深井矿压与冲击地压ppt

深井矿压与冲击地压段绪华教授2014年2月（山东省煤矿矿长、总工等高层技、管人员培训用）第一讲深井矿压一、研究深井矿山压力的重要性及其意义二、深井开采极限深度的确定三、深井巷道的矿压显现特点分析四、深井采场的矿压显现特点分析五、深井巷道、采场的支护措施与研究方向1、我国煤矿储量与采深的关系大于1000米的储量占总储量的53%；大于600米的储量占总储量的73%；2、煤矿开采深度状况（1）国外①西德最大采深已在1550米；②原苏联，最大采深已达1600米，同时在进行1600~1800m深井的开采设计；一、研究深井矿山压力的重要性及其意义③波兰、比利时等国家的最大开采深度1300~1400m；④南非有44个非金属矿已达3800米；（2）中国：到2006年，平均深度达456m，最大采深已达1200m左右，采深大于600m的回采煤量占总产量的28.5%，现深部开采产量急剧增加。一、研究深井矿山压力的重要性及其意义（3）根据现代勘探技术及美国、波兰、原苏联等国家的资料记载：有用矿物资源，在地下的埋藏深度达20km，将来有开采价值的有条件实现的开采深度为2000m，煤层的最大埋深可以有超过800m到2000m。一、研究深井矿山压力的重要性及其意义3、深部开采要解决的问题以我国为例，五六十年代建成投产的矿井已多次延深，采到最终水平，进入中老年时期，现保有储量不多，如何提高深部储量的开发深度，值得研究，采深达到一定深度后，问题比较突出，不在于采掘工艺，而在于一些自然因素，限制了我国深部储量的开采。例如：地温、地压、冲击地压、支护形式、软岩治理、水、瓦斯等问题，必须依靠科技进步。4、开采降深速度及压力显现（1）中国、原苏联、波兰、法国等主要采煤国家每年开采深度递增12-15m左右。（2）随采深增加，工作面前方支承压力带中移进量的增加梯度为：围岩强度为30mpa，移近量212mm/100m（采深）围岩强度为50mpa，移近量115mm/100m（采深）围岩强度为90mpa，移近量35mm/100m（采深）（3）顿巴斯及鲁尔两矿区中，对于围岩深度为30mpa的不稳定岩石，当深度由300m增加到700m时，（4）煤壁边缘至支承压力峰值的距离增加63%，平均增量为2.54m/100m（采深）（5）煤体内支承压力带总宽度增加37%，平均增量为6m/100m（采深）（6）支承压力带内最大压力增加一倍，平均增量为2.4mpa/100m（采深）（7）顶板方向强烈破坏带的高度增加77%，平均增量为4.6m/100m（采深）5、在我国已探明的储量中，埋深在1000m以下的储量为2.95万亿吨，占资源总量的53%。6、预计在未来20年，我国很多煤矿将进入到1000~1500米深度。7、开滦林西矿一切眼埋深大于700米，开掘在一煤层10m宽的煤柱下方，顶底板移近速度为40mm/d。8、原苏联认为，由于深度增加（1）开采费用增加了1.4倍；（2）成本提高了1.3倍；（3）井巷工程提高了1.5倍；（4）采深每增加100m，工作矿量降低4%~5%；（5）工作面采煤工效下降6%~8%；（6）吨煤成本提高3%~4%；（7）巷道维修率增加4.5%；9、深井工作面，当垮落带只有直接顶时，选用掩护式支架。当垮浇带有直接顶和部分老顶时，选用支掩式支架。10、沿煤层法线方向，顶板强烈破坏带的高度增加77%，（平均增量为4.6m/100m）。由此可知，采深增加，矿压参数急剧变化，多数呈梯度增加，但也有些矿压参数降低，例如：直接顶的初次垮落步距，老顶的初次来压及周期来压步距。如用浅部的矿压参数进行深部开采的管理就会埋下一系列的事故隐患，必须建立起深部开采的安全意识。11、深井开采的影响因素（1）地质因素：围岩成份、性质、厚度、强度、构造、含水性、温度、埋深等。（2）技术因素：巷道掘进方式，断面形状及尺寸、支护方式、回采工作面、回采顺序、支架结构及力学性能等。12、世界深井开采的研究情况（1）波兰（2）中国13、我国加强深部开采的必要性以徐州矿区为例—1000m以上不足4000万吨；—1000m~1200m的储量2亿吨—1200m~1500m的储量5亿吨是加强深部开采研究，利用原有井巷设施提高深部开发强度，还是另起炉灶转移到省外，这涉及到国家与地区的发展战略问题。二、深井开采极限深度的确定根据不同岩性承受载荷的能力，有着不同的极限深度，若开采深度超过其极限深度，矿压显现就变得剧烈，围岩破坏就进入强化阶段。那么，什么叫极限深度呢？即是采深增加一定深度之后，巷道周边的集中压力超过了围岩的自身强度，巷道周边将产生不同形式的破坏，矿压显现变得剧烈，与浅部相比，差异很大，我们就把这个深度称为极限深度。所谓矿压显现剧烈，我国一般认为当巷道周边移近量大于200mm，顶底板相对移近率大于35%时，就认为巷道矿压显现是剧烈的。知道极限深度，有助于我们的管理。二、深井开采极限深度的确定1．国外煤矿巷道极限深度的确定近年来，国外对深部矿压理论的研究进展较快，许多学者依据本国国情推算出了自己国家巷道的极限深度。①原苏联该国的研究认为：当巷道状态由中等稳定向不稳定过渡时，可以认为巷道所处的深度为极限深度，其表达式为：即：H=0.4Rc/r，为不稳定状态时的极限深度极限深度确定为：H=800m（注：不同的岩性有不同的容重及单向抗压强度）γ·H/Rc=0.4②德国该国对深部开采的研究着重于实际应用，注意从实际观测入手，他们认为，巷道围岩的弹性变形量可以忽略不计，当岩层压力超过一定的极限值时，围岩开始产生塑性变形，产生这个压力极限的深度就是巷道的极限深度。结合实测数据及实验室实验，计算所得的极限压力值与极限深度值为：3.6138H式中：ρ--极限压力MN/m2；β--底板岩层强度MN/m2，岩性不同，值也不相同；H--极限深度，m为此得出德国煤矿的极限深度为800~1200m，1200m为超深度或大深度开采。③英国英国一些学者认为，深部岩石的原始压力状态视为静水压力状态，可由弹性理论分析计算极限深度（公式略），其极限深度为750m。总之，各国计算极限深度的方法、根据各国具体情况而定。根据国外有关资料介绍，波兰煤矿的极限深度为750m，日本煤矿的极限深度为600m。2.我国煤矿极限深度的确定：我国煤矿极限深度的确定考虑的因素较多（根据研究成果，可作一定的假设）。①确定侧压系数“λ”值侧压系数“λ”值是水平压力与垂直压力之比。当岩层处于塑性变形阶段时，即认为µ=0.5,纵向应变横向应变ad0.51110.5＝＝＝－－②确定巷道周边围岩压力集中系数k压力集中系数取决于巷道，峒室的形状及压力特征，圆及椭圆形峒室、巷道压力集中在顶部和边墙中部，而正方形、矩形断面压力集中在四个角上，由理论可确定角上的压力集中系数可达无穷大，实际上为6~8，苏联资料表明，在未采动岩体下，各种断面的压力集中系数为：巷道断面形状集中系数k椭圆巷道断面，长短轴之比1.51.5圆形断面2拱形断面3直角形(梯形)断面3.5表6-1不同巷道断面压力集中系数一览表由表可知,曲线形状的巷道压力集中系数较小，出现的拉压力也小,巷道比较稳定。因此，当巷道周边围岩破碎后，巷道最终保持曲线形状。所以对于不规则的巷道断面可采用外接圆形求解，对圆形断面在巷道半径r等于1的情况下，巷道周边的应力集中系数等于2。③时间效应岩石强度常随时间而变化，一般认为长时强度为瞬时强度的0.7~0.75倍，即长时载荷影响系数，η=0.7~0.75。根据苏联的研究，其值如表：表6-2长时载荷影响系数η巷道服务年限（a）影响系数干浸湿51.000.955~100.900.85100.800.70④岩体强度RcRc为岩体单向抗压强度，由实验室得出。⑤回采影响系数不受相邻矿区回采影响时，取KH=0.77受相邻矿区回采影响时，KH=0.5~0.4所以，当巷道周边围岩压力超过巷道周边岩体单向抗压强度时，巷道变形剧烈，可认为此时的巷道即为极限深度，表达式2HHRcK2HRcKH即：如果考虑构造因素的影响，应乘以构造系数kg，kg的取值范围一般按经验取0.67。即：2HRcKKgH围岩性质不同，极限深度也是不同的，软岩的极限深度为150~200m，在非软岩类围岩中：不稳定的围岩极限深度为300~400m，中等稳定的围岩极限深度为650~750m，稳定的围岩极限深度为1000m以上。超过各类围岩的极限深度后，埋深每增加100m，其围岩移近量的增量如表6-3所示：围岩类型极限深度超过极限深度，每增加100m，位移增量（mm）软岩150400不稳定的围岩300~400134中等稳定的围岩650~75080比较稳定的围岩100050表6-3不同围岩不同深度移近量增量一览表在各类围岩条件下，埋深与巷道围岩移近量的关系如图6-1所所示：图6-1埋深与巷道围岩变形量的关系三、深井巷道的矿压显现特点分析煤岩体抗压强度与采深的关系：根据波兰三十多年来对深井巷道的研究结果表明，中硬岩石两帮压力（巷道压力），煤岩平均抗压强度与采深的对比关系如表6-4所示：深度H（m）两帮最大压力（N/cm2）平均抗压强Rc（N/cm2）砂岩页岩硬煤20090019802700182040018402360340017006002820455041001580800380058304800146010004820710055001340120058408400620012201400690097006900110016007960108007600980表6-4中硬岩石两帮压力、煤岩平均抗压强度与采深的关系对表中数据进行回归分析后，求得砂岩、页岩、硬煤随着深度增加而增加的平均抗压强度梯度为：–砂岩：Rcs=380+6.6H–页岩：Rcn=2000+3.5H–硬煤：Rcm=1940-0.6H根据巷帮最大压力与煤岩平均抗压强度的对比关系，可以求得各种岩体中巷道的临界深度如图6-2所示：图6-2巷帮最大压力与煤岩平均抗压强度关系图页从图中可以看出：①硬煤初次显现极限深度为300m，深度达到350m时，巷帮压力就超过了煤的平均抗压强度。因此，就会产生维护煤帮的困难，越往深处，被压坏的可能性就越大。由于减少了巷帮顶底板之间的磨擦力及顶底板移近产生的夹持力，同时距巷帮深处的弹性能进一步提高，故更可产生煤的突出。②页岩初次显现的极限深度为600m，在1300m以下的深处才出现类似于岩石突出的压力超限现象；而砂岩初次显现的极限深度为900m，不过类似于岩石突出的压力超限现象，目前的开采深度通常不应出现。③由于砂岩抗压强度随采深的增加而增加的梯度较大，故在深井开采中，应设法把巷道布置在均质的坚硬砂岩中，尽量避开薄弱环节，以减少挤出、突出。④在很多矿井中，煤巷的比例较大，故随采深的增加，防止煤巷片帮将成为深井开采中的主要问题。于是深井煤巷的支护应加强研究。⑤在有软底的煤层中，大深度巷道中的底膨现象要比浅部巷道中多。因此，降低巷道两帮的压力是防止底臌的基本方法。当然，巷道围岩压力的大小不仅仅是赋存深度，与老塘的相对位置关系及巷道的支护形式、维护方法也有关。四、深井采场的矿压显现特点分析开采深度的增加，工作面矿山压力显现情况有别于巷道，其不同点主要是工作面上方岩层（老顶）断裂后，通常情况下，能形成“梁”和“拱”的结构，上覆岩层的重量由“传递岩梁”传到前后的煤体上及堆积的直接顶碎矸上，或者，由“拱”将重量转嫁到前后的拱角处。对于工作面来说，一般不受上位岩层重量的直接作用。而且是动态的，巷道服务时间是较长时期的。因此，工作面支架的载荷及下缩量无明显增大。但是由于工作面前后方支承点承受较大的载荷，结果导致工作面前方支承压力升高。由于煤及直接顶的自身强度所限，有可能使直接顶超前煤壁发生破坏，而且工作面前方支承压力又为超前移动力支承压力，所以这种破坏既不是一次性的，也不是周期性的，而是连续不断的，即成为恶性循环工作面