采場地壓及其控制

采場地壓及其控制授課學(xué)時：

4學(xué)時本章的重點難點：1、采場地壓的特點及影響采場地壓的主要因素；2、充填體的力學(xué)效應(yīng)；3、采場地壓的控制方法；4、巖爆發(fā)生的條件。

第1頁/共97頁關(guān)鍵術(shù)語：采場地壓、

變形地壓、松動地壓、膨脹地壓、沖擊地壓、移動角、崩落角、充填體要求：1、掌握本課程重點難點內(nèi)容；2、了解采場地壓的一般規(guī)律。3、了解覆蓋巖層的變形和破壞規(guī)律第2頁/共97頁

§7－1

概述圍巖之間的相互作用力；圍巖對支架的作用力。原巖對圍巖的作用力；采場地壓——指在開采過程中，原巖對采場或采空區(qū)圍巖及礦柱所施加的荷載。地壓現(xiàn)象——井巷開挖，應(yīng)力重新分配使圍巖和支架產(chǎn)生變形、移動、破壞等現(xiàn)象，如冒頂、片幫、底鼓、頂板下沉等。地壓——泛指巖體中存在的力，包括：一、地壓現(xiàn)象與地壓第3頁/共97頁松動地壓（散體壓力）膨脹地壓變形地壓（彈塑性變形地壓、流變地壓）地壓分類：沖擊地壓

地壓分類第4頁/共97頁二、采場地壓的特點1、暴露空間大2、復(fù)雜性3、多變性4、采場地壓顯現(xiàn)形式的多樣性5、控制采場地壓的難度大第5頁/共97頁

三、影響采場地壓的因素影響采場地壓的因素可概括為自然因素和開采技術(shù)因素兩個方面。1、自然因素方面的主要有：（1）圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)（2）開采深度（3）礦體的傾角與厚度：（4）構(gòu)造（5）地下水第6頁/共97頁2、采礦生產(chǎn)技術(shù)方面的因素（1）開采順序：（2）開采方法及控頂方法（3）回采速度（4）空區(qū)形態(tài)及空區(qū)形成時間第7頁/共97頁四、采場地壓的研究內(nèi)容

采場地壓的研究的主要內(nèi)容是采場(包括采空區(qū))圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、變形、移動和破壞的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，找到維護采場穩(wěn)定的措施。采場地壓的研究范圍可歸結(jié)為兩個方面的問題，一方面是回采期間采場的穩(wěn)定問題，另一方面是回采完畢采空區(qū)的處理問題。第8頁/共97頁1、回采期間采場的穩(wěn)定

這里是指采場(包括采準巷道、硐室)的圍巖在回采期間不發(fā)生危險變形，以保障回采的安全，維護回采作業(yè)的正常進行。其研究的范圍包括下述一些問題：

（1）采場圍巖應(yīng)力分布的規(guī)律；

（2）巖體失穩(wěn)的原因、條件和機理；

（3）確定采場中各種結(jié)構(gòu)物(礦柱、支架)上地壓的大??；研究礦柱的支護原理和設(shè)計方法；（4）確定合理的采準布置方案；（5）研究采場地壓的控制措施，等等。

第9頁/共97頁2、采空區(qū)處理

空區(qū)處理的目的：控制由于空區(qū)引起的地壓顯現(xiàn)的強度。

空區(qū)處理的主要方法：目前處理空區(qū)的方法可歸納為“崩”“充”“撐”“封”四種。崩落：就是用爆破(或其他手段)的方法把空區(qū)上方的巖體崩落下來充塞空區(qū)。充填：用充填物(如碎石、尾砂、水砂、混凝土等)，將空區(qū)充滿。第10頁/共97頁支撐：利用礦柱或支架將空區(qū)撐起來，防止其發(fā)生危險變形。實踐表明，此種方法的效果是很差的。

封閉：對于單獨的孤立的小空區(qū)可采用封閉的方法，將它與其它采場的通道隔絕，防止該空區(qū)冒落時對其它采場發(fā)生氣浪沖擊。其中充填和崩落是兩種主要的方法。2、采空區(qū)處理第11頁/共97頁§7-2采場地壓及圍巖活動的一般規(guī)律

采場頂板的暴露面一般都較巷道頂板大得多，且隨著采面位置的不斷向前推進，空區(qū)尺寸也會不斷發(fā)生變化，故采場應(yīng)力分布也具有自身的特性，變化大，且屬空間問題。

第12頁/共97頁一、支承壓力

在原巖中形成采場后，上覆巖層的重力即轉(zhuǎn)嫁于采場四壁的巖體中，使采場四壁特別是兩側(cè)巖體中的豎向應(yīng)力升高，形成所謂支承壓力。第13頁/共97頁采場周圍應(yīng)力分布第14頁/共97頁1、支承帶應(yīng)力集中系數(shù)KC

式中：kL——開采空間形狀影響系數(shù)，長/寬＝1，kL＝0.7；長/寬>3，kL≈1；b——支承帶寬度；

L——采場跨度。第15頁/共97頁2、支承壓力帶寬度b

式中：kl—跨度影響系數(shù)，L＝3m，kl=1；L=30~40m，kl=0.5；kr—巖石性質(zhì)影響系數(shù)，硬巖kr=0.8；中硬巖kr=1.5。支承壓力帶寬度b，視巖層性質(zhì)及采空區(qū)跨度而異，大致有以下關(guān)系：第16頁/共97頁3、支承壓力帶隨工作面的推進而不斷向前移動采空區(qū)四周都存在支承壓力區(qū)；前方巖體有較大的應(yīng)力集中；剛充填的充填體中應(yīng)力很小，遠離開采的充填體被壓實，其承受的壓力逐漸增高，直至等于原巖應(yīng)力。第17頁/共97頁4、相鄰采場對支承壓力的影響(a)b>b1+b2，無影響(b)b<b1+b2(c)b<b1+b2，且一側(cè)開采空間位于另一側(cè)的支承壓力帶內(nèi)，則開采空間2的兩側(cè)都會受到開采空間1的影響，其兩側(cè)的支承壓力都有不同程度的增大。第18頁/共97頁二、頂板巖層中的應(yīng)力分布水平礦體開采第19頁/共97頁傾斜礦體開采二、頂板巖層中的應(yīng)力分布第20頁/共97頁圍巖中的應(yīng)力與礦體傾角的關(guān)系

第21頁/共97頁1、按孔的應(yīng)力集中理論分析采場地壓

埋深大，巖層均勻連續(xù)并可視為彈性體時，采場應(yīng)力分布可按彈性力學(xué)中，圓孔應(yīng)力集中解分析。第22頁/共97頁2、頂板應(yīng)力分布計算模型例如：用彈性力學(xué)方法研究在中房柱法頂板中應(yīng)力分布假設(shè)：（1）巖石為均質(zhì)各向同性彈性介質(zhì)；（2）礦床走向長度較大，長度L與開采深度H之比大于1.5，即L/H>1.5；（3）礦柱間距相等；（4）將采場上部厚度為h的巖層視為頂板，且h≥l(l為礦房寬度之半）；（5）作用于頂板上的荷載均勻分布。第23頁/共97頁3、頂板中應(yīng)力區(qū)劃分第24頁/共97頁1、拉應(yīng)力區(qū)2、壓應(yīng)集中區(qū)3、卸壓區(qū)：該區(qū)水平應(yīng)力σx和垂直應(yīng)力σy均較開采前低，處于卸壓狀態(tài)（免壓拱或稱卸壓拱）。卸壓區(qū)的巖體由于自重作用及彈性恢復(fù)，將向空區(qū)移動，使頂板巖層下沉，巖體冒落或產(chǎn)生沉間離層現(xiàn)象。4、壓縮區(qū)：垂直應(yīng)力σy比開采前降低，水平應(yīng)力σx比開采前升高，是拱形承壓帶的拱橋，起著引導(dǎo)原巖垂直應(yīng)力向空區(qū)兩壁傳遞的作用。第25頁/共97頁4、應(yīng)用梁理論分析上覆巖層的應(yīng)力及其穩(wěn)定性

當(dāng)埋深淺，開采空間跨度較大（L>2H），上覆巖層整體性好，可當(dāng)作彈性梁看待時，可采用材料力學(xué)中的梁理論進行分析。（1）D.F.科次用下式驗算頂板中最大拉應(yīng)力

式中：γ——上覆巖層重度；λ——原巖應(yīng)力場側(cè)壓力系數(shù)；H——上覆巖層厚度；L——開采空間跨度。第26頁/共97頁

(2)層狀巖體頂板應(yīng)力分析

近水平巖層中開采矩形洞室后，隨著頂板向空區(qū)下沉，巖層間將會產(chǎn)生離層現(xiàn)象。各層次生應(yīng)力分布可近似采用梁理論。計算時，分別取各層的厚度hi作為梁的高度，γihi為梁的自重荷載。

分析可知：只要層厚小于該層懸露跨度的一半，就可能產(chǎn)生離層現(xiàn)象。第27頁/共97頁

(3)矩形開采空間長寬比對頂板應(yīng)力影響式中：L——矩形板的寬度（采場跨度）；h——板的厚度；p——單位面積上施加的荷載。K——應(yīng)力計算系數(shù)，隨l/L變化；l/L=1,1.5,2,3,∞K=0.280,0.487,0.610,0.713,0.750

對l/L≤2～3的開采空間，可近似采用矩形簡支板分析，頂板最大拉應(yīng)力可按下式估算：第28頁/共97頁三、覆蓋巖層的變形和破壞1、空區(qū)覆蓋巖層的變形和破壞規(guī)律

由于空區(qū)巖體變形破壞的結(jié)構(gòu)，在覆蓋巖層中將形成三個不同的地帶：（1）冒落帶（2）裂隙帶（3）彎曲帶第29頁/共97頁（1）冒落帶

緊靠礦體上方的覆蓋巖層由于破碎而呈拱形冒落向上發(fā)展。冒落高度與礦體開采厚度、巖石碎脹性及可壓實性、采動范圍、巖體強度、空區(qū)有無充填等有關(guān)，一般為礦體厚度（W）的2～6倍。第30頁/共97頁（2）裂隙帶

該帶巖體變形較大，巖層沿層理開裂形成離層，在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生垂直巖層的裂隙。若有水，則可從裂隙滲入，威脅空區(qū)。水體下開采必須使采動形成的裂隙帶位于不透水層之下，即不破壞水系與礦體之間的不透水層方可進行回采。裂隙帶的高度約為礦體厚度的9～28倍。水系不透水層裂隙帶采空區(qū)第31頁/共97頁（3）彎曲帶

整體移動帶，僅出現(xiàn)下沉彎曲，不出現(xiàn)裂隙，保持了巖體原有的整體性。如果該帶內(nèi)有構(gòu)造斷裂存在，巖層可能沿構(gòu)造斷裂出現(xiàn)較大的移動，使井巷或建筑物受到破壞。彎曲帶高度隨巖性而異，一般當(dāng)巖層脆而硬時，彎曲帶高度約為裂隙帶高度的3～5倍；巖體軟而具有塑性時，約為裂隙帶高度的數(shù)十倍。第32頁/共97頁（4）地表下沉盆地與下沉值

隨著彎曲帶的緩慢下沉，地表也逐漸下沉，位于空區(qū)中央上方的地表下沉值最大，空區(qū)周圍上方地表下沉值漸次減小，從而形成一個下沉盆地。下沉盆地的形態(tài)，視開采面積與開采深度的相對大小不同而異。第33頁/共97頁

未充分采動當(dāng)開采面積相對較小，采空區(qū)寬度（走向或傾向）：L<(0.9～2.2)H(H為開采深度），盆地呈碗狀；L<(0.9～2.2)H

盆地呈碗狀；

充分采動：當(dāng)開采面積相對較大，采空區(qū)寬度（走向或傾向）：L>2.2H，盆地呈平底狀。L>2.2H，盆地呈平底狀第34頁/共97頁

下沉系數(shù)η：最大下沉值wmax與對應(yīng)的礦體厚度M之比。采空區(qū)處理方法下沉系數(shù)η常用值崩落圍巖0.6～0.80.7削壁帶狀干式充填0.6～0.80.7外運材料干式充填0.4～0.50.5水砂充填0.06～0.200.15水砂充填，帶狀部分開采0.020.02膠結(jié)充填0.02～0.050.02第35頁/共97頁不同傾角礦體的覆蓋巖層冒落帶和裂隙帶高度

不同傾角礦體的覆蓋巖層冒落帶和裂隙帶高度示意圖

1、裂隙帶；2、冒落帶第36頁/共97頁2、地表塌陷及崩落角和移動角

礦體埋深較大，冒落帶、裂隙帶一般不會到地表，只在地表形成一個下沉盆地。若礦體埋藏淺，開采深度淺時，則會冒落到地表，形成塌陷坑。第37頁/共97頁（1）地表塌陷盆地第38頁/共97頁（2）崩落角和移動角

根據(jù)地表變形破壞程度，可將移動盆地劃分為崩落區(qū)和變形區(qū)。

崩落區(qū)——地表開裂，發(fā)生劇烈變形和破壞。變形區(qū)——地表只發(fā)生變形并未受到嚴重破壞。

移動角——指用儀器測出的地表移動邊界線至井下采空區(qū)下部邊界線的連線與水平面所成的夾角。

崩落角——指地表開裂區(qū)的最邊緣裂隙至井下采空區(qū)下部邊界線的連線與水平面所成的夾角。第39頁/共97頁

一般上盤崩落角β0約小于下盤崩落角α050～100。礦體走向方向的崩落角常用δ表示,盲礦體上端的下盤崩落角常用γ表示。

對于巖性堅硬而脆的巖層，崩落角和移動角差別較小，只相差50～100。第40頁/共97頁第41頁/共97頁（3）影響崩落角的因素

巖體性質(zhì)——堅硬，崩落角大（650～750或更大）；軟巖，崩落角小，表土約450。

結(jié)構(gòu)面分布——若結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與空區(qū)構(gòu)成有利于滑動關(guān)系時，巖體可沿此面滑動。

采礦方法——深孔爆破比淺孔爆破對上覆巖層破壞震動大，崩落角小；重復(fù)采動，崩落角?。?/p>

空區(qū)處理方法——空區(qū)及時充填且密實，崩落角大；

開采深度及走向長度——在充分采動條件下，上盤崩落角常隨開采深度的增大而變小。但當(dāng)開采深度進一步增加時，崩落角將有所增大。第42頁/共97頁

在近地表開采，崩落廢石充滿空區(qū)，起到支承上盤控制巖移作用，崩落角大；采深增大，崩落廢石不足以充滿空區(qū)，上盤巖移向外擴展，使崩落角減小；但當(dāng)開采深度進一步增加時，受走向兩端巖體夾制作用增大，崩落角將有所增大。采深進一步加大，頂板崩落成拱形而出現(xiàn)懸頂現(xiàn)象。第43頁/共97頁

根據(jù)統(tǒng)計資料和實驗室模擬實驗結(jié)構(gòu)分析表明：對于傾角小于600的走向長度為700～2500m的礦體，上盤巖體將發(fā)生定期崩落；

走向長度為270～700m的礦體，隨開采深度增加，上盤巖體將發(fā)生懸頂（頂板崩落成拱形），地面形成的崩落區(qū)范圍將固定不再向外擴展。走向長度小于230m礦體開采時，僅發(fā)生局部冒落。開采走向長度小的礦體（<270～350m)，隨開采深度增加到一極限值，上盤巖體將發(fā)生懸頂。當(dāng)?shù)V體傾角大于600時，不僅上盤巖體發(fā)生移動，下盤巖體也將發(fā)生移動。第44頁/共97頁3、地表移動與地表建筑物保護

地表下沉（W)——地表某點垂直位移分量。地表傾斜——地表下沉盆地沿某一方向的坡度，其平均值以兩點間的下沉差除以兩點間的水平距離，即地表水平移動（u)——地表某點的水平位移分量。第45頁/共97頁3、地表移動與地表建筑物保護

地表曲率——地表下沉盆地剖面線的彎曲程度，其平均值以相鄰兩線段傾斜差除以兩段地表水平距離的平均值，即第46頁/共97頁3、地表移動與地表建筑物保護

地表水平變形（ε）——地表移動盆地內(nèi)，兩點間水平移動差與該兩點距離的比值，即第47頁/共97頁3、地表移動與地表建筑物保護

臨界變形值——無需維修就能保持建筑物正常使用所允許的地表最大變形值。安全開采深度——當(dāng)開采深度超過某一臨界值時，巖移將不波及地表，或地表最大下沉值<20mm時，建筑物將不會出現(xiàn)破壞，通常將此開采深度稱為安全深度。第48頁/共97頁3、地表移動與地表建筑物保護

各級建筑物所允許的變形值保護級別建筑物類型傾斜（mm/m）

曲率（1X103/m）水平變形（mm/m）Ⅰ豎井、水庫、5層以上樓房40.22Ⅱ通風(fēng)井及風(fēng)機房、空壓機房、鐵路60.44Ⅲ機修廠、輔助建筑物、架空索道80.66第49頁/共97頁3、滑坡及滾石

這是一種特殊的地表移動，一般發(fā)生在山坡陡，距空區(qū)近的地表。由于采動波及地表，常常造成陡坡失去平衡，出現(xiàn)滑坡及滾石。（1）滑坡形成：采動影響產(chǎn)生的破碎帶，使山坡巖體抗剪強度降低，巖體可能沿弱面破壞，并在自重作用下沿滑移面整體下滑。

防治措施：削坡減載，消除隱患，或充填空區(qū)，或砌筑攔石壩等。第50頁/共97頁（2）滾石形成：采動造成地表塌陷及巖石崩落，使完整巖石破裂成塊體，從而易沿陡坡滾下。防治措施：充填空區(qū)以控制地表巖移范圍，避免地表巖體破壞；建筑物不設(shè)計在滾石威脅的范圍內(nèi)或遷出；控制回采順序，使巖層移動朝著不損壞建筑物一側(cè)發(fā)展，可使?jié)L石落入預(yù)定空區(qū)；砌筑攔石壩，導(dǎo)向槽等。3、滑坡及滾石

第51頁/共97頁§7-3采場地壓假說

一、卸壓拱假說（適用于破碎巖體）拱形：拱高：

卸壓拱上方巖體重力通過拱腳向兩側(cè)傳遞，在采空區(qū)兩側(cè)形成支承壓力區(qū)，拱內(nèi)巖體處于卸壓狀態(tài)。作用在采空區(qū)支護上的荷載只是卸壓拱內(nèi)巖體的重量，因而它只與拱形和拱內(nèi)巖體重度有關(guān)，而與開采空間距地表的深度無關(guān)。第52頁/共97頁二、覆蓋巖層總重假說

本假說認為：水平或傾斜礦體中，開采空間內(nèi)礦柱或人工支撐物所承受的荷載是其上方直達地表的巖柱的重力。設(shè)礦房1寬度為a,礦柱2寬度為b,礦房長度為L，則礦柱2承受的荷載為P:第53頁/共97頁三、外伸懸臂梁及緩慢下沉假說（長壁采礦法）

直接頂：層狀巖體撤除支架以后能及時冒落的頂板巖層，稱為直接頂。老頂：直接頂上方不易冒落的巖層稱為老頂?shù)?4頁/共97頁

外伸懸臂梁假說認為：用長壁法開采，采場初次放頂后，直接頂可視為懸臂梁。其一端與采場前方巖體連接，另一端呈懸臂狀態(tài)。懸臂梁主要靠自身與固定端巖體的連接力來維持其穩(wěn)定。采場支架的作用在于阻止懸伸巖層出現(xiàn)離層和松脫，控制裂縫發(fā)展，阻止在回采期間冒落。第55頁/共97頁

為了安全，防治懸伸頂板意外冒落，減小懸臂梁長度，減緩支架壓力，工作面推進一定距離后，拆出若干排支架，使直接頂板懸伸部分崩落。每次崩落的距離稱為“放頂距”。一般放頂距可取1.5～7m。

老頂巖層的壓力，一部分傳給前方形成支承壓力，一部分傳至采后崩落巖體上，形成后支承力。隨時間推移，老頂逐漸下沉，斷裂，引起新的地壓活動，使采場地壓增大。以后每隔一段時間，工作面每推進一段距離，老頂巖層出現(xiàn)一次斷裂，這種因老頂周期性斷裂引起的采場周期性地壓活動稱為“周期來壓”或“二次地壓”，由直接頂板施加于支架上的壓力稱為“初始地壓”。直接頂板越薄越易冒落，老頂越堅固，則周期地壓越明顯劇烈。第56頁/共97頁

緩慢下沉假說認為：開采厚度不大的水平或緩傾斜礦體，如頂板為塑性巖層，則工作空間上部巖體不發(fā)生折斷而整體緩慢下沉。采場支架主要承受頂板下沉的變形壓力。第57頁/共97頁四、滑動棱體假說

適用于急傾斜厚大礦體。該假說認為：開采空間結(jié)構(gòu)所承受的荷載（房間礦柱荷載）是其所支承的頂板滑動棱體的下滑力。第58頁/共97頁設(shè)：Q為滑動棱體ABCD沿走向單位長度的重力；

R上為上部松散楔體DCE的作用力的合力；

R下為滑動面AB下部巖體的支承反力與摩擦阻力的合力；p為房間礦柱對每單位長度滑動棱體的反力。平衡條件下，由力三角形可得：式中φ為巖體的內(nèi)摩擦角。第59頁/共97頁

滑動棱體對礦柱的作用力與p等值反向，則礦柱受滑動棱體荷載作用產(chǎn)生的平均應(yīng)力為σav:式中：a,b—分別為礦房和礦柱的寬度；L—滑動棱體厚度。要保證礦柱穩(wěn)定，則：σc

為礦柱許用抗壓強度。第60頁/共97頁§7-4開采空間極限跨度及礦柱、充填體的受力分析

一、開采空間極限跨度

1、極限跨度Lmax：在保持穩(wěn)定的前提下，開采空間允許的最大跨度稱為極限跨度。

2、影響極限跨度的因素：巖性、開采深度、上覆巖層重量、暴露面傾角、暴露時間以及開采空間尺寸等。巖性軟弱，Lmax小；采深越大，覆蓋巖層作用在暴露面上的壓力越大，暴露面傾角越平緩，暴露面時間越長，則Lmax越小。采空區(qū)長度與跨度相接近時，Lmax較大；增大采空區(qū)長度，則Lmax較小。第61頁/共97頁

實踐表明：當(dāng)開采空間長度B較大（大于跨度L

3倍以上,即B/L>3），頂板暴露面的穩(wěn)定性取決于其跨度；開采長度不大（B/L<3的矩形采場），其穩(wěn)定性視暴露面積(A=LB)而定.第62頁/共97頁3、求極限跨度Lmax

（1）按梁理論導(dǎo)出的頂板拉應(yīng)力與跨度的關(guān)系：

式中：γ——上覆巖層重度；λ——原巖應(yīng)力場側(cè)壓力系數(shù)；H——開采深度；[σt]——頂板巖層許用抗拉強度。

將σt換成[σt]則可推出Lmax.對淺埋礦體（采深H<跨度L）且上覆巖體為整體時，由上式得出Lmax：第63頁/共97頁

某些模型得出的經(jīng)驗公式與上式具有相似性。如

經(jīng)驗表明：多裂隙的極限跨度約為無裂隙的0.6～0.7倍。

式中：k=|H-100|為考慮到拉應(yīng)力集中系數(shù)隨深度不同所作的修正系數(shù)。上式也適用于深埋礦體。3、求極限跨度Lmax第64頁/共97頁二、礦柱受力分析

1、緩傾斜礦體礦柱穩(wěn)定性分析（1）礦柱類型緩傾斜礦體采用空場法開采時，礦柱有兩種類型：寬大的連續(xù)條帶式礦柱；不連續(xù)的圓形或矩形截面礦柱。（2）選擇礦柱形狀及尺寸的原則從維護穩(wěn)定性考慮，礦柱間距應(yīng)小于采場的極限跨度，礦柱本身的斷面尺寸應(yīng)滿足強度要求。礦柱形狀及尺寸選擇既要能維護采場穩(wěn)定，又要使礦石回采率最高。第65頁/共97頁

礦柱設(shè)計不合理，會影響整個采場的穩(wěn)定。若尺寸過小，一旦被壓垮，會引起連鎖反應(yīng)。例如，4號礦柱被壓垮，其承載力轉(zhuǎn)移給相鄰的3、5號礦柱，導(dǎo)致3、5礦柱破壞；3、5礦柱破壞后，2、6礦柱額外承擔(dān)了3、5礦柱擔(dān)負的荷載，則也可能產(chǎn)生破壞。第66頁/共97頁（3）礦柱應(yīng)力分析

礦柱應(yīng)力的影響因素：原巖應(yīng)力、開采深度、采空區(qū)形狀、礦體傾角、相鄰采場開采情況等。第67頁/共97頁礦房寬度a及個數(shù)n對礦柱應(yīng)力分布等影響

礦房寬度a越大，礦柱應(yīng)力集中系數(shù)kc越大，礦房個數(shù)n增加，礦柱應(yīng)力集中系數(shù)略為增大。b為礦柱寬度。礦房寬度a對礦柱應(yīng)力分布影響礦房個數(shù)n對礦柱應(yīng)力分布影響第68頁/共97頁礦柱內(nèi)部應(yīng)力分布橫向壓應(yīng)力橫向拉應(yīng)力軸向應(yīng)力橫向拉應(yīng)力橫向拉應(yīng)力第69頁/共97頁（4）礦柱平均應(yīng)力σav與礦柱圍巖變形特性的關(guān)系A(chǔ)、礦柱平均應(yīng)力

為簡便起見，礦柱平均應(yīng)力常按覆巖總重與面積存載理論計算。式中：Q——礦柱所受荷載；

Ap、Am——礦柱橫截面積，礦房開采面積；

γ,

h——上覆巖體重度和開采深度。第70頁/共97頁礦石回采率：則：

即建立了礦柱平均應(yīng)力與原巖應(yīng)力和回采率的關(guān)系?？梢?，采深h越大，σv越大，σav越大；礦柱留得越多，即回采率η越低，礦柱受的應(yīng)力σav越小。令：則礦柱平均應(yīng)力：第71頁/共97頁B、礦柱平均應(yīng)力σav與礦柱圍巖變形特性的關(guān)系

按上式計算出的σav可以認為是上限，實際應(yīng)力需視圍巖和礦柱變形協(xié)調(diào)關(guān)系而定。若礦柱剛度小，易壓縮，則所承受的荷載就??；若圍巖與礦柱的變形速度不一，圍巖下沉較快而礦柱壓縮變形相對較慢，則礦柱所承受的荷載增大，反之，礦柱可能卸載。第72頁/共97頁（5）礦柱破壞機理及破壞形式

礦柱破壞機理與巖石單軸壓縮實驗類似。常見的破壞形式有三種：（a)貫通性剪切破壞；(b)剪切剝離破壞；(c)橫向膨脹及縱向劈裂。

礦柱在外荷載作用下達到其極限值時雖出現(xiàn)破裂，但其發(fā)展結(jié)果有兩種趨勢：破壞不再發(fā)展，礦柱保持穩(wěn)定，利用殘余強度支承地壓；破壞繼續(xù)發(fā)展，直至喪失穩(wěn)定，殘余強度不足以支承地壓。第73頁/共97頁（6）礦柱設(shè)計與驗算

礦柱強度條件：

注意：Rc是根據(jù)礦柱標準試件的單向抗壓強度σc并考慮下列影響因素推斷得出：式中：σav——礦柱平均應(yīng)力；

Rc——礦柱抗壓強度；[σc]——礦柱許用應(yīng)力；

n——安全系數(shù)，支承礦柱n=2～3；盤區(qū)礦柱n=3～5。第74頁/共97頁B、承載時間對強度的影響：由于流變效應(yīng)使強度降低，故應(yīng)取長期強度作為礦柱強度；C、尺寸對強度的影響：礦柱尺寸大，含裂隙等原因，強度降低。設(shè)計時安全系數(shù)應(yīng)大于1；D、弱面的影響；E、爆破作業(yè)的影響。式中：σc——礦柱標準試件的單向抗壓強度；

Rc——礦柱抗壓強度；B——礦柱寬度；

h——礦柱高度。A、幾何形狀及高寬比對強度的影響：第75頁/共97頁2、急傾斜或傾斜厚礦體礦柱計算

按滑動棱體假說進行礦柱穩(wěn)定性計算。第76頁/共97頁

滑動棱體對礦柱的作用力與p等值反向，則礦柱受滑動棱體荷載作用產(chǎn)生的平均應(yīng)力為σav:式中：a,b—分別為礦房和礦柱的寬度；L—滑動棱體厚度。要保證礦柱穩(wěn)定，則：σc

為礦柱許用抗壓強度。第77頁/共97頁三、充填體的力學(xué)效應(yīng)1、松散充填體：水砂、碎石、尾砂、爐碴等力學(xué)特點：松散、粘結(jié)力非常小，顆粒間的連結(jié)主要靠摩擦力和微弱的粘結(jié)力（毛細管表面的張力和松散料中含有的膠結(jié)物質(zhì)所構(gòu)成），強度低，但被壓實后，能起一定的支承作用，能有效限制圍巖移動和地表下沉。第78頁/共97頁2、膠結(jié)充填體膠結(jié)充填體：在散料（水砂、碎石、尾砂、爐碴等）中加入膠結(jié)劑或低標號水泥形成膠結(jié)物，來充填空區(qū)。力學(xué)特點：具有一定的粘結(jié)力，其強度較松散充填體高，力學(xué)性能更好，能更有效限制圍巖移動和地表下沉，維護圍巖穩(wěn)定?？捎媚z結(jié)充填體作為人工頂?shù)字烷g柱，以提高礦石回收率。膠結(jié)充填體的抗壓強度為2～6MPa，彈性模量為98～980MPa，與圍巖相比仍很低，所以，它對圍巖的限制和地壓的控制作用仍有限。第79頁/共97頁3、充填體對地壓的控制作用充填材料性質(zhì)對采場應(yīng)力分布的影響：第80頁/共97頁(1)改善圍巖和礦柱的應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖和礦柱的自支承能力。

根據(jù)莫爾－庫倫理論，在三向應(yīng)力狀態(tài)下，礦柱強度σ1c為：（2）限制圍巖崩落及裂隙擴展，控制地表下沉。

式中σa為充填體施加于礦柱的側(cè)壓力,與充填材料的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)；σc為礦柱單向抗壓強度。第81頁/共97頁4、充填體的承壓作用原巖應(yīng)力狀態(tài)回采礦房形成人工礦柱礦柱開采，人工礦柱受力第82頁/共97頁§7-5采場地壓的控制方法

一、改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)

1、合理確定采場斷面形狀及礦房、礦柱尺寸例如，在自重應(yīng)力場中用空場法開采，留傾斜礦柱比水平礦柱更合理。第83頁/共97頁2、確定合理的礦塊開采順序

利用礦房礦柱間隔回采的方法，能大大減輕地壓。礦房礦柱尺寸選取得當(dāng)，可形成免壓拱，在免壓拱下回采則較為安全。第84頁/共97頁3、確定合理的礦體開采順序

（1）在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地段先回采高應(yīng)力礦塊。（2）自斷層下盤后退式回采。礦體被斷層錯斷后，斷層下盤礦體的回采順序不同時，地壓顯現(xiàn)也不同。

后退式回采應(yīng)力降低區(qū)前進式回采應(yīng)力集中區(qū)第85頁/共97頁4、合理布置采場

回采空間長軸方向應(yīng)盡可能與礦體最大主應(yīng)力方向一致。

沿最大主應(yīng)力方向掘進

垂直最大主應(yīng)力方向掘進第86頁/共97頁二、支承與加固圍巖

回采不穩(wěn)固礦體時，常用人工方法支護工作面，防止冒落。例如架設(shè)支架，錨桿、錨索和噴射混凝土等。三、充填

利用充填體處理空區(qū)，改善圍巖和礦柱受力狀態(tài)，增強圍巖穩(wěn)定性及礦柱強度，以阻止圍巖冒落，緩解地壓顯現(xiàn)，減小地表下沉。四、崩落崩落巖體處理空區(qū)，可緩解或消除因空區(qū)存在而引起的地壓顯現(xiàn)，降低或消除采場附近巖體中和支承壓力。第87頁/共97頁§7-6沖擊地壓（巖爆）及其控制

一、概述

1、沖擊地壓（巖爆）：在深井開采或在構(gòu)造應(yīng)力很高的地區(qū)開采時，采空區(qū)周圍巖體（處于極限應(yīng)力狀態(tài)）突然發(fā)生爆發(fā)式破壞現(xiàn)象，猶如炸藥爆炸，巖體彈射、震動，大量巖塊拋出，并伴有巨大聲響和氣浪，這種地壓現(xiàn)象稱為沖擊地壓。沖擊地壓是巖體發(fā)生脆性破壞的一種動力現(xiàn)象。第88頁/共