層運(yùn)動(dòng)為中心的礦山壓力理論宋院士--以上覆巖層運(yùn)動(dòng)為中心的礦山壓力理論（“傳遞巖梁”理論）。明確礦山壓力與礦山壓力顯現(xiàn)的概念和關(guān)系上覆巖層運(yùn)動(dòng)和發(fā)展的基本規(guī)律

采場(chǎng)礦山壓力與礦山壓力顯現(xiàn)和上覆巖層運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系

回采工作面頂板控制設(shè)計(jì)

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緒論1.4本課程的主要研究?jī)?nèi)容與學(xué)習(xí)方法（1）第一章緒論。了解礦山壓力研究的任務(wù)、發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，掌握“傳遞巖梁理論的主要研究?jī)?nèi)容，了解礦山壓力研究方法。（4）第四章采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)與上覆巖層運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系。掌握確定直接頂、老頂?shù)姆椒ㄅc步驟，支承壓力在采場(chǎng)不同推進(jìn)階段的發(fā)展變化規(guī)律，支架與圍巖相互作用的各種工作方案。（2）第二章礦山壓力及礦山壓力顯現(xiàn)。建立“礦山壓力”及“礦山壓力顯現(xiàn)”的基本概念，弄清二者間的聯(lián)系和區(qū)別。（3）第三章上覆巖層運(yùn)動(dòng)和發(fā)展的基本規(guī)律。掌握上覆巖層運(yùn)動(dòng)和破壞的基本形式、上覆巖層沿縱向、采場(chǎng)推進(jìn)方向的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。2/6/202326

緒論（5）第五章回采工作面頂板控制設(shè)計(jì)。了解常用支架工作特性、支架實(shí)際支撐能力的影響因素，理解控制設(shè)計(jì)的要求與目標(biāo)，掌握頂板控制設(shè)計(jì)的一般方法與步驟。（6）第六章綜采放頂煤采場(chǎng)礦壓控制。了解放頂煤采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)，理解與掌握放頂煤采場(chǎng)頂板結(jié)構(gòu)及其控制方法。（7）第七章礦柱支護(hù)采礦法的圍巖控制。掌握礦柱支護(hù)采礦法的應(yīng)用范圍和支護(hù)結(jié)構(gòu)組成，理解礦柱支護(hù)能力的分析方法，了解對(duì)此類(lèi)采礦方法的巖體控制技術(shù)。（8）第八章采場(chǎng)周?chē)锏赖V壓控制。了解采場(chǎng)周?chē)鷳?yīng)力分布規(guī)律，理解回采巷道不同階段變形與破壞的規(guī)律，掌握合理巷道位置選擇與合理開(kāi)掘時(shí)間的確定方法，掌握錨桿支護(hù)等設(shè)計(jì)方法。2/6/202327

緒論（9）第九章沖擊地壓及其監(jiān)測(cè)。理解沖擊地壓發(fā)生的原因、機(jī)理，沖擊地壓預(yù)測(cè)方法，掌握防治沖擊地壓的技術(shù)措施。（10）第十章常規(guī)礦山壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)。了解礦山壓力監(jiān)測(cè)常用儀器，掌握單體液壓支柱工作