礦山壓力及其控制第一章緒論

礦山壓力與巖層控制安全科學(xué)與工程學(xué)院李志強(qiáng)TELQ：82543181Email:maximos592@課程性質(zhì)及任務(wù)

《礦山壓力與巖層控制》是采礦工程和煤礦開采技術(shù)相關(guān)專業(yè)的必修專業(yè)課。任務(wù)：應(yīng)力分布規(guī)律

1、掌握三個(gè)規(guī)律巖層移動(dòng)規(guī)律礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2、掌握二個(gè)原理工作面支架與圍巖相互作用原理巷道支架與圍巖相互作用原理

3、掌握一套方法：礦壓控制方法2023/2/63緒論課程學(xué)習(xí)基本要求

:

了解各類圍巖事故產(chǎn)生的條件、原因和特點(diǎn)；

了解礦山壓力現(xiàn)場(chǎng)研究的基本方法；

初步具備解決、分析礦山壓力問題的能力；

能針對(duì)具體煤層和圍巖條件布置巷道和回采工作面；能合理設(shè)計(jì)回采工作面、巷道的圍巖控制方式。緒論1.1礦山壓力的基本概念1.1.1礦山壓力的基本概念

我們所說的采礦通常是指固體礦床地下開采，即：地下開采和露天開采，在煤礦行業(yè)，地下開采又常稱為“井工開采”或標(biāo)準(zhǔn)采礦等，由于露天開采對(duì)地表破壞、環(huán)境污染較嚴(yán)重，也稱為非標(biāo)準(zhǔn)采礦，見下圖。2023/2/65緒論2023/2/66緒論

礦山壓力：這種由于在地下煤炭中進(jìn)行采掘活動(dòng)而在井巷、硐室、及回采工作面周圍煤巖體中和其中的支護(hù)物上所引起的力，就叫礦山壓力。

2023/2/67緒論

礦山壓力顯現(xiàn)：

在礦山壓力作用下，會(huì)引起各種力學(xué)現(xiàn)象，如頂板下沉、底板臌起、巷道斷面縮小、巖體破壞脫落母體甚至大面積冒落，煤被壓松產(chǎn)生片幫或突然拋出，支架嚴(yán)重變形或損壞，以及大面積巖層移動(dòng)，地表發(fā)生塌陷等等，這些由于礦山壓力作用，使圍巖、煤體和各種人工支撐物產(chǎn)生的種種力學(xué)現(xiàn)象，通稱為“礦山壓力顯現(xiàn)”。2023/2/68緒論

礦山壓力控制：隨著大規(guī)模開采活動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)給工作帶來嚴(yán)重危害，為使礦壓顯現(xiàn)不致影響采礦工作正常進(jìn)行和保障安全生產(chǎn)，必須采取各種技術(shù)措施把礦山壓力顯現(xiàn)控制在一定的范圍內(nèi)，對(duì)有利于采礦生產(chǎn)的礦山壓力顯現(xiàn)也要合理的利用。所有減輕、調(diào)節(jié)、改變和利用礦山壓力作用的各種方法，均叫做礦山壓力控制。2023/2/69緒論

礦山壓力及巖層控制：

礦山壓力、礦山壓力顯現(xiàn)、礦山壓力控制是礦山壓力與巖層控制研究的主要內(nèi)容。隨著大規(guī)模開采活動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)給工作帶來嚴(yán)重危害，人們迫切需要一種理論來解釋和研究有關(guān)的礦壓現(xiàn)象，并用以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和安全生產(chǎn)，這就使于60年代形成了一門新的學(xué)科分支——礦山壓力及巖層控制。2023/2/610緒論1.1.2發(fā)展礦山壓力與巖層控制的意義（1）生態(tài)環(huán)境保護(hù)：地下水破壞、地表沉降、矸石山占地、瓦斯抽放等。（2）保證安全和正常生產(chǎn)：頂板事故、巷道穩(wěn)定、邊坡控制等，掌握礦山壓力活動(dòng)的基本規(guī)律，用以指導(dǎo)采礦生產(chǎn)的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)組織，保障安全生產(chǎn)，設(shè)備正常運(yùn)行。（3）減少地下資源損失：通過研究和實(shí)測(cè)礦壓活動(dòng)規(guī)律，減少頂板等事故，選擇合理煤柱尺寸，甚至某些情況下取消煤柱，減少煤炭資源損失量。2023/2/611緒論（4）改善地下開采技術(shù)：地下開采技術(shù)的進(jìn)步與對(duì)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的深刻認(rèn)識(shí)和礦壓控制手段的改善有密切關(guān)系。（5）提高開采經(jīng)濟(jì)效果：礦壓顯現(xiàn)預(yù)測(cè)、支護(hù)質(zhì)量與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、信息反饋、確定優(yōu)化的礦山與開采設(shè)計(jì)等，提高開采效益。

綜上所述，掌握礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，研究礦壓控制的有效方法，對(duì)煤礦生產(chǎn)有十分重要意義。2023/2/612緒論煤炭開采巖層移動(dòng)排放矸石地下水流失與突水事故瓦斯卸壓流動(dòng)、瓦斯事故與排放瓦斯污染環(huán)境地表塌陷、土地與建筑物損害占用土地污染環(huán)境保水開采煤與瓦斯共采條帶開采充填開采矸石不出井與煤巷支護(hù)煤炭地下氣化綠色開采關(guān)鍵層理論2023/2/613緒論

CH4

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煤炭開采引起的一系列安全和環(huán)境問題都與采動(dòng)巖層破斷與運(yùn)動(dòng)有關(guān)。開采沉陷突水事故突水事故瓦斯抽采瓦斯事故冒頂事故不能忘卻的沉痛：近年重大礦難事故匯覽·2004年10月，河南大平煤礦特大瓦斯爆炸事故遇難148人經(jīng)過21巖石掘進(jìn)工作面突然遭遇構(gòu)造帶，使大量聚積在煤層里的瓦斯瞬間爆發(fā)沖出，沖毀通風(fēng)設(shè)施，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)也因短時(shí)超限電力中斷，造成風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，致使大量瓦斯沖入主要進(jìn)風(fēng)大巷及11、13、15采區(qū)。大部分遇難者均因窒息而亡。事故原因因“特大型煤與瓦斯突出”而引發(fā)瓦斯爆炸。該礦局部通風(fēng)設(shè)施管理混亂、應(yīng)急處置不力、安全管理存在漏洞，是導(dǎo)致事故災(zāi)害擴(kuò)大的重要原因。調(diào)查處理國務(wù)院常務(wù)會(huì)議研究加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)工作；國務(wù)委員兼國務(wù)院秘書長(zhǎng)華建敏率工作組迅速趕赴事故現(xiàn)場(chǎng)；成立了以國務(wù)院安全生產(chǎn)委員會(huì)副主任、國家煤礦安全監(jiān)察局局長(zhǎng)王顯政為組長(zhǎng)，河南省領(lǐng)導(dǎo)參加的事故調(diào)查領(lǐng)導(dǎo)小組。河南副省長(zhǎng)受行政警告；造成事故的責(zé)任人，因涉嫌重大責(zé)任事故犯罪日被逮捕；礦難遇難者家屬簽訂賠付協(xié)議。遇難者得到妥善安置。不能忘卻的沉痛：近年重大礦難事故匯覽·2004年11月，陜西銅川陳家山煤礦特大瓦斯爆炸事故遇難166人經(jīng)過發(fā)生爆炸的415、416工作面位於礦井最底部，那天早上7點(diǎn)左右，巷道里的風(fēng)向由進(jìn)風(fēng)突然變成了反方向的熱風(fēng)，隨即發(fā)生爆炸。而后又先后發(fā)生四次新爆炸。事故原因四次次生爆炸由明火引起：由于有明火，越爆炸，瓦斯補(bǔ)充濃度越高；瓦斯?jié)舛仍礁?，越容易引起爆炸，從而形成循環(huán)。事故調(diào)查組對(duì)引發(fā)瓦斯爆炸的火源仍有不同意見調(diào)查處理成立國家煤礦安全監(jiān)察局局長(zhǎng)王顯政為組長(zhǎng)，陜西省代省長(zhǎng)陳德銘、監(jiān)察部副部長(zhǎng)陳昌智、全國總工會(huì)書記處書記張鳴起、國家煤礦安全監(jiān)察局副局長(zhǎng)趙鐵錘、陜西省副省長(zhǎng)鞏德順任副組長(zhǎng)的調(diào)查領(lǐng)導(dǎo)小組；三位礦長(zhǎng)被免職；積極搶救受難礦工；廣泛發(fā)動(dòng)社會(huì)捐助；建立遇難礦工紀(jì)念碑；與遇難礦工家屬達(dá)成賠付協(xié)議，遇難者得到妥善安置。不能忘卻的沉痛：近年重大礦難事故匯覽·2005年2月，遼寧孫家灣煤礦特大瓦斯爆炸事故遇難214人。（直接經(jīng)濟(jì)損失4968.9萬元）經(jīng)過事故發(fā)生地點(diǎn)在孫家灣煤礦3316外風(fēng)道掘進(jìn)工作面，2月14日白班，孫家灣煤礦正常作業(yè)，到14時(shí)50分，3316外風(fēng)道掘進(jìn)工作面突然發(fā)生礦震，地面瓦斯通風(fēng)檢測(cè)突然沒有顯示。據(jù)當(dāng)時(shí)地面有關(guān)人員介紹，14時(shí)50分有明顯礦震感覺，到15時(shí)03分，井下242采面工人寧海濤在井下匯報(bào)說，242面有反風(fēng)，之后，井下－357調(diào)度匯報(bào)，－357大巷全是煙。由于沖擊地壓造成3316風(fēng)道外段大量瓦斯異常涌出，3316風(fēng)道里段掘進(jìn)工作面局部停風(fēng)造成瓦斯積聚、瓦斯?jié)舛冗_(dá)到爆炸界限；工人違章帶電檢修臨時(shí)配電點(diǎn)的照明信號(hào)綜合保護(hù)裝置，產(chǎn)生電火花而引起瓦斯爆炸。事故原因直改擴(kuò)建工程及礦井生產(chǎn)技術(shù)管理混亂；煤礦“一通三防”、機(jī)電管理混亂；勞動(dòng)組織管理混亂；缺乏統(tǒng)一、有效的安全管理制度；煤礦安全管理混亂，有章不循；重生產(chǎn)、輕安全，片面追求經(jīng)濟(jì)效益，忽視安全生產(chǎn)管理；政府有關(guān)部門未能嚴(yán)格履行職責(zé)，監(jiān)管監(jiān)察不到位。調(diào)查處理以國務(wù)委員兼國務(wù)院秘書長(zhǎng)華建敏為組長(zhǎng)的國務(wù)院工作組趕赴現(xiàn)場(chǎng)；國家安監(jiān)局要求各地立即開展煤礦安全生產(chǎn)大檢查；決定對(duì)負(fù)有領(lǐng)導(dǎo)責(zé)任的遼寧省副省長(zhǎng)給予行政記大過處分，責(zé)成遼寧省人民政府向國務(wù)院作出書面檢查；對(duì)阜新礦業(yè)集團(tuán)公司董事長(zhǎng)、總經(jīng)理給予行政撤職、撤銷黨內(nèi)職務(wù)處分，并按照程序免去其董事長(zhǎng)職務(wù)；其余31名事故責(zé)任人4人移交司法機(jī)關(guān)處理，27人分別給予行政處分；不惜一切力量組織搶救工作；遇難礦工家屬已全部和礦方簽訂了善后協(xié)議，妥善安置遇難者。不能忘卻的沉痛：近年重大礦難事故匯覽·近年來礦難事件列表

2001年7月廣西南丹礦井透水

2002年5月山西運(yùn)城富源煤礦透水

2002年6月20日黑龍江雞西特大礦難124人遇難

2002年8月江西豐城建新煤礦瓦斯爆炸

2002年8月黑龍江七臺(tái)河煤礦瓦斯爆炸

2003年7月河南登封東風(fēng)煤礦透水

2003年10月14日江西豐城發(fā)生礦難49人遇難

2004年2月北京大安山煤礦大塌冒

2004年2月5日山西靈石煤礦爆炸案29人遇難

2004年6月3日河北邯鄲鴻達(dá)礦難12人遇難

2004年9月23日河南新密市礦難7人遇難

2004年10月6日北京大安山礦難10人遇難

2004年10月18日四川雅安寶興礦難

2004年10月20日河南大平礦難147人遇難

2004年11月陜西銅川陳家山煤礦瓦斯爆炸

2004年11月20日河北省沙河市礦難65人遇難

2005年1月7日河南省澠池縣礦難4死

2005年1月12日河南省宜陽縣礦難10死10傷

2005年1月16日重慶南川市礦難12死

2005年1月21日遼寧省調(diào)兵山市礦難9死4傷

2005年2月14日遼寧省阜新市礦難213死1失蹤

2005年2月17日云南省富源縣礦難24死14傷3人失蹤.

2005年2月26日重慶市銅梁縣礦難2死2傷

2005年新疆“7-11”阜康礦難83名礦工遇難

2005年廣東興寧礦難1.1.3采礦工程的力學(xué)特點(diǎn)

1、

采礦工程巖體結(jié)構(gòu)的本質(zhì)與地面工程結(jié)構(gòu)不同，地下工程圍巖即是載荷，也是一種承載結(jié)構(gòu)。

2、采礦工程的移動(dòng)特性（采場(chǎng)、掘進(jìn)）

3、采礦工程中圍巖的大變形和支護(hù)體的可縮特征

4、采礦工程的能量原理和動(dòng)力現(xiàn)象2023/2/619緒論1.2礦山壓力及控制的發(fā)展簡(jiǎn)況

1.2.1對(duì)礦壓的早期認(rèn)識(shí)階段

我國是世界上采礦最早的國家之一，中國采礦有文字可考的歷史始于商代，但實(shí)際的采礦活動(dòng)還要早很多。

春秋至南北朝（公元前770年至前200年），采礦技術(shù)已有全面發(fā)展。隨著采礦規(guī)模日益擴(kuò)大，經(jīng)常出現(xiàn)礦井內(nèi)頂板冒落，巷道堵塞或地表塌陷，迫使人們重視和研究礦壓?jiǎn)栴}。1.2.2建立礦壓早期假說階段

19世紀(jì)后期到20世紀(jì)初，是礦壓研究的第二個(gè)階段。利用一些簡(jiǎn)單的力學(xué)原理解釋實(shí)踐中出現(xiàn)的一些礦壓現(xiàn)象，并提出了一些初步的礦壓假說，具有代表性的是“壓力拱假說”，即認(rèn)為巷道上方能形成自然平衡拱及有關(guān)分析計(jì)算。同時(shí)提出了以巖石堅(jiān)固性系數(shù)f（普氏系數(shù)）作為定量指標(biāo)的巖石分類方法，曾獲得廣泛應(yīng)用至今。在這個(gè)階段中，對(duì)巷道圍巖破壞機(jī)理和支架所受的巖石壓力大小開始了初步的理論研究。在研究巖層和地表移動(dòng)等方面，進(jìn)行了地面及井下觀測(cè)，研究到地表建筑物的損壞不僅由于地表下沉，還由于水平移動(dòng)的結(jié)果。2023/2/623緒論1.2.3以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為理論基礎(chǔ)的研究階段

20世紀(jì)30年代至50年代：將整個(gè)巖體作為連續(xù)的，各向同性的彈性體來考慮，即用彈性理論研究礦山壓力問題，這一階段的典型成果：（1）用虎克定律推導(dǎo)出了自重作用下原巖應(yīng)力的計(jì)算公式；（2）用彈性理論解決了圓形巷道的應(yīng)力分布問題。后來又研究了巖體非均質(zhì)和各向異性對(duì)理想彈性體的影響，以及把巖層看作具有不同變形特征的彈性介質(zhì)，進(jìn)一步研究巖體層理性的影響，此外還用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法研究了巖層移動(dòng)問題。在進(jìn)行理論研究的同時(shí)，研究礦壓的實(shí)驗(yàn)手段也獲得了發(fā)展，其中較為應(yīng)用的是利用相似材料進(jìn)行的相似模型研究方法和利用光敏感材料進(jìn)行的光彈性模擬方法。2023/2/625緒論1.2.4礦壓研究的近代發(fā)展階段（60年代至今）

這個(gè)時(shí)期的科技發(fā)展特點(diǎn)：（1）礦山開采規(guī)模增大；（2）計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展；（3）相關(guān)學(xué)科進(jìn)步明顯。與此相類似，礦壓研究取得了一些新進(jìn)展：

2023/2/626緒論1.2.5我國在礦山壓力研究方面的主要工作與成就

為了配合全國有序地開展礦壓研究及推動(dòng)煤礦科技進(jìn)步。1979年4月26日煤炭部批準(zhǔn)在中國礦業(yè)大學(xué)建立煤炭工業(yè)部礦山壓力情況報(bào)中心站，作為全國礦壓研究與實(shí)踐方面的重要學(xué)術(shù)組織，到目前為止已經(jīng)組織召開了11屆全國性礦山壓力理論與實(shí)踐研討會(huì)，并下設(shè)8個(gè)各分站錢鳴高、牛錫倬、平壽康、劉天泉、宋振騏等學(xué)者對(duì)推動(dòng)我國礦壓理論研究與工程應(yīng)用作出了突出貢獻(xiàn)，如著名的砌體梁理論等。我國煤礦事故中頂煤事故由45％下降到15％，目前一批中青年學(xué)者、專家迅速成長(zhǎng)。砌體梁理論、關(guān)鍵層理論、錨桿支護(hù)技術(shù)等。

2023/2/628緒論1.3礦山壓力與巖層控制研究的主要內(nèi)容

地下采礦中常見的巖石開挖工程有：井硐室、巷道和工作面，其中以巷道和回采工作面最為常見，所以礦山研究以巷道回采工作面為核心進(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容如下：（一）支承壓力（二）回采工作面上覆巖層活動(dòng)規(guī)律及其分析

1.老頂穩(wěn)定及初次極限跨距

2.裂隙體梁及結(jié)構(gòu)分析

（三）回采工作面礦山壓力顯現(xiàn)基本規(guī)律

1.初次來壓分析

2.周期來壓分析

3.頂板壓力估算2023/2/630緒論

（四）回采工作面頂板控制與支護(hù)方法

1.支架圍巖相互作用原理

2.支架選型（五）采區(qū)巷道礦壓顯現(xiàn)與控制

1.巷道礦壓顯現(xiàn)的基本規(guī)律

2.巷道礦壓控制原理

3.采區(qū)巷道支護(hù)

（六）動(dòng)壓現(xiàn)象及控制

1.沖擊礦壓（沖擊礦壓煤、及瓦斯的突然噴出）

2.頂板大面積來壓1.4礦山壓力與巖層控制的研究方法（1）

理論研究

解析分析方法、數(shù)值分析方法模糊分析、概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)分析、靈敏度分析、趨勢(shì)分析近代數(shù)學(xué)、力學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)方法

（2）

實(shí)驗(yàn)室研究巖石的物理力學(xué)性質(zhì)相似模擬支架的整體性能（3）