矿压理论与进展

安徽理工大学高明中[e-mail]矿山压力理论与发展汇报提纲一、煤炭的战略地位与科学采矿模式二、矿压分布规律三、矿压理论的回顾与发展四、采场矿压控制与顶板事故防治五、采动巷道矿压控制与顶板事故防治1煤炭的战略地位与科学采矿模式我国能源发展总体布局煤炭的战略地位国家《能源中长期发展规划纲要（2004—2020年）》明确:”坚持以煤炭为主题、以电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略“。当前煤炭占一次能源的70%，占全球煤炭产量的45~50%，中国工程院预测，到2050年，仍接近50%煤炭的战略地位煤炭比石油和天然气更具有资源优势，可立足国内，长期保障基础能源安全。煤炭的战略地位----能源结构严重依赖煤炭煤炭的战略地位----石油安全煤炭的战略地位----环境污染对火电的依赖能源消耗与废弃物的排放煤炭的战略地位----新能源的挑战与同类技术相比，太阳能风能生产成本比化石燃料高得多。以发电技术为例，如以燃煤发电成本为1，则小水电发电成本约为煤电的1.2倍，生物质发电（沼气发电）为煤电的1.5倍，风力发电成本为煤电的1.7倍，光伏发电为煤电的11-18倍，从而大大削弱它的经济竞争力。葛州坝装机容量为271万千瓦三峡水电站总容量为1768万千瓦我国可持续发展面临的五大能源挑战煤炭的战略地位----不可改变的事实煤炭仍然是主体能源70%50%煤炭用于发电的比例越来越大50%70%煤炭的直接燃烧带来严重的环境污染70%~80%的SO2、NOX、CO2、汞、颗粒物等1.煤炭安全高效开采技术发展成就(1)综合机械化技术取得重大突破。产量、效益、安全生产状况进入国际领先水平机采高度突破7m成功的制造和使用了世界最高的液压支架（6.2m支架成功的在神东、晋城等矿区使用，年产量超过1000万t）神东矿区工作面最大长度达到400m，年产超过1500万t，全员效率达到140t是美国、澳大利亚等发达采煤国家的1.5到2倍百万吨死亡率0到0.01是世界上最低的开采技术发展成就(2)综采放顶煤安全高效开采技术和装备已形成体系，继续处于国际领先地位山西同煤集团塔山矿综采放顶煤的厚度突破20m（机采高度已达6m，可以满足1：3的采放比的控制目标）。采用了每小时3000t的放煤运输机，实现了工作面高速推进，年产突破1000万t的水平。随着放煤运输机能力的提高和新型放顶煤支架研制和使用的成功，使工作面长300m，年产突破1500万t的目标已经实现。保证防止瓦斯、顶板、火灾等重大事故的安全开采的理论和技术体系（新型巷道布置系统、瓦斯抽排技术装备、工作面和巷道顶板控制技术和装备等）(3)“淮煤集团”成功开发的煤与瓦斯无煤柱同采成套技术实现了瓦斯、冲击地压、煤与瓦斯突出以及火灾等重大事故一体化控制的新突破，相关技术包括：回采工作面高效综采综放开采技术；机械化巷旁充填锚网支护高效无煤柱留巷技术；回采工作面前、后方瓦斯同时抽排和通风系统一体化技术。开采引起的地质灾害与环境问题CH4TreeTreeHouseBuilding2FactoryTreeTreeCH4开采沉陷miningsubsidence采矿引起的安全和环境问题绿色开采技术的基本框架煤矿绿色开采采动岩体结构运动理论采动裂隙岩体渗流理论煤与瓦斯共采保水采煤矸石充填采煤绿色开采技术框架科学采矿模式煤炭开采存在的问题煤矿数量多、分布广，产业集中度较低。–2008年底全国共有各类煤矿17352处（包括改扩建设和新建矿井），其中国有重点1051处，国有地方和乡镇煤矿16301处。–煤矿在我国26个省（直辖市、自治区）、1260个县均有分布。–全国各省、市自治区（除上海市外）均有煤炭资源赋存，但分布极不均衡，煤炭主要集中在新疆、山西、陕西、内蒙、云南、贵州、四川地区。已查明资源储量1万亿吨，居世界第三位。在查明资源储量中，晋陕蒙宁占67%；新甘青、云贵川渝占20%；其他地区仅占13%。煤炭分布突出的特点是西多东少、北富南贫。煤矿自然条件差，井工开采比重大。我国露天矿井仅占0.3％，产能占6％左右。美国露天开采比重67％，印度80%。生产力水平发展不平衡。国有重点煤矿的装备水平和集约化程度在不断提高，生产规模在逐步扩大；小煤矿技术装备水平较低，开采方法落后，基本上采用非机械开采，缺乏足够的安全保障。煤矿瓦斯灾害与瓦斯排放煤炭开采存在的问题——煤炭资源安全与环境问题中国在地下2000m范围内具有30~35万亿m3煤层气资源,每年排放煤矿瓦斯200亿m3左右。煤矿瓦斯灾害严重，2004年底至2005年初，大平煤矿、陈家山煤矿、孙家湾煤矿接连发生3起一次死亡百人以上特大瓦斯事故。高瓦斯及煤与瓦斯突出低瓦斯煤矿突水灾害与水资源破坏现在，我国每年排出矿井水60亿m3左右，只利用25%左右，造成矿区水源枯竭、水与生态环境的破坏。我国60%的矿区为石碳二叠系含煤地层,其中80%受到严重的突水危险。煤矸石的露天排放问题我国现有矸石山1600余座，堆积量超过45亿t，占地超过15000hm2。目前每年产矸量超过3.5亿t。矸石山除了占用大量的土地资源外，还会严重污染空气和地下水，甚至存在爆炸危险。“三下”压煤问题我国的煤炭资源回收率仅为40%左右(其中小煤矿仅为15%左右)，“三下”（村庄下、道路下、水体下）压煤是其重要根源。据不完全统计，我国仅统配煤矿“三下”压煤量就达137.9亿t，其中建筑物下压煤量占60％左右。新汶矿区“三下”压煤高达2.67亿吨，占可采储量的70%多。煤炭开采存在的问题——下延速度快、安全开采难度大我国煤炭资源总量为5.57万亿吨，其中埋深在1000米以下的为2.95万亿吨，为总量的53%；目前，国有重点煤矿中埋深在1000米以下的有34处，开采深度以每年10~20米下延，东部矿井以每年10~25米下延。煤炭开采存在的问题——下延速度快、安全开采难度大深部开采，”三高一扰动“大变形、强流变、维护难冲击矿压频率和强度增加成灾机理复杂煤与瓦斯突出危险增加治理工程量巨大顶板事故频率和比重增加超过瓦斯事故煤炭开采存在的问题——采出率低中国煤炭采出率平均仅有30%，不到世界平均水平的一半。每采1吨煤要消耗3~4吨资源美国、德国、澳大利亚等国家，煤炭采出率达80%。科学采矿模式——采矿理念保护环境先破坏后治理与环境协调的绿色开采节约资源高资源消耗高回采率保障安全治理瓦斯煤与瓦斯共采高效开采科学采矿模式——无煤柱开采科学采矿模式——充填开采2矿压分布规律矿山压力：由于矿山开采活动的影响，在巷硐周围岩体中形成的和作用在巷硐支护物上的力定义为矿山压力。也称为二次应力、或工程扰动力。L0L0L矿山压力与岩层控制的基本概念水平原岩应力垂直原岩应力采矿开挖引起的应力集中塑性区Bd3e3d3e2d2d2e1d1d1L0hHh△hLH△LLBL0LiBH矿山压力显现：由于矿山压力作用，使巷硐周围岩体和支护物产生的种种力学现象，统称为矿山压力显现。矿山压力与岩层控制的基本概念矿山压力控制：所有减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的各种方法，均叫做矿山压力控制。矿山压力与岩层控制的基本概念工作面采空区综采矸石充填液压支架水平短梁上述三个基本概念既反映矿山压力与岩层控制的体系，也涵盖了矿山压力与岩层控制的主要内容。煤层（岩层）开挖岩层运动与矿山压力→规律与机理矿山压力显现→显现与危害矿山压力与岩层控制→控制与利用采场矿山压力与控制巷道矿山压力与控制顶板事故的产生原因原岩应力重新分布采掘过程中支护不及时支架强度不足顶板事故支架不适应围岩的变形与破坏类型变形的时间效应硐室采场围岩破坏特殊地质条件采矿岩石开挖开挖空洞周边应力集中百万吨死亡率年份中国美国英国澳大利亚备注20005.71～～～南非0.061；印度0.1520042.7690.0270020053.080.021002006～0.0450020071.485～0020081.1820.0280020090.8920.03～～20100.50.03～～从“十五”末的2005年到2010年，我国煤矿事故总量由3306起减少到1403起；死亡人数由5938人减少到2433人。十二五期间目标：中国煤炭百万吨死亡率要下降28%以上。近年来我国煤矿安全形势好转明显矿压与岩层控制的作用——科学采矿的需要安全生产的需要环境保护的需要资源保护的需要高效采矿的需要经济效益的需要回采工作面周围支承压力分布采场周围矿山压力分布规律工作面前方超前支承压力工作面倾斜、仰斜方向残余支承压力工作面后方采空区支承压力峰值位置距煤壁一般为4-8m，影响范围为40－60m，应力增高系数为2.5-3固定支承压力影响范围一般为15－30m，峰值位置距煤壁一般为15－20m；应力增高系数为2－3采空区支承压力应力增高系数通常小于l，个别情况下达到1.3两侧采空、宽度较小的煤柱(1)作用于煤柱上的支承压力的影响深度约为3B-4B.(2)底板岩层内同一水平面上σz以煤柱中心线处最大。(3)底板岩层内应力分布都呈扩展状态，数值等于自重应力值的等值线与煤柱边缘垂线的夹角，该角为影响角φ，φ一般为30°～40°两侧采空（均布载荷）采动引起的底板岩层应力分布采场周围矿山压力分布规律采动引起的底板岩层应力分布一侧采空(1)一侧采空煤体,作用于煤层上的支承压力的影响深度约为1.5B-2B;(2)一侧采空，一侧为煤体，底板岩层内同一水平面上σz最大值在煤体下方，距采空区边缘数米处；(3)底板岩层内应力分布都呈扩展状态，数值等于自重应力值的等值线与煤柱边缘垂线的夹角，该角为影响角φ，φ一般为30°～40°两侧采（马鞍形载荷，煤柱宽2B）两侧采空、宽度较大的煤柱(1)作用于煤层上的支承压力的影响深度约为1.5B-2B；(2)底板岩层内同一水平面上σz以煤柱中心线处较小，靠近煤柱边缘出现峰值。(3)底板岩层内应力分布都呈扩展状态，数值等于自重应力值的等值线与煤柱边缘垂线的夹角，该角为影响角φ，φ一般为30°～40°采动引起的底板岩层应力分布松动区：岩体被切割、强度明显降低、应力低于原岩应力；塑性强化区：岩体呈塑性状态、处于塑性强化阶段，应力高于原岩应力；弹性承载区：岩体处于弹性性变形阶段，应力高于原岩应力；原岩应力区：未受开挖影响、处于原岩状态掘巷引起的支承压力分布塑性区围岩应力分布状态1、2－塑性区；3、4－弹性区；1－松动区；2塑性强化区；3－弹性承载区；4－原岩应力区圆形巷道弹塑性围岩二次应力分布状态2,1k031洞顶洞顶出现拉应力时当31130kk洞顶洞侧掘巷引起的支承压力分布——大小不同断面巷道的相互影响巷道周边应力集中度计算计算结果表明：在一定侧向应力作用下，无论何种形式的断面，都会在顶部和底部的一定范围内形成拉应力区；在拱角和肩窝处，有较高的剪切应力集中现象。从量上看，有所不同。矩形断面的顶、底板拉应力集中系数最大，分布范围最广，拱角应力集中最大。顶板容易产生拉破坏，极易出现垂直与层面方向的离层膨胀；而帮角则在高剪切应力作用下，出现横向剪切变形。矩形断面是不利于巷道围岩稳定的形式。而半圆拱的形式，顶、底板的拉应力集中程度最低，分布范围最小，拱肩部应力集中程度明显降低，拱角部位的应力集中情况与矩形断面的大致相当。从应力分布的形式上看，半圆拱无疑是最优的断面形状。而对于弧拱形断面来说，比较接近于半圆拱的应力分布形态。原岩应力场是相对稳定的非稳定场水平应力σH普遍大于垂直应力σv,即侧压力系数λ＝σH/σv1;原岩应力三个主应力σHmax，σHmin，σv均随深度增加而增大；原岩应力的分布规律还受地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。由地质特征推断构造应力方向构造应力特点顶板破坏：顶板岩层在水平应力作用下两种破坏形式：一是薄层页岩类岩层沿层面滑移；二是厚层的砂岩类岩层以小角度或沿小断层产生剪切，顶板失稳冒落。底板破坏：在软