礦壓與礦壓監(jiān)測課件

1、礦壓研究的目的 是為了掌握1、工作面壓力顯現(xiàn)和頂?shù)装遄兓?guī)律2、工作面頂板支撐的安全程度3、工作面垮落的規(guī)律及控制方法4、防止和消除地壓危害措施5、煤礦設(shè)計(jì)、施工和生產(chǎn)的可靠性礦壓研究需要解決的主要問題：1、在特別困難條件下，井巷地壓的控制方法2、為了保證生產(chǎn)安全和最大限度的回收礦產(chǎn)資源，尋求適應(yīng)巖體應(yīng)力特性和地壓顯現(xiàn)規(guī)律的合理開采順序，開采方法及其結(jié)構(gòu)要素以及采場維護(hù)方式。3、采空區(qū)的處理問題4、防止地下開采引起的滑坡5、對地表建筑的影響及三下(水下、建筑下、鐵路下）安全開采6、巖爆問題7、露天礦邊坡的確定及不穩(wěn)定邊坡的加固 巖石具有一定的強(qiáng)度 巖石視為完整連續(xù)的小型塊體，當(dāng)做連續(xù)介質(zhì) 地下

2、巖石，一般處于三向壓力狀態(tài)。1133 主應(yīng)力123 三向剪應(yīng)力 T13最大221T122322312313TT 與的靜力平衡 2231)23122）（3311巖石強(qiáng)度理論 莫爾強(qiáng)度理論 庫侖強(qiáng)度理論 格里菲斯強(qiáng)度理論單向抗壓強(qiáng)度 巖石強(qiáng)度，一般通過實(shí)驗(yàn)室抗壓試驗(yàn)得到的數(shù)值，稱為單向抗壓強(qiáng)度。測試試塊： 方形 h=(2-2.5)s s=5cm 圓柱形 h=(2-3)d d=5cm 巖石強(qiáng)度包括 抗壓強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度長時強(qiáng)度： 圍巖的強(qiáng)度，是隨時間的增加而變小，隨一定時間變化后的強(qiáng)度，稱為圍巖的長時強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 巖石的基本破壞類型1、脆性斷裂破壞 是由拉應(yīng)力或巖石內(nèi)部派生出

3、來的拉應(yīng)力所引起的破壞。2、剪切破壞 當(dāng)巖石內(nèi)部某斷面的剪應(yīng)力達(dá)到或者超過其極限剪切破壞強(qiáng)度時，巖石即沿該斷面發(fā)生剪切滑動，使巖石沿該斷面發(fā)生破壞。3、塑性改組破壞 巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生某種變化，當(dāng)受到載荷超過某種臨界值時，巖石出現(xiàn)塑性流動現(xiàn)象，喪失繼續(xù)承載能力，常發(fā)生在某些粘土質(zhì)巖石中 節(jié)理巖體 是指完整巖石被節(jié)理面分割而形成的巖石塊體，即節(jié)理巖體是由巖石和節(jié)理所組成的節(jié)理面非貫通性半貫通性貫通性 節(jié)理面破壞1、非貫通性節(jié)理面破壞： 破裂面追蹤已有的節(jié)理面發(fā)生破壞2、半貫通性節(jié)理面破壞： 節(jié)理延伸尺寸不大時，類似非貫通性節(jié)理面破壞，節(jié)理延伸尺寸較大時，類似貫通性節(jié)理面破壞。3、貫通性節(jié)理面破

4、壞： 沿貫通性節(jié)理面發(fā)生剪切破壞。影響巖體強(qiáng)度因素?zé)崤蛎洃?yīng)力影響濕膨脹效應(yīng)影響巖體孔隙影響氣體和瓦斯的影響巖體中水的影響巖體開掘暴露后，層狀巖體在溫度變化下，會產(chǎn)生縱向和橫向應(yīng)變，產(chǎn)生熱膨脹應(yīng)力。巖體應(yīng)力發(fā)生變化，若側(cè)向應(yīng)力減小軸向應(yīng)力增大，則強(qiáng)度降低地震應(yīng)力影響效應(yīng)與熱膨脹相似，還會引起巖體內(nèi)部物化學(xué)變化，層狀巖體粘結(jié)力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、泊松比都會變化1、膨脹作用，2、靜力水壓影響，3、動力水壓影響10 15 20 25 瓦斯壓力(kg/cm2)應(yīng)變 0.2 0.110-2 地應(yīng)力： 是存在于地殼中的未受工程擾動的天然 應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對應(yīng)力或原巖應(yīng) 力。廣義上也指地球體內(nèi)的應(yīng)

5、力。它包括由地?zé)嶂亓Φ厍蜃赞D(zhuǎn)速度變化及其他因素產(chǎn)生的應(yīng)力。 地應(yīng)力主要包括：自重應(yīng)力 構(gòu)造應(yīng)力 瓦斯壓力對地應(yīng)力的影響很大礦壓顯現(xiàn)自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力支承應(yīng)力自重應(yīng)力 是一定埋深的巖體重量產(chǎn)生的應(yīng)力 自重應(yīng)力在巷道支護(hù)中無法避免開掘前自重應(yīng)力開掘后自重應(yīng)力 構(gòu)造應(yīng)力 是由于地殼運(yùn)動的不均衡，使局部巖層受到擠壓而產(chǎn)生的應(yīng)力。 褶皺、斷層等構(gòu)造，是構(gòu)造應(yīng)力釋放的結(jié)果。 褶皺、大斷層等構(gòu)造附近，可能有殘余構(gòu)造應(yīng)力。 構(gòu)造應(yīng)力在巷道支護(hù)中無法避免拉應(yīng)力拉應(yīng)力拉應(yīng)力壓應(yīng)力壓應(yīng)力斷層斷層水平擠壓力水平擠壓力 支承應(yīng)力 支承應(yīng)力不同于原巖應(yīng)力，它是由于工作面回采后遺留煤柱在未垮落頂板懸臂梁作用下形成的應(yīng)力 支承

6、應(yīng)力隨回采工作面的推進(jìn)而產(chǎn)生，不會隨回采工作面的推進(jìn)而消失。 支承應(yīng)力沿工作面的走向和傾向存在，應(yīng)力大小是按曲線遞增。 支承應(yīng)力可以避免或減小，巷道支護(hù)，應(yīng)該避開支承應(yīng)力帶。支撐應(yīng)力帶支撐應(yīng)力帶開采空間 合理的布置巷道，是保證巷道支護(hù)效果的一個關(guān)鍵因素。 回采巷道布置，要盡可能避開支承應(yīng)力高峰區(qū) 小煤柱沿空送巷，是解決支承應(yīng)力影響的有效途徑 支承應(yīng)力影響范圍，是根據(jù)煤層結(jié)構(gòu)和煤層頂板巖性不同而不同按地壓的表現(xiàn)形式，地壓分為：1、變形地壓 變形地壓是大范圍內(nèi)巖體因變形、位移受到支護(hù)的壓制而產(chǎn)生的地壓。變形地壓大小取決于圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，又取決于支護(hù)形式和支護(hù)時間。變形地壓又分為： 彈性變形壓力 塑

7、性變形壓力 流變壓力：是巖體變形、流動引起的 2、散體地壓 滑移、破碎或松散巖體重力作用在支護(hù)上引起的地壓，也稱為松動地壓。3、沖擊地壓 沖擊地壓，也稱為巖爆，它是在圍巖積累了大量的彈性變形能之后，突然釋放出來時所產(chǎn)生的壓力，是一種爆炸式的地壓現(xiàn)象。 沖擊地壓多發(fā)生在深部堅(jiān)硬、完整的巖體中，目前還不能對沖擊地壓進(jìn)行完善的理論分析計(jì)算。4、膨脹地壓 泥質(zhì)或炭質(zhì)頁巖吸水后體積膨脹，由于膨脹而產(chǎn)生的壓力稱為膨脹地壓。膨脹地壓和變形地壓的根本區(qū)別在于它是吸水膨脹而引起的。 沖擊地壓（巖爆）1、巖爆表現(xiàn)：微弱沖擊：表層局部破壞和巖塊彈出，巖體深部有微震動弱沖擊：圍巖局部破壞和巖塊拋出，伴有明顯的聲響和地

8、震震動。中等沖擊：圍巖迅速脆性破壞，并有大量巖石碎塊、粉塵拋出，形成氣浪沖擊。強(qiáng)烈沖擊：使幾十米地段支架破壞和巷道塌落。災(zāi)害性沖擊：在整個開采區(qū)域或中段內(nèi)礦柱發(fā)生連鎖反應(yīng)式破壞，礦區(qū)或中段內(nèi)巷道坍塌，甚至礦井報廢。 2、巖爆形成因素（1）、原巖應(yīng)力：自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力作用下的巖體，積蓄了大量的變形能。（2）、巖體的彈性和脆性：這種巖體能量達(dá)到應(yīng)力極限時突然釋放。（3）、采動造成應(yīng)力集中和能量積聚。20080 MPa1231、石英巖2、大理石3、砂巖0.10.2 %3、巖爆預(yù)測： 觀測鉆孔時巖粉排出量 觀測鉆孔巖芯及巖粉顆粒變化 爆破后巖塊彈出情況4、巖爆控制 合理布置掘進(jìn)和開采順序 給有沖擊危

9、險的礦層卸壓 使巖體積聚的彈性變形能有控制的釋放： 松動爆破；震動爆破；小煤柱 巷道周邊應(yīng)力分布：1、矩形巷道=1=0.42拱形巷道=0.7=0.2巷道圍巖形變分區(qū) 彈性區(qū)：圍巖有形變，應(yīng)力消失后形變可恢復(fù)塑性區(qū)：圍巖有形變，應(yīng)力消失后形變不能恢復(fù)，有次生節(jié)理冒落區(qū)：圍巖破碎，容易冒落彈性區(qū)塑性區(qū)冒落區(qū)原巖區(qū) 塑性區(qū)計(jì)算 塑性區(qū)半徑（卡式公式）：)sin2sin1(0)sin1)(CctgPiCctgPRR普氏破碎冒落高度： （1）、兩幫非彈性區(qū) （2）、冒落拱高2/(01）aRafaRb20 采區(qū)礦壓1、工作面采動后壓力呈現(xiàn)狀況 老頂?shù)某醮螖嗔眩?彎矩最大值，長周邊中間A斷裂過程，長邊中間向

10、向工作面兩端延伸，然后向短邊延伸，成X型A2、采煤工作面支承壓力分布前支承壓力,峰值（2-4)rH2-1090-100m隨工作面移動而移動側(cè)支承壓力峰值（2-3）rH3、同時回采工作面錯距 bLMtanM：兩煤層間距，m， ：層間巖石移動角，堅(jiān)硬巖石為600-750，軟巖為450-550，L：不均衡備用距離，為下煤層一個月推進(jìn)度，b：上煤層工作面最大控頂距4、采煤工作面垮落步距第1次垮落步距：krHHs5 . 0/maxL1krHHs75. 0/maxL2krHHs51. 1/maxL3第2次垮落步距：第3次垮落步距：H：冒落分層厚度，r:容重，k：載荷系數(shù)1,當(dāng)頂板離層時等于1， 頂板巖層的

11、抗拉強(qiáng)度s5、老頂來壓 老頂?shù)某醮蝸韷菏侵腹ぷ髅嬷苯禹斂迓浜?，老頂?shù)谝淮螖嗔巡l(fā)生回轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)至工作面頂板急劇下沉，工作面頂板普遍出現(xiàn)來壓現(xiàn)象，即為老頂?shù)某醮蝸韷?。從開切眼到老頂初次來壓時距工作面的距離稱為老頂初次來壓步距，它是反映老頂巖層穩(wěn)定性的主要指標(biāo)。老頂周期來壓是指老頂?shù)某醮蝸韷汉?，隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，老頂每懸露一定距離后就會發(fā)生一次來壓現(xiàn)象，一般情況下，它呈現(xiàn)一定的周期性。我們稱初次來壓后回采工作面出現(xiàn)的周期性礦山壓力顯現(xiàn)為老頂?shù)闹芷趤韷?。周期來壓時，工作面的頂板壓力和頂板下沉量比平時要大30%到40%， 30-60m1、巷道礦壓監(jiān)測的重要性 沒有礦壓監(jiān)測，錨桿支護(hù)安全，就沒有保證。

12、沒有礦壓監(jiān)測，錨桿支護(hù)，是霧里看花。 沒有礦壓監(jiān)測，錨桿支護(hù)缺少嚴(yán)密性。 沒有礦壓監(jiān)測，支護(hù)參數(shù)無法及時修正。 沒有礦壓監(jiān)測，支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)合理性無法驗(yàn)證，錨桿支護(hù)技術(shù)的推廣缺少科學(xué)依據(jù)。 沒有礦壓監(jiān)測，錨桿支護(hù)技術(shù)成果無法鑒定。2、監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展 監(jiān)測技術(shù)是從人工監(jiān)測向自動實(shí)時監(jiān)測、電腦智能化分析方向發(fā)展。 人工手工監(jiān)測，是最原始的監(jiān)測方法，只是簡單的監(jiān)測巷道頂?shù)装逑鄬σ平浚ㄈ缡址ǎ@種方法有很多缺點(diǎn)：（1）、受人的責(zé)任心、操作方法影響，監(jiān)測誤差很大，數(shù)據(jù)缺少準(zhǔn)確性。（2）、監(jiān)測是在一個時間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，不能動態(tài)的反應(yīng)巷道變形情況。（3）、受人的技術(shù)水平限制，分析結(jié)果不一定全面可靠。（4）、

13、監(jiān)測方法簡單，監(jiān)測數(shù)據(jù)少、不全面，不能科學(xué)的深入研究分析錨桿支護(hù)技術(shù)。（5）、監(jiān)測人工工資費(fèi)用高，測工管理容易出現(xiàn)漏洞。 自動化實(shí)時監(jiān)測、電腦智能分析，是監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向，目前，西科測控公司致力于該技術(shù)的研究已經(jīng)有多年的經(jīng)驗(yàn)，提供監(jiān)測設(shè)備和技術(shù)支持，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有： （1）、自動實(shí)時監(jiān)測，數(shù)據(jù)全面、準(zhǔn)確。 （2）、數(shù)據(jù)傳輸及時，可查詢?nèi)我鈺r刻的監(jiān)測數(shù)據(jù)。 （3）、電腦自動收集、儲存數(shù)據(jù)，人機(jī)互動查詢，智能化程度高。 （4）、監(jiān)測手段全面，全方位反應(yīng)礦壓和巷道變形情況。 （5）、提供報警功能，可按需要設(shè)定有關(guān)參數(shù)。 （6）、可提供專家技術(shù)支持。3、巷道礦壓監(jiān)測的內(nèi)容 巷道位移監(jiān)測（形變監(jiān)測）

14、頂板離層監(jiān)測 錨桿受力監(jiān)測 頂板斷裂震波監(jiān)測4、巷道礦壓監(jiān)測測站布置 40-50m布置一組測站監(jiān)測內(nèi)容，至少要兩個以上ABCD頂?shù)装逑鄬σ平?234567人工檢測方法3月15日057711551625198123252536253623452165171612006510 x-1268-1018.552-661.1199-59.94302489.81881982.220821268y0520.29292982.711311086.841913.47361584.919880距迎頭414.5米 3月23日058111551622197723232534253423432161171512006

15、510 x-1267-1016.592-658.2273-61.2354487.08149981.16181267y0524.26788981.540021084.9036911.99075584.891040距迎頭449.5米 3月28日057911551621197323192530253023432163171611986500 x-1265-1018.658-660.9771-62.65119485.67688979.300591265y0523.98137984.470061087.1975909.86783583.845740距迎頭481米 4月4日0579115216201969

16、23162525252523352164171511976490 x-1262.5-1013.264-664.5133-62.73762483.9905978.743561262.5y0522.61123984.639971088.5634909.24801583.680810距迎頭519.5米 4月12日058011521616196423122522252223352160171611956490 x-1261-1014.24-661.8747-66.05868481.61598976.237711261y0524.88985983.94761087.9206905.86177583.19

17、0740距迎頭548.5米 0582115616181960230825182122122172272122)(-LY L2L-LX XX 頂板離層監(jiān)測布置 深基點(diǎn)深基點(diǎn)淺基點(diǎn)淺基點(diǎn)L1L2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析內(nèi)容 1、位移量變化 2、位移變化速率 3、淺基點(diǎn)離層量 4、深基點(diǎn)離層量 5、淺基點(diǎn)離層速率 6、深基點(diǎn)離層速率 7、錨桿受力變化及變化速率 受采動影響不明顯的巷道，總的觀測時間為5個月 巷道變形速度1mm/d，1次/周 巷道變形速度1-3mm/d，2-3次/周 巷道變形速度3mm/d，1次/d 巷道變形速度3-5mm/d，1次/班 巷道變形速度5mm/d， 2-3次/班 圍巖移近量mm 穩(wěn)

18、定巖層：50-80 中等穩(wěn)定巖層：150-200 不穩(wěn)定巖層：300-350圍巖壓力t/m2 穩(wěn)定巖層：3-5 中等穩(wěn)定巖層：10-15 不穩(wěn)定巖層：15-30 采煤工作面礦壓觀測 通過監(jiān)測儀隨時觀測液壓支柱工作阻力力和液壓系統(tǒng)的工作壓強(qiáng) 1、通過動態(tài)觀測液壓支架工作阻力變化間接掌握頂板對支架的作用力變化，間接掌握工作面頂板來壓情況。2、通過動態(tài)觀測支架液壓系統(tǒng)的工作壓強(qiáng)變化，掌握支架液壓系統(tǒng)是否工作正常，分析支架的可靠性，液壓系統(tǒng)的完好性。液壓支架的額定工作阻力的大小是由支架本身的安全閥的調(diào)定值來確定的。調(diào)的愈高，額定工作阻力越大。 PNN1-初始工作阻力，N2變化過程中增大的工作阻力，因P的增大而增大，N3額定工作阻力，關(guān)系：N1 N2 N3, P與N關(guān)系,有三種可能： 1、PN1，則P=N2 ， 3、PN3 ，P則無法測定 采面礦壓觀測的要素：1、工作面推進(jìn)-頂板壓力變