矿山压力观测与控制.ppt

矿山压力观测与控制,资源开发系,目录,项目一矿山压力基本知识项目二矿山压力显现观测项目三采场及巷道矿压控制,矿山压力观测与控制项目一,矿山压力基本知识,项目一矿山压力基本知识,知识点,技能点,岩石物理力学性质；岩石强度及分类；岩体基本力学性质；岩体中的原岩应力。,能够进行岩石分类；能够掌握岩体基本力学性质；能够计算岩体原岩应力。,任务1煤岩基本力学性质,任务1煤岩基本力学性质,一、岩石的密度与体积力（容重）1、岩石的真密度单位体积岩石（不包含空隙）的质量：2、岩石的视密度：视密度单位体积岩石（包括孔隙）的质量式中：岩石的视密度，kg/m3岩石的质量，kg岩石的体积（含孔隙），m3,3、岩石的容重：容重岩石单位体积（含孔隙体积）的重力，kN/m3式中：W被测岩样的重量,（）kN；V被测岩样的体积，m3,任务1煤岩基本力学性质,二、岩石的碎胀性岩石破碎后自然堆积体积大于原体积的性质。1、初始碎胀系数破碎后样自然堆积体积与原体积之比。2、残余碎胀系数破碎并被压实后的体积与原体积之比。式中：分别为原体积/破碎自然堆积体积/被压实体积。注：煤系地层岩石碎胀系数一般为1.25-1.5。,任务1煤岩基本力学性质,三、岩石的力学性质变形性质：研究岩石在受力情况下的变形规律。强度特性：研究岩石受力破坏的规律。,1、岩石单向压缩变形性质：1）轴向变形：2）横向变形；E弹性模量泊松比岩石横向应变与纵向应变的比值。,刚性试验机下岩石应力、应变曲线,任务1煤岩基本力学性质,高刚性岩石三轴试验机,任务1煤岩基本力学性质,2、岩石全应力应变曲线：,四个阶段：OA原有裂隙压密阶段ACAB弹性变形，BC微破裂稳定发展阶段（原弹性阶段）CD累进性破裂发展阶段，C点为屈服点，约2/3峰值强度；D点为强度极限。DE破裂后阶段（应力降低阶段、残余应力阶段）,任务1煤岩基本力学性质,3、岩石三轴压缩变形性质：1）三轴实验：（真三轴、假三轴）2）三轴抗压强度：3）三轴变形特征：与单轴试验结果基本类似（E、基本相同）；围压增加三向抗压强度增加；峰值变形增加；弹性极限增加。,任务1煤岩基本力学性质,4、岩石的强度性质及测定方法1）岩石试件尺寸：圆柱形试件：4.85.2cm，高H=（22.5)长方体试件：边长L=4.85.2cm,高H=（22.5)L2）单轴抗压强度岩石在单轴压缩下，破坏前所能承受的最大压应力。试验设备：普通压力机（60t、100t、200t）试件：5cm，高径比为2的圆柱体（或5*5*5立方体），每组不少于3块；加载：0.51.0MPa/s；抗剪强度岩石在剪切载荷作用下，破坏时所能承受的最大剪应力。抗拉强度在单轴拉伸载荷作用下，破坏时所能承受的最大拉应力。,任务1煤岩基本力学性质,单轴压缩试验机,任务1煤岩基本力学性质,单轴压缩试验机,任务1煤岩基本力学性质,任务1煤岩基本力学性质,5、岩石强度分级普氏岩石分级法岩石的强度用“坚固性系数”表示，指岩石被破坏的相对难易程度，用f表示，又称为普氏系数，f计算用岩石的单向抗压强度RC（MPa）除以10(Mpa)。,由此把岩石划分为五类类稳定岩层f10坚硬岩类稳定性较好岩层f=810硬岩类中等稳定岩层f46中硬岩类稳定性较差岩层f23软岩类不稳定岩层f2松、散、软、弱岩层,任务1煤岩基本力学性质,6、岩石强度理论1）岩石破坏类型：拉断破坏、剪切破坏。2）岩石强度理论“库仑莫尔”强度条件,任务1煤岩基本力学性质,一般情况下，岩石抵抗剪切的能力由两部分组成：式中：C内聚力破坏面上的正应力岩石内摩擦角抗剪能力=内聚力+内摩擦力（C、为岩石固有）显然：抗剪强度是一个变化量,四、岩体力学性质1.岩体赋存于一定地质环境中的自然地质体。岩体=岩块+结构面结构面（弱面）地质界面，如断层、裂隙、层理、节理、片理。结构体（岩块）被各类结构面切割成的岩石块体。,任务1煤岩基本力学性质,任务1煤岩基本力学性质,2.岩体结构基本类型：（按结构面切割状况及结构体类型分为五种）完整结构块状结构层状结构碎裂结构松散结构3.岩体基本特征1）非均质性。2）各向异性。3）非连续性。,五、岩体原始应力状态原岩应力1.原岩应力未受开采影响的岩体内，由于岩体自重和构造运动等原因引起的应力。（原始应力）2.原岩应力组成：自重应力、构造应力,任务1煤岩基本力学性质,3.自重应力铅直应力：水平应力：其中：侧压系数（海姆：静水压力理论）金尼克：（弹性侧压理论）一般则,4.构造应力由构造运动引起1）分布不均，在构造区域附近最大；2）水平应力为主，浅部尤为明显；3）具有明显的方向性；4）坚硬岩层中明显，软岩中不明显；5）5.原岩应力分布基本规律实测铅直应力基本等于上覆岩层重量；水平应力普遍大于铅直应力；平均水平应力与铅直应力比值随深度增加而减小；最大主应力与最小主应力一般相差较大。（考虑构造应力后，水平应力作用明显）,任务1煤岩基本力学性质,项目一矿山压力基本知识,知识点,技能点,工作面顶板受力分析；工作面压力显现特点；围岩应力分布规律；影响工作面矿压显现主要因素。,能够分析围岩应力分布特征；熟悉影响工作面矿压显现主要因素；能够制定防治顶板事故措施。,任务1矿山压力及其显现规律,矿山压力：由于矿山开采活动影响，在巷硐周围岩体中形成的作用在巷硐支护物上的力。,任务2矿山压力及其显现规律,(a)开采前,(b)开采后,开采前后应力分布,1基本顶2直接顶3伪顶4煤层5、6底板,采煤工作面顶板岩层组成,任务2矿山压力及其显现规律,一、直接顶、基本顶岩层梁式破断,悬跨度达到极限跨度,中部裂断,弯拉破坏,深入煤壁的两端部断裂,任务2矿山压力及其显现规律,1.直接顶初次垮落采煤工作面从切眼开始推进，达到最大控顶距时，回撤采空区侧支架（初次放顶），采空区顶板岩层失去支撑。采煤工作面向前推进，采空区范围增大，顶板产生下沉、断裂、垮落。当冒落高度在0.5m以上的长度超过采煤工作面长度二分之一，为采煤工作面直接顶初次垮落。直接顶初次垮落时工作面煤壁距切眼煤帮的距离，为采煤工作面直接顶初次垮落步距。,（a）上覆岩层悬露,（b）在其重力作用下弯曲,（c）中部断裂、端部开裂,（d）形成“假塑性岩梁”,（e）自行跨落,任务2矿山压力及其显现规律,直接顶弯拉破坏的运动形式,2.基本顶初次来压1）初次来压老顶平衡结构第一次失稳而施加给工作面以大型压力的过程。2）来压条件：直接顶垮落后不能充填满采空区3）来压过程初采初次放顶老顶悬露跨度增大老顶断裂形成平衡结构失稳初次来压初次来压步距第一次来压时，工作面距开切眼的距离。,任务2矿山压力及其显现规律,任务2矿山压力及其显现规律,4）基本顶初次来压矿压显现特征1、来压前，顶板压力无明显增大；2、煤壁内部支承压力增高，煤壁片帮严重；3、顶板有板炮声响；4、顶板下沉速度急剧增加，由1mm/h到520mm/h；5、支柱载荷急剧增加；6、顶板出现拉绺现象（直接顶沿煤壁切断）。,初次来压后基本顶处于稳定期，采煤工作面压力显现减缓。随采煤工作面继续推进，基本顶可呈悬臂状态，面积逐渐增大，当悬臂的基本顶在自重和上覆岩层重力作用下达到极限跨距时，再次发生断裂垮落。由于基本顶这种断裂垮落是随采煤工作面推进重复出现，对采煤工作面造成明显的压力影响。称采煤工作面周期来压。两次来压的间隔时间称来压周期，两次来压期间采煤工作面的推进距离称采煤工作面周期来压步距。在同一工作面周期来压步距一般为初次来压步距的（1/21/4）。,任务2矿山压力及其显现规律,4.上覆岩层周期性运动基本顶周期来压,任务2矿山压力及其显现规律,基本顶周期来压,根据采煤工作面后方（即采空区）上覆岩层顶板移动特征不同分为三带：冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。,5.采场上覆岩层移动规律,冒落带：主要是直接顶部分岩层垮落形成，岩石呈破碎状，堆积杂乱无章，碎胀系数大，高度一般是煤层开采高度的35倍。裂隙带：是基本顶下部岩层断裂垮落形成，排列整齐，碎胀系数小，高度可达开采高度810倍以上。弯曲下沉带：是基本顶上部岩层，其位移量比较小，可保持岩层自身的完整性并承载上覆岩层重力作用。,任务2矿山压力及其显现规律,1-冒落带2裂隙带3-弯曲下沉带,任务2矿山压力及其显现规律,上覆岩层运动立体示意图,任务2矿山压力及其显现规律,1-冒落带,2裂隙带,3弯曲下沉带,二、采场矿山压力显现规律,矿山压力显现,围岩运动,支架受力,两帮运动,顶板运动,底板运动,载荷增减,支架压折,支架变形,概念？,采动后表现出的矿山压力现象,任务2矿山压力及其显现规律,任务2矿山压力及其显现规律,1.矿压显现：在矿山压力作用下，煤岩体及支护物所表现出的种种力学现象。2.矿压显现指标：1）顶板下沉S（mm）煤壁到采空区边缘范围内顶、底板间相对位移。一般以距煤壁4米处下沉量为工作面顶板下沉量。可以每米采高每米推进度下沉量S/L/M为比较标准。2）顶板下沉速度V（mm/h）单位时间顶板下沉量。3）支柱变形与折损观察喷液、下缩、压裂、折断等。4）顶板破碎度单位面积中顶板冒落面积所占百分比。5）局部冒顶小范围顶板垮落。6）大面积冒顶顶板沿工作面煤壁切落。7）煤壁片帮煤壁因支承压力作用发生的剪切坍塌破坏。8）底臌底板塑性变形。9）支柱插入底板底板松软，对顶板管理很不利。,矿山压力显现基本形式,顶板下沉与支架承载,顶底板移近,两帮鼓出,冒顶、片帮,任务2矿山压力及其显现规律,木支柱折断与压力显现,(a)(b)(c),木支柱压折,木支柱钻底,可缩性支柱压力显现,任务2矿山压力及其显现规律,任务2矿山压力及其显现规律,支承压力：煤（矿）层采出后，在围岩应力重新分布的范围内，作用在煤（岩）层和支护物上的垂直压力。在单一自重应力场条件下,若煤（岩）层水平赋存，则其支承压力的分布见下图所示：,三、采场支承压力分布,2.特点,1.概念,2.采场支承压力分布与上覆岩层运动间的关系,支承压力分布与显现变化划分为三个阶段：第一阶段：从采场推进开始至煤壁支承能力改变(即煤壁附近煤体进入塑性状态)之前。第二阶段：从煤壁支承能力改变到老顶岩梁端部断裂前为止。第三阶段：从老顶岩梁端部断裂到岩梁中部触矸为止。采场进入正常推进阶段后，支承压力分布的主要特点是伴随着上覆岩层的周期性运动而呈周期性变化。,任务2矿山压力及其显现规律,初次来压阶段支承压力分布,任务2矿山压力及其显现规律,初次来压阶段支承压力分布,任务2矿山压力及其显现规律,任务2矿山压力及其显现规律,3.正常推进阶段回采工作面前后方支承压力分布,前方移动支承压力远远大于后方支承压力；工作面仅承受极少量压力作用。,4.工作面两侧支承压力分布与上覆岩层运动间的关系,随采场推进，两侧支承压力分布将经历下列发展阶段:,工作面推进到图4.7中3的位置，岩层将深入煤壁内部断裂，支承压力显现分为内、外两个应力场。,第一阶段：,上下两侧煤壁边缘处于弹性状态。,第二阶段：,煤壁边缘破坏，部分进入塑性状态（图中2位置）。,第三阶段：,任务2矿山压力及其显现规律,任务2矿山压力及其显现规律,采场四周支承压力分布发展过程,任务2矿山压力及其显现规律,5.影响工作面支承压力分布的主要因素：1）采高及控顶距2）工作作推进速度3）采深；4）煤层倾角,四、采准巷道矿压显现及支承压力分布1.受采动影响巷道的围岩应力,弹性变形应力分布,塑性变形应力分布,任务2矿山压力及其显现规律,2、回采工作面周围支承压力分布工作面超前支承压力峰值一般在煤壁前48米，影响范围为4050米。少数可达6080米。应力集中系数为2.53。工作面倾斜方向固定支承压力范围一般为1530米。少数可达3540米，峰值一般距煤壁1520米，应力集中系数为23。在拐角区要形成应力叠加，应力集中系数可达57。,任务2矿山压力及其显现规律,3.构造应力对巷道稳定性的影响1）构造应力特点：以水平应力为主，具有明显的方向性、区域性。2）水平应力对巷道的影响：,巷道顶板巷道底板软岩（煤层）底臌、蠕变巷道两帮引起拉应力，破裂、鼓出、塌落,薄层页岩岩层面滑移厚层砂岩剪切、失稳冒落,3）合理巷道方向：巷道轴向与最大主应力夹角小于2530度,影响,任务2矿山压力及其显现规律,4.走向平巷矿压显现规律1、巷道围岩变形量：（顶板下沉量、底臌量、巷帮移近量、深部围岩移近量、巷道剩余断面积）顶底板移近量巷道中心线高度减少值；两帮移近量巷道腰线平距减少值。,总变形量：,任务2矿山压力及其显现规律,：巷道掘进段弹塑性、量小、趋于稳定、时间短；：无采掘影响段主要为流变，受岩性影响较大；：采动影响段前3050m，后4060m（峰值520m），量大；：采动影响