采场地压及其控制课件.ppt
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- 地压 及其 控制 课件
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1、 第第 七七 章章 采采 场场 地地 压及压及 其其 控控 制制本本 章章 内内 容容7 71 1 概概 述述7-2 7-2 采场地压及围岩活动的一般规律采场地压及围岩活动的一般规律7-3 7-3 采场地压假说采场地压假说7-4 7-4 开采空间极限跨度及矿柱、充填体的受力分析开采空间极限跨度及矿柱、充填体的受力分析7-5 7-5 采场地压的控制方法采场地压的控制方法7-6 7-6 冲击地压(岩爆)及其控制冲击地压(岩爆)及其控制授课学时:授课学时:4学时学时本章的重点难点:本章的重点难点:1 1、采场地压的特点及影响采场地压的主要因素;、采场地压的特点及影响采场地压的主要因素;2 2、充填体
2、的力学效应;、充填体的力学效应;3 3、采场地压的控制方法;、采场地压的控制方法;4 4、岩爆发生的条件。、岩爆发生的条件。关键术语:关键术语:采场地压、采场地压、变形地压、松动地压、膨变形地压、松动地压、膨胀地压、冲击地压、移动角、崩落角、充填体胀地压、冲击地压、移动角、崩落角、充填体要求:要求:1、掌握本课程重点难点内容;、掌握本课程重点难点内容;2、了解、了解采场地压的一般规律。采场地压的一般规律。3 3、了解覆盖岩层的变形和破坏规律、了解覆盖岩层的变形和破坏规律 7 71 1 概概 述述围岩之间的相互作用力;围岩对支架的作用力。原岩对围岩的作用力;采场地压采场地压指在开采过程中,原岩对
3、采场或采空区围岩指在开采过程中,原岩对采场或采空区围岩及矿柱所施加的荷载。及矿柱所施加的荷载。地压现象地压现象井巷开挖,应力重新分配使围岩和支架产生井巷开挖,应力重新分配使围岩和支架产生变形、移动、破坏等现象,如冒顶、片帮、底鼓、顶板下变形、移动、破坏等现象,如冒顶、片帮、底鼓、顶板下沉等。沉等。地压地压泛指岩体中存在的力,包括:泛指岩体中存在的力,包括:一、地压现象与地压一、地压现象与地压松动地压(散体压力)膨胀地压变形地压(弹塑性变形地压、流变地压)地压分类:冲击地压 地压分类地压分类二、采场地压的特点二、采场地压的特点1 1、暴露空间大暴露空间大2 2、复杂性复杂性3 3、多变性、多变性
4、4 4、采场地压显现形式的多样性、采场地压显现形式的多样性5 5、控制采场地压的难度大、控制采场地压的难度大 三、影响采场地压的因素三、影响采场地压的因素 影响采场地压的因素可概括为自然因素和开影响采场地压的因素可概括为自然因素和开采技术因素两个方面。采技术因素两个方面。1 1、自然因素方面的主要有:、自然因素方面的主要有:(1 1)围岩的物理力学性质)围岩的物理力学性质 (2 2)开采深度)开采深度 (3 3)矿体的倾角与厚度:)矿体的倾角与厚度:(4 4)构造)构造 (5 5)地下水)地下水 2 2、采矿生产技术方面的因素、采矿生产技术方面的因素(1 1)开采顺序:)开采顺序:(2 2)开
5、采)开采方法方法及控顶方法及控顶方法(3 3)回采速度)回采速度 (4 4)空区形态及空区形成时间)空区形态及空区形成时间四、采场地压的研究内容四、采场地压的研究内容 采场地压的研究的主要内容是采场地压的研究的主要内容是采场采场(包括采空包括采空区区)围岩的应力状态、变形、移动和破坏的规律。围岩的应力状态、变形、移动和破坏的规律。在此基础上,找到维护采场稳定的措施。在此基础上,找到维护采场稳定的措施。采场地压的研究范围可归结为两个方面的问采场地压的研究范围可归结为两个方面的问题,题,一方面是回采期间采场的稳定问题一方面是回采期间采场的稳定问题,另一方另一方面是回采完毕采空区的处理问题。面是回采
6、完毕采空区的处理问题。1 1、回采期间采场的稳定、回采期间采场的稳定 这里是指采场这里是指采场(包括采准巷道、硐室包括采准巷道、硐室)的围岩在回采的围岩在回采期间不发生危险变形,以保障回采的安全,维护回采作业期间不发生危险变形,以保障回采的安全,维护回采作业的正常进行。其研究的范围包括下述一些问题:的正常进行。其研究的范围包括下述一些问题:(1 1)采场围岩应力分布的规律;采场围岩应力分布的规律;(2 2)岩体失稳的原因、条件和机理;岩体失稳的原因、条件和机理;(3 3)确定采场中各种结构物确定采场中各种结构物(矿柱、支架矿柱、支架)上地压的大上地压的大小;研究矿柱的支护原理和设计方法;小;研
7、究矿柱的支护原理和设计方法;(4 4)确定合理的采准布置方案;确定合理的采准布置方案;(5)研究采场地压的控制措施,等等。研究采场地压的控制措施,等等。2 2、采空区处理、采空区处理 空区处理的目的空区处理的目的:控制由于空区引起的地压控制由于空区引起的地压显现的强度。显现的强度。空区处理的主要方法空区处理的主要方法:目前处理空区的方法目前处理空区的方法可归纳为可归纳为“崩崩”“”“充充”“”“撑撑”“”“封封”四种。四种。崩落崩落:就是用爆破:就是用爆破(或其他手段或其他手段)的方法把空区的方法把空区上方的岩体崩落下来充塞空区。上方的岩体崩落下来充塞空区。充填充填:用充填物:用充填物(如碎石
8、、尾砂、水砂、混凝如碎石、尾砂、水砂、混凝土等土等),将空区充满。,将空区充满。支撑支撑:利用矿柱或支架将空区撑起来,防止其:利用矿柱或支架将空区撑起来,防止其发生危险变形。实践表明,此种方法的效果是发生危险变形。实践表明,此种方法的效果是很差的。很差的。封闭封闭:对于单独的孤立的小空区可采用封闭:对于单独的孤立的小空区可采用封闭的方法,将它与其它采的方法,将它与其它采场的通道隔绝,防止该场的通道隔绝,防止该空区冒落时对其它采场发生气浪冲击。空区冒落时对其它采场发生气浪冲击。其中其中充填和崩落充填和崩落是是两种两种主要的方法主要的方法。2 2、采空区处理、采空区处理7-2 7-2 采场地压及围
9、岩活动的一般规律采场地压及围岩活动的一般规律 采场顶板的暴露面一般都较巷道顶板大得采场顶板的暴露面一般都较巷道顶板大得多,且随着采面位置的不断向前推进,空区多,且随着采面位置的不断向前推进,空区尺寸也会不断发生变化,故采场应力分布也尺寸也会不断发生变化,故采场应力分布也具有自身的特性,变化大,且属空间问题。具有自身的特性,变化大,且属空间问题。一、支承压力一、支承压力 在原岩中形成采场后,上覆岩层的重力即转在原岩中形成采场后,上覆岩层的重力即转嫁于采场四壁的岩体中,使采场四壁特别是两侧嫁于采场四壁的岩体中,使采场四壁特别是两侧岩体中的竖向应力升高,形成所谓岩体中的竖向应力升高,形成所谓支承压力
10、支承压力。采场周围应力分布采场周围应力分布 bL1 1、支承带应力集中系数、支承带应力集中系数 K KC C bL式中:式中:kL开采空间形状影响系数,长开采空间形状影响系数,长/宽宽1,kL 0.7;长长/宽宽3,kL 1;b支承带宽度;支承带宽度;L采场跨度。采场跨度。LckLbk)/11(2 2、支承压力带宽度、支承压力带宽度b b bL式中:式中:kl跨度影响系数,跨度影响系数,L3m,kl=1;L=3040m,kl=0.5;kr岩石性质影响系数,硬岩岩石性质影响系数,硬岩kr=0.8;中硬岩中硬岩 kr=1.5。rlkkLb 支承压力带宽度支承压力带宽度b,视岩层性质及采空区跨度而异
11、,大视岩层性质及采空区跨度而异,大致有以下关系:致有以下关系:3 3、支承压力带随工作面的推进而不断向前移动、支承压力带随工作面的推进而不断向前移动 采空区四周都存采空区四周都存在支承压力区;在支承压力区;前方岩体有较大前方岩体有较大的应力集中;的应力集中;刚充填的充填体刚充填的充填体中应力很小,远离中应力很小,远离开采的充填体被压开采的充填体被压实,其承受的压力实,其承受的压力逐渐增高,直至等逐渐增高,直至等于原岩应力。于原岩应力。4 4、相邻采场对支承压力的影响、相邻采场对支承压力的影响 (a)bb1+b2a)bb1+b2,无影响无影响(b)bb1+b2b)bb1+b2(c)bb1+b2c
12、)b1.5L/H1.5;(3 3)矿柱间距相等;)矿柱间距相等;(4 4)将采场上部厚度为)将采场上部厚度为h h的岩层视为顶板,且的岩层视为顶板,且hhl(l为矿房宽度之半);为矿房宽度之半);(5 5)作用于顶板上的荷)作用于顶板上的荷载均匀分布。载均匀分布。3 3、顶板中应力区划分、顶板中应力区划分1 1、拉应力区、拉应力区2 2、压应集中区、压应集中区3 3、卸压区:该区水平应、卸压区:该区水平应力力x x和垂直应力和垂直应力y y均较均较开采前低,处于卸压状态开采前低,处于卸压状态(免压拱或称卸压拱)。(免压拱或称卸压拱)。卸压区的岩体由于自重作卸压区的岩体由于自重作用及弹性恢复,将
13、向空区用及弹性恢复,将向空区移动,使顶板岩层下沉,移动,使顶板岩层下沉,岩体冒落或产生沉间离层岩体冒落或产生沉间离层现象。现象。4 4、压缩区:垂直应力、压缩区:垂直应力y y比开采前降低,水平应力比开采前降低,水平应力x x比比开采前升高,是拱形承压带的拱桥,起着引导原岩垂直开采前升高,是拱形承压带的拱桥,起着引导原岩垂直应力向空区两壁传递的作用。应力向空区两壁传递的作用。4 4、应用梁理论分析上覆岩层的应力及其稳定性、应用梁理论分析上覆岩层的应力及其稳定性 当埋深浅,开采空间跨度较大(当埋深浅,开采空间跨度较大(L2HL2H),),上覆岩层整上覆岩层整体性好,可当作弹性梁看待时,可采用材料
14、力学中的梁理体性好,可当作弹性梁看待时,可采用材料力学中的梁理论进行分析。论进行分析。(1 1)D.F.D.F.科次用下式验算顶板中最大拉应力科次用下式验算顶板中最大拉应力pt LHHHLt 2)(6.0 式中:式中:上覆岩层重度;上覆岩层重度;原岩应力场侧压力系原岩应力场侧压力系数;数;H H上覆岩层厚度;上覆岩层厚度;L L开采空间跨度。开采空间跨度。(2)2)层状岩体顶板应力分析层状岩体顶板应力分析 近水平岩层中开采矩形洞室后,随着顶板向空区下近水平岩层中开采矩形洞室后,随着顶板向空区下沉,岩层间将会产生离层现象。各层次生应力分布可近似沉,岩层间将会产生离层现象。各层次生应力分布可近似采
15、用梁理论。计算时,分别取各层的厚度采用梁理论。计算时,分别取各层的厚度h hi i作为梁的高度,作为梁的高度,i ih hi i为梁的自重荷载。为梁的自重荷载。分析可知:只要层厚小分析可知:只要层厚小于该层悬露跨度的一半,就于该层悬露跨度的一半,就可能产生离层现象。可能产生离层现象。(3)3)矩形开采空间长宽比对顶板应力影响矩形开采空间长宽比对顶板应力影响式中:式中:L 矩形板的宽度(采场跨度);矩形板的宽度(采场跨度);h h板的厚度;板的厚度;p p单位面积上施加的荷载。单位面积上施加的荷载。K K应力计算系数,随应力计算系数,随l/L L 变化变化;l/L=L=1,1.5,2,3,1,1
16、.5,2,3,K=0.280,0.487,0.610,0.713,0.750K=0.280,0.487,0.610,0.713,0.750t lL 对对l/L L223 3的开采空间,可近似采用矩形简支板分析,的开采空间,可近似采用矩形简支板分析,顶板最大拉应力可按下式估算:顶板最大拉应力可按下式估算:pt LhphLkt2)(三、覆盖岩层的变形和破坏三、覆盖岩层的变形和破坏1 1、空区覆盖岩层的变形和破坏规律、空区覆盖岩层的变形和破坏规律 由于空区岩体变形由于空区岩体变形破坏的结构,在覆盖岩破坏的结构,在覆盖岩层中将形成三个不同的层中将形成三个不同的地带:地带:(1 1)冒落带)冒落带(2
17、2)裂隙带)裂隙带(3 3)弯曲带)弯曲带(1 1)冒落带)冒落带 紧靠矿体上方的覆紧靠矿体上方的覆盖岩层由于破碎而呈拱盖岩层由于破碎而呈拱形冒落向上发展。形冒落向上发展。冒落高度与矿体开采冒落高度与矿体开采厚度、岩石碎胀性及可厚度、岩石碎胀性及可压实性、采动范围、岩压实性、采动范围、岩体强度、空区有无充填体强度、空区有无充填等有关,一般为矿体厚等有关,一般为矿体厚度(度(W W)的)的2 26 6倍。倍。(2 2)裂隙带)裂隙带 该带岩体变形较大,岩层沿层该带岩体变形较大,岩层沿层理开裂形成离层,在拉应力作用下理开裂形成离层,在拉应力作用下产生垂直岩层的裂隙。若有水,则产生垂直岩层的裂隙。若
18、有水,则可从裂隙渗入,威胁空区。可从裂隙渗入,威胁空区。水体下开采必须使采动形成的水体下开采必须使采动形成的裂隙带位于不透水层之下,即不破裂隙带位于不透水层之下,即不破坏水系与矿体之间的不透水层方可坏水系与矿体之间的不透水层方可进行回采。进行回采。裂隙带的高度约为矿体厚度的裂隙带的高度约为矿体厚度的9 92828倍。倍。水系水系不透水层不透水层裂隙带裂隙带采空区采空区(3 3)弯曲带)弯曲带 整体移动带,仅出现下整体移动带,仅出现下沉弯曲,不出现裂隙,保持沉弯曲,不出现裂隙,保持了岩体原有的整体性。了岩体原有的整体性。如果该带内有构造断裂如果该带内有构造断裂存在,岩层可能沿构造断裂存在,岩层可
19、能沿构造断裂出现较大的移动,使井巷或出现较大的移动,使井巷或建筑物受到破坏。建筑物受到破坏。弯曲带高度随岩性而异,弯曲带高度随岩性而异,一般当岩层脆而硬时,弯曲一般当岩层脆而硬时,弯曲带高度约为裂隙带高度的带高度约为裂隙带高度的3 35 5倍;岩体软而具有塑性时,倍;岩体软而具有塑性时,约为裂隙带高度的数十倍。约为裂隙带高度的数十倍。(4 4)地表下沉盆地与下沉值)地表下沉盆地与下沉值 随着弯曲带的缓慢下沉,地表也逐渐下随着弯曲带的缓慢下沉,地表也逐渐下沉,位于空区中央上方的地表下沉值最大,沉,位于空区中央上方的地表下沉值最大,空区周围上方地表下沉值渐次减小,从而形空区周围上方地表下沉值渐次减
20、小,从而形成一个下沉盆地。成一个下沉盆地。下沉盆地的形态,视开采面积与开采深下沉盆地的形态,视开采面积与开采深度的相对大小不同而异。度的相对大小不同而异。未充分采动未充分采动 当开采面积相对较小当开采面积相对较小,采空区宽度(走向或倾向,采空区宽度(走向或倾向):):L(L(0.90.92.2)2.2)H(HH(H为为开采深度),开采深度),盆地呈碗状盆地呈碗状;HLL(L2.2 2.2 H H,盆地呈平底状盆地呈平底状。HL L L2.2 2.2 H H,盆地呈平底状盆地呈平底状maxwMwmax 下沉系数下沉系数:最大下沉值最大下沉值w wmaxmax与对应的矿体厚度与对应的矿体厚度 M
21、之比。之比。采空区处理方法采空区处理方法下沉系数下沉系数常用值常用值崩落围岩崩落围岩0.60.80.7削壁带状干式充填削壁带状干式充填0.60.80.7外运材料干外运材料干式充填式充填0.40.50.5水砂充填水砂充填0.060.200.15水砂充填,带状部分开采水砂充填,带状部分开采0.020.02胶结充填胶结充填0.020.050.02不同倾角矿体的覆盖岩层冒落带和裂隙带高度不同倾角矿体的覆盖岩层冒落带和裂隙带高度 不同倾角矿体的覆盖岩层冒落带和裂隙带高度示意图不同倾角矿体的覆盖岩层冒落带和裂隙带高度示意图 1 1、裂隙带;、裂隙带;2 2、冒落带、冒落带2 2、地表塌陷及崩落角和移动角、
22、地表塌陷及崩落角和移动角 矿体埋深较大,冒矿体埋深较大,冒落带、裂隙带一般不会落带、裂隙带一般不会到地表,只在地表形成到地表,只在地表形成一个下沉盆地。若矿体一个下沉盆地。若矿体埋藏浅,开采深度浅时,埋藏浅,开采深度浅时,则会冒落到地表,形成则会冒落到地表,形成塌陷坑。塌陷坑。(1 1)地表塌陷盆地)地表塌陷盆地(2 2)崩落角和移动角)崩落角和移动角 根据地表变形破坏程度,可将移动盆地划分为崩落根据地表变形破坏程度,可将移动盆地划分为崩落区和变形区。区和变形区。崩落区崩落区地表开裂,发生剧烈变形和破坏。地表开裂,发生剧烈变形和破坏。变形区变形区地表只发生变形并未受到严重破坏。地表只发生变形并
23、未受到严重破坏。移动移动角角指用仪器测出的地表移动边界线至井下采空区指用仪器测出的地表移动边界线至井下采空区下部边界线的连线与水平面所成的夹角。下部边界线的连线与水平面所成的夹角。崩落角崩落角指地表开裂区的最边缘裂隙至井下采空区下部指地表开裂区的最边缘裂隙至井下采空区下部边界线的连线与水平面所成的夹角。边界线的连线与水平面所成的夹角。一般一般上盘崩落角上盘崩落角0 0约小于下盘崩落角约小于下盘崩落角0 0 5 50 010100 0。矿体走向方向。矿体走向方向的崩落角常用的崩落角常用表示表示,盲盲矿体上端的下盘崩落角矿体上端的下盘崩落角常用常用表示表示 。对于岩性坚硬而脆对于岩性坚硬而脆的岩层
24、,崩落角和移动的岩层,崩落角和移动角差别较小,只相差角差别较小,只相差5 50 010100 0。AABB0CODAABB0CODE(3 3)影响崩落角的因素)影响崩落角的因素 岩体性质岩体性质坚硬,崩落角大(坚硬,崩落角大(65650 075750 0或更大);或更大);软岩,崩落角小,表土约软岩,崩落角小,表土约45450 0。结构面分布结构面分布若结构面产状与空区构成有利于滑动若结构面产状与空区构成有利于滑动关系时,岩体可沿此面滑动。关系时,岩体可沿此面滑动。采矿方法采矿方法深孔爆破比浅孔爆破对上覆岩层破坏震深孔爆破比浅孔爆破对上覆岩层破坏震动大,崩落角小;重复采动,崩落角小;动大,崩落
25、角小;重复采动,崩落角小;空区处理方法空区处理方法空区及时充填且密实,崩落角大;空区及时充填且密实,崩落角大;开采深度及走向长度开采深度及走向长度在充分采动条件下,上盘崩在充分采动条件下,上盘崩落角常随开采深度的增大而变小。但当开采深度进一步落角常随开采深度的增大而变小。但当开采深度进一步增加时,崩落角将有所增大。增加时,崩落角将有所增大。在近地表开采,崩落废石充满空区,起到支承上盘控制在近地表开采,崩落废石充满空区,起到支承上盘控制岩移作用,崩落角大;采深增大,岩移作用,崩落角大;采深增大,崩落废石不足以充满空区,崩落废石不足以充满空区,上盘岩移向外扩展,使崩落角减小;但当开采深度进一步增上
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