上覆岩层运动与矿山压力及其显现的关系
矿山压力与岩层控制分析PPT课件
不能对采场上覆岩层的结构状态作出更全面的描述。
18.01.2021
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Ground Pressure and Strata Control
(2)“预生裂隙梁”假说低应力区 高应力区 假塑性变形区
12
3
Ⅱ
Ⅲ
Ⅰ
σ1
σ3
σ3
σ1
优点:煤层超前破坏以及临近采场的部分岩层出露前可能预先产生 裂隙这一点,已经为实践所证实。
②假说没有正确的揭示采场支架与围岩间的力学关系, 无法解释采场支架上显现的压力往往与支架本身力学特性有 关的现象。
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绪论
Ground Pressure and Strata Control
1.3.2掩护“梁”假说 ①采场是在一系列“梁”的掩护之下。这些梁在冒落前能将
人数所占比重超过30%以上,每年顶板事故影响的产量约占总产量的5%,
达到3000万t至4000万t的巨大数字。
40%
60%
35%
50%
30%
40%
瓦斯 25%
30% 20%
顶板 20%
水
15%
运输
10%
其它 10% 5%
瓦斯 顶板 水 运输 其它
0% 2004
2005
0% 2004
2005
图1.1 中国煤矿安全事故比例
关键层定义:在采场上覆岩层中存在多个岩层时,对 岩体活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层 。
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绪论
第4章矿压显现与上覆岩层运动间的关系
4.1 回采工作面矿山压力显现与上覆岩层运动间的关系采动过程中,矿山压力显现的基本形式包括围岩的明显运动产生的位移和支架受力等。
矿压显现产生的根源在于上覆岩层运动。
3.4.1 围岩变形、破坏与垮落围岩变形、破坏与垮落包括两帮、顶板和底板三个部位。
这里只重点介绍顶板垮落。
3.4.1.1直接顶的初次垮落长壁工作面从开切眼开始采煤后,直接顶跨度不断增加,其弯曲下沉也不断增加。
一般在直接顶跨距达6m~20m后,发生初次垮落。
当直接顶垮落高度达到1m以上、垮落长度达工作面长度一半以上时,就叫做直接顶初次垮落。
直接顶初次垮落时自开切眼到支架后排放顶线的距离叫做初次垮落步距,如图3-13所示。
图3-13 直接顶初次垮落直接顶初次垮落又称工作面初次放顶。
直接顶初次垮落步距是衡量顶板完整程度的重要指标。
直接顶的初次垮落现象是一种典型的矿压显现。
3.4.1.2基本顶初次来压如果直接顶垮落后不能填满采空区,基本顶把自身及上位岩层的重量都加到工作面周围的煤柱上,工作面支架感觉不到基本顶的压力。
随着回采工作面的推进,基本顶逐渐弯曲下沉,当达到极限跨距时断裂下沉。
这时工作面顶板下沉加快,煤壁片帮严重,支架受力增大,甚至发生顶板的台阶下沉。
这就是回采工作面开采以来基本顶初次断裂,使工作面支架承受较大的静载荷或冲击载荷,这种矿山压力显现叫做基本顶初次来压,如图3-14所示。
基本顶初次来压时,由开切眼到工作面煤壁的距离叫做基本顶的初次来压步距,一般为20~50m。
(a)(b)图3-14 基本顶初次来压3.4.1.3基本顶周期来压基本顶初次来压后,随着工作面的继续推进,基本顶呈周期性断裂与下沉,工作面周期性出现顶板下沉加快、煤壁严重片帮、支架受力增大以及顶板台阶下沉等。
这种由于基本顶周期性断裂引起的矿山压力显现叫做基本顶周期来压,如图3-15所示。
相邻两次基本顶周期来压的平均距离,即基本顶周期断裂的平均值叫做基本顶周期来压步距。
一般为基本顶初次来压步距的1/2~1/4。
采场围岩支承压力及矿压显现与上覆岩层运动间的关系
第二阶段:从煤壁支承能力开始改变起,到基本顶岩梁端部断裂前为止。
X0
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矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 Ground Pressure and Strata Control 第三阶段:从基本顶岩梁端部断裂起至岩梁中部触矸止。 支承压力分布随基 本顶岩梁“显著运动” 的发展而明显变化。
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矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 Ground Pressure and Strata Control
采场进入正常推进阶段后,支承压力分布的主要特点是伴随着上覆岩层的 周期性运动而呈周期性变化,其变化的一般规律如下图所示。
(a)
(b)
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工作面推进和岩梁回转运动加速内应力场中的压力高峰向煤壁方向转移以及 外应力场中应力向纵深扩展(如图(d)中曲线1所示状态),直到岩梁触矸 压力降低到最小值即图(d)中曲线2所示状态为止。
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矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 Ground Pressure and Strata Control
y mi i mi i Li Cix
i 1 i 1
n
n
(4.1)
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矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 Ground Pressure and Strata Control 煤壁前方各处的支承压力都可以看成由两部分组成:
4.1.2 采场支承压力分布的基本规律
Ⅰ-工作面前方应力变化区; Ⅱ-工作面控顶区; Ⅲ-垮落岩石松散区; Ⅳ-垮落岩石逐渐压缩区; Ⅴ-垮落岩石压实区;
带目录完美版《矿山压力与压力控制》课后习题答案
目录第0章绪论 (1)第1章矿山压力与矿山压力显现 (6)第2章采场上覆岩层运动和发展的基本规律 (7)第3章采场围岩支承压力及矿压显现与上覆岩层运动间的关系 (10)第4章回采工作面顶板控制设计 (14)第5章综采放顶煤采场矿压控制 (16)第6章矿柱支护采矿法的岩体控制 (20)第7章回采巷道矿压理论 (21)第8章冲击地压及其监测 (35)矿山压力与压力控制习题第0章绪论1、顶板事故频繁发生的基本原因是什么?答:顶板事故频繁发生的基本原因是:(1)没有很好地研究和掌握各个具体煤层需要控制的岩层范围及其运动的规律(包括运动发生的时间和条件等),顶板控制设计缺少基础;2)没有深入地研究和掌握各种类型支架的特性,特别是在生产现场所能达到的实际支撑能力。
没有解决好针对具体煤层条件选好和用好支护手段方面的问题;3)没有更好地揭示支架与顶板运动间的关系,达到正确合理的选择控制方案。
2、矿山压力与岩层控制研究的主要任务是什么?答、矿山压力与岩层控制研究的主要任务为:(1)研究随采场推进在其周围煤层及岩层中重新分布的应力(包括应力大小及方向等)及其发展变化的规律。
该应力的存在和变化是煤及岩层变形、破坏和位移的根源,也是采场及周围巷道支架上压力显现的条件。
搞清分布在煤层及各个岩层上的应力状况,揭示它们随采场推进及岩层运动而变化的规律,是采场矿山压力研究的重点。
(2)研究采场支架上显现的压力及其控制方法。
包括压力的来源、压力大小及与上覆岩层运动间的关系、正确的控制设计方法等。
(3)研究在采场周围不同部位开掘和维护的巷道的矿山压力显现及其控制办法。
包括不同时间开掘的巷道压力的来源、巷道支架上显现的压力大小及其影响因素、以及支架与围岩运动间的关系等。
(4)控制采动岩层活动的主要因素分析。
从十分复杂的采动岩层活动中建立采动岩层的结构力学模型,从而展开对采场顶板矿压、采场突水、岩层移动及地表沉陷规律等进行系统描述。
(5)深部开采时采场支承压力分布、岩层结构及运动特点、围岩大变形的控制机制等。
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其矿压显现规律
砌体梁结构为半拱式平衡结构。块体间依靠水平挤压力产
生的摩擦力平衡岩块的自重和上覆岩层传递的载荷。支架
的载荷(支护强度):
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
第一节 采煤工作面上覆岩层移动规律
四、裂隙带岩层的结构形式(矿压假说) (二)传递岩梁结构
图2-4 传递岩梁 结构模型
山东科大宋振骐院士提出。一组或几组基本顶的断裂岩 块的相互咬合,形成一种能向煤壁前方和采空区矸石上 传递力的结构,称为传递岩梁。支架承担岩梁的作用力 的大小,由其对岩梁运动的控制要求而定。位态方程如 下:
初次来压步距L:由开切眼到基本顶初次垮落时工作面推进的距离。 L与岩性、厚度、载荷有关。
统计数字:10~30m 54%; 30~55m 37.5%; >55m 8.5% 特殊的砂岩、砂砾岩顶板的初次来压步距可达100~160m。
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
四、支承压力及其显现
采煤工作面前后 方支承压力对工作面 矿压显现有着很大影 响。采煤工作面前方 支承压力依次为原岩 应力区、应力增高区、 应力降低区和应力稳 定区。
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
拱的一个支点在工作面前方的煤壁上,另一支点在采 空区已垮落的矸石上。工作面支架主要承受拱内部分岩石的 重量及拱运动时的附加载荷。
英国学者伊万斯提出了支架载荷计第算二章式采煤:工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
一.工作面矿压显现方式
由于采动作用促使围岩向已采动空间运动的力称为
第五章 采场矿山压力显现 与上覆岩层运动间的关系
采场矿山压力显现与上覆岩层运动间的关系
矿山压力研究的任务: 1、回采工作面顶板控制 2、回采工作面周围巷道控制 本章重点学习利用显现判断上覆岩层运动的方法以及支架与围 岩之间的力学关系。
第一节 采场支承压力分布的规律
一、支承压力及其显现 (一) 支承压力的概念 煤(矿)层采出后,在围岩应力重新分布的范围内,作用 在煤(岩)层和矸石上的垂直压力。 支承压力包括高于和低于原始应力的整个区间。 支承压力来源于重量。 在单一自重应力场条件下,若煤(岩)层水平赋存,则其支 承压力的分布见图所示:
结论:在既定开采条件下,煤岩层上的支承压力分布与工作面巷 道中的显现,以及两者之间的关系等都是由上覆岩层的状态和煤 岩体本身各部位支承能力决定。
二、采场推进过程中支承压力发展规律
(一)、初次运动阶段
支承压力分布与显现变化划分为三个阶段: 第一阶段:采场开始推进到煤壁支承能力改变之前。 煤体特点:煤体没有破坏,弹性压缩。 压力分布:一条高峰在煤壁上的单调下降曲线。(负指数)。 显现分布:与压力分布曲线相同。 即煤壁没有进入塑性状态,各岩梁的跨度相等,同一位置的传递系 数相同,则压力公式可简化为:
y mii (1 LCx) KxH
1 bx
第二阶段:从煤壁支承能力改变到老顶岩梁端部断裂前为止。 煤体特点:煤体支承能力降低,老顶岩梁的离层发展,其 作为载荷与传递上部岩重的作用发生变化。 压力特点:塑性区(包括煤体已完全破坏部分)压力逐渐 上升。弹性区内则单调下降,其压力高峰在交界处。 显现特点: 总体仍为单调下降曲线,但是具体讲则是塑性 区内与压力分布相反,弹性区内与压力分布相同。 在极限平衡状态下得到塑性区支承压力表达式:
(二)走向(推进方向)与两侧支承压力分布发展规律的关系 1、两个方向上单一弹性分布存在的时间,即塑性区及出现塑 性区时工作面推进的位置都相同。 2、尽管老顶断裂在两个方向上略有先后,但其发展进程和出 现的时间却是同步的。(任何方向超前支承压力显现都可 以作为顶板来压的依据) 3、与推进方向相比的最大差距 (1)侧向不存在内应力场分布范围收缩的情况,外应力场
1采煤工作面上覆岩层移动及矿压显现规律 论文
采煤工作面上覆岩层移动及矿压显现规律摘要:在大多数情况下,矿压显现会给地下开采工作造成不同程度的危害。
为了使矿压显现不影响正常开采工作,保证安全生产,必须采用各种技术措施加以控制。
包括对采掘空间进行支护,对松软破碎的煤层进行加固,用各种方法使巷道或回采工作空间得到卸压,对采空区进行处理等。
此外,对矿压的控制不仅在于消除和减轻矿压对开采工作造成的危害,还包括有效地利用矿压为开采服务。
研究矿压显现规律及各种控制方法的基本目的,是为了保证生产安全和取得良好的经济效益。
关键词:采煤工作面支撑压力及其显现地质因素技术因素1.绪论煤炭是我国的主要不可再生资源,它是我国工业生产必不可少的一部分。
因此,研究如何采煤及煤与岩石的关系是十分重要的。
这篇文章主要是介绍采煤工作面上覆岩层移动及其矿压显现规律,采煤工作面的围岩构成,采动岩体破坏的基本形式,裂隙带岩层的结构形式,工作面得矿压显现方式,直接顶的运动规律,基本顶的运动规律,支撑压力及其显现,地质因素,技术因素。
采煤工作面与矿压是息息相关的,要想安全的采煤,把产量搞上去,我们必须去研究矿山压力,因为在矿山压力作用下,会引起各种力学现象,如顶板下沉、底板鼓起、巷道变形后断面缩小、岩体破坏散离甚至大量冒落、煤被积压产生片帮或突然抛出、支架严重变形或损坏、充填物受压缩以及大量岩层移动、地表发生塌陷等。
2.1采煤工作面的围岩构成在煤层或岩层中开掘巷道和进行回采工作,称为对煤层或岩层的“采动”。
采动后在煤层或岩层中形成的空间,称为“采动空间”。
直接位于煤层上方和下方的岩层分别称为煤层的顶板和底板。
根据顶底板岩层距煤层的距离和对回采工作的影响,煤层的顶、底板岩层可以分为伪顶、直接顶、基本顶和直接底。
2.1.1伪顶位于煤层之上,极易垮落的薄岩层称为伪顶。
2.1.2直接顶直接顶位于伪顶或煤层之上,具有一定的稳定性,移架或回采后能自行垮落的一层或数层岩层。
2.1.3基本顶位于直接顶之上较难垮落的厚层坚硬岩层称为基本顶。
矿山压力及其控制 回采工作面上覆岩层活动规律
Mx
qx L x
2
最大弯距发生在梁的中间, M max
qL2 8
。
隔离煤柱
4.2.2 老顶岩层的板式结构分析
随着回采工作面自开切眼开始推进,根据已采空面积的情况, 如华北地区的一般条件,回采工作面长150~200m,推进 30m左右,老顶岩层初次断裂。一般老顶岩层厚2~4m。按 照薄板的假设,其厚度(h)与宽度(a)的比值 h/a=1/7~1/15。因此,可视老顶岩层为薄板,当老顶与上部 岩层离层时更是如此。根据开采条件及边界煤柱大小,又可 将老顶岩层假设为四种情况:
显然,在同样条件下,由简支梁计算所得的极限跨距LlT 要比固定梁计算所得的小。
在一般情况下,由于弯距形成的极限跨距LlT要比剪切应 力形成的极限跨距Lls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
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
由于对称原因,∴ R1 R2 , M1 M 2 。
Fy
0 ,∴ R1
R2
qL 2
岩梁内任一截面 D D' 上的剪切力为:
Qx
R1
qx
qL 2
qx
qL 1 2
2x L
则最大剪力发生在梁的两端: qL
Qmax R1 R2 2
固定岩梁任意截面 D D' 的弯距为:
Mx
R1 x
老顶
直接顶 伪顶 煤层 直接底
底板
(2)伪顶(false roof):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。
(3)老顶(基本顶,main roof):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、 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。
上覆岩层在采煤工作面推进方向上的运动发展规律RTF 文件
上覆岩层在采煤工作面推进方向上的运动发展规律随着采煤工作面的推进,煤壁前方的支承压力及支架上显现的压力都在不断的变化,采煤工作面矿压显现的发展变化规律是由对其有影响的上覆各岩层的运动发展规律决定的,除岩层运动的纵向发展规律影响外,还受推进方向的发展规律所影响,因此必须进一步研究岩层运动在推进方向上的发展规律。
一、采煤工作面上覆岩层运动的发展阶段采煤工作面在推进过程中,由于上覆各岩层承受的矿山压力大小不同支承(约束)条件的差别,就其运动发展状态来说可分为初次运动和周期性运动阶段。
1、初次动动阶段从岩层由开切眼开始悬露,到对工作面矿山压力显现有明显影响的一两个传递岩梁初次裂断运动结束为止为初次运动阶段(图2-a、图2-b)。
其中包括直接顶岩层初次垮落和基本顶的初次来压。
该阶段岩层两端由煤壁支撑,其受力状态可视为两端嵌固梁。
采煤工作面各岩层初次运动在采煤工作面的压力显现称为初次来压。
由于任何岩层初次运动步距相对正常情况下的运动步距要大得多,因此初次来压运动来压面积大,强度高,并且可能伴随有动压冲击,在控制岩层运动和矿压显现时,一定要十分注意动压的冲击,以保证采煤工作面在初次来压期间的安全。
2、周期性运动阶段从岩层初次运动结束到工作面采完,顶板岩层按一定周期有规律的断裂运动,称为周期性运动阶段(图2-c、图2f)。
在此发展阶段,岩层的约束条件发生了根本性变化,直接顶岩层在采煤工作面里为一端固定的悬壁梁,直接顶上方各岩梁为一端由煤壁支承,另一端则为由采空区矸石支承的不等高的传递岩梁。
此时,运动步距较初次运动步距小得多。
岩层周期性运动在采煤工作面引起的矿压显现称为采煤工作面的周期来压。
这个阶段岩层的完整性比初次运动前差,运动步距又比较小,因此控制岩层运动和矿压显现和要求也不同。
当两种运动来压强度差别很大时,不仅要尽可能扩大推进方向上的距离,而且支架的选型和设计必须分别处虑。
显然,如果按初次来压设计和选择支架,周期来压阶段支架的阻力不能充分发挥,将带来较大浪费。
顶板压力规律
顶板压力一般规律一、矿山压力及其显现矿井在开采之前,煤岩体普遍受到重力的作用,各个方面的受力是平衡的,表现不出压力现象,这种状态称为采前“原始应力状态”。
矿井在生产期间,随着采掘工作的进行,形成一定的空间,使顶板岩石悬露,从而破坏了地层原有的平衡稳定状态,岩石开始移动,发生变形,这种岩石活动所产生的力,叫矿山压力.它包括岩石的重力,构造运动的残余力,以及岩层受温度变化和水的浸湿的膨胀力等。
一般矿井岩层的重力是主要的。
由岩层自重作用而形成的矿山压力,其大小与开采深度及开采后悬露的岩层面积和厚度成比例,其发展变化与上覆岩层的运动发展密切相联系。
在矿山压力的作用下,造成顶板下沉、破碎、支架压坏、片帮、煤体变形等现象,称为矿山的压力显现.矿山压力显现是矿山压力作用的结果。
矿山压力的存在是绝对的,采动就有,但矿山压力的明显显现是相对的、有条件的,这是因为:(一)岩层明显的运动只是在矿山压力值达到能促使岩体进入塑性破坏阶段之后,它取决于岩体受力的大小与岩体自身的强度。
(二)支护受力只有在围岩明显运动后才会发生,受力值的大小取决于对岩层运动的抵抗程度。
由于矿山压力的显现而导致冒顶,对煤矿安全生产造成严重威胁。
因此,我们应对矿山压力及其显现予以高度重视,采取有效的措施,加强顶板管理,防止冒顶事故的发生。
二、顶板压力的一般规律从顶板表现出来的矿山压力最为明显,所以通常叫“顶板压力",又叫支架支承压力,影响工作面顶板压力的因素很复杂,它的压力变化的一般规律是:(一)顶板暴露面积越大,压力越大。
反之,压力就较小。
(二)顶板暴露时间越长,压力越大.因为顶板悬露时间越长,下沉量越大,因而发生离层和破碎,顶板压力就显著增加。
反之,顶板压力就小。
(三)顶板越松软、破碎,压力越大。
(四)巷道越宽,顶板压力越大。
根据测定计算,顶板压力与巷道宽度的平方成正比,也就是说,巷宽扩大二倍,顶板压力就会扩大四倍.(五)护巷煤柱越小,巷道所承受的压力越大。
采煤工作面上覆岩层移动及其矿压显现规律32页PPT
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵, 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法, 总体上 来说, 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日,便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
3 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例,它们 迅速累 聚,进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
40、人类法律,事物有规律,这是不 容忽视 的。— —爱献 生
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做,明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生,以及整个命运 的,只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
矿山压力与岩层控制3
第七节 老顶断裂时在岩体内引起的扰动
老顶岩层可视为夹持在上下软岩层间的弹 性地基梁或弹性地基板,近似满足Winkler弹 性地基假定。 通过老顶弹性地基梁求解发现,在岩层断 裂时,老顶在部分区域岩层将发生“上升”, 而在另一部分区域老顶岩层对直接顶进一步 “压缩”。前者称为“反弹”现象,其区域 称“反弹”区;后者则称为“压缩”现象, 其区域称为“压缩”区。
3.由于垫层传递剪切力的能力较弱,因而两 层骨架间的联结能用可缩性支杆代替。
4.当骨架层的断裂岩块回转恢复到近水平位 置时,岩块间的剪切力趋近于零,此时的 铰接关系可转化为水平连杆联结关系。 5.最上层为表土冲积层,可将其视为均布载 荷作用于岩体结构上,而骨架层各岩块上 的载荷将随垫层的压实程度而变化。
第三章 采场顶板活动规律
第一节 几个概念 第二节 有关采场上覆岩层“大结构”的假说 第三节 直接顶的垮落
第四节 老顶的断裂形式
第五节 老顶的初次断裂步距
第六节 老顶断裂后的“砌体梁”结构及其S-R稳定
第七节 老顶断裂时在岩体内引起的扰动
第一节 几个概念
回采工作面(采场) 顶板 底板 采空区 采空区处理方法 伪顶 直接顶 老顶
老顶破断前后的力学模型
老顶破断的“反弹”与“压缩”现 象的意义:
利用在工作面上下巷道中的“反弹”与 “压缩”信息来预测老顶岩层的断裂和来 压。
一压力拱假说该假说认为由于岩层该假说认为由于岩层自然平衡的结果而形成自然平衡的结果而形成一个前拱脚支撑点一个前拱脚支撑点在工作面前方煤体在工作面前方煤体后后此假说认为工作面和采空区顶板可此假说认为工作面和采空区顶板可视为一端固定于煤壁前方岩体内另一端视为一端固定于煤壁前方岩体内另一端处于悬伸状态的梁悬臂梁弯曲下沉后处于悬伸状态的梁悬臂梁弯曲下沉后受到已垮落岩石的支撑当悬伸长度很大受到已垮落岩石的支撑当悬伸长度很大时发生有规律的周期性折断从而引起时发生有规律的周期性折断从而引起周期来压
传递岩梁假说
传递岩梁假说一、概述传递岩梁假说于1978年由山东科技大学宋振骐教授根据现场实测资料提出的。
该假说首先与众不同地建立了直接顶与老顶两个基本概念。
直接顶:在采空区已经冒落的岩层总和,由于它们不能长久地保持向煤壁前方传递力的联系,因此其作用力必须由支架全部承担。
老顶:由邻近采场的一部分传递岩梁组成,该部分岩梁的运动对采场矿压显现有明显的影响。
老顶岩梁的结构采用了“传递岩梁”的概念(右图),它包括下列含义:(1)该岩梁是由同时运动(或近似于同时运动),且对矿压显现同时有明显影响的岩层组合而成。
(2)该岩梁在采场推进过程中,无论是在相对稳定阶段,还是进入显著运动的阶段,都能在工作面推进方向上始终保持传递力的联系,从而能将其作用力传递至煤壁前方和采空区已冒落的矸石之上。
由于采场不断推进,采场矿山压力及其显现总是在不断发展变化之中。
因此,宋振骐教授建议研究的重点不仅是某一时刻瞬间值的大小,而是矿压的发展变化规律及其与上覆岩层运动的关系。
解决了这个问题,则能通过矿压显现推测上覆岩层的运动,预测采场来压的时刻和强度,解决开采设计,生产管理等问题。
二、对采场矿压显现有显著影响的岩层组成老顶中每一传递岩梁的厚度包括同时运动岩层的总和。
对于整体性较好的上42ESm2s?KECmc下两个岩层,其同时运动的条件由下式判定:式中,ES、ms――下部岩层的弹性模量和厚度; Ec、mc――上部岩层的弹性模量和厚度;k――考虑上下两层悬跨度差别的系数,强迫挠曲时K=1,自由挠曲时K=1.25。
1当工作面足够长时,传递岩梁(简称岩梁)第一次来压步L0为:2m2[?]L0?mk?k式中,[σ]――下部岩层的抗拉强度;m――下部岩层的厚度;mk――岩梁的全厚;γK――岩梁的平均容重。
岩梁的周期来压步距Ci为:?3Ci?1?9Ci2?1?4.8mk[?]Ci?6式中,Ci-1――岩梁前一次断裂步距。
若Ci-1=0,且令γK=2.5t/m3,则上式为:C?mK[?]3?K组成老顶的岩梁数可以通过现场实测来确定。
矿山压力与岩层控制
采动在煤或岩层中开掘巷道和进行回采工作称为对煤(或岩)层的“采动”。
采动空间采动后,在煤(或岩)层中形成的空间称为“采动空间”。
围岩采动空间周围岩体,包括图2.1中所示的顶板(T),底板(D)及两帮(B)岩层,统称为“围岩”。
1直接顶直接顶是指在老塘(采空区)内已跨落,在采场内由支架暂时支撑的悬臂梁,其结构特点是在采场推进方向上不能始终保持水平力的传递。
2基本顶是指运动时对采场矿压显现有明显影响的传递岩梁的总合。
在初次来压后,是一组在推进方向上能始终传递水平力的不等高裂隙梁。
3传递岩梁把每一组同时运动(或近似同时运动)的岩层看成一个运动的整体初次来压采场各岩层初次运动在采场的压力显现称为初次来压。
周期来压岩层周期性运动在采场的矿压显现称为采场周期来压。
矿山压力采动后作用于岩层边界上或存在于岩层之中,促使围岩向已采空间的运动的力。
(即采动后促使围岩运动的力)矿山压力显现采动后,在矿山压力作用下通过围岩运动与支架受力等形式所表现出来的矿山压力现象,称为“矿山压力显现”。
矿山压力显现的基本形式包括围岩的明显运动与支架受力等两个方面。
初次来压采场各岩层初次运动在采场的压力显现支承压力煤层采出后,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4压力。
支承压力显现在支承压力作用下发生煤层压缩和破坏,相应部位的顶底板相对移动以及支架受力变形等现象统称为支承压力的显现。
直接顶初次垮落当直接顶跨落高度达到1m以上、跨落长度达工作面长度一半以上时,就叫做直接顶初次垮落。
扩容如果应力接近这一极限,则巷道周边附近岩体的体积随应力增加而增加,产生“扩容”现象。
此后,如果“扩容”情况得不到控制,围岩周边将遭到破坏。
围岩中的应力将再次重新分布,应力范围扩大和应力高峰向深部转移等(二次重新分布),围岩的一部分进入塑性状态应力分布。
钻屑法钻屑法是通过在煤层中钻小直径钻孔(直径42-50mm),根据钻孔时在不同深度排除的煤量及其变化规律以及有关动力现象判断冲击危险的一种方法。
矿山压力与岩层控制课件
RT RB
2 -- 恒阻支柱
1 -- 增阻支柱
R0
εΔh
0
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➢矿压与矿压显现的辩证关系
矿压的存在是绝对的,而显现是相对的,有条件的。 压力显现强烈的部位不一定是压力高峰的位置。
图中所示,在A处顶板下沉量比B处大,但支承压力高峰却是在B处。
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Kmaγ x H
B
A
(a)
(3)采空区处理方法
采用强制放顶减小岩梁厚度,可减小运动步距(c值、 b 值)。采空区充 填减小岩梁运动空间,可使其运动不明显。
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2.3上覆岩层在推进方向上的运动规律
初次运动阶段
从岩层由开切眼开始悬落,到对工作面有明显影响的一、二 个传递岩梁第一次断裂运动结束为止。
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C
B
1 2
A (b)
D
C
BA
(c)
2 采场上覆岩层运动和发展的基本规律 2.1上覆岩层运动和破坏的基本形式
(1)弯拉破坏的运动形式
mi
h
li
lo
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(2)剪(切)断破坏的运动形式
岩层悬露后产生很小的弯曲变形,
悬露岩层端部开裂→在岩层中部未开
lo
裂(或开裂很少)的情况下,突发性
整体切断跨落。
c—岩梁的周期来压步距,m; a—岩梁的显著运动步距,m; b—岩梁的相对稳定步距,m。
一般情况下,周期来压步距为初次来压步距的0.5-0.25倍。
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各次周期来压步距并非都完全相等,而是呈一大一小的周期性变化。这个 变化将随来压次数的增加,差值愈来愈小。
采动后,在矿山压力作用下通过围岩运动与支架受力等形式所表现 出来的矿山压力现象,称为“矿山压力显现”。
第二章 采煤工作面上位岩层的活动与矿压显现规律Microsoft PowerPoint 演示文稿 - 副本 (2)
一、煤层顶板和底板 赋存在煤层之上的邻近岩层称为顶板,赋存 在煤层之下的邻近岩层称为底板。煤层的顶、底板 岩石的性质、强度及吸水性与采掘工作有直接关系, 它们是确定顶板支护方式、选择采空汉处理方法的 主要依据。 1、顶板的类型 根据顶板的岩性、厚度及回采过程中垮落的 难易程度,将煤层顶板分为伪顶、直接顶、老顶 (图2一1)。 • 伪顶指直接位于煤层之上随采随落的极不稳 定岩层,其厚度在0.5m以下(一般几cm至几十 cm),多为泥岩或炭质泥岩,富含植物化石,在
第二章 采煤工作面上位岩层的 活动与矿压显现规律
第一节 开采后上覆岩层的移动特征
上覆岩层活动对直接顶的状态圾采煤工作面的 矿压显现有决定性的影响,因此研究其活动规律具 有十分重要的意义。目前,对上覆岩层运动规律的 研究主要存在两种不同观点,而且每种观点对煤炭 工业健康发展都起到了不可替代的作用,特别在岩 层控制和顶板管理方面都做出了突出的贡献,并具 有各自适应的岩层地质条件。
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• 说明上覆岩层移动、破坏及其应力状态。 • 地下煤层采出后,采空区顶板岩层在自重及其 上覆岩层作用下,向下弯曲、移动,当其内部应力 超过岩石强度极限时,直接顶板便断裂、破碎而冒 落。其上部基本顶岩层也因此失去支撑而沿层面的 法线方向进行移动、弯曲,进而产生断裂、离层。 随着工作面的不断推进,这一移动、弯曲、破坏的 范围也不断向前扩大,而且当采空区范围很大时, 岩层移动过程将发展到地表。研究表明,煤层上覆 岩层的一般移动过程是:从煤层直接顶岩层开始, 由下而上依次进行冒落、断裂、离层、裂隙、弯曲, 最后移动终止,在开采煤层上方形成三个不同的开 采影响带,即冒落带工、裂隙带Ⅱ和弯曲下沉
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• 落步距作为直接顶分类的重要指标。直接顶初次 垮落以后,随着工作面不断向前推进,新暴露出 的顶板要及时支护,工作面采空侧的支柱要不断 回撤,直接顶将不断垮落,这一过程叫回柱放顶。 • 二、基本顶的初次来压 • 随着工作面自开切眼处的不断推进、回柱放 顶的不断重复,基本顶岩层悬露长度不断增加。 当基本顶悬露达到极限跨距而且断裂时,可能形 成三铰拱式的平衡(图2—4)。以后,随着工作面 继续推进,将导致新岩块A的断裂。此时由于岩 块A的力矩和∑M0≠0,迫使岩块A发生回转。其
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其矿压显现规律
岩梁两端先裂开,然后中部裂开下沉,两块相互咬合形成铰接岩梁结构。
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
三、基本顶的运动规律
(一)基本顶的运动形式
1.基本顶缓慢下沉 采高小、直接顶厚度大且直接顶节理发育时,直 接顶呈现缓慢下沉的运动形式。 采空区充满程度好,基本顶弯曲断裂后在矸石支 撑下缓慢下沉。此时,基本顶能形成传力结构,将 自身的重量和上覆岩层的部分重量传递到前方煤壁 和后方采空区矸石上,工作面内矿压显现不明显。 2.基本的呈长岩梁折断 直接顶冒落后不能充满采空区,基本顶按一定的 跨度,周期性折断,岩梁长度较大。
直接顶垮落步距——从切眼到直接顶初次垮落的距离。是判断 直接顶稳定性的指标,可作为直接顶分类的依据。
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
二、直接顶的运动规律
(二)直接顶的运动形式
2.直接顶不规则垮落 直接顶冒落高度的确定 采空区充满程度的判断
h m hkp m h(kp 1)
充满条件
四、支承压力及其显现
采煤工作面前后 方支承压力对工作面 矿压显现有着很大影 响。采煤工作面前方 支承压力依次为原岩 应力区、应力增高区、 应力降低区和应力稳 定区。
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
四、支承压力及其显现
(二)支承压力在底板中的传播
分布规律
(1)随深度增加,支承压力逐渐减小,影响范围扩大;影响角φ
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
三、基本顶的运动规律
(二)基本顶的初次来压
1.初次来压的形成
基本顶视为四周固支的板,当工作面由切眼向前推进,直接顶垮落 后步,岩悬块空要面发积生越下来沉L初越垮 h大落2,。qRt 达在到这极过限程跨中度,时采,煤岩工板作发面生有断明裂显破的坏矿,压进显一现。
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第三章上覆岩层运动与矿山压力及其显现的关系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。
除直接顶外,其它岩层的运动很难在井下直接看到,但是可以通过回采工作面和采场周围巷道中比较容易观测到的顶底板位移和支架承载等压力显现,根据矿压显现,可以推断矿山压力的分布、上覆岩层运动,为采场矿山压力控制设计提供基础。
因此,“上覆岩层运动与矿山压力及其显现的关系”是“反演”和“正演”岩层运动及其运动结果的理论基础。
第一节矿山压力与矿山压力显现[2]正确地建立“矿山压力”及“矿山压力显现”的基本概念,弄清它们之间的联系及区别,是正确进行矿山压力控制研究和实践的基础。
一、矿山压力在煤或岩层中开掘巷道和进行回采工作称为对煤(或岩)层的“采动”。
采动后在煤(或岩)层中形成的空间称为“采动空间”。
采动空间周围岩体(包括顶板、底板及两帮的岩层),统称为“围岩”。
煤及岩层采动前,一般都在覆盖重力、构造运动作用力等作用下,处于三向受力的原始平衡状态。
煤及岩层采动后,由于支承条件的改变,其原始平衡即遭破坏,各岩层边界上的作用力及分布在各点的应力(包括大小及方向)随之改变。
采动后重新分布于围岩各个层面边界上的力及岩层中各点的应力将促使该部分岩体产生变形或遭到破坏,从而向已采空间运动。
采动后作用于岩层边界上或存在于岩层之中的这种促使围岩向已采空间运动的力(采动后促使围岩运动的力),称为矿山压力。
二、矿山压力显现(一)矿山压力显现的概念采动后,在矿山压力的作用下通过围岩运动与支架受力等形式所表现出来的矿山压力现象,称为“矿山压力显现”。
(二)矿山压力与矿山压力显现间的关系[2]研究与实践充分证明,矿山压力的存在是客观的、绝对的,它存在于采动空间的周围岩体中。
但矿山压力显现则是相对的、有条件的,它是矿山压力作用的结果。
然而围岩中有矿山压力存在却不一定有明显的显现。
压力显现强烈的部位不一定是压力高峰的位置。
就某一点而言,压力显现的变化幅度与该点压力大小的增减幅度是相关的、对应的,但不一定成正比。
第二节 采场支承压力分布的规律一、支承压力及其显现煤层采出后,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”。
[2]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。
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。
假设煤及岩层水平赋存,并将采场上覆岩层简化为图3-1所示多层的组合岩梁结构,则在支承压力影响范围内,距煤壁x 处煤层单位面积上承受的压力(σy )值可以近似看成是上覆各岩梁在该处作用的总和。
即∑∑+=nix i i i n i i y C L m m 11γγσ (3-1)式中 σy ——距煤壁x 处煤层上的支承压力;n ——直接作用于该处的传递岩梁数目(或称为直接覆盖岩梁数),也就是在该处上方未出现离层的岩梁数;m i ——各传递岩梁厚度;γi ——各传递岩梁的平均容重;L i ——各传递岩梁的跨度;C ix ——各传递岩梁至该处的重量比例(传递比率)。
图3-1 上覆岩层运动状态与支承压力分布式(3-1)表明,煤壁前方各处的支承压力都可以看成是下列两部分作用的合成。
1)直接覆盖岩梁的单位重量,即∑n i im 1γ。
这部分作用力与直接覆盖岩层总厚度成正比。
2)直接覆盖岩梁悬跨度部分传递至该处的作用力。
即∑nix i i iC L m 1γ。
这部分作用力在分配比率不变的情况下,与各传递岩梁的厚度和跨度成正比。
在支承压力作用下发生的煤层压缩和破坏,相应部位的顶底板相对移动以及支架受力变形等现象统称为支承压力的显现。
支承压力显现可以在回采工作面和临近的巷道中观测到。
在回采工作面可以看到的现象有煤壁的片塌和底板臌起等。
在超前巷道中,除了两帮煤壁的压缩和片塌外,顶底板移近和支架受力等压力显现也都是比较容易观测到的。
支承压力的存在是绝对的。
支承压力的显现是支承压力作用的结果,就其显现的形式和程度而言,则是相对的,有条件的。
因为,只有当煤层承受的压力值达到其扩容破坏的强度极限时才会发生明显压缩和破坏。
而巷道支架受力或变形,不仅取决于煤层破坏后顶底板的相对移动,而且与支架对顶底板运动的抵抗程度有关。
总之,尽管支承压力的存在是支承压力显现的基础,但是不能简单地说有支承压力就一定有支承压力显现。
更不能说支承压力显现最明显的地方,就一定是压力高峰所在的部位。
在生产现场经常会出现支承压力大小和支承压力显现强度不一致,甚至截然相反的情况。
二、采场支承压力分布的基本规律在工作面中部沿走向作一剖面,如图3-2所示,回采工作面前后方支承压力的分布可分为四个区域,即工作面前方的原岩应力区(A ),应力增高区(B ),工作面后方的应力降低区(C )和应力稳定区(D )图3-2 回采工作面前后方的应力分布Ⅰ—工作面前方应力变化区;Ⅱ—工作面控顶区;Ⅲ—垮落岩石松散区Ⅳ—垮落岩石逐渐压缩区;Ⅴ—垮落岩压实区;A—原岩应力区;B—应力增高区;C应力降低区;D—应力稳定区图3-3 已采区及其两侧煤柱的应力分布Ⅰ—垮落带;Ⅱ—裂隙带;Ⅲ—弯曲下沉带;A—原岩应力区;B1、B2—应力增高区;C—应力降低区;D—应力稳定区在工作面采空区沿倾斜作一剖面,如图3-3所示,工作面一侧为实体煤,煤体上支承压力的分布规律如图3-2的A和B1区;另一侧为煤柱和上一个工作面的采空区,因此,其支承压力的分布如图3-3所示,即在采空区存在应力降低区C,煤柱上存在高应力区B2区,以及上一个工作面采空区的压力稳定区D。
采场支承压力在三维空间的分布规律(“凸角”应力与“凹角”应力)以及支承压力在底板中的传播规律见(绪论中的图6)。
影响支承压力参数的因素很多,主要有与开采深度有关的原岩应力、采空区的形状和尺寸、采空区上覆岩层的性质及动态、煤柱的强度及其周围采动状况,以及煤层的开采厚度等。
这些因素的不同使支承压力参数的变化范围很大。
支承压力参数主要由现场实测取得。
三、关于两个应力场的理论[2](一)煤层上支承压力分布的构成及内外应力场的概念研究证明,对应不同的开采深度和煤层强度条件,采场周围煤层上支承压力分布可能有以下三种情况:1.单一的弹性分布(如图3-4a所示)这种分布的特点是压力高峰在煤层边缘,随与煤壁距离增加按负指数曲线规律递减。
在从煤壁开始的整个分布范围内,煤层都处于弹性压缩状态。
如果以图3-5所示的无冲击倾向煤层全应力应变曲线表达煤层破坏全过程,则该范围内煤层处于曲线中的弹性变形阶段(即AB线段),所承担的压力与其弹性压缩变形量呈正比。
图3-4 不同阶段支承压力分布规律此时,由于煤层边缘未遭破坏,覆盖岩层间保持了较高的接触应力,很难沿层面剪切滑移,这就决定了采场上覆各岩梁间的离层不可能深入到煤壁前方。
因此,各岩梁的断裂只能在煤壁处发生,而且在岩梁裂断时,煤壁前方的巷道中除了可能观测到顶板反弹现象之外,将看不到顶底板移近等明显的压力显现。
图3-5 无冲击倾向煤的全应力应变曲线2.出现塑性破坏区的分布(如图3-4b所示)该分布由塑性区(X0)及弹性区(S1)两个部分构成。
其中弹性区煤层处于弹性变形状态,其压力分布是一个高峰在弹塑性交界处并向纵深发展逐渐下降至原始应力值的曲线,各部位压力与该处煤层的压缩成正比。
相反,塑性区煤层已遭破坏,处于图3-5所示的全应力应变曲线中的CDE段(即塑性流变阶段)。
显然,进入该状态的煤层,如果没有水平应力的约束(除非压力完全解除),其变形都将会继续扩展。
因此,足够的水平应力是该部位煤层在一定压力下能保持稳定的条件。
鉴于从煤壁开始向纵深发展的各部位阻止煤层继续变形的水平应力逐渐增加,因此塑性区的压力分布是与水平应力分布趋势相同的从煤壁开始逐渐上升的曲线。
鉴于塑性区范围内煤层承载能力已大幅度下降,而且处于极不稳定的状态,因此当上覆岩梁自承能力一旦消失,相应部位的煤体压缩将加剧。
在工作面及相邻的巷道中,煤层片帮、顶底板移近加速等压力显现都会明显地表现出来。
正因为塑性区煤层承载能力大幅度下降,而且处于极不稳定的状态,所以无法阻止上覆岩梁弯曲沉降及岩梁间接触应力消失。
这种状态为各岩梁间的层面剪切破坏和深入煤壁前方裂断创造了条件。
3.出现内应力场的分布(如图3-4c 所示)这种分布的主要特点是岩梁深入塑性区裂断,原来完整的应力场以岩梁断裂线为界,明显在分为两个部分。
一部分是由运动着的岩梁重量所决定的内应力场,如图3-4c 中S 0所示。
另一部分则是与上覆岩层总体重量相联系的外应力场,包括新扩展的塑性区(X 0ˊ)及弹性区(S 1)两部分,如图3-4所示,此时外应场压力的大小和影响范围与开采深度直接相关,但是内应力场的压力大小则仅取决于同时运动着的岩层跨度和厚度,与开采深度没有直接的联系。
上述支承压力分布的三种类型各有其存在的条件。
不同煤层在相同的开采条件下,可能有不同的分布形式。
即使煤层条件和开采技术条件相同,但开采深度不同,工作面推进到不同部位,其分布构成往往也不一样。
因此,认清影响各类分布形式的原因及其存在的条件,对于矿山压力控制,特别是解决巷道矿压控制方面的问题是十分重要的。
(二)内应力场的范围及存在条件内应力场的出现是以存在塑性区为前提的,因此其最大的可能范围将由塑性区的宽度X 0所限定。
煤层不出现塑性区,自然也就不会出现内应力场。
满足相应条件的判别式为:[]γσmax K H c= (3-2)或 H K c ⋅⋅=γσm a x m i n )( (3-3) 上述各式中,[H]为在既定煤层条件下不出现内应力场的临界深度。
(σc )min 则为在既定采深条件下,不出现内应力场的煤层最小单轴抗压强度。
其它符号意义同前。
分析式(3-2)及式(3-3)不难得出下列结论:1.开采深度H 及集中系数K max 越大,则塑性区范围将越大。
在采深和覆盖岩层既定的条件下,煤层上的支承压力值,包括最大应力集中系数K max 及相应的压力高峰K max ·γ·H 也都有一定极限,因此可以肯定,在具体采高条件下,塑性区的最大范围也有确定的数值。
只要掌握了支承压力分布和显现的变化规律,这个范围是可以通过实测找到的。
2.煤层强度越高(即单轴抗压强度σc值越大),在同样深度条件下塑性区的范围将越小。
3.在一定采深和既定煤层条件下,塑性区范围与煤层开采厚度成正比。
分层开采厚煤层时,塑性区的范围取决于分层开采的高度和开采所在的位置。
采高愈大,开采分层的累计厚度愈大,则塑性区范围也愈大。
因此,那种不考虑采高大小和开采分层所在位置,简单地根据采深条件一成不变的划定塑性区及内外应力场范围,决定巷道开掘位置的作法是不妥当的。