矿山压力及其控制第一章绪论.ppt

矿山压力与岩层控制,安全科学与工程学院李志强TELQ：82543181Email:maximos592,课程性质及任务矿山压力与岩层控制是采矿工程和煤矿开采技术相关专业的必修专业课。任务：应力分布规律1、掌握三个规律岩层移动规律矿压显现规律2、掌握二个原理工作面支架与围岩相互作用原理巷道支架与围岩相互作用原理3、掌握一套方法：矿压控制方法,2019/11/29,3,绪论,课程学习基本要求:了解各类围岩事故产生的条件、原因和特点；了解矿山压力现场研究的基本方法；初步具备解决、分析矿山压力问题的能力；能针对具体煤层和围岩条件布置巷道和回采工作面；能合理设计回采工作面、巷道的围岩控制方式。,绪论,1.1矿山压力的基本概念1.1.1矿山压力的基本概念我们所说的采矿通常是指固体矿床地下开采，即：地下开采和露天开采，在煤矿行业，地下开采又常称为“井工开采”或标准采矿等，由于露天开采对地表破坏、环境污染较严重，也称为非标准采矿，见下图。,2019/11/29,5,绪论,2019/11/29,6,绪论,矿山压力：这种由于在地下煤炭中进行采掘活动而在井巷、硐室、及回采工作面周围煤岩体中和其中的支护物上所引起的力，就叫矿山压力。,2019/11/29,7,绪论,矿山压力显现：在矿山压力作用下，会引起各种力学现象，如顶板下沉、底板臌起、巷道断面缩小、岩体破坏脱落母体甚至大面积冒落，煤被压松产生片帮或突然抛出，支架严重变形或损坏，以及大面积岩层移动，地表发生塌陷等等，这些由于矿山压力作用，使围岩、煤体和各种人工支撑物产生的种种力学现象，通称为“矿山压力显现”。,2019/11/29,8,绪论,矿山压力控制：随着大规模开采活动及矿压显现给工作带来严重危害，为使矿压显现不致影响采矿工作正常进行和保障安全生产，必须采取各种技术措施把矿山压力显现控制在一定的范围内，对有利于采矿生产的矿山压力显现也要合理的利用。所有减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的各种方法，均叫做矿山压力控制。,2019/11/29,9,绪论,矿山压力及岩层控制：矿山压力、矿山压力显现、矿山压力控制是矿山压力与岩层控制研究的主要内容。随着大规模开采活动及矿压显现给工作带来严重危害，人们迫切需要一种理论来解释和研究有关的矿压现象，并用以指导工程设计和安全生产，这就使于60年代形成了一门新的学科分支矿山压力及岩层控制。,2019/11/29,10,绪论,1.1.2发展矿山压力与岩层控制的意义（1）生态环境保护：地下水破坏、地表沉降、矸石山占地、瓦斯抽放等。（2）保证安全和正常生产：顶板事故、巷道稳定、边坡控制等，掌握矿山压力活动的基本规律，用以指导采矿生产的设计，生产组织，保障安全生产，设备正常运行。（3）减少地下资源损失：通过研究和实测矿压活动规律，减少顶板等事故，选择合理煤柱尺寸，甚至某些情况下取消煤柱，减少煤炭资源损失量。,2019/11/29,11,绪论,（4）改善地下开采技术：地下开采技术的进步与对矿压显现规律的深刻认识和矿压控制手段的改善有密切关系。（5）提高开采经济效果：矿压显现预测、支护质量与顶板动态监测、信息反馈、确定优化的矿山与开采设计等，提高开采效益。综上所述，掌握矿压显现规律，研究矿压控制的有效方法，对煤矿生产有十分重要意义。,2019/11/29,12,绪论,2019/11/29,13,绪论,不能忘却的沉痛：近年重大矿难事故汇览,不能忘却的沉痛：近年重大矿难事故汇览,不能忘却的沉痛：近年重大矿难事故汇览,不能忘却的沉痛：近年重大矿难事故汇览,1.1.3采矿工程的力学特点1、采矿工程岩体结构的本质与地面工程结构不同，地下工程围岩即是载荷，也是一种承载结构。2、采矿工程的移动特性（采场、掘进）3、采矿工程中围岩的大变形和支护体的可缩特征4、采矿工程的能量原理和动力现象,2019/11/29,19,绪论,1.2矿山压力及控制的发展简况1.2.1对矿压的早期认识阶段我国是世界上采矿最早的国家之一，中国采矿有文字可考的历史始于商代，但实际的采矿活动还要早很多。春秋至南北朝（公元前770年至前200年），采矿技术已有全面发展。随着采矿规模日益扩大，经常出现矿井内顶板冒落，巷道堵塞或地表塌陷，迫使人们重视和研究矿压问题。,1.2.2建立矿压早期假说阶段19世纪后期到20世纪初，是矿压研究的第二个阶段。利用一些简单的力学原理解释实践中出现的一些矿压现象，并提出了一些初步的矿压假说，具有代表性的是“压力拱假说”，即认为巷道上方能形成自然平衡拱及有关分析计算。,同时提出了以岩石坚固性系数f（普氏系数）作为定量指标的岩石分类方法，曾获得广泛应用至今。在这个阶段中，对巷道围岩破坏机理和支架所受的岩石压力大小开始了初步的理论研究。在研究岩层和地表移动等方面，进行了地面及井下观测，研究到地表建筑物的损坏不仅由于地表下沉，还由于水平移动的结果。,2019/11/29,23,绪论,1.2.3以连续介质力学为理论基础的研究阶段20世纪30年代至50年代：将整个岩体作为连续的，各向同性的弹性体来考虑，即用弹性理论研究矿山压力问题，这一阶段的典型成果：（1）用虎克定律推导出了自重作用下原岩应力的计算公式；（2）用弹性理论解决了圆形巷道的应力分布问题。,后来又研究了岩体非均质和各向异性对理想弹性体的影响，以及把岩层看作具有不同变形特征的弹性介质，进一步研究岩体层理性的影响，此外还用连续介质力学方法研究了岩层移动问题。在进行理论研究的同时，研究矿压的实验手段也获得了发展，其中较为应用的是利用相似材料进行的相似模型研究方法和利用光敏感材料进行的光弹性模拟方法。,2019/11/29,25,绪论,1.2.4矿压研究的近代发展阶段（60年代至今）这个时期的科技发展特点：（1）矿山开采规模增大；（2）计算机技术飞速发展；（3）相关学科进步明显。与此相类似，矿压研究取得了一些新进展：,2019/11/29,26,绪论,1.2.5我国在矿山压力研究方面的主要工作与成就为了配合全国有序地开展矿压研究及推动煤矿科技进步。1979年4月26日煤炭部批准在中国矿业大学建立煤炭工业部矿山压力情况报中心站，作为全国矿压研究与实践方面的重要学术组织，到目前为止已经组织召开了11届全国性矿山压力理论与实践研讨会，并下设8个各分站,钱鸣高、牛锡倬、平寿康、刘天泉、宋振骐等学者对推动我国矿压理论研究与工程应用作出了突出贡献，如著名的砌体梁理论等。我国煤矿事故中顶煤事故由45下降到15，目前一批中青年学者、专家迅速成长。砌体梁理论、关键层理论、锚杆支护技术等。,2019/11/29,28,绪论,1.3矿山压力与岩层控制研究的主要内容地下采矿中常见的岩石开挖工程有：井硐室、巷道和工作面，其中以巷道和回采工作面最为常见，所以矿山研究以巷道回采工作面为核心进行研究。主要研究内容如下：（一）支承压力（二）回采工作面上覆岩层活动规律及其分析1.老顶稳定及初次极限跨距2.裂隙体梁及结构分析,（三）回采工作面矿山压力显现基本规律1.初次来压分析2.周期来压分析3.顶板压力估算,2019/11/29,30,绪论,（四）回采工作面顶板控制与支护方法1.支架围岩相互作用原理2.支架选型（五）采区巷道矿压显现与控制1.巷道矿压显现的基本规律2.巷道矿压控制原理3.采区巷道支护,（六）动压现象及控制1.冲击矿压（冲击矿压煤、及瓦斯的突然喷出）2.顶板大面积来压,1.4矿山压力与岩层控制的研究方法（1）理论研究解析分析方法、数值分析方法模糊分析、概率统计、随机分析、灵敏度分析、趋势分析近代数学、力学和计算机科学方法,（2）实验室研究岩石的物理力学性质相似模拟支架的整体性能（3）现场观测出现了利用红外遥感、声波、遥控、自动监测,1.5矿山压力与岩层控制的研究和发展方向（1）采场矿压理论与控制体系岩层控制关键层理论、高产高效开采及故障诊断技术（2）巷道矿压理论与控制技术（3）开采新方法、新工艺、新技术（4）矿井深部开采与高地应力引起的冲击地压,2019/11/29,35,绪论,1.6目前矿压研究中的某些不足（1）过于依赖确定性力学理论，对岩体介质的认识与实际不符合。（2）理论研究的可用性（3）现场应用的方便性与观测的简洁性（4）对工程实践的指导性,2019/11/29,36,绪论,参考教材：钱鸣高、石平五主编，矿山压力与岩层控制，普通高等教育“十五”国家规划教材，中国矿业大学出版社，2003,2019/11/29,37,绪论,参考书,1宋振骐，实用矿山压力控制，北京：煤炭工业出版社，19942陈炎光、钱鸣高等，中国煤矿采场围岩控制，徐州：中国矿业大学出版社，19943陈炎光、陆士良等，中国煤矿巷道围岩控制，徐州：中国矿业大学出版社，1995