(14)--13 矿山岩层控制研究方法.ppt

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1、第十三章第十三章矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制主要内容主要内容 13.1 长壁工作面矿压观测长壁工作面矿压观测13.2 矿山压力数值分析方法概述矿山压力数值分析方法概述13.3 相似材料模拟实验研究方法相似材料模拟实验研究方法矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制第一节第一节 长壁工作面矿压观测长壁工作面矿压观测一、采场矿压观测方法概述一、采场矿压观测方法概述 工工工工作作作作面面面面矿矿矿矿压压压压显显显显现现现现的的的的指指指指标标标标有有有有两两两两类类类类：一一一一类类类类是是是是控控控控顶顶顶顶区区区区围围围围岩岩岩岩变变变变形形形形量量量

2、量和和和和支支支支架架架架承承承承载载载载变变变变形形形形特特特特征征征征；另另另另一一一一类类类类是是是是控控控控顶顶顶顶区区区区围围围围岩岩岩岩破破破破坏坏坏坏特特特特征征征征。前前前前者者者者有有有有顶顶顶顶底底底底板板板板移移移移近近近近量量量量、支支支支架架架架载载载载荷荷荷荷量量量量和和和和支支支支柱柱柱柱（活活活活柱柱柱柱）下下下下缩缩缩缩量量量量，一一一一般般般般称称称称为为为为“三三三三量量量量”。后后后后者者者者有有有有煤煤煤煤壁壁壁壁处处处处切切切切顶顶顶顶台台台台阶阶阶阶数数数数目目目目与与与与高高高高度度度度、煤煤煤煤壁壁壁壁片片片片帮帮帮帮深深深深度度度度、端端端端

3、面面面面顶顶顶顶板板板板破破破破碎碎碎碎度度度度等等等等，是是是是对对对对围围围围岩岩岩岩破破破破坏坏坏坏的的的的统统统统计计计计观观观观测测测测，一一一一般般般般称称称称为为为为“统统统统计计计计观观观观测测测测”。二、长壁工作面二、长壁工作面“三量三量”观测观测（一）（一）（一）（一）“三量三量三量三量”及其测试方法及其测试方法及其测试方法及其测试方法图图图图13-1 13-1 顶底板移近量顶底板移近量顶底板移近量顶底板移近量（1 1 1 1）顶底板移近量）顶底板移近量）顶底板移近量）顶底板移近量（2 2 2 2）支架载荷）支架载荷）支架载荷）支架载荷 是是是是指指指指实实实实测测测测的的

4、的的支支支支架架架架所所所所承承承承受受受受的的的的载载载载荷荷荷荷，包包包包括括括括实实实实测测测测的的的的初初初初撑撑撑撑力力力力和当时支架载荷。和当时支架载荷。和当时支架载荷。和当时支架载荷。图图图图13-2 13-2 圆图压力自计仪圆图压力自计仪圆图压力自计仪圆图压力自计仪图图图图13-3 13-3 测压表测压表测压表测压表（3 3）活柱下缩量活柱下缩量活柱下缩量活柱下缩量 是是是是指指指指支支支支架架架架架架架架设设设设后后后后在在在在控控控控顶顶顶顶区区区区范范范范围围围围内内内内活活活活柱柱柱柱下下下下缩缩缩缩的的的的值值值值。按按按按照照照照支支支支架架架架的的的的工工工工作作

5、作作特特特特性性性性曲曲曲曲线线线线，一一一一定定定定的的的的下下下下缩缩缩缩量量量量对对对对应应应应于于于于一一一一定定定定的的的的载载载载荷荷荷荷。实实实实际际际际在在在在井井井井下下下下支支支支护护护护过过过过程程程程中中中中，支支支支架架架架还还还还会会会会压压压压入入入入顶顶顶顶板板板板、插插插插入入入入底底底底板板板板，与与与与活活活活柱柱柱柱下下下下缩缩缩缩量量量量一一一一起起起起都都都都是是是是顶顶顶顶底底底底板板板板移移移移近近近近量量量量的的的的组组组组成部分。成部分。成部分。成部分。（二）工作面测站布置（二）工作面测站布置（二）工作面测站布置（二）工作面测站布置 普普遍遍

6、采采用用沿沿工工作作面面长长度度方方向向设设立立上上、中中,下下3个个测测站站。一一般般中中部部测测站站应应选选在在工工作作面面线线的的正正中中，上上、下下测测站站分分别别距距回回风风平平巷巷和和运运输输平平巷巷10-15m。每每个个测测站站内设内设3条测线，布置于相邻的条测线，布置于相邻的3架支架。架支架。（三）观测方法（三）观测方法（三）观测方法（三）观测方法 常规矿压观测。一般按照规定的作业循环，在常规矿压观测。一般按照规定的作业循环，在每一班固定的时间系统观测每一班固定的时间系统观测1次。次。三、工作面控顶区围岩破坏状态观测三、工作面控顶区围岩破坏状态观测（一）（一）（一）（一）控顶区

7、围岩破坏状态的主要指标及测试方法控顶区围岩破坏状态的主要指标及测试方法控顶区围岩破坏状态的主要指标及测试方法控顶区围岩破坏状态的主要指标及测试方法图图图图13-4 13-4 端面顶板破碎度的量测方法端面顶板破碎度的量测方法端面顶板破碎度的量测方法端面顶板破碎度的量测方法（1 1）端面顶）端面顶）端面顶）端面顶板破碎板破碎板破碎板破碎（2 2）台阶数目和高度）台阶数目和高度）台阶数目和高度）台阶数目和高度 台台台台阶阶阶阶是是是是指指指指在在在在工工工工作作作作面面面面前前前前方方方方无无无无支支支支护护护护空空空空间间间间由由由由于于于于顶顶顶顶板板板板切切切切落落落落形形形形成的顶板错落成的

8、顶板错落成的顶板错落成的顶板错落 图图图图13-6 13-6 台阶数目和高度台阶数目和高度台阶数目和高度台阶数目和高度（3 3）片帮深度片帮深度片帮深度片帮深度 片帮是片帮是片帮是片帮是指在矿山压力作用下煤从煤壁处片落的现象指在矿山压力作用下煤从煤壁处片落的现象 图图图图13-7 13-7 片帮片帮片帮片帮图图图图13-10 13-10 铁山南铁山南铁山南铁山南21112111俯伪斜正台阶面上部测站矿压显现规律俯伪斜正台阶面上部测站矿压显现规律俯伪斜正台阶面上部测站矿压显现规律俯伪斜正台阶面上部测站矿压显现规律图图图图13-11 13-11 上中下测站随工作面推进支柱载荷变化图上中下测站随工作

9、面推进支柱载荷变化图上中下测站随工作面推进支柱载荷变化图上中下测站随工作面推进支柱载荷变化图 I-上部支柱平均载荷；II-中部支柱平均载荷；III-下部支柱平均载荷；五、回采巷道矿压观测简述五、回采巷道矿压观测简述 国内外矿山巷道地压观测最常用的是巷道围岩移国内外矿山巷道地压观测最常用的是巷道围岩移国内外矿山巷道地压观测最常用的是巷道围岩移国内外矿山巷道地压观测最常用的是巷道围岩移近量观测，其中最基本的移近量观测方法是近量观测，其中最基本的移近量观测方法是近量观测，其中最基本的移近量观测方法是近量观测，其中最基本的移近量观测方法是“十十十十”字字字字形观测法（图形观测法（图形观测法（图形观测法

10、（图13-12,a13-12,a13-12,a13-12,a），观测巷道开挖后顶底板移近），观测巷道开挖后顶底板移近），观测巷道开挖后顶底板移近），观测巷道开挖后顶底板移近量和两帮移近量随时间的变化与发展。当巷道断面较量和两帮移近量随时间的变化与发展。当巷道断面较量和两帮移近量随时间的变化与发展。当巷道断面较量和两帮移近量随时间的变化与发展。当巷道断面较大，需要研究分析变形的复杂受力过程时，也有采用大，需要研究分析变形的复杂受力过程时，也有采用大，需要研究分析变形的复杂受力过程时，也有采用大，需要研究分析变形的复杂受力过程时，也有采用周边多测点变形观测方法，其布置如图周边多测点变形观测方法，其

11、布置如图周边多测点变形观测方法，其布置如图周边多测点变形观测方法，其布置如图13-12,b13-12,b13-12,b13-12,b。图图图图13-12 13-12 巷道围岩移近量观测方法巷道围岩移近量观测方法巷道围岩移近量观测方法巷道围岩移近量观测方法a“a“十十十十”字形观测法字形观测法字形观测法字形观测法 bb周边多测点变形观测法周边多测点变形观测法周边多测点变形观测法周边多测点变形观测法一、数值分析方法在矿山压力研究中的应用一、数值分析方法在矿山压力研究中的应用 数数数数值值值值分分分分析析析析方方方方法法法法的的的的实实实实质质质质是是是是把把把把连连连连续续续续体体体体的的的的基基

12、基基本本本本原原原原理理理理进进进进一一一一步步步步推推推推广广广广到到到到处处处处理理理理岩岩岩岩体体体体的的的的非非非非均均均均质质质质、不不不不连连连连续续续续性性性性、岩岩岩岩石石石石的的的的各各各各种种种种复复复复杂杂杂杂的的的的非非非非线线线线性性性性状状状状态态态态，以以以以及及及及在在在在不不不不同同同同应应应应力力力力状状状状态态态态下下下下液液液液体体体体、气气气气体体体体在在在在岩岩岩岩体体体体中中中中的的的的流流流流动动动动等等等等复复复复杂杂杂杂问问问问题题题题。近近近近三三三三十十十十年年年年来来来来，岩岩岩岩石石石石力力力力学学学学数数数数值值值值计计计计算算算算

13、方方方方法法法法在在在在我我我我国国国国得得得得到到到到了了了了迅迅迅迅速速速速发发发发展展展展，出出出出现现现现了了了了有有有有限限限限差差差差分分分分法法法法（FDMFDMFDMFDM）、有有有有限限限限元元元元法法法法（FEMFEMFEMFEM）、边边边边界界界界元元元元法法法法（BEMBEMBEMBEM）、离离离离散散散散元元元元法法法法（DEMDEMDEMDEM）、拉拉拉拉格格格格朗朗朗朗日日日日元元元元法法法法、不不不不连连连连续续续续变变变变形形形形分分分分析析析析法法法法（DDADDADDADDA）、流流流流行行行行元元元元法法法法（MEMMEMMEMMEM）、无无无无单单单单

14、元元元元法法法法及及及及其其其其混混混混合合合合应应应应用用用用等等等等各种数值模拟技术各种数值模拟技术各种数值模拟技术各种数值模拟技术 。第二节第二节 矿山压力数值分析方法概述矿山压力数值分析方法概述二、数值分析方法的应用举例二、数值分析方法的应用举例 有限差分法有限差分法有限差分法有限差分法（FDMFDM，finite Difference Methodfinite Difference Method）从从从从物物物物理理理理现现现现象象象象出出出出发发发发引引引引出出出出相相相相应应应应的的的的微微微微分分分分方方方方程程程程，经经经经离离离离散散散散化化化化而而而而得得得得到到到到的的

15、的的差差差差分分分分方方方方程程程程再再再再行行行行求求求求解解解解的的的的方方方方法法法法。这这这这是是是是一一一一种种种种比比比比较较较较古古古古老老老老的的的的计计计计算算算算方方方方法法法法，差差差差分分分分方方方方程程程程在在在在电电电电子子子子计计计计算算算算机机机机出出出出现现现现以以以以前前前前用用用用手手手手摇摇摇摇计计计计算算算算机机机机也也也也可可可可求求求求解解解解。有有有有限限限限差差差差分分分分法法法法曾曾曾曾一一一一度度度度受受受受到到到到冷冷冷冷遇遇遇遇，但但但但近年来又有发展的趋势。近年来又有发展的趋势。近年来又有发展的趋势。近年来又有发展的趋势。图图图图13

16、-1513-15大倾角煤层放顶煤开采三维数值模型网格图大倾角煤层放顶煤开采三维数值模型网格图大倾角煤层放顶煤开采三维数值模型网格图大倾角煤层放顶煤开采三维数值模型网格图图图图图13-16 13-16 沿倾斜剖面的水平应力场沿倾斜剖面的水平应力场沿倾斜剖面的水平应力场沿倾斜剖面的水平应力场图图图图13-18 13-18 沿倾斜剖面的破坏场沿倾斜剖面的破坏场沿倾斜剖面的破坏场沿倾斜剖面的破坏场 有限单元法（有限单元法（有限单元法（有限单元法（FEMFEM，Finite Element MethodFinite Element Method）有限单元法的实质是把一个实际的结构物（如某种有限单元法的实

17、质是把一个实际的结构物（如某种有限单元法的实质是把一个实际的结构物（如某种有限单元法的实质是把一个实际的结构物（如某种开采装备）或力学模型（如根据研究原型建立的采场某开采装备）或力学模型（如根据研究原型建立的采场某开采装备）或力学模型（如根据研究原型建立的采场某开采装备）或力学模型（如根据研究原型建立的采场某一时刻的连续体整体力学模型），用一种多个彼此相联一时刻的连续体整体力学模型），用一种多个彼此相联一时刻的连续体整体力学模型），用一种多个彼此相联一时刻的连续体整体力学模型），用一种多个彼此相联系的单元体所组成的近似等价物理模型来代替。通过结系的单元体所组成的近似等价物理模型来代替。通过结系

18、的单元体所组成的近似等价物理模型来代替。通过结系的单元体所组成的近似等价物理模型来代替。通过结构物或力学模型的力学基本原理、以及单元体的物理特构物或力学模型的力学基本原理、以及单元体的物理特构物或力学模型的力学基本原理、以及单元体的物理特构物或力学模型的力学基本原理、以及单元体的物理特性，建立起表征力和位移的方程组。性，建立起表征力和位移的方程组。性，建立起表征力和位移的方程组。性，建立起表征力和位移的方程组。图图图图13-2013-20最大主应力分布图最大主应力分布图最大主应力分布图最大主应力分布图a-a-无断层；无断层；无断层；无断层；b-b-有断层有断层有断层有断层图图图图13-2113

19、-21塑性区分布图塑性区分布图塑性区分布图塑性区分布图a-a-无断层；无断层；无断层；无断层；b-b-有断层有断层有断层有断层 离散元方法简介离散元方法简介离散元方法简介离散元方法简介 离离离离散散散散元元元元法法法法的的的的基基基基本本本本思思思思想想想想可可可可以以以以经经经经典典典典力力力力学学学学的的的的超超超超静静静静定定定定结结结结构构构构的的的的分分分分析析析析方方方方法法法法来来来来说说说说明明明明，任任任任何何何何一一一一个个个个块块块块体体体体作作作作为为为为一一一一个个个个脱脱脱脱离离离离体体体体来来来来分分分分析析析析，总总总总会会会会受受受受到到到到相相相相邻邻邻邻单

20、单单单元元元元力力力力和和和和力力力力矩矩矩矩的的的的作作作作用用用用，正正正正是是是是在在在在其其其其合合合合力力力力和和和和合合合合力矩的作用下，产生脱离体本身的变形和运动力矩的作用下，产生脱离体本身的变形和运动力矩的作用下，产生脱离体本身的变形和运动力矩的作用下，产生脱离体本身的变形和运动。从从从从离离离离散散散散化化化化的的的的角角角角度度度度出出出出发发发发，岩岩岩岩体体体体本本本本质质质质上上上上是是是是节节节节理理理理介介介介质质质质，可可可可以以以以作作作作为为为为离离离离散散散散体体体体来来来来处处处处理理理理，而而而而且且且且块块块块体体体体间间间间存存存存在在在在着着着着

21、力力力力的的的的联联联联系系系系，因因因因而而而而离离离离散散散散元元元元法法法法在在在在矿矿矿矿山山山山岩岩岩岩体体体体力力力力学学学学和和和和矿矿矿矿山山山山压压压压力力力力研研研研究究究究中中中中得得得得到到到到较较较较广广广广泛的应用。泛的应用。泛的应用。泛的应用。图图图图13-22 13-22 不同支护阻力时的端面顶板冒落状况不同支护阻力时的端面顶板冒落状况不同支护阻力时的端面顶板冒落状况不同支护阻力时的端面顶板冒落状况 一、相似材料模拟实验的原理与方法一、相似材料模拟实验的原理与方法 相似材料模拟实验概述相似材料模拟实验概述相似材料模拟实验概述相似材料模拟实验概述 相似材料模拟实验

22、方法的实质是：相似材料模拟实验方法的实质是：相似材料模拟实验方法的实质是：相似材料模拟实验方法的实质是：用与原型（岩体、用与原型（岩体、用与原型（岩体、用与原型（岩体、大坝或其它工程构筑物）力学性质相似的材料按照几何大坝或其它工程构筑物）力学性质相似的材料按照几何大坝或其它工程构筑物）力学性质相似的材料按照几何大坝或其它工程构筑物）力学性质相似的材料按照几何相似的一定的比例缩制成实验模型相似的一定的比例缩制成实验模型相似的一定的比例缩制成实验模型相似的一定的比例缩制成实验模型。在在在在模型上开挖成各类工程，如矿山巷道和硐室、长模型上开挖成各类工程，如矿山巷道和硐室、长模型上开挖成各类工程，如矿

23、山巷道和硐室、长模型上开挖成各类工程，如矿山巷道和硐室、长壁采场，通过对工程过程（如长壁采场的工作面推进过壁采场，通过对工程过程（如长壁采场的工作面推进过壁采场，通过对工程过程（如长壁采场的工作面推进过壁采场，通过对工程过程（如长壁采场的工作面推进过程）的模拟，实验观察和研究工程围岩体的变形、移动程）的模拟，实验观察和研究工程围岩体的变形、移动程）的模拟，实验观察和研究工程围岩体的变形、移动程）的模拟，实验观察和研究工程围岩体的变形、移动和破坏等力学现象，以及作用于支护结构上的力。和破坏等力学现象，以及作用于支护结构上的力。和破坏等力学现象，以及作用于支护结构上的力。和破坏等力学现象，以及作用

24、于支护结构上的力。第三节第三节 相似材料模拟实验研究方法相似材料模拟实验研究方法图图图图13-23 13-23 平面应力相似模型平面应力相似模型平面应力相似模型平面应力相似模型图图图图13-26 13-26 组合堆体立体相似模型组合堆体立体相似模型组合堆体立体相似模型组合堆体立体相似模型图图图图13-24 13-24 模拟实验的总体设计构图模拟实验的总体设计构图模拟实验的总体设计构图模拟实验的总体设计构图二、长壁采场模拟实验方法二、长壁采场模拟实验方法 平面模型平面模型 平平平平面面面面应应应应力力力力模模模模型型型型的的的的正正正正面面面面和和和和背背背背面面面面一一一一般般般般没没没没有有

25、有有约约约约束束束束，在在在在实实实实验验验验过过过过程程程程中中中中模模模模拟拟拟拟岩岩岩岩体体体体正正正正面面面面和和和和背背背背面面面面（Z Z方方方方向向向向）要要要要产产产产生生生生变变变变形形形形，而而而而长长长长壁壁壁壁采采采采场场场场和和和和矿矿矿矿山山山山巷巷巷巷道道道道工工工工程程程程力力力力学学学学所所所所要要要要实实实实验验验验的的的的问问问问题题题题，大大大大都都都都属属属属于于于于平平平平面面面面应应应应变变变变性性性性质质质质，平平平平面面面面应应应应力力力力模模模模型型型型的的的的实实实实验验验验只只只只能能能能为为为为定定定定性性性性分分分分析析析析问题提供参

26、考问题提供参考问题提供参考问题提供参考。它它它它具具具具有有有有装装装装置置置置简简简简单单单单、观观观观察察察察直直直直观观观观、造造造造价价价价低低低低廉廉廉廉的的的的特特特特点点点点。特特特特别别别别是是是是研研研研究究究究一一一一定定定定开开开开采采采采条条条条件件件件下下下下的的的的矿矿矿矿山山山山原原原原型型型型随随随随工工工工作作作作面面面面推推推推进进进进围围围围岩岩岩岩破坏和冒落过程，可以在模型上直接观察和计量破坏和冒落过程，可以在模型上直接观察和计量破坏和冒落过程，可以在模型上直接观察和计量破坏和冒落过程，可以在模型上直接观察和计量。图图图图13-25 13-25 平面模型

27、上方油缸加载加载方式示意图平面模型上方油缸加载加载方式示意图平面模型上方油缸加载加载方式示意图平面模型上方油缸加载加载方式示意图（二）立体模型（二）立体模型 实实实实践践践践表表表表明明明明，立立立立体体体体相相相相似似似似模模模模型型型型虽虽虽虽然然然然可可可可以以以以较较较较准准准准确确确确反反反反映映映映原原原原型型型型的的的的力力力力学学学学特特特特征征征征，但但但但是是是是在在在在实实实实验验验验开开开开挖挖挖挖，以以以以及及及及应应应应力力力力和和和和位位位位移移移移测测测测试试试试方方方方面面面面有有有有一一一一些些些些实实实实际际际际困困困困难难难难。因因因因为为为为，现现现现

28、阶阶阶阶段段段段位位位位移移移移和和和和应应应应力力力力的的的的测测测测试试试试，主主主主要要要要靠靠靠靠传传传传感感感感元元元元件件件件，都都都都需需需需要要要要通通通通过过过过电电电电线线线线输输输输送送送送到到到到模模模模型型型型外外外外的的的的测测测测试试试试仪仪仪仪表表表表。这这这这些些些些电电电电线线线线都都都都要要要要穿穿穿穿过过过过模模模模型型型型，又又又又会会会会破破破破坏坏坏坏了了了了模模模模型型型型的的的的初初初初始始始始条件条件条件条件。理理理理论论论论上上上上，测测测测点点点点越越越越多多多多对对对对实实实实验验验验分分分分析析析析越越越越有有有有利利利利；实实实实践践践践上上上上，测测测测点点点点越越越越多多多多对对对对实实实实验验验验模模模模型型型型的的的的破破破破坏坏坏坏越越越越严严严严重重重重。这这这这是是是是目目目目前前前前立立立立体体体体模模模模型型型型和和和和平面应变模型存在的最大问题。平面应变模型存在的最大问题。平面应变模型存在的最大问题。平面应变模型存在的最大问题。作作 业业 P371:1、2