矿山压力基础知识.doc

第一部分 基础理论知识一、有关矿山压力的基础知识(一) 岩石的物理力学性质1、岩石的物理性质（1）岩石的重力密度（容重）：岩石所受的重力与包括空隙在内的岩石总体积之比。如砂岩的重力密度（容重）为：=19.6KN/m-27.5KN/m（2）岩石的孔隙率 (n):岩石的孔隙体积与其总体积之比。沉积岩的孔隙率一般小于10%，但部分砾岩和胶结性较差的砂岩孔隙率可达标10%20%。（3）岩石的碎胀性:岩石破碎后体积增大的性质。残余碎胀性系数( kp。)：破碎岩石在矿山压力作用下，压实后的体积与破碎前的体积之比。2、岩石的变形性质岩石单轴压缩，应力（）应变（）曲线。（见图1）应力：单位面积上的力 ；应变=（LL） L（1）压缩阶段；（2）弹性变形阶段；（3）塑性变形阶段，直至破坏。岩石性质不同，应力应变曲线各不相同。3、岩石强度性质（1）强度概念：抵抗外力(应力)而不破坏的能力。根据应力状态，强度有：抗压强度，抗拉强度，抗剪强度,抗弯强度；抗压强度：单向抗压强度，双向抗压强度，三向抗压强度。（2）强度的特征抗压抗剪抗弯抗拉三向抗压双向抗压单向抗压；三向抗压强度，侧压力愈大强度愈大：（3）岩石强度的指标:f称为普氏系数硬石灰岩、硬砂岩，f=8；普通砂岩，f=6；砂质页岩，f=5；砾岩，f=4；普通页岩，f=3；软页岩、无烟煤，f=2；煤，f=1-1.5。4、岩体的变形与强度特性岩体与岩块特性的差别：（1）构造上的差别：岩体充满裂隙、层理等弱面；（2）受力状态差别：岩体受三向应力；（3）岩块尺寸不同，强度也不同；岩块尺寸愈大，强度愈小。岩体被许多裂缝切割，但块度也很大。（二）矿山岩体内原始应力分布规律1、自重力 地下岩体处于三向应力状态。2、构造应力（见图2）原因：构造应力。地壳运动使岩体变形，岩体内储存弹性变形能。当应力超过岩体强度时，岩体破坏，能量全部或部分释放。未释放的能量，变为构造应力（残余应力）。构造应力特征：（三）孔的周围应力分布（见图3）4、大小孔周围的应力5、压力在底板内传播（见图5）二、长壁工作面围岩运动基本规律5倍。（见图6）第一种情况：有老顶，直接顶不太厚；直接顶厚度小于或等于采高的3（1）在开切眼内开始回采；（2）采到一定距离后，直接顶垮落，但垮落后的碎石不能充满采空区，有间隙；（3）随工作面推进，直接顶一次一次地垮落，老顶岩层的跨度不断地增大，增大到一定距离，折断，给支架一个动压-初次减压；（4）工作面继续推进，直接顶再一次一次的垮落，老顶跨度增大到一定长度后，又一次折断。这种折断随工作面推进是周期性的-周期来压。第二种情况：直接顶厚度大于采高的5倍，垮落后能充满采空区，老顶距工作面较远或无老顶。（见图7）直接顶上部老顶岩层，随直接顶的垮落而下沉（折断或不折断），压在采空区的已垮落的矸石上，无周期来压（或周期来压不明显）。第三种情况：无直接顶，坚硬而厚的老顶岩层直接在煤层之上。老顶岩层悬空后，弯曲不大；在端部出现裂缝，并从两端整体切下，剪应力破坏。（见图8）支架载荷 ，顶板折断时，产生很大的动压，并形成风暴，催跨工作面。第四种情况：直接顶为裂隙发达的石灰岩，煤层厚度不大，直接顶下沉到底板之前，不会垮落。支架上载荷， ，顶板压力不大，稳定。（见图9）根据以上情况，顶板可分为五类：（h: 直接顶厚度；M: 采高；L8:老顶初次垮落步距）。I、h5M无周期来压或周期来压不明显（第二种情况）。II、0.3Mh35M，L8=2550m，周期来压明显（第一种情况）。III、0.3M50m； h0.3M， L8=2550m周期来压强烈（第一种情况）。IV、h=0，老顶坚硬而厚，来压极强烈（第三种情况）。V、塑性弯曲顶板，无周期来压（第四种情况）。三、长壁工作面围岩应力分布基本规律I、应力降低区：比原始应力小。工作面支架，采空区矸石。II、应力升高区：比原始应力大。工作面四周煤体，采空区后部的矸石。III、原始应力区：远离工作面前方的煤体和采空区更后部的矸石。应力集中系数k=升高（降低）应力区的应力原始应力。升高应力区k=2357。四、工作面矿山压力显现（一）工作面顶板下沉及顶板下沉速度1、工作面推进过程中顶板下沉量及顶板下沉速度（见图11）曲线1，直接顶下沉量，mm；曲线2，直接顶下沉速度，mm/day。C0 - 初次来压老顶垮落步距；C1 - 周期来压老顶垮落步距。2、采高、控顶距离及支架阻力对顶板下沉量的影响（1）煤层厚度（采高）大，顶板下沉量大；（2）控顶距离大，顶板下沉量大；（3）支架阻力愈大， L愈大，顶板下沉量愈小；支架阻力不变， L不变（常数）。工作面推进速度愈快，顶板下沉时间愈短。根据实际观测，工作面推进速度增大，顶板下沉速度也增大，但不是成正比例增加。因此，顶板下沉量 随工作面推进速度增大而减小。4、开采深度及煤层倾角根据实例，开采深度在600-800m以内时，顶板下沉量与开采深度无关。煤层倾角愈大，顶板下沉的垂直分量愈小，但顶板下滑力增大。5、回采工艺对顶板下沉速度影响落煤，放顶时，顶板下沉速度增大。（二）支承压力显现1、应力升高区的压力称支承压力。位于工作面前方，工作面两侧煤柱上，采空区压实的矸石上。2、支承压力形成过程（1）割煤后，最大压力在煤壁；（2）随煤壁的破碎，支承压力向煤体内转移；（3）继续转移。3、影响支承压力分布的因素（1）开采深度：随开采深度增大，应力集中系数增大，支承压力最大值距煤壁距离增大；（2）煤的强度：煤的强度愈大，支承压力的集中系数愈大，但支承压力最大值距煤壁距离愈小；（3）煤层厚度：煤层厚度愈大，其强度愈小，支承压力最大值内移；（4）顶板岩石性质：顶板岩石愈坚硬，支承压力分布范围愈广，应力集中系数愈小；（5）支架阻力：支架阻力大，支承压力小，分布范围小；支架阻力小，支承压力大，分布范围大。（6）顶板控制方法：与垮落法相比采用充填法时支承压力小、分布范围小。（三）老顶矿山压力显现：初次来压及周期来压(见第二部分)第二部分 顶板控制与顶板灾害防治一、顶板控制方式工作面支架、采空区处理、工作面来压的预报与监控、工作面冒顶事故的预防与处理。二、工作面支架（一）单体支架1、对支架的要求：（1）阻力：初撑力：支架架设后顶板开始下沉时，支架对顶板产生的阻力，初撑力大可避免和减少顶板的“离层”；工作阻力：支架的额定阻力，此阻力使支架能支撑直接顶和老顶作用在支架上的全部载荷。（2）可缩性：随顶板下沉而收缩的性能，根据顶板性质决定可缩量的大小。2、工作面单体支架类型3、工作面单体支架选择（1）木支架：消耗木材多，可缩量小，有时加木垫（少用）；（2）急增阻磨擦式金属支柱：阻力变化大，可缩量小（少用）；（3）微增阻磨擦式金属支柱：阻力变化小，初撑力大，可缩量大；（4）恒阻式液压支柱：阻力不变化，初撑力大，可缩量大。工作原理：4、工作面单体支架的设计：确定工作面支架的布置（1）工作面支架的载荷估算a.水平煤层：最小控顶距1110.33.3最小控顶距范围内每排支柱支护面积=3.3bb为支架间距3.3bN=3 b=3/（3.31.07）=0.85m,实际采用支架间距：b实=0.8m（2）工作面单体支架受载特征a.支架所受的载荷与支架本身特性有关；b.工作面不同地点，支架载荷不同，上中下、前后支架受力都不均匀；c.由于支架架设质量，造成支架受力不均匀：例1、支柱打在浮煤上；单铰掩护式支架随采高的变化，顶梁尖端（铰点）围绕支架的后铰点作圆弧运动，因此支架的空顶距随采高的变化而变化，使支架前端无支护增大，不利于顶板控制。采用带四连杆的掩护式支架（双铰式），随采高的变化顶梁尖端的运动曲线为双纽线，在设计中可以使顶梁尖端在采高范围内呈近似垂直层面的直线运动。3、液压支架的阻力（1）工作阻力：液压支架的主要参数，决定支架结构尺寸，支架的支撑能力。两种观点：a.加大工作阻力：支架适应性强，可靠性强，使用寿命长，减少使用过程中维修，安全，但制造费用高；b.支架工作阻力必须与顶板条件相适应，只要支架能控制住整个工作面的顶板下沉与压力，保持控顶区内顶板的完整与可靠即可。加大工作阻力，使支架重量大、造价高、装运使用都不方便。两种观点各有道理，有逐渐增大的趋势，要设计“支架系列”。目前，工作阻力高达400t-800t，甚至超过1000t。（2）初撑力：初撑力大，立柱能很快达到工作阻力，减少顶板下沉量，避免顶板的离层，改善支护性能。但初撑力过大易破坏直接顶。3、支架的附属装置（1）掩护式与支撑掩护式：侧护板，护壁装置，支柱复位装置；（2）支撑式：挡矸帘，支柱复位装置。4、液压支架选型（1）顶板压力合力的大小与作用点根据直接顶岩石性质，将直接顶破坏分为三种情况：第一种情况：直接顶岩石中硬，在采空区无悬顶，合力作 用点在前后柱之间：（见图26a）Q=P1+P2Qq=P1L1+p2L2P2=Q-P1P1=(q-L2)Q/(L1-L2)P2=(L1-q)Q/(L1-L2)第二种情况：直接顶岩石坚硬或有老顶，在采空区有悬顶，合力作用点在后柱之后：（见图26b）Q= P1+P2P1应为负值，但不可能，P1只能为0Q+R= P2 ，R= P2-QQq+Rr= P2L2P2=(q-r)Q/(L2-r)P1=0式中R为附加力第三种情况：直接顶岩石松软，在工作面控顶区内有破坏，合力作用点在前柱之前：（见图26c） Q= P1+P2 P2 应为负值，但不可能，P2只能为0Q+R= P1 , R= P1-QQq+Rr= P1L1P1(r-q)Q/(r-L1)P2=0式中R为附加力（2）支架特征与选型a.支撑式支架：顶梁长，控顶距离大（4m左右），立柱在后部, 立柱合力作用点靠后，支撑力大；顶板覆盖面积小，支架之间的空隙，易漏矸。适用于第一种情况，直接顶岩石坚硬。b. 3m），并有掩护梁将工作面与采空区隔开；支柱合力作用点靠支架前部，且有平衡千斤顶调整合力作用点位置，支撑力较小；架与架之间有侧护板，防止漏矸。掩护式支架：顶梁短（2适用于第三种情况，直接顶岩石松软。c.支撑掩护式支架: 顶梁长度大于掩护式，小于支撑式；掩护梁克服支撑式的缺点，四柱都在顶梁与底座之间，克服掩护式支撑力较小的缺点；架与架之间有侧护板；适应于中硬顶板，对于硬和软的顶板也有一定的适应性。三、老顶来压（初次来压与同期来压）的控制（一）老顶来压的意义（二）老顶来压的规律初次来压步距（L）与周期来压步距（L）1、影响因素（1）老顶岩石的力学性质：老顶岩石坚硬，L、L大；（2）老顶岩层的厚度：老顶岩层厚度大，L、L大；（3）地质构造：老顶岩层构造面平行于工作面，易折断。2、初次来压步距（ L）与时间初期来压步距（ L）：厚度较小的砂岩：L=15-25m厚度大于4 m的砂岩：L=20-30m厚度45 m的砂岩：L=35-45m厚度大于810 m的砂岩：L=60-70m石灰岩（裂隙质育）：L=20-25m初次来压延续时间：2-3天3、周期来压步距（L）（三）老顶来压征兆1、顶板下沉速度突然增大，金属支柱大量沉缩；2、支柱发出声响；3、支柱钻底、钻顶；4、支柱倾倒；5、 片帮；6、直接顶破碎。（四）顶板来压的监测与预报1、建立监测系统工作面内观测 ：顶板下沉量，顶板下沉速度（利用动态仪），支柱载荷（利用压力盒）。工作面两侧巷道观测站：巷道顶底板移近速度（利用动态仪）。2、老顶运动过程监测（1）老顶岩梁相对稳定阶段（曲线OA段），即老顶跨度未达到极限跨度之前，超前平巷内顶底板移近速度平缓，工作面顶板下沉速度稳定。（2）老顶岩梁端部断裂(曲线AB段)：老顶岩梁开始断裂、折折，超前平巷内顶底板移近速度增大、达到峰值、减小（按动态仪1、2、3顺序），并确定煤壁前方老顶岩梁断裂线位置（根据动态仪4的无变化）。工作面顶板下沉速度无显著变化。（3）老顶岩梁显著下沉（曲线BC、CD段）：超前平巷内顶底板移近速度再次变化，减小、增大、达到峰值、减小（按动态仪3、2、1顺序）工作面前方支承压力值和范围均增大，煤壁的破坏范围扩大，可能出现片帮；但工作面顶板下沉速度仍比较平缓或有所增加。顺序）；支柱载荷增大；直接顶岩石进一步被破坏，平行于工作面出现裂隙、台阶下沉，并产生巨响，有掉矸现象。、2（4）老顶岩梁继续显著下沉、开始触矸（曲线EG段）：老顶岩梁折断后下沉并开始触矸，超前平巷内顶底板移近速度减小、趋于平缓，但工作面顶板下沉速度增大、达到峰值、减小（按动态仪1的GH段曲线），老顶岩梁一但触矸后，超前平巷顶底移近速度、工作面顶板下沉速度、支架载荷趋于正常。、2（5）老顶岩梁触矸（曲线GH段）：老顶岩梁触矸，工作面和超前平巷顶底板移近速度减小（动态仪1、2、3、13、老顶来压预报内容（1）来压时间预报老顶岩梁显著运动，失去平衡，压力显现移近煤壁附近，经现场实践证明，一般在20小时后，工作面来压。c.临场预报(曲线EG段)8小时内的全面来压。工作面顶板下沉速度、支柱载荷突然增大，一般经过0.5（2）来压强度预报来压十分明显：加强支护，撤出人员；来压明显：针对性加强支护，可不撤出人员；来压不明显：只需在来压时加强支护，不撤人员。四、工作面冒顶事故的预防与处理（一）工作面大面积冒顶1、老顶来压时的大面积冒顶（1）产生条件类或类顶板，周期来压明显或周期来压强烈，支架的初撑力或工作阻力较低，或支架架设质量差。 （2）产生致因老顶岩梁下沉时由于重力作用压垮支架，导致工作面大面积冒顶；老顶岩梁下沉时由于冲击作用，支架被压死、压坏或压入底板，导致工作面大面积冒顶。（3）预防措施a.支架要有足够的初撑力和工作阻力；b.支架要有足够可缩量；c.工作面遇断层或裂缝时，在断层、裂缝范围内加强支护（如用木朵）。2、厚层难垮顶板的大面积切顶（1）产生条件类顶板，厚而坚硬的老顶岩层剪切破坏，导致顶板岩梁大面积冒落。（2）预兆a.顶板断裂声响的频率和音量均增大；b.严重片帮；c.底鼓或煤柱附近产生裂缝；d.上、下平巷超前支承压力明显增大；e.工作面支柱载荷和顶板下沉速度明显增大；f.工作面或采空区淋水加大。（3）预防处理措施：a.顶板的高压注水，软化顶板、扩大岩层的裂隙；b.打眼放炮强制放顶。（二）工作面局部冒顶1、工作面端头局部冒顶机头、机尾处以及与工作面相连的一段巷道。顶板暴露面积大、支承压力集中，易冒顶。措施：加强端头支护（如四对八梁支护、抬棚子、十字铰接顶粮等）。2、工作面煤壁附近的局部冒顶工作面煤壁附近无支柱，顶板被密集的裂隙切割，形成游离的岩块而冒落；煤壁片帮增大了无支护顶板的面积。措施：放炮时，炮眼布置及装药量合理，避免崩倒支柱；采用正悬臂交错顶梁支护、正倒悬臂交错顶梁支护；尽量使工作面与煤层的主节理方向垂直或斜交，避免片帮。3、工作面放顶线附近的局部冒顶工作面放顶线处支柱受力不均匀，在回撤“吃劲”的支柱时顶板会立即冒落；顶板被断层、裂隙、层理等切割成大块游离岩块时，回柱后游离岩块推倒其他支架，导致局部冒顶。措施：在大块游离岩块范围内用木朵加强支护；在大块游离岩块范围内用木支架替换金属支架。4、地质破坏带附近的局部冒顶断层、裂隙、破碎带附近顶板易发生局部冒顶；有垂直或斜交于工作面的断层，断层附近的岩块可能顺断层面下滑而推倒支柱，造成工作面的局部冒顶。措施：采用木朵或迎岩块下滑方向架设戗棚或戗柱；用锚杆或注浆（水泥或树脂类浆液）加固裂隙或断层破碎带。