4矿山压力及其控制(第四章).ppt
《4矿山压力及其控制(第四章).ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《4矿山压力及其控制(第四章).ppt(55页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山压力及其控制矿山压力及其控制 主讲:王家臣主讲:王家臣 教授教授矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性第四章第四章 回采工作面上覆岩层活动规律回采工作面上覆岩层活动规律 4.1 概述概述 在煤层或矿床开采过程中,一般把直接进行在煤层或矿床开采过程中,一般把直接进行采煤或开采有用矿物的工作空间称为回采工作采煤或开采有用矿物的工作空间称为回采工作面或简称为采场。面或简称为采场。顶板:顶板:位于煤层之上的岩层称为顶板。分为:位于煤层之上的岩层称为顶板。分为:(1)直接顶()直接顶(immediate roof):):直接顶位直接顶位于煤层
2、上方的一层或几层性质相近的岩层;通于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层;通常由具有一定稳定性且易于随工作面回柱放顶常由具有一定稳定性且易于随工作面回柱放顶而垮落的页岩或砂页岩等岩层组成。也有人认而垮落的页岩或砂页岩等岩层组成。也有人认为采空区冒落带内的岩层统属于直接顶为采空区冒落带内的岩层统属于直接顶。老顶老顶底板底板直接顶直接顶煤层煤层伪顶伪顶直接底直接底矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性(2)伪顶()伪顶(false roof):):直接顶与煤层间厚度小于直接顶与煤层间厚度小于0.5m极易垮落的软弱岩层,它随采随冒。极易垮落的软弱岩层,它随采随冒。(3)老顶(基本顶,)老顶(
3、基本顶,main roof):):直接顶上方(有时直直接顶上方(有时直接位于煤层之上)的厚而坚硬的岩层。一般由砂岩、石灰岩、接位于煤层之上)的厚而坚硬的岩层。一般由砂岩、石灰岩、砂砾岩等岩层组成。也有人认为冒落带以上的裂隙带岩层统砂砾岩等岩层组成。也有人认为冒落带以上的裂隙带岩层统属老顶。属老顶。底板:底板:位于煤层以下的岩层。位于煤层以下的岩层。直接底:直接底:直接位于煤层之下的岩层。直接位于煤层之下的岩层。矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性 工作面回采过程中,必须对回采工作面进行支护,保工作面回采过程中,必须对回采工作面进行支护,保证工作面有足够的作用空间和形态。同时对采空区
4、要进证工作面有足够的作用空间和形态。同时对采空区要进行处理,目前对采空区的处理方法主要有以下几种。行处理,目前对采空区的处理方法主要有以下几种。矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性 其中全部垮落法具有回采率高、成本低、简单的优点,其中全部垮落法具有回采率高、成本低、简单的优点,在条件适宜时,尽量采用这种方法。采用全部垮落法时,在条件适宜时,尽量采用这种方法。采用全部垮落法时,随着工作面推进,回采工作面空间形状变化见下图。随着工作面推进,回采工作面空间形状变化见下图。矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性 在煤体内形成回采空间,其上方的岩体部分重量则有支在煤体内形成回采空间
5、,其上方的岩体部分重量则有支架承担,同时前方煤壁和采空区冒落的矸石也要承担部分压架承担,同时前方煤壁和采空区冒落的矸石也要承担部分压力。有时由于上位岩层的变化对支架也会产生压力。将这些力。有时由于上位岩层的变化对支架也会产生压力。将这些原因对支架产生的压力常称为顶板压力或矿山压力。原因对支架产生的压力常称为顶板压力或矿山压力。回采空间或巷道上方岩层中未破坏部分或未产生剧烈变回采空间或巷道上方岩层中未破坏部分或未产生剧烈变形部分,或虽然岩层已破断但仍能整齐排列的部分,有时能形部分,或虽然岩层已破断但仍能整齐排列的部分,有时能形成岩体内的大形成岩体内的大“结构结构”。这种大结构能够承担上覆岩层重。
6、这种大结构能够承担上覆岩层重量,从而对巷道及回采空间起保护作用。根据实际测定,回量,从而对巷道及回采空间起保护作用。根据实际测定,回采工作面支架所承受的力仅为上覆岩层的百分之几。但当工采工作面支架所承受的力仅为上覆岩层的百分之几。但当工作空间维护的时间较长时,围岩不易形成稳定性结构。这种作空间维护的时间较长时,围岩不易形成稳定性结构。这种现象在巷道中极易出现,从而导致巷道围岩的现象在巷道中极易出现,从而导致巷道围岩的“挤、压、臌挤、压、臌”现象。对于回采工作空间,尤其是工作面推进较快时,这现象。对于回采工作空间,尤其是工作面推进较快时,这种时间影响因素就会变得次要,上覆岩层极易形成大种时间影响
7、因素就会变得次要,上覆岩层极易形成大“结构结构”。矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性4.2 老顶岩层的稳定性老顶岩层的稳定性 4.2.1 老顶岩层的梁式平衡老顶岩层的梁式平衡 当当工工作作面面自自开开切切眼眼推推进进一一段段距距离离后后,直直接接顶顶悬悬露露达达到到一一定定跨跨度度,采采空空区区进进行行初初次次放放顶顶,直直接接顶顶开开始始垮垮落落,此此时时直直接接顶顶的的跨跨距距称称为为初初次次垮垮落落距距,初初次次垮垮落落距距的的大大小小与与直直接接顶顶岩岩层层强强度度、分层厚度、直接顶内节理裂隙的发育程度有关。分层厚度、直接顶内节理裂隙的发育程度有关。矿山岩石和岩体的力学属
8、性矿山岩石和岩体的力学属性 岩岩层层破破碎碎后后,体体积积将将产产生生膨膨胀胀,破破碎碎膨膨胀胀后后的的体体积积与与破破碎碎前前的的体体积积之之比比称称为为碎碎胀胀系系数数。岩岩石石破破碎碎后后,在在其其自自重重及及外外载载作作用用下下,渐渐趋趋压压实实,碎碎胀胀系系数数变变小小,压压实实后后的的体体积积与与原原体体积积之之比称为比称为残余碎胀系数残余碎胀系数Kp。矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性 假假设设00,则则老老顶顶呈呈悬悬露露状状态态。类类似似板板状状结结构构,它它的的一一边边由由工工作作面面煤煤壁壁支支承承,另另外外三
9、三边边则则由由煤煤柱柱支支撑撑。当当工工作作面面倾倾斜斜长长一一般般老老顶顶沿沿走走向向的的悬悬露露长长,所所以以可可将将老老顶顶视视为为一一端端由由工工作作面面煤煤壁壁,另另一一端端由由边边界界煤煤柱柱支支撑撑的的两两端端固固定定的的“梁梁”,即即所所谓谓梁梁的的假假说说。此此时时若若老老顶顶之之上上的的岩岩层层强强度度较较低低,则则上上覆覆岩岩层层的的重重量量将将通通过过老老顶顶“梁梁”传传递递至至两两端端的的支支点点上上,即即煤煤壁壁和煤柱上。见下图分析。和煤柱上。见下图分析。矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性 矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体
10、的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性 上上面面是是按按固固定定梁梁的的计计算算结结果果,实实际际上上两两端端的的支支承承条条件件也也有有差差异异。如如一一侧侧的的采采空空区区已已采采完完时时,见见下下图图,隔隔离离煤煤柱柱上上方方的的顶顶板板已已处处于于自自由由状状态态。因因而而更更接接近近于于简简支支梁梁支支座座。有有些些国国家家已已将将浅浅部部矿矿井井老老顶顶按按简简支支梁梁计计算算,认认为为浅浅部部矿矿井井岩岩层层顶顶板板由由于于两两端端煤煤体体上上集集中中压压力力较较小小,因因而而可可视视为为简简支支梁梁支支座座,但但在在深深部部应应视视为
11、为固固定定梁梁。若若为为简简支支梁梁时时,梁梁内内的的剪剪力力分分布布与与固固定梁同,但弯距则不同。定梁同,但弯距则不同。矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性隔离煤柱隔离煤柱矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性4.2.2 老顶岩层的板式结构分析老顶岩层的板式结构分析 随随着着回回采采工工作作面面自自开开切切眼眼开开始始推推进进,根根据据已已采采空空面面积积的的情情况况,如如华华北北地地区区的的一一般般条条件件,回回采采工工作作面面长长150150200m200m,推推进进30m30m左左右右,老老顶顶岩岩层层初初次次断断裂裂。一一般般老老顶顶岩岩层层厚厚2 24m4m。
12、按按 照照 薄薄 板板 的的 假假 设设,其其 厚厚 度度(h h)与与 宽宽 度度(a a)的的 比比 值值h/a=1/71/15h/a=1/71/15。因因此此,可可视视老老顶顶岩岩层层为为薄薄板板,当当老老顶顶与与上上部部岩岩层层离离层层时时更更是是如如此此。根根据据开开采采条条件件及及边边界界煤煤柱柱大大小小,又又可可将老顶岩层假设为四种情况:将老顶岩层假设为四种情况:(a a)四周固支:)四周固支:(b b)三边固支一边简支;)三边固支一边简支;(c c)两边固支两边简支;()两边固支两边简支;(d d)一边固支及三边简支。)一边固支及三边简支。通过近似解法,可获得岩层板破断地一般规
13、律。通过近似解法,可获得岩层板破断地一般规律。矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性 以四周边固支的板为例,在长边的中心部位,弯距的绝对以四周边固支的板为例,在长边的中心部位,弯距的绝对值最大。随着工作面推进,当达到一定值时,首先在此形成值最大。随着工作面推进,当达到一定值时,首先在此形成断裂,而后在外边的中央形成裂缝,待四周裂缝贯通后,板断裂,而后在外边的中央形成裂缝,待四周裂缝贯通后,板中央的弯距又达到最大值,超过强度极限而形成裂缝,最后中央的弯距又达到最大值,超过强度极限而形成裂缝,最后形成形成X形破坏,见下图。形破坏,见下图。对于其它支承条件时,其破裂过程与上述相近。对于其它
14、支承条件时,其破裂过程与上述相近。矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性4.3 老顶初次破断时的极限跨距老顶初次破断时的极限跨距(梁式分析梁式分析)老老顶顶岩岩梁梁达达到到断断裂裂时时的的跨跨距距称称为为极极限限跨跨距距,可可由由材材料料力力学学方方法求得法求得。矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性 显然,在同样条件下,由简支梁计算所得的极限跨距显然,在同样条件下,由简支梁计算所得的极限跨距LlT要要比固定梁计算所得的小。比固定梁
15、计算所得的小。在一般情况下,由于弯距形成的极限跨距在一般情况下,由于弯距形成的极限跨距LlT要比剪切应力要比剪切应力形成的极限跨距形成的极限跨距Lls小,因此常常按弯距来计算极限跨距。小,因此常常按弯距来计算极限跨距。在什么条件下应按简支梁计算或按固定梁计算,需根据煤在什么条件下应按简支梁计算或按固定梁计算,需根据煤层赋存深度及边界煤柱两侧采空的情况来定。层赋存深度及边界煤柱两侧采空的情况来定。在采用刀柱法或房柱法开采时,为了保证工作空间顶板的在采用刀柱法或房柱法开采时,为了保证工作空间顶板的完整性,刀柱或煤柱的间距应采用岩层梁的安全距完整性,刀柱或煤柱的间距应采用岩层梁的安全距Ls,此时,此
16、时,取岩层趋向断裂的安全系数为取岩层趋向断裂的安全系数为n,以顶板岩层的安全跨距,以顶板岩层的安全跨距Ls为:为:固定梁时固定梁时 简支梁时简支梁时一般取一般取 n=6。矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性上上述述计计算算中中,RT可可由由试试验验确确定定,h可可由由钻钻孔孔资资料料获获得得。关关键键是是如如何何确确定定岩岩梁梁所所受受载载荷荷q,一一般般煤煤层层上上方方的的岩岩层层是是由由好好几几层层岩岩层层组组成成。因因此此,第第一一层层岩岩层层的的极极限限跨跨距距所所应应考考虑虑载载荷荷的的大大小小,须须根根据据各各层层之之间间的的相相互互影影响响来来定定。下下式式表表示示n
17、层层岩岩层层对对第第一层(最下面的岩层)影响所形成的载荷(一层(最下面的岩层)影响所形成的载荷(qn)。)。矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性矿山岩石和岩体的力学属性4.4 裂隙体梁的平衡裂隙体梁的平衡 当当老老顶顶达达到到极极限限跨跨距距后后,随随着着回回采采工工作作面面继继续续推推进进,老老顶顶即发生断裂,断裂后的一般状态见下图。即发生断裂,断裂后的一般状态见下图
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 矿山压力 及其 控制 第四
限制150内