采场地压及顶板控制.doc

采场地压及顶板控制l 1概述l 采场是施工单位工作活动的范围，掌握采场的结构及变化规律，才能有效控制顶板。l 采场划分必须根据自然环境，划分成不同的采场。l 采场顶板岩性分析，掌握顶板岩石性质，采取有效方法控制。l 1 利用矿岩本身的强度和留必要的支撑矿柱，以保持采场的稳定性。l 2 采取各种支护方法，支撑回采工作面，以维持其稳定性。l 3 充填采空区，支撑围岩并保持其稳定性。l 4 崩落围岩，使采场围岩应力降低，并使其重新分布达到新的应力平衡。 2 采场划分一、根据自然环境划分 （一）、以自然形成的大断层为界1、根据断层的大小划分成不同的区域2、根据生产能力划定区域3、根据顶板结构和控制能力划定采场。（二）、矿山企业采场 1、矿田：规划一个矿山企业开采顺序的全部矿床或一部分。2、井田：规划一个矿井开采的全部矿床或其一部分。例：角色矿即是一个矿田，国各庄采区为一个采区。3、阶段：在开采缓倾斜、倾斜和急倾斜矿体时，在井田中每隔一定的 垂直距离，掘进一条或几条与走向一致的主要运输巷道，将井田在垂直方向上划分为矿段，这个矿段叫阶段。 4、阶段高度：上下两个相邻阶段运输巷道底版之间的垂直距离，叫阶段。5、每个阶段划分为多个采场，单个采场独立开采。二、开采顺序（一）井田中阶段的开采顺序： 1、上行式：先采下部阶段，后采上部阶段，由下而上逐个阶段开采。 2、下行式：先开采上部阶段，后开采下部阶段，由上而下逐个阶段开采。（二）、阶段中的开采顺序 1、前进式； 2、后退式；3、混合式。 3、岩性分析工程岩石力学的研究对象是岩石。岩石是构成地壳的基本材料，是经过地质作用而天然形成的（一种或多种）矿物集合体。岩石通常按地质成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩等三种类型，下图为三类岩石的部分岩体。b、1岩石工程岩石力学的研究对象是岩石。岩石是构成地壳的基本材料，是经过地质作用而天然形成的（一种或多种）矿物集合体。岩石通常按地质成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩等三种类型，下图为三类岩石的部分岩体。a、岩浆岩岩浆岩是岩浆冷凝而形成的岩石， 绝大多数岩浆岩是由结晶矿物所组成，由于组成它的各种矿物化学成分和物理性质较为稳定，它们之间的联结是牢固的，因此岩浆岩通常具有较高的力学强度和均质性。工程中常遇到的岩浆岩有花岗岩、玄武岩等。b、沉积岩沉积岩是母岩（岩浆岩、变质岩和早已形成的沉积岩）经风化剥蚀而产生的物质在地表经搬运沉积和硬结成岩作用而形成的岩石组成。 沉积岩的主要物质成分为颗粒和胶结构。颗粒包括各种不同形状及大小的岩屑及某些矿物；胶结物常见的成分有钙质、硅质、铁质以及泥质等。沉积岩的物理力学性质不仅与矿物和岩屑有关，而且也与胶结物性质有关。沉积岩具有层理构造，这使得它的物理力学性质具有方向性。工程建设中常见的沉积岩有灰岩、砂岩、页岩等。c、变质岩变质岩是由岩浆岩、沉积岩甚至变质岩在地壳中受到高温、高压及化学活动性流体的影响下发生变质而形成的岩石。它在矿物成份、结构构造上具有变质过程中产生的特征，也常常残留有原岩的某些特点。因此，变质岩的物理力学性质不仅与原岩的性质有关，而且与变质作用的性质及变质程度有关。工程建设中常见的变质岩类有大理岩、片麻岩、板岩等。 岩石是自然历史的产物，由于它们的生成条件及在生成以后的漫长地质历史时期中，形成了许多各式各样的结构面，例如岩浆侵入岩与围岩接触面，不同侵入岩体彼此的接触面、冷凝裂隙，喷出岩和沉积岩的层理、不整合面，变质岩的片理、片麻理，组成各种岩石的矿物晶体的各种优势定向排列面以及由于地质构造运动、风化、重力和卸荷等各种不同动力的作用而产生的断层、节理、裂隙等。它们严重地破坏了岩石的完整性。在这种情况下，对岩体工程的安危起主要控制作用的，通常不再是被各种结构面分割的岩石块体，而主要是岩体中存在的结构面，或者是由岩石和结构面共同控制。在岩石力学中常用到“岩块”、“岩体”、“岩石”等术语，一般地被结构面切割成的岩石块体或从地壳岩层中切取出来的无显著软弱面的岩石块体称为岩块，而把自然埋藏条件下的大范围分布的由岩块和各种结构面（软弱面）网络组成的地质体称为岩体。岩石则是“岩块”和“岩体”的统称。 岩石的结构特征岩石的结构包括两个基本要素：结构面和结构体。 结构面就是岩体内具有一定方向性、延展性较大、厚度较小的两 维面状地质界面包括，物质的异面和不连续面（如层理、断裂面等） 结构体则是被不同层状结构组合切割形成大小不一形态各异的单元岩块。 在不同类型的岩体中，结构面的切割形单元有不同的几何形状，如图1.1.1所示为单元岩块的主要形状。图1.1.2为岩体的结构型式1-节理；2-层理；3-断层；4-断层破碎带(a)整体结构；(b)块状结构；(c)层状结构；(d)薄层状结构；(e)镶嵌结构；(f)层状破坏结构；(g)破裂结构；(h)散粒结构图1.1.2这种分类将岩石划分为硬质岩、中等坚硬岩以及软岩三个类别，界限明确，使用方便，但是单一的抗压强度并不是以表述岩石的工程性质，况且对于某些岩石来说，强度并不是固定不变的，因此，仅考虑抗压强度这一单一因素的分类法存在一定的局限性。 表1.6.1 岩石的强度分类编号类 别单轴饱和抗压强度(MPa)代 表 性 岩 石硬质岩80中细粒花岗岩，花岗片麻岩，闪长岩，辉绿岩，安山岩，流纹岩，石英砂岩，石英岩，硅质灰岩，硅质胶结的砾岩 中等坚硬岩3080厚层、中厚层石灰岩，大理岩，白云岩，砂岩，钙质砾岩，板岩，粗粒的或斑状结构的岩浆岩 软质岩3-5m，以保持矿柱中心部位稳固。4）如果顶板岩石强度低于矿石强度，为防止矿柱压入顶板，应加大矿柱面积。4 急倾斜矿体矿柱计算 开采急倾斜矿体时，一般留有叮嘱，底柱和间柱。底柱因受放矿巷道切割严重，对围岩的支撑能力很差；顶柱因受剪应力和弯曲应力，只能承受部分载荷。l 三 支撑压力： l 开采空间上部覆岩的重量，由其两侧围岩支撑，因而两侧围岩所承受的压力比开挖前药高，升高的压力称为支撑压力，压力升高的范围称为支撑压力区。图-为圆形开挖空间支撑压力图l一、改善围岩的应力状态 1、合理确定采场断面形状及矿房、矿柱尺寸 例如，在自重应力场中用空场法开采，留倾斜矿柱比水平矿柱更合理。2、确定合理的矿块开采顺序利用矿房矿柱间隔回采的方法，能大大减轻地压。矿房矿柱尺寸选取得当，可形成免压拱，在免压拱下回采则较为安全。3、确定合理的矿体开采顺序（1）在地质构造复杂地段先回采高应力矿块。（2）自断层下盘后退式回采。矿体被断层错断后，断层下盘矿体的回采顺序不同时，地压显现也不同。后退式回采应力降低区前进式回采应力集中区4、合理布置采场回采空间长轴方向应尽可能与矿体最大主应力方向一致。 沿最大主应力方向掘进 垂直最大主应力方向掘进因此顶柱和底柱的支撑能力仅按安全系数考虑。l ll 支护 l 当回采不够稳固的矿体或围岩时，有时应用支柱或支架支护采空区，以保证回采工作的安全l 一木材支护：l 横撑支柱和立柱：开采急倾斜薄矿脉（厚度小于-m）时，用横撑支柱支护两帮围岩，并在其上假设木板或圆木，作为凿岩爆破的工作台l 木垛：用于或度不大而地压较大的缓倾斜矿体或在充填体上面支护顶板木垛常用的木材 长度为.-.m，直径-mm水平矿体所用木垛中木料最小长度不得小于高度的，以保证其稳定性l 方框支架和木棚：方框支架是一个矩形平行六面体的木结构，随回采工作面推移，由下盘向上盘逐个假设，由下向上逐层建造（图-）在不稳定的围岩和矿石中，采用回采航道回采时，常用间隔的或密集的木棚支护l 二锚杆和锚杆架支护l 锚杆支护综合国内外应用的锚杆结构型式，可将其分类为：点锚固型式和全长锚固形式l 锚杆支护区别于木材支护的主要特点是锚杆和围岩结合为一整体，共同作用，因此也称为主动支护l 锚杆的力学作用：l ）悬吊作用：在快状结构或碎裂结构的岩层中，锚杆将不稳固的岩块或岩层，悬吊在松动区以外的稳固的岩层上，组织岩块或岩层塌落l ）组合作用：在层状结构的岩层中，锚杆如同连接螺栓，将薄层组合成厚梁，使围岩承载能力大大提高l ）挤压作用：在松软的岩层中，以某中参数系统布置预应力锚杆群，在围岩内形成一个承载拱，以提高围岩的承载能力l 锚杆架支护锚杆架是矿山顶板的新方法，它比锚杆支护具有更高的优越性年在美国研制成功，以后应用与煤和非矿山的宽巷道，斜坡的顶板支护，还用于房柱法的矿房顶板支护上三金属支架支护金属支架在地下开采中的应用逐渐增加，因为它具有强度大，使用期限长，可多次复用，安装容易，耐火性强等优点但这种支架重量大，成本高，搬运和修理较困难，因此多用于开拓和采准巷道的支护中，而采场中应用较少近年来，在开采顶板不稳定的缓倾斜薄矿体时，探索性的移植了煤矿液压式掩护支架随回采工作面向前推进，不断移动掩护支架以支撑工作面附近的顶板在支架的后方，直接顶板可自然冒落但由于金属矿石较坚硬，通常使用凿岩爆破发落矿，故掩护支架需有防爆措施此外，尚应研制与掩护支架配套的采场搬运措施实践证明，用掩护支架支护顶板时，采取电耙搬运矿石极为不方便l l 四混凝土和喷射混凝土支护这种支护方法主要用于电耙巷道，喷射混凝土支护有时也用于采矿巷道.混凝土支护主要是使用素混凝土，但在一些关键部位采用配以钢筋或钢轨，工字钢等整体浇灌的支护方法它具有承压大，整体性好，适应各种漏斗布置形式，支护表面平整利于耙矿等优点但无可塑性，抗爆破冲击震动性能差，需要较长的养生期，底柱回采后弯曲的钢筋不利放矿喷射混凝土支护它是把运输浇灌和捣固等工序结合起来的新工艺和浇灌混凝土支护相比，提高了施工速度倍以上，减少掘进工程量-，节省劳动力，降低成本l 充填l 按照充填材料的成分和输送方法不同，可分为干式充填，水利充填和胶结充填l 一干式充填：l 按采厂内运输废石的方式，可以分为自重，机械和风力三种自重充填主要用于随后充填，但当采用倾斜分层回采时，也可用于同时充填l 机械充填是用自行设备，电耙或输送机在采场内扑平废石l 风力充填应用较少它是利用压气使充填了沿管路送向充填地点l 由于干式充填效率低，充填工作劳动消耗大，充填不够致密，逐渐为水利充填所代替但对中小型矿山因为投资少，不需添置设备，因此仍有使用价值l 二水利充填l 水力充填是用水作媒介，使充填料沿管道或钻孔输送到充填地点包括充填料的选择和加工，砂浆制备和输送，充填和脱水以及废水处理等l 充填材料的选择和加工水力充填材料有河砂，山砂，卵石，炉渣，采掘的岩石以及选厂的尾砂等充填料的最大粒径不应超过管径的，而且含量不超过总量的砂浆的浓度用固体和液体的体积比或重量比表示，为了减少排水费用，固液比应控制在：.以内l 应严格控制尾砂的硫化物的含量：黄铁矿含量不得超过，磁铁矿不应超过否则应惊醒脱硫处理l 充填料的制备：为了使充填料在管道中顺利输送，充填料在进入管道前，必须和水均匀混合成砂浆，这就是砂浆制备其目的是将充填料配制成合格的粒级组成，控制细泥含量和砂浆浓度，以保证顺利输送和达到必要的充填能力l 砂浆的水利输送制备好的砂浆，需用管道输送至充填地点利用管道进行水力输送充填料，是属两相流问题l 充填体的形成与脱水目前国内外的脱水方法有两种：溢流脱水和渗透脱水充填料的粒级在-um以上时，宜用渗透脱水；对于-um以下的则只能用溢流脱水l l 排泥沉淀池或水仓内沉淀的泥砂，必须定期清理，这个过程称排泥l 水力充填评价l 与干式充填比较，水力充填工作可实现全面机械化，劳动生产率高，充填能力大，充填体密度大，但污染巷道，基建费用较高与胶结充填比较，充填费用低，但充填体具有松散性，沉缩较大对充填体强度没有特殊要求时，水力充填有明显的优点l 三胶结l 充填材料：混凝土和尾砂两类l 胶结充填料的配比混凝土胶结充填料，应具有较好的流动性，便于向采场输送和浇注尾砂胶结充填了的配比主要是指水泥和尾砂重量比和输送浓度l l 当前，水泥和尾砂比一般控制在：-：的范围内采场随后充填的灰砂比为：-：浇注采场假底时为：-：尾砂比重为.时，输送浓度可娶-；尾砂比重.以上时输送浓度可取-l 胶结充填料的制备和输送：间歇式搅拌系统，连续式搅拌系统，半分离制备系统l 胶结充填的评价：与混凝土胶结充填比较，尾砂胶结充填的充填料便于管道输送，制备工艺简单，效率高，投资少，但其充填体强度较低，应用絮凝剂可以防止水泥离析现象，以提高充填体强度l 四充填体的作用l l l 充填体对矿柱的作用：能有效的控制地压和限制围岩的移动，保持开采空间的稳固性l 充填体对围岩应力分布的影响：充填的作用在于限制围岩和矿柱变形的发展，减缓岩石移动的危害和降低地表的下沉程度充填工作速度越快，围岩变形受限制的时间越早，越有利于开采空间的稳定l 当采用间隔开采和胶结充填，以及在接顶又较理想的条件下，第一步回采矿柱的应力分布曲线，图-a；第二步骤回采矿房时，原矿房上部的支撑压力转移到人工矿柱上面，使回采工作处于应力降低区，可保证回采作业的安全图-bl l l 崩落围岩l 在回采工程中或回采结束后，可采用自然方式或强制方式崩落围岩充满采空区的方法，以改变围岩应力分布状态，达到有效地控制地压的目的l 一开采水平和缓倾斜矿体的地压及其控制：可周期性的切断直接顶板，崩落的围岩充满采空区l 二开采倾斜和及倾斜矿体的地压及其控制：l 松散矿岩对底柱的压力：在放矿过程中，底柱上的压力随放矿情况而变化采场底部承受的压力小于上覆松散矿岩的总重，其压力分布如图-由于放矿漏斗上部松动椭球体顶端出现免压拱，从而出现以放矿漏斗为中心的降压带及其四周一定范围内的增压带l l 图-同时放矿面积增加时，可能形成一个大的免压拱，拱上的压力将向西周传递当放矿面积增加到一定值后，大免压拱不易形成，压力分布又恢复到图-所示的情况我们可利用控制放矿面积及其压力传递规律，避免底柱上压力过于集中而遭到破坏l 矿体下盘的压力当开采深度大于-m时，在回采工作影响范围内，由于下盘岩石受崩落矿岩重力作用以及承受经崩落矿岩传递的上盘压力，在下盘岩石中产生应力集中（图-），使靠近矿体下盘的阶段运输巷道遭到破坏在这种情况下，应将阶段运输巷道布置在离矿体稍远的地方，以避开支承压力区l 确定合理的矿床开采顺序当矿体走向长度很大或地质条件复杂，合理确定矿床开采顺序，是控制地压的极为重要的问题之一l l l 在一般情况下，矿体走向中央部