矿山压力及岩层控制

矿山压力及岩层控制第一讲：绪论矿山压力的基本概念矿山压力：采动采场、巷、硐支护物力矿压显现：力学现象矿山压力控制：减轻、调节、利用、改变的方法矿山压力对煤矿开采的意义•生态环境保护•保证安全和正常生产•减少资源损失•改善开采技术•提高经济效益矿压的研究方法•现场实测•理论分析•物理模拟•数值模拟•工程类比总结•三个规律•两个原理•一个方法岩层控制方法原岩应力分布规律顶板活动规律矿压显现规律回采工作面支架与围岩的作用原理巷道支护与围岩的作用原理矿山压力及岩层控制第二讲：原岩应力分布规律本章介绍•原岩应力•“孔”周围的应力分布•围岩极限平衡•支撑压力及其分布原岩应力原岩体：地壳中没有受到人类工程活动影响的岩体。原岩应力：存在于地层中未受工程扰动的天然应力。板块边界受压地幔热对流地球内应力原岩应力的形成地球心引力地球旋转岩浆侵入地壳非均匀扩容矿山压力的来源•自重应力•构造应力自重应力：由地心引力引起的应力场。海姆公式：金尼克公式：zyxzH5.01（静水压）自重应力43.0-25.03.0-2.0-1（弹性侧压理论）构造应力构造应力：由构造运动引起。分为：现代构造应力和地质构造残余应力构造应力的特点：1.构造应力以水平应力为主。2.构造应力分布不均匀。3.构造应力具有方向性。4.普遍存在于坚硬岩层中。原岩应力的分布基本规律•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少•最大水平主应力与最小水平主应力相差较大垂直应力与采深成正比平、垂应力比值随采增加而减小回采空间周围的应力分布不同方向临空，应力叠加；拐角处应力集中程度高；按临空自由面多少，应力集中程度如下关系：孤岛大于半岛大于拐角大于单面矿山压力的分布分布的稳定条件塑性状态的分布弹性状态的分布矿山压力的分布围岩极限平衡与支撑压力的分布巷道（孔）应力状态两侧围岩单元体的巷道两侧的支撑压力分布切向应力分布：（大--小）受力状态（单向--三向）抗压强度：（低--高）破坏顺序：（里--外）围岩三区的形成塑性区弹性区原始应力区回采工作面支撑压力分布前方移动的支撑压力远远大于后方的支撑压力工作面承受极少量的压力影响支撑压力的分布因素•回采空间尺寸及形状•回采空间顶板管理方法•顶板岩层及煤层岩性•采深•周围回采空间分布支撑压力的分区A减压区B增压区C稳压区D极限平衡区E弹性区支撑压力在底板岩层中的分布分布规律煤体边缘附近底板产生高应力集中带采空区下方一定范围内应力降低多煤层同采时有应力互相干扰矿山压力及岩层控制第三讲：采场上覆岩层活动规律本章介绍•工作面的底板划分•矿压假说•直接顶稳定分析•老顶破断分析（梁、板）•上覆岩层的活动规律•上覆岩层平衡结构回采工作面的顶、底板划分1.顶板伪顶----位于煤层之上薄而软的岩层。（0.3-0.5m）直接顶----位于煤层或伪顶之上一层或几层围岩性质相近的岩层。老顶----位于煤层或直接顶之上厚而坚硬的岩层（基本顶）。2.顶板直接底----位于煤层之下的岩层（古土壤）。老底----直接底之下的岩层。（对于反山，顶底板发生翻转的）回采工作空间类型（依据采空区处理方法不同划分）（a）完整空间---刀柱法或留煤柱开采；（b）自由弯曲空间---顶板缓慢下沉法（顶板塑性大）；（c）充填空间---充填法；（d）垮落空间---完全垮落法；直接顶岩层破坏离散原因1.节理裂隙切割。2.岩层松软，变形大离层。3.落煤后顶板支护不及时。4.老顶岩层平衡结构失稳，岩块回转。5.支撑力不均衡或支架反复支撑。6.放顶撤柱，动力冲击。直接顶的离层1.离层原因直接顶教软，易发生弯曲变形未及时支护或支撑力不足直接顶的初次跨落初次跨落——直接顶第一次跨落（初次放顶）(标志：跨落高度大于1-1.5，长面大于1/2面长）初次跨落距——第一次跨落时，直接顶的跨距。直接顶跨落距受直接顶的强度、厚度、节理裂隙影响，是描述直接顶稳定性的综合指标。直接顶跨落前，顶板完整性一般较好，支架载荷小，稳定性差，初次跨落易发生大面积顶板事故。顶板工作结构1.梁式结构——将顶板视为沿工作面推进方向的梁，按梁式结构承载变形破坏理论分析顶板破坏现象。2.板式结构——将顶板视为一个板或经断层裂隙切割后多块板相互咬合组成的板，按板式结构承载变形及强度理论分析顶板破坏现象。3.顶板结构端部支撑条件：固定支座——顶板被岩层夹持，为断裂，无自由端。简支梁支座——顶板端部断裂或埋深较浅。（可转动）老顶按梁式结构计算其极限跨度为：qRhLtLT32qRhLtLT2qhRLSLS34固定梁简支梁qhRLSLS34按弯矩计算按剪力计算结论：对一般厚度岩层，弯矩极限跨度小于剪力极限跨度；简支梁弯矩极限跨度小于固定梁弯矩极限跨度；（顶板岩层在固定端断裂后，随即在中间断裂）老顶梁式结构分析1.冒落区老顶支撑条件：全部充填满回采空间不能全部充填满回采空间（老顶悬露，成梁式结构）1.固定支座老顶梁式结构力学分析（最大弯矩、最大剪切力发生在煤壁两端）2.简支梁支座老顶结构力学分析老顶岩梁破坏形式有两种受弯矩作用拉断受剪力作用剪断老顶的板式破断：板式结构边界支撑条件：薄板：长150-200m宽30m厚2-4m边界支撑条件：（a）四边固支——首采工作面（b）三固一简——一面为已采区（c）二固二简——一面为已采区，一面为工作面采空区（d）一固三简——三面临空，回采孤岛区域板式结构体内弯矩分布1.将板分为若干横纵条梁，求每条梁弯矩并考虑交叉点挠度相等，从而求出板内弯矩分布。2.板体内弯矩分布图由图可见：（1）固定边界处弯矩比其他地方大；（2）顶板支撑条件下，由“四固——三简”转变时煤壁处弯矩增大；（3）板式支撑条件，最大弯矩位于工作面煤壁终端；（4）当板式结构四面临空时，最大弯矩在板中间。3.板式结构破断过程长边——短边——沟通——中间（O-X型破断）（a）（b）（c）：2的计算公式公式原理：当开采空间形成后，第一层岩层并非承受其上直至地表的全部岩层重量，其上必然有一层距离较近的坚硬岩层，可将其上部岩层载荷通过本身的强度或抵抗变形能力传递到空间两侧的实体支撑点上，而第一层岩层仅承受其上直至第一层坚硬岩层间因弯矩施加的载荷。回采工作面上覆岩层活动规律老顶跨落后，其上覆岩层依次发生断裂、离层和移动，其破坏移动的程度与与开采形成的自由空间大小有关。一般讲随时间推移，上覆岩层移动一直波及地面。1.横三区、竖三区的形成2.实测不同类型覆岩开采后的破坏情况1.冒落带2.裂隙带3.工作面附近顶板移动观测曲线4.上覆岩层随工作面推采位移路径5.倾角与顶板位移的影响顶板移动一般规律岩层移动由下而上形成三带，直直地表。（冒落、裂隙、弯曲下沉）在工作面附近顶板形成三区（煤壁支撑影响区、离层去、重新压实区）裂隙带可形成某种平衡结构顶板移动在工作面前方30-40m开始(水平为主、垂直为小）顶板（移动轨迹）位移基本垂直层面影响范围由下向上逐渐扩大，形状由方到园矿山压力及岩层控制第四讲：矿山压力显现规律