第八章 矿山压力基本知识 8学时.ppt

1、2009年9月，山西煤炭管理干部学院，煤矿安全工程系，煤矿安全工程系，第八章矿压基础知识。第一节矿压概述第二节岩体主要特征第三节原岩应力状态第四节围岩移动及矿压特征采后第五节采煤工作面周围支承压力及其传递第六节顶板分类第七节采煤工作面矿压观测第一节矿压概述第一、矿压概念第二、采场空间特征第三、采场矿压研究任务及目标第四、采场顶板构成第一节矿压概述第一、矿压概念第一。矿压：由于井下开采活动的影响而引起的巷道、硐室和工作面周围的岩层以及煤岩体和支架上各种力的总称，称为“矿压”。例如，顶板对支架的压力、煤壁和采空区充填物、上层对下层的压力、底板的反作用力等。2.矿压显现：矿压作用下围岩和支护材料的各

2、种力学现象，称为“矿压显现”。例如，顶板下沉、支架变形和坍塌、顶板冒落、煤壁剥落、底鼓、支柱插入底板、充填压实、地表下沉等现象。3.矿压控制：人工调节、改变和利用矿压的各种技术措施称为矿压控制，简称“矿压控制”。第一部分是矿压概述。第二部分是采场的空间特征。1.采场的基本形式：(1)露天巷道：矩形或梯形。(2)在初始压力之前，它看起来像一个椭圆。(3)施加初始压力后，为弯曲下沉型。不同的采空区处理方法会出现不同的空间形态。全崩落法：(图中旧教案)全充填法：慢沉法：2。采场特征(1)是时间的函数。它既在移动又在变化。(2)这是一个临时结构。它是维护和破坏的对象。采场空间的基本形式，第1节矿压概述

3、，第3节矿压研究的任务和目的：为了控制矿压，对采场和回采巷道采取相应的维护方法。任务：(1)研究井田上覆岩层的大结构及其运动规律；(2)研究小采场支护结构在覆岩大结构(受保护)作用下的适应规律。第一部分是矿压概况，第四部分是采场顶板的构成：(自下而上)如图6-2所示。1.伪顶：煤层正上方的一层软薄层，容易坍塌。极易坍塌：指随采随落，悬顶面积小于8 10m2，悬顶时间小于20min。薄层：厚度小于0.30.5m.岩性：一般为泥质页岩、碳质页岩等。2.直接顶：位于伪顶或煤层上的岩层，相对稳定，易坍塌。稳定：吊顶面积大于8 10m2，时间大于20min。易坍塌：坍塌后及时坍塌，岩石单轴抗压强度小于6

4、00 800kg/cm2；岩性：页岩、砂质页岩、薄层砂岩等。直接顶及下岩层：指煤层或伪顶以上1 2m厚的岩层，其稳定性直接影响支架的结构形式。3.基本顶(主顶):位于直接顶或煤层上的坚硬岩层，不易坍塌。不易坍塌：指允许暴露面积大，岩石单轴抗压强度大于600 800 kg/cm2，裂缝、分层、节理不发育等。厚岩层：指厚度大于1米、总厚度大于2.0米的整个岩层。岩性：一般为厚层状砂岩、灰岩、砂砾岩等。4.直接底板：煤层正下方的岩层。煤层顶板岩层图，1-基本顶板；2-直接屋顶；3-伪顶部；4-煤层；5层地层，图6-2煤层顶底板地层，第2节岩体主要特征，1。岩体概述，2。岩体的强度特性，3。岩体的强度

5、特性，2。岩体的主要特征，1。岩体概述(1) C例如：层面、节理、断层、软弱夹层等。构造：指由不同产状的构造面切割而成的单元块体，也称单块岩块。(2)岩体的基本特征1。异质性。由各种岩石组成。2.各向异性。受力后，它在各个方向上表现出不同的力学性能。3.不连续性。被各种结构平面切割。第二部分，岩体的主要特征如下：1 .岩体概述(3)岩体的基本类型(参见张西军编写的教科书中的图)1。整体岩体。节理不发育，有断层的厚沉积岩很少。2.巨大的岩体。节理发育，有小断层或偶有厚、中厚层间错动层。3.层状地层。节理不发育，构造简单，岩性单一或不同岩性互层。4.碎裂岩体。整体性很差，褶皱、断层和层间错动、节理

6、和解理都很发育。5.松散的岩体。经过剧烈的构造变化，它由断层泥、岩粉、岩屑等组成。一、岩体基本特征图，第二节岩体主要特征，第二节岩石强度特征岩石强度：指岩石承受载荷时抵抗损伤的能力。1.岩性的影响：主要取决于组成岩石的矿物颗粒之间的联系和颗粒大小。2.含水率的影响：水可以软化、溶解和膨胀岩石，并降低其强度。例如，当砂岩含有4%的水时，其强度将降低50%；泥质页岩含水量为1.5%时，强度下降70%；自由吸水6天后，砾岩(大同)强度下降39%。3.应力模式：抗压强度抗剪强度抗弯强度抗拉强度。4.应力状态：三向强度双向强度单向强度。第二部分是关于岩体的主要特征，第三部分是关于岩体强度特征的影响因素：

7、岩体的强度不仅与岩石本身的强度有关，还与岩体内部的弱面条件有关。软弱面对岩体强度的影响：(参考张西军编写的教科书中的图表)极限强度也将随着加载方向与软弱面形成的角度而有规律地变化。也就是说，当垂直于结构平面施加力时，强度最大；第二种是平行的，以max和min为界；在 1 2范围内，强度最低。在实际生产中：(1)岩石破碎时，应受到单向或双向应力，处于拉伸或剪切状态。(2)在竖井及隧道的维修期间，岩石须承受压力。软弱面对岩体强度影响示意图，第3节原岩应力状态，原岩：不受地下工程影响的地下岩体部分，如巷道或采场。原始岩石应力：不受采矿影响的岩体中的应力。它主要由自重应力和结构应力组成。自重应力。结构

8、应力iii。原始岩石应力状态。一、自重应力：以表面深度h为单位，如图6-1所示。1.垂直应力：1=(11h)* r * g=r * h * g(pa)；其中1-单元体上的垂直应力，Pa；h-单位岩石离地表的深度，m；r-上覆岩层的加权平均单位重量，kg/m3；重力加速度，m/s2。岩体重力应力图，图6-1，第3、1节原岩应力状态。重力应力：2。侧向应力：由于水平条件一致，侧向应力是由垂直应力引起的(仅考虑重力)，2= 3= 2，3-公式 1中单元体的侧向应力；-侧向压力系数。=(从弹性状态下的广义胡克定律推导出)。大多数固结岩石：=0.25 0.4；塑性岩石或具有深度物理堆积的岩石：=1.0。

9、然后：岩体的-泊松比。即在弹性变形范围内水平变形与垂直变形的比率。3.单元体最大剪应力：(PA)，第3节原岩应力状态，第2节构造应力：岩体中地壳构造运动引起的应力。任何一种地质构造特征都反映了构造应力的作用。地质构造运动结束后，岩体中往往会留下一些残余构造应力。构造应力的分布特点：(1)水平方向是主要方向；(2)主应力的大小和方向可能变化很大；(3)水平应力大于垂直应力，即hmax hmin v-自然最大水平应力；hmin-自然最小水平应力；v-自然垂直应力。(4)坚硬的岩石很常见，但柔软的岩石很少见。矿压概况，岩体特征，原岩应力状态，1级总结。基本概念：矿压、矿压显现、伪顶、直接顶、基本顶2

10、。岩石强度特性，影响因素，岩体强度特性。自重应力，结构应力。谢谢大家！再见！第四节，采后围岩移动和矿压特征，第一节，直接顶初次垮落，第二节，基本顶初次垮落，第三节，基本顶周期来压，第四节，采空区覆岩移动，第四节，采后围岩移动和矿压特征，第一节，直接顶初次垮落。1.概念和过程：直接顶初次放顶：采煤工作面离巷道开切面前进一定距离，直接顶暴露一定距离后，采空区进行第一次回柱放顶，使直接顶垮落，称为过程。图6-3显示。第一次回柱放顶：为了保证正常生产，保持合理的工作空间，第一次回柱应在顶控以外的支架上进行，称为顶控。初次垮落距离：直接顶首次垮落的跨度。它的大小取决于岩层的强度、岩层的厚度、节理裂隙的发

11、育程度等。一般为6 12m。初始塌陷的特征：需要手动控制。它也被称为初始崩落。2.危害：容易造成冒顶事故。3.措施：放顶初期，加强现场指导和管理，提高工作面和切顶线的支护强度和支护稳定性，加强顶板动态监测，确保安全。直接顶初次垮落状态示意图，直接顶初次垮落前的顶板状态，直接顶初次垮落后的顶板状态，第4节开采后的围岩移动和矿压特征，第一，直接顶初次垮落4。直接顶的冒落高度：如图6-3所示。(1)破碎和膨胀系数：在公式中，v-崩落岩层的原始体积(实体);V-塌陷滞后的体积(压碎后)。残余破碎膨胀系数：破碎前金伯利岩块的压实体积与原始体积之比。(表6-1显示)(2)直接冒顶和基本顶之间可能留下的间隙

12、:其中h-直接顶板岩层的总厚度；KPh-直接冒顶和反向堆积的高度；采矿高度。直接顶初次垮落状态图，图6-3直接顶初次垮落状态，第4节开采后围岩移动和矿压特征，第一，直接顶初次垮落4。直接冒顶高度(3)分析：当=0时，即直接冒顶将填满采空区。因此，形成完整采空区所需的直接顶板厚度为：结论：减小，有利于控制基本顶板运动。第四节，采后围岩运动和矿压的特征。基本顶的初始崩落(1)在基本顶1的初始加重之前的岩层结构。板的结构：分别由煤柱和煤壁支撑，可视为悬挂板。2.有固定端的梁：由于工作面的长度比跨度长得多，所以可视为有固定端的梁。3.梁的作用：上覆岩石重量通过梁传递到煤壁和两端煤柱。第四节初压前顶板状

13、态、围岩移动和采后矿压特征示意图，基本顶初次垮落(2)基本顶初次垮落和初压1。初次垮落：采空区基本顶初次垮落。也就是说，随着工作面的继续推进，直接顶不断坍塌，基本顶的暴露跨度逐渐增大，直至达到极限跨度，基本顶破裂然后坍塌。2.初次来压：基本顶初次冒落引起工作面矿压显现加剧的现象称为初次来压。矿压显现特征：顶板冒落一、基本顶初次来压状态图，图1-17 采矿学，第四节采后围岩移动及矿压特征，2、基本顶初次放顶(3)基本顶初次放顶步距测定1。基本顶初次来压步距：当基本顶初次放顶时，工作面到明挖巷的距离。一般为20 35m，有时为50 70m，裸露面积可达数千至数万平方米。影响因素：基本顶板岩性、厚度

14、、地质构造等。2.基本顶初次垮落步距的确定： (1)将基本顶视为两端固定梁：(一般)应力分析：图6-4所示。(2)利用材料力学知识解决：(超静定问题)，基本顶板应力分析示意图，图6-4基本顶板应力分析，岩梁上应力分布示意图，图6-5岩梁上应力分布示意图，第四节围岩移动及采后矿压特征，2。基本顶初次垮落步距的确定： (1)将基本顶视为两端固定梁：岩梁断裂的极限跨度：(多用途，因为抗拉强度远大于抗压强度)(当max=Rs时)公式l中基本顶初次垮落步距；岩石层的抗拉强度极限；岩层抗剪强度极限；最大-最大剪应力；q-岩石梁的均匀载荷；h-岩梁高度(基本顶板厚度)，第四段开采后围岩移动和矿压特征，2。基

15、本顶初次垮落步距的确定： (2)将基本顶视为简支梁：(浅埋煤层)(3)煤柱支护顶板时岩梁安全跨度的求解方法：固定梁时：简支梁：公式中的n-安全系数，n=6(主要考虑脆性破坏)，第四段开采后围岩移动及矿压特征，3。基础顶板周期来压前状态(1 ):如图6-7所示。悬梁状态。采煤工作面受基本顶悬梁的保护。(2)周期加权的含义和矿压显现特征1。周期来压：基本顶周期性破碎或坍塌前后工作面的矿压显现，称为周期来压。图6-8显示。也就是说，随着工作面的推进，在基本顶悬跨达到一定长度后，在自身重量和上覆岩层载荷的作用下，将沿煤壁甚至煤壁内断裂和坍塌。这种坍塌现象会反复发生，使工作面矿压明显周期性变化。2.周期

16、：两次按压之间的间隔，称为。图6-7，基本顶周期加权前的状态图，基本顶周期加权前的状态图，图6-7，基本顶周期加权前的状态图，基本顶周期加权前的状态图，基本顶周期加权前的状态图，图6-8，第四节开采后围岩移动和矿压特征，(2)周期加权的意义和矿压显现特征3。矿压显现特征：顶板下沉量增加，下沉速度加快，支架载荷普遍增加，导致煤壁片帮、支架断裂、顶板台阶下沉、支架倾覆、冒顶等现象。它持续了很长时间。采取措施：加强矿压观测，掌握预兆、步距和强度，进行矿压预测，加强支护；竖立两排密集的柱子、木桩和丛柱；以小进度和多周期，增加推进速度，强制放顶等。(3)确定周期性加权间隔1。周期来压间隔：两次周期来压(放顶)之间的距离。或工作面在来压期间前进的距离。通常6 30m，通常10 15m。影响因素：基本顶板岩性、厚度、地质构造等。2.周期性称重步距的确定：力学模型：一端固定的悬臂梁。(参见张西军编写的教科书中的图片)。极限长度：与初始来压步距之比：L初始/L周=2.45经验公式：L周=(1