顶板灾害防治技术0.docx
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顶板灾害防治技术0
《顶板灾害防治技术》0
序论
(由于没有开设矿压课,需要增加一些矿压的基础知识。
)
两个重要概念:
1、矿山压力——由于开采影响,作用在开采空间煤岩体内和支护物上的力。
2、矿山压力显现——在矿压作用,开采空间煤岩体及支护物产生的各种力学现象。
(变形、破坏、垮落、折损、冲击)
2、课程任务:
矿压部分主要了解:
3个规律——应力分布规律;
岩层移动规律;
矿压显现规律。
第二节应力分布规律
一、原始应力:
1、原始应力概念:
原始应力——未受采动影响的岩体内,由于岩体自重和构造运动等原因引起的应力。
原岩应力包含:
自重应力、构造应力、地温应力、膨胀应力、流体压应力等
(地温
~0.5Mpa)
(1Pa=1kgf/m2,0.1MPa=100000kgf/m2=10kgf/cm2=10atm)
原岩应力赋存特点:
普遍存在,分布不均,趋于平衡
(以自重应力为主,局部区域呈现以构造应力或其它应力为主)
2、自重应力:
自重应力——由岩体自重原因在岩体内部引起的应力
垂直应力:
MPa(
)
水平应力:
受外部环境影响:
变形不受限——水平应力为0
变形受限制——水平应力不为0
当各向同性时:
关于侧压系数
:
海姆认为,因长时蠕变及应力均化作用,
金尼克认为,仍处于弹性状态,符合虎克定律,
一般,μ=0.2—0.3,最大μ=0.5,λ=0.25—0.43,最大为0.5。
应用中:
浅部坚硬岩体用金尼克公式,深部塑性大岩体用海姆公式。
例:
计算H=800m,γ=25kN/m3,μ=0.2时的自重应力。
答:
(2000tf/m2)
(500tf/m2)
3、构造应力:
实测发现:
许多地方水平应力大于垂直应力;
按自重应力计算不会出现,应该有另外的应力存在。
构造应力——由于地质构造运动在岩体中产生或残留的应力。
产生原因:
构造应力学说
地球自转角速度变化东西挤压形成南北走向山脉(太行、巫山)
椭球离心力变化南北挤压形成东西山脉(天山、燕山)
板块学说
地壳分成几大板块,这些板块受地球自转变化、地幔运动及星际引力作用发生横向移动,产生水平方向的挤压,产生水平挤压应力,并使地壳岩层发生褶皱及断裂。
构造应力分布特点:
1)分布不均,在构造区域附近最大;
2)水平应力为主,浅部尤为明显;
3)具有明显的方向性;
4)坚硬岩层中明显,软岩中不明显;
5)
目前尚难计算,只能实测。
4、原岩应力分布的基本规律:
受构造应力影响,原始应力分布具有明显的特点:
1)实测铅直应力基本等于上覆岩层重量;
2)水平应力普遍大于铅直应力;(一般0.5—5.5,有的达到30,普遍为2)
3)平均水平应力与铅直应力比值随深度增加而减小;
4)最大主应力与最小主应力一般相差较大。
(0.2—0.8,多为0.4—0.8)
二、应力集中概念:
应力集中——受力体内,孔周围局部区域应力高于其它区域应力的现象。
应力集中特点:
集中应力大小与所受应力大小有关(应力分摊、转移);
与孔的曲率有关,曲率大,集中程度大;
集中是局部的,影响范围与孔径有关。
研究“孔”周围应力分布,实际上就是定量描述集中应力的大小及分布规律,最简单的可用弹性力学方法。
三、圆孔周围弹性应力分布:
1、应力分布:
1)径向应力
2)切向应力
3)在园孔内3倍直径以远,应力接近原始应力(影响半径)。
4)双向等压园孔应力集中系数最大为2。
2、影响半径:
影响半径——孔心至应力增减量±5%处。
3、围岩内沿主应力方向(θ=00,θ=900)应力分布:
4、圆孔周边(r=R0)应力分布:
K=3k=2.7k=2
5、应力叠加——当两孔相距较近时,应力分布受到相邻孔的影响,局部应力再次升高。
应力叠加特点:
1)两孔相互影响时,曲率大的孔应力叠加程度高;
2)两孔间距越小,应力叠加程度越高;
3)应力叠加满足总荷载不变原则——只改变分布状态,不增加荷载总量;
4)凡空间交汇处,均要产生应力叠加。
6、回采空间周围应力重新分布:
不同方向临空,应力叠加;
在拐角处应力集中程度高;
按临空自由面多少,应力集中程度有如下关系:
孤岛>半岛>拐角>单面
四、回采空间围岩内应力状态及“三区”的形成:
1、围岩稳定性及应力状态:
周边最大应力
<弹性极限——自稳
围岩稳定性判定周边最大应力
≥弹性极限——进入塑性阶段,产生塑性区
周遍最大应力
≥强度极限——进入破坏阶段,产生松散破碎区
应力状态转化:
2、围岩“三区”的形成:
由里向外分别为:
1)极限平衡区=破裂区+塑性区
形成:
周边切向应力高,承载能力低,极易破坏,破坏后应力向内部转移,直至等于强度极限,形成破碎区边界。
破碎区以内,应力高于弹性极限的区域,围岩处于塑性状态,弹性极限圈定了塑性区边界。
为研究方便,将破碎区与塑性区合并称为极限平衡区,认为该区内围岩处处处于极限破坏状态。
特点:
处处满足屈服条件或强度条件
2)弹性区
外部以弹性极限为界,内部以集中应力增量不超过±5%为界
集中应力低于围岩弹性极限,处于弹性变形阶段。
特点:
处处满足虎克定律
3)原始应力区
外部以±5%应力增量为界,内部支无限远。
特点:
几乎不受开采影响,满足虎克定律
3、园孔极限平衡区应力分布:
4、回采工作面前方极限平衡区应力分布:
应力及围岩分区:
极限平衡区D
围岩分区弹性区E
原始应力区F
减压区A二者有交叉
应力分区增压区B
稳压区C
一般以高于原岩应力5%为集中应力影响范围,以远可以认为是原始应力区。
五、支承压力及其分布:
1、支承压力——回采空间周围煤岩体内应力增高区的切向应力。
(支承压力是矿山压力的一部分)
2、支承压力的类型:
固定支承压力(固定边界)
移动支承压力(移动边界)
3、工作面前后方支承压力分布:
煤壁和跨落矸石承担了绝大部分顶板载荷;
前方支承压力远远大于后方;
前方支承压力影响范围可达50—80米,剧烈影响范围为8—20米;
后方矸石压实,支承压力达到原始应力范围约100米。
4、影响支承压力分布的主要因素:
1)回采空间尺寸及形状;
2)回采空间顶板管理方法(支撑状态);
3)顶板岩层及煤层岩性;
4)采深;
5)周围回采空间分布。
不同开采方法移动支承压力分布不同:
5、支承压力在底板岩层中的传播:
压力传递角
第三节矿压显现规律
矿压显现——在矿山压力作用下,煤岩体及支护物所表现出的种种力学现象。
一、矿压显现指标及意义:
1、顶板下沉S(mm)——煤壁到采空区边缘范围内顶、底板间相对位移。
(反映顶板变形、位移的规模)
2、顶板下沉速度V(mm/h)——单位时间顶板下沉量。
(反映顶板活动的剧烈程度)
3、支柱变形与折损——观察喷液、下缩、压裂、折断等。
(反映顶板压力的大小)
4、顶板破碎度——单位面积中顶板冒落面积所占百分比。
(反映支撑力对顶板的管理效果)
5、局部冒顶——小范围顶板垮落。
6、大面积冒顶——顶板沿工作面煤壁切落。
7、煤壁片帮——煤壁因支承压力作用发生的剪切坍塌破坏。
(反映煤体内应力高低)
8、底臌——底板塑性变形。
9、支柱插入底板——底板松软,对顶板管理很不利。
顶板绝对下沉不易得到,一般以距煤壁4米处下沉量为工作面顶板下沉量。
可以每米采高每米推进度下沉量S/L/M为比较标准。
二、直接顶初次垮落:
1、形成:
切眼—亮面—推采回柱—直接顶第一次冒落(高1.0米,长1/2面长)
2、初次垮落步距——直接顶第一次大范围冒落,反映岩层的坚硬程度。
3、初次放顶是造成事故的重要阶段(支柱无力,顶板未受到充分破坏,切眼顶板离层,垮落矸石块度大,危险性较大)。
实际生产时,初次放顶备受重视。
(液压支架情况要好许多)
三、老顶的初次来压
1、初次来压的形成:
初采—初次放顶—老顶悬露跨度增大—老顶断裂—形成平衡结构—失稳—初次来压
初次来压——老顶平衡结构第一次失稳而施加给工作面以大型压力的过程。
初次来压步距——第一次来压时,工作面距开切眼的距离(推进距离)。
2、初次来压时矿压显现特点:
1)来压前,顶板压力无明显增大;
2)煤壁内部支承压力增高,煤壁片帮严重;
3)顶板有板炮声响;
4)顶板下沉速度急剧增加,由1mm/h到5~20mm/h;
5)支柱载荷急剧增加;
6)顶板出现拉绺现象(直接顶沿煤壁切断)。
3、预防措施:
初次来压前无明显征兆,顶板压力不大,致使支架稳定性差,来压猛,易造成顶板事故。
1)增大支撑力
2)增加稳定性
3)加强矿压观测及地质、开采资料
4)加强日常支护质量管理。
来压期间重点措施是:
增加支护强度;增强支架稳定性;保护煤壁,减少片帮。
4、来压条件:
1)有老顶存在;
2)直接顶垮落后不能充填满采空区。
四、老顶周期来压:
1、周期来压的形成:
有初次来压必有周期来压。
初次来压——老顶悬顶跨度增大——老顶断裂——平衡结构——失稳——周期来压。
周期来压——老顶平衡结构周期性失稳而施加给工作面以大型压力的过程。
周期来压步距——两次来压期间工作面推进距离。
期来压步距=1/2初次来压步距)
2、周期来压时的矿压显现:
1)顶板下沉量急剧增加;
2)支柱载荷普遍增加;
3)煤壁片帮严重;
4)当支撑力不足时,工作面回出现台阶下沉;
5)如果支护参数选择不合理,回发生冒顶、切顶。
(周期来压显现一般较初次来压时有所缓和)
3、预防措施:
同初次来压,同时加强统计观测。
第三节岩层移动规律
一、顶板工作结构:
1、回采工作空间类型:
回采工作空间类型依据开采方法不同而异。
1、完整空间——刀柱法;
2、自弯曲空间——顶板塑性,缓慢下沉闭合;
3、充填空间——充填法;
4、垮落空间——全部垮落法。
2、顶板的工作结构:
工作结构——将顶板视为何种受力体,进行力学分析。
梁式结构——顶板沿倾斜方向较长,变形相差不大,约束条件相同。
故可将顶板视为沿走向的梁(组合梁)。
按梁式结构承载、变形、破坏理论进行定量分析。
(误差较大)
板式结构——将顶板岩层视为一个板(多块板咬合),按板式结构的变形、强度分析。
(计算较为复杂)
目前,提出关键层理论,更加接近实际。
无论何种结构,采用全部垮落法,其边界支撑条件发生很大的变化,一侧为固定支撑,另一侧或为垮落矸石柔软支撑,从而使顶板的原有结构发生变化,形成形形色色的破坏类型。
二、老顶岩层的力学分析:
1、老顶梁式结构分析:
1)老顶的支撑条件:
开切眼后,直接顶冒落依kP及冒落厚度有如下等式:
2)当全部充填满回采空间时:
此时,老顶受到冒落堆积矸石的支撑,老顶变形受阻,稳定性增强,对开采有利。
全部充填满回采空间,要求冒落直接顶厚度应满足
条件。
若
则
3)当不能充填满回采空间时:
此时,老顶在回采空间上方悬露,似梁承受上覆岩层载荷,变形甚至断裂,为最不利情况。
老顶变形无阻,发生断裂引起工作面来压的条件为
,即直接顶冒落后不能充填满回采空间。
4)老顶梁式结构力学分析:
假设老顶为梁式结构,
,梁两端支撑条件
为固定支撑,由结构力学知其内部各截面的剪应力、
弯矩分布如图示:
(剪力符号:
截面左段向上为+,反之为—)
(弯矩符号:
截面处下凸时为+,上凸为—)
最大剪力发生在梁的两端,最大弯矩也在梁的两端,次弯矩在梁的中央。
危险截面剪应力与拉应力:
两端固支梁危险截面在两端,此时
最大剪应力:
最大拉应力:
老顶岩层的极限跨距:
极限跨距——老顶岩层在无支撑条件下,所能悬露的最大跨度。
一般情况
,故常用
作为极限跨距。
梁的极限跨距为:
固定梁:
简支梁:
老顶的破断过程:
达到极限跨距时,固定梁两端由弯矩产生的拉应力超过岩层抗拉强度,两端先发生断裂,断裂后成为两端简支梁,由于简支梁极限跨距小于固定梁,而此时的跨距已超过简支梁的极限跨距,简支梁必然会在中间部位,由于最大弯矩形成的拉应力作用而断裂。
断裂岩层可发生垮落,也可由于岩块之间存在相互挤压力,而形成咬合结构,暂时平衡。
实际中,由于岩层被裂隙切割,断裂部位有一定的随机性。
2、老顶板式结构分析:
工作面一层顶板一般长150—200米,宽30米,厚2—4米,可视为薄板。
1)板式结构边界支撑条件:
P81图3—5
四面固支——初采工作面
三固一简——一面为已采区(老塘)
二固二简——一面为已采区,一面为工作面采空区(工作面推采中)
一固三简——三面临空(回采半岛区)
2)板式结构破断过程:
(以四面固定板为例)
长端中央首裂、延展,改变了边界支撑条件,短端弯矩加大;
短端中央断裂;
四周断裂延展,在角端勾通,改固支为四周简支;
四面简支板长轴中间弯矩最大,中间断裂,形成咬合结构或垮落。
受裂隙影响,板结构破断或垮落具有一定的随机性。
三、采场上覆岩层移动规律:
1、沿层面垂直方向移动:
①沿层面垂直方向移动产生三带(竖三带)
冒落带—垮落带,分为不规则垮落带、规则垮落带
裂缝带—冒落带之上,岩层间产生离层、拉伸裂隙。
整体联系较好,范围广位移小,一般高15~70m。
弯曲下沿带—岩层基本上不发生离层和断裂,而是大面积缓慢下沉。
三带的形成基本上是由下向上逐层进行的。
不同的岩性,对三带区域的影响也不同,软岩高度小。
如P99图3-18
三带的高度除对顶板有指导意义外,对水下采煤影响很大。
②顶板移动自工作面前方30~40m开始,且水平移动较大,垂直移动较小,甚至垂直位移出现负值。
P100图3—19
③在工作面后4~8m,垂直位移增加,位移速度下大上小,出现离层。
④断裂岩层受垮落矸石支护后,位移趋于缓和,位移速度下小上大,重新压合。
⑤倾斜煤层顶板移动基本沿层面法线方向。
2、沿推进方向移动状况:
形成横三区:
煤壁支撑影响区——壁支撑,垂直移动小,水平移动大
离层区——————垂直位移下大上小形成离层。
重新压实区————垂直位移上大下小,重新压实。
三区中以离层区岩层移动程度剧烈,其工作特点,对工作面顶板推护影响极大,该区断裂岩层形成咬合的平衡结构,可减轻工作面压力,平衡结构失稳,工作面将承受大型压力作用。
四、关键层运动对岩层移动的影响:
关键层——对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层。
主关键层——对直至地表全部岩层起控制作用;
亚关键层——对局部岩层起控制作用。
关键层特征:
单层厚度大;弹性摸量大,强度高
关键层作用:
下位岩层离层后,能承担上覆软岩的载荷;
与上覆岩层同步变形;
折断时将导致上覆软岩同步折断和移动。
关键层位置确定:
依据岩层所受载荷q确定
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