矿山压力的基础知识_煤矿矿山技术_风险管理世界网

　　(一)岩石的物理力学性质

　　1、岩石的物理性质

　　(1)岩石的重力密度γ(容重)：岩石所受的重力与包括空隙在内的岩石总体积之比。 (最专业的安全生产管理-风险世界网)

　　如砂岩的重力密度(容重)为：γ=19.6KN/m³-27.5KN/m³

　　(2)岩石的孔隙率(n):岩石的孔隙体积与其总体积之比。

　　沉积岩的孔隙率一般小于10%，但部分砾岩和胶结性较差的砂岩孔隙率可达标10%~20%。

　　(3)岩石的碎胀性:岩石破碎后体积增大的性质。

　　残余碎胀性系数(kp。)：破碎岩石在矿山压力作用下，压实后的体积与破碎前的体积之比。

　　2、岩石的变形性质

　　岩石单轴压缩，应力(σ)─应变(ε)曲线。(见图1)

　　应力σ：单位面积上的力;应变=(L–L′)⁄L

　　(1)压缩阶段;

　　(2)弹性变形阶段;

　　(3)塑性变形阶段，直至破坏。

　　岩石性质不同，应力─应变曲线各不相同。

　　3、岩石强度性质

　　(1)强度概念：抵抗外力(应力)而不破坏的能力。

　　根据应力状态，强度有：抗压强度，抗拉强度，抗剪强度,抗弯强度;

　　抗压强度：单向抗压强度，双向抗压强度，三向抗压强度。

　　(2)强度的特征

　　抗压>抗剪>抗弯>抗拉

　　三向抗压>双向抗压>单向抗压;

　　三向抗压强度，侧压力愈大强度愈大：

　　(3)岩石强度的指标:f称为普氏系数

　　硬石灰岩、硬砂岩，f=8;普通砂岩，f=6;

　　砂质页岩，f=5;砾岩，f=4;

　　普通页岩，f=3;软页岩、无烟煤，f=2;

　　煤，f=1-1.5。

　　4、岩体的变形与强度特性

　　岩体与岩块特性的差别：

　　(1)构造上的差别：岩体充满裂隙、层理等弱面;

　　(2)受力状态差别：岩体受三向应力;

　　(3)岩块尺寸不同，强度也不同;岩块尺寸愈大，强度愈小。

　　岩体被许多裂缝切割，但块度也很大。

　　(二)矿山岩体内原始应力分布规律

　　1、自重力

　　地下岩体处于三向应力状态。

　　2、构造应力(见图2)

　　原因：构造应力。地壳运动使岩体变形，岩体内储存弹性变形能。当应力超过岩体强度时，岩体破坏，能量全部或部分释放。未释放的能量，变为构造应力(残余应力)。

　　构造应力特征：

　　(三)孔的周围应力分布(见图3)

　　4、大小孔周围的应力

　　5、压力在底板内传播(见图5)

　　二、长壁工作面围岩运动基本规律

　　第一种情况：有老顶，直接顶不太厚;直接顶厚度小于或等于采高的3?5倍。(见图6)

　　(1)在开切眼内开始回采;

　　(2)采到一定距离后，直接顶垮落，但垮落后的碎石不能充满采空区，有?间隙;

　　(3)随工作面推进，直接顶一次一次地垮落，老顶岩层的跨度不断地增大，增大到一定距离，折断，给支架一个动压----初次减压;

　　(4)工作面继续推进，直接顶再一次一次的垮落，老顶跨度增大到一定长度后，又一次折断。这种折断随工作面推进是周期性的----周期来压。

　　第二种情况：直接顶厚度大于采高的5倍，垮落后能充满采空区，老顶距工作面较远或无老顶。(见图7)

　　直接顶上部老顶岩层，随直接顶的垮落而下沉(折断或不折断)，压在采空区的已垮落的矸石上，无周期来压(或周期来压不明显)。

　　第三种情况：无直接顶，坚硬而厚的老顶岩层直接在煤层之上。老顶岩层悬空后，弯曲不大;在端部出现裂缝，并从两端整体切下，剪应力破坏。(见图8)

　　支架载荷，

顶板折断时，产生很大的动压，并形成风暴，催跨工作面。

　　第四种情况：直接顶为裂隙发达的石灰岩，煤层厚度不大，直接顶下沉到底板之前，不会垮落。支架上载荷，

，顶板压力不大，稳定。(见图9)

　　根据以上情况，顶板可分为五类：(∑h:直接顶厚度;M:采高;L8:老顶初次垮落步距)。

　　I、∑h>5M无周期来压或周期来压不明显(第二种情况)。

　　II、0.3M<∑h£3~5M，L8=25~50m，周期来压明显(第一种

　　情况)。

　　III、0.3M<∑h£3~5M，L8>50m;∑h<0.3M，L8=25~50m周期来压强烈(第一种情况)。

　　IV、∑h=0，老顶坚硬而厚，来压极强烈(第三种情况)。

　　V、塑性弯曲顶板，无周期来压(第四种情况)。

　　三、长壁工作面围岩应力分布基本规律

　　I、应力降低区：比原始应力小。工作面支架，采空区矸石。

　　II、应力升高区：比原始应力大。工作面四周煤体，采空区后部的矸石。

　　III、原始应力区：远离工作面前方的煤体和采空区更后部的矸石。

　　应力集中系数k=升高(降低)应力区的应力原始应力。

　　升高应力区k=2~3—5~7。

　　四、工作面矿山压力显现

　　(一)工作面顶板下沉及顶板下沉速度

　　1、工作面推进过程中顶板下沉量及顶板下沉速度(见图11)

　　曲线1，直接顶下沉量，mm;

　　曲线2，直接顶下沉速度，mm/day。

　　C0---初次来压老顶垮落步距;

　　C1---周期来压老顶垮落步距。

　　2、采高、控顶距离及支架阻力对顶板下沉量的影响

　　(1)煤层厚度(采高)大，顶板下沉量大;

　　(2)控顶距离大，顶板下沉量大;

　　(3)支架阻力愈大，L愈大，顶板下沉量愈小;支架阻力不变，L不变(常数)。

　　工作面推进速度愈快，顶板下沉时间愈短。根据实际观测，工作面推进速度增大，顶板下沉速度也增大，但不是成正比例增加。因此，顶板下沉量随工作面推进速度增大而减小。

　　4、开采深度及煤层倾角

　　根据实例，开采深度在600-800m以内时，顶板下沉量与开采深度无关。

　　煤层倾角愈大，顶板下沉的垂直分量愈小，但顶板下滑力增大。

　　5、回采工艺对顶板下沉速度影响

　　落煤，放顶时，顶板下沉速度增大。

　　(二)支承压力显现

　　1、应力升高区的压力称支承压力。位于工作面前方，工作面两侧煤柱上，采空区压实的矸石上。

　　2、支承压力形成过程

　　(1)割煤后，最大压力在煤壁;

　　(2)随煤壁的破碎，支承压力向煤体内转移;

　　(3)继续转移。

　　3、影响支承压力分布的因素

　　(1)开采深度：随开采深度增大，应力集中系数增大，支承压力最

　　大值距煤壁距离增大;

　　(2)煤的强度：煤的强度愈大，支承压力的集中系数愈大，但支承压力最大值距煤壁距离愈小;

　　(3)煤层厚度：煤层厚度愈大，其强度愈小，支承压力最大值内移;(4)顶板岩石性质：顶板岩石愈坚硬，支承压力分布范围愈广，应力集中系数愈小;

　　(5)支架阻力：支架阻力大，支承压力小，分布范围小;支架阻力小，支承压力大，分布范围大。

　　(6)顶板控制方法：与垮落法相比采用充填法时支承压力小、分布范围小。