第四章 采场矿山压力显现基本规律
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第一节采煤工作面与采区巷道矿山压力显现规律及应用一、采煤工作面采动后压力显现的状况由于岩层本身的重量以及地质构造等因素,使岩体中存在有一定的应力,称之为原岩石应力,未经采动的岩体内原应力处于平衡状态。
工作面回采时,随着采空范围的增大,上覆岩层产生变形挠曲直至破坏冒落后,岩体内的应力将重新分布,并趋于新的平衡。
(一)开采后采煤工作面上覆岩层活动特征顶板岩层的垮落,首先在于顶板岩层的破断、而后在于破断岩块的失稳。
1、老顶的初次断裂老顶岩层悬露时的情况可近似地视其为“板”。
其四周的支承条件则决定于四周采空的情况及煤柱的宽度。
老顶岩层中,最大的弯矩绝对值发生在长周边的中点,即工作面中部上方顶板岩石中。
因而,顶板岩层达到极限垮落时,首先在工作面中部上方岩层中形成平行于工作面方向的裂缝。
其断裂过程,先由长边中间沿工作面方向向两端扩展,而后由短边中间沿煤柱向两端扩展,裂缝在拐角处呈弧形,形成贯通,老顶岩层中间部分形成X型破坏,随着破坏时岩块间的失稳状态,形成了对回采工作面空间安全上的不同威胁。
2、采煤工作面回采期间岩层移动的特点随着回采工作面的推进,老顶初次断裂后,上覆岩层也将逐步活动,上覆岩层的破坏状态可分为冒落带、裂隙带及弯曲下沉带。
(二)采煤工作面矿山压力对采区巷道的影响采煤工作面开采中打破了岩石原有的平衡状态,同时也破坏了原有应力分布状态,从而使岩块冒落,或使开采空间处于高度应力状态。
1、采煤工作面周围支承压力分布采煤工作面在开采过程中,导致围岩内的应力不断地趋于新的相对平衡状态。
由于采掘空间原被采物承受的载荷转移到周围支承体上而形成的压力,称作支承压力。
回采工作面支承压力,常以其分布的范围、形式和峰值大小表示其显现特征。
前支承压力(曾称移动支承压力)——指采煤工作面煤壁前方形成的支承压力,它随着工作面的推进而不断向前移动。
前支承压力作用时间较短,且位置不断变化。
回采工作面推过一定距离后,采空区的冒落矸石有松散状态进入压实状态,此时所形成的最高应力峰值,根据上覆岩层形成的结构状态,前支承压力峰值的位置可深入煤体内2~10m,其影响范围可达到工作面前方90~100m。
第一章 矿山岩石和岩体的基本性质1、岩石的孔隙性、孔隙度和孔隙比有什么不同?研究它们有何意义?2、岩石受载时会产生哪些类型的变形?岩石的塑性和流变性有什么不同?3、将某矿的页岩岩样做成5cm ×5cm ×5cm 的三块立方体试件,分别作剪切角度为45°、55°和65°的抗剪强度实验,施加的最大载荷相应地为22.4、15.3和12.3KN ,求该页岩的内聚力C 和内摩擦角值,并绘出该页岩的抗剪强度曲线图。
4、对某矿石灰岩进行抗剪强度实验结果,当时,当时。
如果已知该岩石的单向抗压强度,求侧压力时其三轴抗压强度是什么?5、莫尔强度理论和格里菲斯强度理论在本质上有何区别?为什么莫尔强度理论较广泛地用作岩石强度条件?他可用来解释那些问题?6、试叙述单向拉伸、单向压缩、双向拉伸、双向压缩、双向不等拉压、纯剪、三向等拉、三向等压和三向不等压的应力圆(设压应力为正,、、分别为最大、中间和最小应力)。
7、岩石强度的压性能有何意义?如何根据莫尔应力圆和斜直线型强度包络线求解岩石试件在单向受力条件下的压拉比?8、如果某种岩石的强度条件为试求:(1)这种岩石的单轴抗压强度;(2)设压应力为正,单位为MPa ,则下列应力状态的各点是否会产生破坏,(40,30,20);(53,7,30,6.3);(53.7,30,1);(1000,1000,1000)。
9、某种岩石在单轴压缩过程中,其压应力达到28MPa 时即发生破坏,破坏面与最大主平面的夹角为60°,假定抗剪强度随正应力呈线性变化,计算,(1)这种岩石的内摩擦角;(2)在正应力为零的平面上的抗剪强度;(3)上述试验中与最大主平面成30°夹角的平面上的抗剪强度;(4)破坏面上的正应力和剪应力。
10、解释岩体强度变化曲线图的含义,是考虑是否有其他方式能更多的反映岩体ϕMPa n 8.41=σMPa 8.151=τMPa n 2.81=σMPa 181=τMPa R 6.821=MPa 53=σ1σ2σ3σ)MPa (tan 10300+=ατ321σσσ>>强度特征?11、某矿按双千斤顶法对主井井口表土层下基岩中制取的四个试体进行了原地剪切试验,每次先施加法线力N 到一定值且稳定不变后再施加倾斜15°的推力P ,直到试体沿底板岩面发生剪切破坏,试验结果如下:擦角υ值。
矿压显现规律矿压是指地下矿井在开采过程中由于岩石层的变形和破裂所产生的应力状态。
矿压显现规律是指矿井在不同开采阶段、不同地质条件下,矿压的变化规律。
矿压显现规律对于矿井的设计、采矿方法的选择以及矿山安全管理具有重要意义。
下面将从不同的角度来探讨矿压显现规律。
一、地质条件对矿压的影响地质条件是影响矿压显现规律的重要因素之一。
不同地质条件下,矿压的变化规律也不同。
例如,在软弱地层中开采,由于地层的可塑性较大,矿压会表现出较为明显的显现规律。
而在硬岩地层中开采,则矿压显现规律相对较弱。
因此,矿压显现规律需要根据具体的地质条件进行分析和研究。
二、开采阶段对矿压的影响不同开采阶段对矿压的影响也是矿压显现规律的重要内容。
一般来说,矿压在采前、采中和采后都会有不同程度的变化。
在采前,矿压较小,主要受到地应力的影响;在采中,矿压逐渐增大,出现明显的显现规律;在采后,矿压又会逐渐减小。
因此,矿压显现规律需要考虑不同开采阶段的特点。
三、采矿方法对矿压的影响采矿方法也是影响矿压显现规律的重要因素之一。
不同的采矿方法对矿压的影响也不同。
例如,采用支架法开采时,可以有效地控制矿压的显现,减小矿岩变形和破坏。
而采用割缝法开采时,由于割缝面积较大,矿压显现规律相对较明显。
因此,在选择采矿方法时,需要考虑矿压显现规律的影响。
四、矿山安全管理对矿压的影响矿山安全管理对于矿压显现规律的控制和预测具有重要作用。
通过加强对矿山地质环境的监测和预测,可以及时发现矿压显现规律的变化趋势,采取相应的措施进行调整和控制。
同时,合理制定矿山安全管理措施,加强对矿压的监控和预警,可以有效地提高矿山的安全性和生产效率。
总结起来,矿压显现规律是矿井开采过程中矿压变化的规律。
地质条件、开采阶段、采矿方法和矿山安全管理都对矿压显现规律产生影响。
了解矿压显现规律,可以为矿井的设计和采矿方法的选择提供科学依据,同时也可以提高矿山的安全性和生产效率。
因此,对于矿山工作者来说,深入研究和了解矿压显现规律具有重要的实际意义。
弄清采场矿山压力显现和上覆岩层运动之间的关系是进行矿山压力控制的关键之一。
本章介绍了煤层上支承压力分布的基本形式和参数;根据岩梁超前断裂的力学机制,讨论了煤壁上存在内外应力场的力学条件,内外应力场力源分析及理论的应用;给出一般采场推进过程中支承压力发展三阶段模型以及和上覆运动特征之间的关系,从工作面顶板初次垮落,初次来压和周期来压不同的运动特点和要求,指出了各自条件下以支架工作阻力为代表的矿压显现和岩层运动之间复杂的关系;最后,提出了支承压力2种现场观测方法。
采场围岩支承压力及矿压显现与上覆岩层运动间的关系§4.1 采场围岩支承压力分布形态4.1.1 支承压力基本概念4.1.2 采场支承压力分布的基本规律4.1.3 关于两个应力场的理论§4.2 采场支承压力分布与上覆岩层运动间的关系4.2.1 采场推进过程中前方支承压力分布与上覆岩层运动间的关系4.2.2 工作面两侧支承压力分布与上覆岩层运动间的关系§4.3 采场支承压力分布与矿山压力显现间的关系 §4.4采场矿山压力显现与上覆岩层运动间的关系 4.4.1 围岩变形、破坏与跨落 4.4.2 采场支架上的压力显现与上覆岩层运动间的关系 §4.5 采场支承压力分布监测方法 4.5.1 支承压力分布与显现的动态变化规律 4.5.2 监测方法 采场矿山压力研究的基本任务,一是为回采工作面顶板控制服务,解决顶板控制方案及支护选型计算等方面的问题;二是为回采工作面周围巷道矿山压力控制服务,解决巷道布置和维护方面的问题。
这些问题的解决均以采场围岩支承压力、矿山压力显现与上覆岩层运动之间关系理论为基础。
第 四 章4.1.1 支承压力基本概念煤层采出后,在围岩应力重新分布的范围内,作用在煤层、岩层和矸石上的垂直压力称为“支承压力”。
显然由此定义的支承压力分布范围将包括高于和低于原岩应力的整个区域。
(a )(b ) 图4.1 上覆岩层运动状态与支承压力分布在单一自重应力场条件下,采场周围岩体上的支承压力来源于上覆岩层的重量。
矿山压力的显现规律
要:矿山压力是矿床开采后客观存在的现象,是矿井顶板安全灾害诱发的主要原因。
了解并加以研究矿山压力的显现规律,对保证矿山的安全生产、保障矿工的生命财会、促进企业健康发展具有重要意义。
文章结合自身在矿山工作的一些经验,对此做了初步的探讨。
关键词:煤层岩石、支撑压力、支架种类
1 矿山压力
地下通常是处于静止状态的,但是当由于生产的需要而进行巷道开掘或回采施工时,矿井原有的平衡状况就会受到外力的破坏,进而导致岩体内部应力要随之做相应的再分配,当新的应力超过煤岩的极限强度时,巷道及回采工作面周围的煤岩就会发生破坏,这种情况将持续到煤岩内部重新达到新的应力平衡为止。
此时巷道和回采工作面周围的煤岩体就形成了一个新的应力场而达到平衡。
这种由于在地下进行采掘活动而在井巷,硐室及回采工作面周围煤岩体中和支护物上所引起的力,就叫矿山压力,简称矿压。
2 支承压力
①支承压力的形成:当人们进行开掘切眼工作之前,煤体未被采动,处于应力平衡状态,而在煤体开掘切眼后,原有的平衡状态被打破,形成新的应力平衡状态。
这种新的平衡状态是由于在切割眼上部顶板内形成了压力拱。
两侧煤壁平均分担了切眼上部岩体的重量,这样就产生了应力集中的现象,我们把这种现象称作支撑压力。
②影响支承压力大小、分布的因素:煤质的软硬程度、顶底板岩层。
1、顶板压力估算常用方法
1、经验估算法
按照支架承受载荷的原则,可将工作面支架受力情况简化为如图所示。
即支架受力一是直接顶的载荷,二是老顶通过直接顶作用于支架的载荷。
其中,
2、 从老顶形成结构的平衡关系估算
此种估算法认为直接顶的载荷应由支架全部承受,而老顶岩层由于能形成结构,因此支架所承受的载荷仅是当老顶岩层结构失稳时所形成。
失稳的方式有两种,其一是滑落失稳,其二是变形失稳。
(1) 从老顶结构的滑落失稳估算顶板压力
根据老顶的平衡规律,控制老顶滑落失稳时,作用于支架上的力为;
,kN
式中:——岩块A与B的重量及其载荷,kN;
L i0——相当于B岩块(悬露的岩块)的长度,m;
Q i0——相当于B岩块的重量及载荷,kN;
H——老顶岩层厚度,m;
δ——B岩块的下沉量,m;
、——岩块的破断角与内摩擦角,(°)。
(2)由老顶破断岩块结构的变形失稳估算顶板压力
很多学者认为,老顶的位移量与对支架形成的载荷呈双曲线关系,因而提出p与的乘积是常数的概念。
为此,老顶对支架的作用载荷为式中:Δh0——实测所得回采工作面顶板下沉量;
Δh i——要求控制的回采工作面顶板下沉量;
K0——顶板下沉量为Δh0时,老顶岩梁在控顶距范围内的作用力。
式中:m E为老顶岩梁厚度;γE为老顶岩梁的体积力;L E为老顶岩梁
的跨度;L为控顶距;K T为支架承担岩梁重量的系数。
3、威尔逊估算法
估算顶板压力时只考虑直接顶的形状与载荷,因为载荷作用力的位置与支架可能形成的最大反力的作用位置不一定一致,所以引入由于支架与围岩相互平衡而产生的附加力的概念。
式中:Q1、Q3、P——直接顶载荷、附加力、顶板压力;
l P、l、r——直接顶载荷、附加力、顶板压力的力臂。
2、试述影响矿山压力显现的主要因素
①煤层采高及回采工作面控顶距。
在一定的地质条件下,回采工作面顶板下沉量与采高及控顶距成正比。
采高越大,采出的空间越大,必然导致采场上覆岩层破坏越严重,从而矿山压力显现越严重;采高越低,顶板活动越缓和,煤壁也较为稳定。
控顶距越大,矿山压力显现也越严重。
②工作面推进速度。
工作面推进速度越慢,矿山压力显现越严重。
在工作面推进速度较慢的情况下,加快工作面的推进速度可以减小顶板的下沉量,改善顶板状况。
但是当工作面的推进速度提高到一定的程度后,顶板下沉量的变化将逐渐减小。
因此用加快工作面推进速度的办法减少顶板下沉量是有一定限度的。
③开采深度。
随着开采深度的增加,一部分矿山压力显现增大,如煤壁上的支承压力增大,冲击地压,煤壁片帮及底鼓等现象加剧。
但对回采工作面顶板下沉量及支架上所承受的载荷并没有明显的影响,这是因为回采工作面空间总是在上覆岩层结构的保护之下的结果。
④煤层倾角。
由于煤层倾角的变化,顶板岩层重量在垂直于岩层层面的分力也发生变化。
煤层的倾角增大,垂直层面的分力减小,顶板的下沉量也减小。
但煤层倾角的增大会使采空区内的冒落矸石沿倾斜向下滑动,因而会引起上覆岩层移动规律的变化。
⑤分层开采。
开采第一分层时,矿山压力显现于开采单一煤层时基本相同。
开采下部分层时,工作面顶板为已冒落的破碎岩石,因而导致老顶来压步距减小,来压强度减弱;支架承受载荷减小;顶板下沉量增大;顶板破碎且难以管理等现象。
3、我国厚煤层开采的主要方法有哪些?其各自的矿压显现的主要特点和顶板控制的主要难点是什么?
★放顶煤采煤法。
矿压特点:支承压力分布范围大;综放面支架载荷不大,周期来压现象不明显,初次来压强度不大;回采巷道的矿压显现较分层多次开采
缓和;前柱工作阻力大于后柱工作阻力。
难点:无法看到顶煤的放煤过程,放煤步距和放煤时间比较难控制。
★大采高一次采全厚采煤法。
矿压特点:端部冒落和煤壁片帮比较突出;周期来压强度有所增大,支架载荷增大,动载系数增大;
难点:煤壁片帮和冒顶的控制,以及支架稳定性控制比较难。
★倾斜分层长壁采煤法。
矿压特点:下分层巷道要受到多次采动影响,巷道围岩变形强烈、破坏严重;开采下分层时,直接顶已经破碎,易冒落。
难点:多次动压影响是控制的难点。
急倾斜厚煤层方法有:水平分层、水平分段、斜切分层。