矿山压力与岩层控制分析课件.ppt

1、Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-281Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-282 绪论绪论1.1 与矿山压力有关的安全事故与矿山压力有关的安全事故 在整个煤矿安全事故中，煤矿顶板事故所占比重超过在整个煤矿安全事故中，煤矿顶板事故所占比重超过50%50%以上，死亡以上，死亡人数所占比重超过人数所占比重超过30%30%以上，每年顶板事故影响的产量约占总产量的以上，每年顶板事

2、故影响的产量约占总产量的5%5%，达到达到30003000万万t t至至40004000万万t t的巨大数字。的巨大数字。图图1.1 中国煤矿安全事故比例中国煤矿安全事故比例 图图1.2 中国煤矿死亡人数比例中国煤矿死亡人数比例Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-283 绪论绪论年份伤亡总起数伤亡总人数其 中冒顶运输机电爆破透水其他起数人数起数人数起数人数起数人数起数人数起数人数Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-

3、资源工程资源工程1 1系系2022-12-284 煤矿重大事故的发生及有效控制，几乎都同时与岩层运动和应力场应力煤矿重大事故的发生及有效控制，几乎都同时与岩层运动和应力场应力的大小和分布条件有机地联系在一起。的大小和分布条件有机地联系在一起。绪论绪论Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-285冲击地压冲击地压 承受巨大地压的顶板突然断承受巨大地压的顶板突然断裂所造成的破坏岩石位能转变裂所造成的破坏岩石位能转变为动能而带来的冲击地压。为动能而带来的冲击地压。绪论绪论Ground Pres

4、sure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-286透水事故透水事故 因矿井顶、底板压力过大，致使煤矿在开采过程中地表水、老空水或相邻因矿井顶、底板压力过大，致使煤矿在开采过程中地表水、老空水或相邻煤矿报废矿井中的水沿断层破碎带流入井田造成透水事故煤矿报废矿井中的水沿断层破碎带流入井田造成透水事故。绪论绪论Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-287（1 1）没有很好地掌握各个具体煤层需要控制的岩层范围）没

5、有很好地掌握各个具体煤层需要控制的岩层范围及运动规律（运动发生的时间、条件），顶板控制设计缺及运动规律（运动发生的时间、条件），顶板控制设计缺少基础；少基础；（2 2）没有掌握各种类型支架的特性及实际支撑能力。针）没有掌握各种类型支架的特性及实际支撑能力。针对具体煤层条件选好和用好支护手段方面的问题；对具体煤层条件选好和用好支护手段方面的问题；（3 3）没有更好地揭示支架）没有更好地揭示支架-顶板运动间的关系，正确合顶板运动间的关系，正确合理选择控制方案。理选择控制方案。绪论绪论顶板事故频发的基本原因：顶板事故频发的基本原因：Ground Pressure and Strata Control

6、资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-288 绪论绪论（1）研究随采场推进过程中，在采场周围煤层及岩层）研究随采场推进过程中，在采场周围煤层及岩层中重新分布的应力（包括应力大小及方向等）及其发展变中重新分布的应力（包括应力大小及方向等）及其发展变化的规律。该应力的存在和变化是煤及岩层变形、破坏和化的规律。该应力的存在和变化是煤及岩层变形、破坏和位移的根源，也是采场及周围巷道支架上压力显现的条件。位移的根源，也是采场及周围巷道支架上压力显现的条件。（2）研究采场支架上显现的压力及其控制方法。包括）研究采场支架上显现的压力及其控制方法。包括压力的来源、压力

7、大小及与上覆岩层运动间的关系、正确压力的来源、压力大小及与上覆岩层运动间的关系、正确的控制设计方法等。的控制设计方法等。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-289（4）控制采动岩层活动的主要因素分析。从复杂的采动岩）控制采动岩层活动的主要因素分析。从复杂的采动岩层活动中建立采动岩层的结构力学模型，从而展开对采场顶层活动中建立采动岩层的结构力学模型，从而展开对采场顶板矿压、采场突水、岩层移动及地表沉陷规律等进行系统描板矿压、采场突水、岩层移动及地表沉陷规律等进行系统描述。述。（5）深部

8、开采时采场支承压力分布、岩层结构及运动特点、）深部开采时采场支承压力分布、岩层结构及运动特点、围岩大变形的控制机制等。围岩大变形的控制机制等。绪论绪论（3）研究开掘的巷道的位置和时间。不同时间开挖巷道）研究开掘的巷道的位置和时间。不同时间开挖巷道时和不同地点开挖的巷道围岩压力的来源、巷道支护设备时和不同地点开挖的巷道围岩压力的来源、巷道支护设备上的压力大小及其影响因素等。上的压力大小及其影响因素等。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2810 绪论绪论采动形成的工作空间是在采动形成的

9、工作空间是在“拱拱”结构掩护之下；结构掩护之下；“拱拱”结构承担上覆岩层的重量，通过拱脚传递到煤结构承担上覆岩层的重量，通过拱脚传递到煤层及岩体上的压力，并且在煤及岩体中形成的应力，该应层及岩体上的压力，并且在煤及岩体中形成的应力，该应力是煤及岩层破坏的原因，也是力是煤及岩层破坏的原因，也是“拱拱”结构本身向外扩展结构本身向外扩展的条件；的条件；采场空间的支护仅承受拱内已破坏岩层的岩重，支架是采场空间的支护仅承受拱内已破坏岩层的岩重，支架是在由在由“拱拱”的结构尺寸所圈定的破碎岩石荷重下工作。的结构尺寸所圈定的破碎岩石荷重下工作。Ground Pressure and Strata Contr

10、ol资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2811 绪论绪论cchhdbbAA图图1.7 自然平衡拱自然平衡拱 巷道开掘后，已采空间上部岩层巷道开掘后，已采空间上部岩层将逐步破损成拱的形状。这个拱是将逐步破损成拱的形状。这个拱是自然形成的。自然形成的。拱的高度拱的高度h是岩层的是岩层的岩石强度和巷道宽度岩石强度和巷道宽度b的函数：的函数：Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2812 绪论绪论 当当R和和b已知，即可按上述二式计算出掩护拱的高度

11、已知，即可按上述二式计算出掩护拱的高度h，从，从而可以推算出拱所包围的破碎岩石的面积而可以推算出拱所包围的破碎岩石的面积A及相应的岩石重量，及相应的岩石重量，据此即可确定巷道支护所需的反力。据此即可确定巷道支护所需的反力。适用条件：适用条件：普氏拱假说适用于确定强度不高（f=56），开采深度不是很大的巷道支护反力。应用简便。没有深入研究围岩中应力分布和稳定的条件；不能解释采场矿压显现的周期性变化规律。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2813 绪论绪论321b3b2b1h1h2h3

12、图图1.8 工作面推进中的自然平衡拱工作面推进中的自然平衡拱 Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2814 绪论绪论 S1LkS21图图1.9 .许普鲁特压力拱假许普鲁特压力拱假 说模型说模型 压力拱跨越整个采场，压力拱跨越整个采场，前后拱脚分别座落在未采前后拱脚分别座落在未采动的煤层和采空区的矸石上。动的煤层和采空区的矸石上。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2815

13、绪论绪论 假说较好的解释了采场周围支承压力的存在，假说较好的解释了采场周围支承压力的存在，较好的说明了支架上的压力远小于上覆岩层重量的原较好的说明了支架上的压力远小于上覆岩层重量的原因。因。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2816 绪论绪论 Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2817 绪论绪论 采场是在一系列采场是在一系列“梁梁”的掩护之下。这些梁在冒落前能将的掩护之

14、下。这些梁在冒落前能将自身的重量传递至前后两端支承岩体之上，从而形成支承压自身的重量传递至前后两端支承岩体之上，从而形成支承压力力 支架作用在于防止已碎岩体垮落和保持结构梁的连续性，支架作用在于防止已碎岩体垮落和保持结构梁的连续性，不必要也不可能在改变顶板下沉量方面发挥作用。不必要也不可能在改变顶板下沉量方面发挥作用。支架可能在由已破坏的岩石重力所支架可能在由已破坏的岩石重力所“给定给定”的的“一定载荷一定载荷条件条件 下下”工作，也可能在由岩梁的沉降所决定的工作，也可能在由岩梁的沉降所决定的“一定变形条件一定变形条件下下”工作。工作。“梁梁”的破坏（冒落）和沉降是采场支架上压力显现的根的破坏

15、（冒落）和沉降是采场支架上压力显现的根源源Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2818 绪论绪论（1）“悬臂梁悬臂梁”假假说说 悬臂梁悬臂梁奠定了掩护梁假说的发展。“悬臂梁”的岩层组合条件；没有从理论上和方法上解决 生产现场找到悬臂梁范围；没有研究采场围岩中的应力；不能对采场上覆岩层的结构状态作出更全面的描述。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2819（2）“预生裂隙梁预

16、生裂隙梁”假说假说3113123低应力区低应力区 高应力区高应力区假塑性变形区假塑性变形区煤层超前破坏以及临近采场的部分岩层出露前可能预先产生裂隙这一点，已经为实践所证实。不考虑煤层条件和开采技术条件，也不问岩层强度高低，一律用预生裂隙假说去推断采场上覆岩层破坏的情况是错误的。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2820 绪论绪论mz2=i=n+1mmimzmm+1hLkAhLm+1m+1SAmz1=i=1nmi 未能将采场顶板控制设计提高到科学定量的程度 相当深入的研究和揭示了采场

17、支架与围岩间的部分关系。为采场顶板控制设计提供了重要依据。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2821 绪论绪论（1）砌体梁模型（矿大钱鸣高院士）砌体梁模型（矿大钱鸣高院士）在在老顶老顶岩梁达到断裂步距之后，随着工作面的继续推进，岩梁达到断裂步距之后，随着工作面的继续推进，岩梁将会折断，但断裂后的岩块由于排列整齐，在相互回转时岩梁将会折断，但断裂后的岩块由于排列整齐，在相互回转时能形成挤压，由于岩块间的水平力以及相互间形成的摩擦力，能形成挤压，由于岩块间的水平力以及相互间形成的摩擦力

18、，在一定条件下能够形成外表似梁实则为半拱的平衡结构。形状在一定条件下能够形成外表似梁实则为半拱的平衡结构。形状如砌体如砌体-砌体梁。砌体梁。ACDBGround Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2822 绪论绪论 采动后岩体内形成的砌体梁是一个大结构，而影响采采动后岩体内形成的砌体梁是一个大结构，而影响采场顶板控制的主要因素是离层区附近的几个关键岩块。场顶板控制的主要因素是离层区附近的几个关键岩块。关键块是否平衡直接影响采场顶板的稳定性和支架受力关键块是否平衡直接影响采场顶板的稳定性和支架受力

19、大小。应重点分析关键块的平衡关系。大小。应重点分析关键块的平衡关系。砌体梁关键块的砌体梁关键块的滑落滑落和和回转变形（回转变形（“SR”）稳定条件。稳定条件。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2823 绪论绪论（2）关键层理论）关键层理论 Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2824 绪论绪论Ground Pressure and Strata Control资源与环境工

20、程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2825 绪论绪论1.3.5 以岩层运动为中心的矿山压力理论以岩层运动为中心的矿山压力理论 宋院士宋院士-以上覆岩层运动为中心的矿山压力理论（以上覆岩层运动为中心的矿山压力理论（“传递岩梁传递岩梁”理论）。理论）。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2826 绪论绪论1.4 本课程的主要研究内容与学习方法本课程的主要研究内容与学习方法 （1）第一章）第一章 绪论。绪论。了解矿山压力研究的任务、发展历史与现状，掌握了解

21、矿山压力研究的任务、发展历史与现状，掌握“传递岩梁理论的主要研究内容，了解矿山压力研究方法。传递岩梁理论的主要研究内容，了解矿山压力研究方法。（4）第四章）第四章 采场矿山压力显现与上覆岩层运动间的关系。掌握确定直接采场矿山压力显现与上覆岩层运动间的关系。掌握确定直接顶、老顶的方法与步骤，支承压力在采场不同推进阶段的发展变化规律，支顶、老顶的方法与步骤，支承压力在采场不同推进阶段的发展变化规律，支架与围岩相互作用的各种工作方案。架与围岩相互作用的各种工作方案。（2）第二章）第二章 矿山压力及矿山压力显现。建立矿山压力及矿山压力显现。建立“矿山压力矿山压力”及及“矿山压矿山压力显现力显现”的基本

22、概念，弄清二者间的联系和区别。的基本概念，弄清二者间的联系和区别。（3）第三章）第三章 上覆岩层运动和发展的基本规律。掌握上覆岩层运动上覆岩层运动和发展的基本规律。掌握上覆岩层运动和破坏的基本形式、上覆岩层沿纵向、采场推进方向的运动规律。和破坏的基本形式、上覆岩层沿纵向、采场推进方向的运动规律。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2827 绪论绪论 （5）第五章）第五章 回采工作面顶板控制设计。了解常用支架工作特性、支架实回采工作面顶板控制设计。了解常用支架工作特性、支架实际支撑能力

23、的影响因素，理解控制设计的要求与目标，掌握顶板控制设计的际支撑能力的影响因素，理解控制设计的要求与目标，掌握顶板控制设计的一般方法与步骤。一般方法与步骤。（6）第六章）第六章 综采放顶煤采场矿压控制。了解放顶煤采场矿压显现特点，综采放顶煤采场矿压控制。了解放顶煤采场矿压显现特点，理解与掌握放顶煤采场顶板结构及其控制方法。理解与掌握放顶煤采场顶板结构及其控制方法。（7）第七章）第七章 矿柱支护采矿法的围岩控制。掌握矿柱支护采矿法的应用范矿柱支护采矿法的围岩控制。掌握矿柱支护采矿法的应用范围和支护结构组成，理解矿柱支护能力的分析方法，了解对此类采矿方法的围和支护结构组成，理解矿柱支护能力的分析方法

24、，了解对此类采矿方法的岩体控制技术。岩体控制技术。（8）第八章）第八章 采场周围巷道矿压控制。了解采场周围应力分布规律，理解采场周围巷道矿压控制。了解采场周围应力分布规律，理解回采巷道不同阶段变形与破坏的规律，掌握合理巷道位置选择与合理开掘时回采巷道不同阶段变形与破坏的规律，掌握合理巷道位置选择与合理开掘时间的确定方法，掌握锚杆支护等设计方法。间的确定方法，掌握锚杆支护等设计方法。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2828 绪论绪论 （9）第九章）第九章 冲击地压及其监测。理解冲击

25、地压发生的原因、机理，冲击地冲击地压及其监测。理解冲击地压发生的原因、机理，冲击地压预测方法，掌握防治冲击地压的技术措施。压预测方法，掌握防治冲击地压的技术措施。（10）第十章）第十章 常规矿山压力监测技术。了解矿山压力监测常用仪器，掌握常规矿山压力监测技术。了解矿山压力监测常用仪器，掌握单体液压支柱工作面、综采工作面和采场附近巷道矿山压力监测方法。单体液压支柱工作面、综采工作面和采场附近巷道矿山压力监测方法。（11）第十一章）第十一章 矿山压力试验室研究方法。了解相似材料模拟试验的原理，矿山压力试验室研究方法。了解相似材料模拟试验的原理，掌握相似模拟试验、裂隙梁失稳相似模拟试验以及巷道支护相

26、似模拟试验的试掌握相似模拟试验、裂隙梁失稳相似模拟试验以及巷道支护相似模拟试验的试验方法。验方法。本课程涉及的学科范围较广，应该在学习材料力学、弹性力学、工程地质本课程涉及的学科范围较广，应该在学习材料力学、弹性力学、工程地质学、岩体力学和煤矿开采学的基础上学习。学、岩体力学和煤矿开采学的基础上学习。本课程的学习基本要求：注意搞清概念，掌握原理，抓住重点，理论联本课程的学习基本要求：注意搞清概念，掌握原理，抓住重点，理论联系实际，学会相关计算与设计。系实际，学会相关计算与设计。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院资源与环境工程学院-资源工程资源工程1 1系系2022-12-2829 绪绪 论论