矿山压力与岩层控制(2013版)

1矿山压力与岩层控制编者：王同杰单位：河北工程大学资源学院矿业工程系办公电话：[phone]电子信箱：[e-mail]邮编：056038适用于采矿工程专业地下采煤方向2绪论•矿山压力有关概念（要点内容）•矿山压力教学内容•学习矿压的意义（要点内容）•采矿工程矿压特点3绪论•矿山压力：由于矿山开采活动的影响，在周围岩体中形成的，及作用于支护物上的力，简称“矿压”。在相关学科把其称为地层压力（简称“地压”）、岩石压力（简称“岩压”）、二次应力、工程扰动力等。包括原岩对围岩作用力，围岩体内之间作用力（如支承压力）和围岩对支护物作用力（狭义矿压，如巷道围岩压力、采场顶板压力）。•矿山压力显现：指在矿山压力作用下引起的一系列力学现象。简称“矿压显现”或“地压现象”等。例如巷道围岩变形和破裂，顶板下沉、冒落，煤岩帮片落，底板鼓胀，支架载荷、变形与损坏，顶板来压等等。•矿山压力控制：指人为地减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的各种方法。简称“矿压控制”、“岩层控制”或“地压控制”。例如：在巷道位置上避开高应力区，处于高应力区巷道选择合理支护或钻孔（或切槽）卸压，掘前预采等。•矿山压力与岩层控制是研究矿山岩体力学现象的机理、控制理论，以及控制所采用的人工构筑物的学科，属于岩石力学的分支，是矿山采掘工程的基础学科。一、矿山压力有关概念4二、矿山压力教学内容1、巷道地压：包括第二章矿山岩体的原岩应力及其重新分布、第七章巷道矿压显现规律和第八章巷道维护原理和支护技术。2、采场矿压：包括第三章采场顶板活动规律、第四章采场矿山压力显现规律、第五章采场顶板支护方法、第六章采场岩层移动及其控制、第九章厚煤层综放开采岩层控制、第十章浅埋煤层开采岩层控制和第十二章非煤矿山岩层控制与边坡稳定等。3、冲击地压：第七章煤矿动压现象及其控制。4、矿压研究方法：第十三章矿山岩层控制研究方法（包括矿山现场研究、实验室研究和数学力学分析）。矿山压力及其岩层控制，主要讨论矿山压力的形成及其分布特征，矿山压力的显现规律，及其对矿山压力的控制措施。按研究的地点和显现特征，包括采场矿压、巷道地压、冲击地压和矿压研究方法等内容。5矿（地）压井巷地压竖井地压、平巷地压变形地压、松动地压、膨胀地压按机理分类按地点分类采场矿压露天采场矿压（边坡稳定）地下采场矿压空场法采矿地压充填法采矿地压崩落法采矿地压非煤矿山地下采煤长壁采场矿压房柱式采场矿压冲击地压6三、学习矿压的意义1.保证矿井安全正常生产。减少或杜绝顶板事故，必有的技术知识。2.减少资源损失和贫化。例如，缩小或取消矿柱，采用合理采矿方法，降低混矸，提高资源的回收率。3.改善开采技术。提高机械化水平，减轻工人劳动强度。4.保护生态环境。减轻地表沉降，防止建筑物破坏，保护地下水资源，有效抽放煤层气等。5.提高经济和社会效益。给方案设计、设备选型、生产技术管理提供理论依据，从而降低采矿费用。同时，提高矿工的社会地位。矿山压力及其岩层控制是岩石力学在矿山上的应用学科，有人称之为矿山岩石力学。它既是采矿工程最主要专业课之一，也是矿井开采方法课程的理论基础课。在采矿中作用如下：7四、采矿工程矿压特点1）岩体是特殊的工程结构。与地面岩石工程不同地下采矿涉及的岩石工程的围岩是一种特殊的结构体。它承受外部载荷，有时又把部分荷载转嫁到巷硐内部的支撑物上。2）场所移动，受埋藏条件影响大。由于采矿地点多变的特点，对于矿压研究、设计和生产管理增加了难度。3）开采深度大，波及范围广，产生的应力大，控制难度大。4）存在矿山动力现象。如岩爆、矿震、煤岩瓦斯突出、顶板大面积来压。5）坑洞服务年限变化大，控制方法复杂。6）矿体赋存状况和开采方法不同，导致不同的矿压特点。如煤矿围岩软巷硐变形破坏严重，矿压理论和采场支护设备独特。8思考题1、请指出下列词组中不属于矿山压力有（）A、支承压力B、支架载荷C、围岩压力D、变形地压E、周期来压F、顶板压力G、顶板下沉H、松动地压2、矿山压力就是（）A．指现场观测的支架阻力。B．指由于人为工程活动影响岩体内及作用于支护物上的各种应力。C．指人为工程活动影响后岩体内及作用于支护物上的压力。D．指支护物对围岩的抗力。3、下列词组中不属于矿山压力显现的有（）A、支架初撑力B、煤壁片邦C、顶板下沉D、支架载荷4、举例说明煤矿常用岩层控制方法。9第二章矿山岩体内应力的重新分布§2-1原岩应力原岩应力：指天然存在于岩体内而与任何人为因素无关的应力。即在矿山尚未进行采掘工程以前，岩体内存在着应力。主要构成一、原岩应力构成第二讲自重应力：指由地质构造作用产生的应力和地壳中存在的一种促进地质构造运动发生和发展的内在应力。构造应力：指地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产生的应力。另外还包括岩体内水或气体压力，岩石遇水后因物理化学变化引起的膨胀应力，温度引起的热应力和地形起伏导致的应力波动与变化等。同时受岩体力学性质（强度、弹性模量、泊松比、流变性），岩体内断裂和褶皱情况（性质、产状、密度等）分布，以及地层剥蚀等因素的影响。10二、原岩应力的分布规律1、地壳是一个相对稳定的非稳定应力场2、铅直应力基本等于上覆岩层的重量铅直应力σv距离地表深度Z▲0▲□▲▲▲▲▲▲▲▲▲●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●■■■■■●■■■■■■■■■■■■▼▼▼●▼▼▼▼▼▼▼▼▼▼○○○○○○○○□○○○○○○σv=0.027Z3、岩体中的水平天然应力复杂多变4、天然应力的比值系数的变化有一定规律①靠近地表λ较大，随深度增加而减小；②随着深度增大，λ值的分散度减小。30.0100H50.01500Hλλλ①以水平挤压力为主，很少见到拉应力。②大部分岩体中水平应力大于铅直应力。③在单薄的山体、谷坡附近以及未受构造变动的岩体中水平应力小于铅直应力。④岩体中两个水平应力通常不相等，各向异性明显，方向、大小在不同地点而有所变化。⑤一般来说，水平应力不水平。11三、原岩应力的估算σzσzσxσyσxσyH原岩体内应力状态Hziniizh1一、铅直应力的估算二、水平应力估算在原岩应力中，构造应力分布和大小变化很大，多存在于地壳上升地区，只有实测才可确定；而自重应力可由计算确定。1、静水应力学说（海姆假说）Hzyx2、线弹性学说（金尼克假说）zyx112§2-2岩体中的弹性变形能地下赋存的煤或岩体在应力作用下，必产生其体积和形状的变化。当煤岩体尚处于弹性状态，且变形不能解除时，外力（压力）做的功将以能量的形式贮存于岩体内，即岩体内贮存有弹性变形能。在原岩应力场弹性变形能包括体变弹性能、形变弹性能两种，由前苏联阿维尔申计算为2222)1(6)1)(21(HEUv体变弹性能2222)1(3)21)(1(HEUf形变弹性能常由于塑性变形被吸收或转化，而消失。弹性变形能与开采深度的平方成正比。13§2-3“孔”周围的应力分布λ＝1时圆孔周围应力分布θσrσθaΛ＝1•圆孔周边全处于压缩应力状态。•孔周边的最大应力集中系数为2，且与孔径的大小无关，其它各处均与孔径大小有关。•若以应力变化5％为界，其影响圈（围岩）半径为•圆孔周围任意点的切向应力与径向应力之和为2倍的原岩应力，即aRi20Hr2一、双向等压应力场内的圆形孔)1()1(2222raHravr)1()1(2222raHrav1、无压圆孔围岩：人为工程扰动后，应力发生明显改变的岩体。应力集中系数：改变后的次生应力与原岩应力的比值。142、有压圆孔22222222)1()1(raqrapraqrapr在地下巷道内壁施加的径向力所产生附加应力有利于减小巷道围岩应力集中。当这个切向应力很大时，常导致围岩产生放射状裂隙。当孔内有液体（或巷内支护）时，液体（或支护物）对孔壁产生附加应力。此时，围岩将受孔内应力影响进行应力的重新分布。根据弹性厚壁筒理论得：厚壁圆筒受力图qrMxθpaby增加了由q引起的应力（公式中的后一项）。我们把由于巷内作用力导致围岩内改变的应力称附加应力。15]2cos)a3a41)(1()a1)(1[21442222rrrHr（]2cos)a31)(1()a1)(1[(214422rrH二、双向不等压应力场内的圆形孔3γH2γHγH02γHγH0-γHa2a3a4a红色线λ=1/7蓝色线λ=1/2黑色线λ=1绿色线λ=0圆孔周围岩体中应力分布不仅与孔径大小和原岩应力场有关以外，还受极角不同而不同；最大应力集中发生在孔的周边极角为0°、180°，90°、270°位置。16270;9013k圆孔周边顶底板中点切向应力集中系数大小随λ增大而增大；当λ=0时，巷道周边切向应力出现极小值，k=-1。当λ=1/3时，k=0。位于构造应力场的巷道顶底板存在很多压应力。θ=0°和180°3k圆孔周边两帮中点切向应力集中系数随λ增大而减小。当λ=0，k=3（最大值）；当λ3时，巷道两帮中点周边也会出现拉应力情况。双向不等压应力场圆孔周边切向应力集中系数2cos)1(2)1(kλk0112345234-1-2θ=0°,180°27090，构造应力场重力场17三、椭圆形孔周边应力分布1、θ=0°和180°根据弹性力学无限大平面内椭圆孔周边应力解得θbbaa)21(mk在重力场中，～bbabak22k的大小不仅受原岩应力场影响外，还与孔轴比有关，宽高比愈大，k愈大；反之愈小。椭圆孔m=1/2时围岩切向应力分布λ=0λ=0λ=1λ=13210543210a2a3a2a2bkλσvσv210-1bam无拉应力条件12m1182、θ=90°和270°1)21(mk重力场中mk21～无拉应力条件21mλ=1时，选圆孔；λ=1/2时，选高为宽2倍；λ=2时，选宽为高2倍。等应力轴比（巷道周边应力均匀分布时椭圆轴半径之比）1m1最佳周边切向应力)1(H19四、矩形孔和其他形状巷道围岩的应力分布λ＝0λ＝1/3λ＝1-101234λσvσvkab⑴在巷道顶底板中央出现拉应力（虚线）区，靠巷道边缘拉应力最大，往围岩深部发展应力逐渐由拉变为压，并过渡到原岩应力状态。⑵巷道两帮出现较大压应力，周边中点最大，往深部发展逐渐恢复到原岩应力。⑶在巷道拐角处剪应力集中，集中程度随曲率增大而增大。20kkθDDB43210-14321090°60°30°0°θr/a3.261.7五、存在多孔时，孔周围应力分布2.4γH2.75γH4.26γH3.28γH3RR2Rσ0σ0DDDDDBBBB654321012345孔数孔周边切向应力集中系数①近距孔将导致岩体内应力叠加；②靠近大孔的小孔的周围应力集中程度高于大孔；③应力集中程度随孔距减小和孔数量增多而增大。21下图为采深1000m，铅直应力25MPa时，采场（回采工作面）周围应力分布图，可以看出两个工作面连接处（中部拐角）应力最大，约为原岩应力7倍。已采空区100m250m507080903550685035507080120505035170250m250m六、回采空间周围应力重新分布22思考题1、应力集中系数与（BCDEF）有关。A、埋藏深度B、孔径大小C、天然应力比值系数D、巷道形状E、支架撑力F、与空区大小和距离2、（BCD），孔周围岩体应力集中程度越大。A．孔内压力越大B．重力场中巷道越扁平C．孔径越大D．巷道拐角曲率越大3、加拿大某铁矿采用房柱式开采，当矿房宽度较小时经常发生冒顶事故，而当矿房宽度增大后，顶板变得稳定。请解释此现象的原因。4、在非首采走向长壁回采工作面，为什么回风平巷的变形往往大于运输平巷的变形？5、为什么靠近采场附近的巷道的变形远大于远离采场的巷道的变形？23§2-4弹塑性围岩应力分布在孔周边产生的切