(3.5)--5.1 矿山岩层控制研究方法.ppt

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1、矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法矿山压力及岩层控制矿山压力及岩层控制知识单元五知识单元五 矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法知识点知识点1：矿山岩层控制研究方法：矿山岩层控制研究方法教学内容教学内容p采煤工作面和巷道矿压观测采煤工作面和巷道矿压观测p矿山压力理论研究方法矿山压力理论研究方法p相似材料模拟实验研究方法相似材料模拟实验研究方法采场矿压观测方法；回采巷道矿压观测。采场矿压观测方法；回采巷道矿压观测。重点与难点重点与难点矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法观测工作面矿压显现的指标观测工作面

2、矿压显现的指标采煤工作面采煤工作面“三量三量”观测观测采煤工作面控顶区围岩破坏状态观测采煤工作面控顶区围岩破坏状态观测回采巷道矿压观测回采巷道矿压观测内容提要内容提要采煤工作面和巷道矿压观测采煤工作面和巷道矿压观测矿山压力理论研究方法矿山压力理论研究方法 相似材料模拟实验研究方法相似材料模拟实验研究方法 相似原则相似原则实验过程实验过程研究意义研究意义矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法1 1）控顶区围岩变形量和支架承载变形特征（三量）控顶区围岩变形量和支架承载变形特征（三量）2 2）控顶区围岩破坏特征）控顶区围岩破坏特征(统计观测统计观测)“三三量量”观观测测方方法法是是在在二二次次世世

3、界界大大战战后后，苏苏联联和和东东西西欧欧的的一一些些采采煤煤国国家家广泛发展和应用的观测方法。广泛发展和应用的观测方法。“统统计计观观测测”是是联联邦邦德德国国埃埃森森岩岩石石力力学学矿矿山山支支护护研研究究所所O.O.雅雅可可毕毕博博士士在在2020世纪世纪6060年代创立的，并在欧共体采煤国得到广泛应用。年代创立的，并在欧共体采煤国得到广泛应用。采煤工作面和巷道矿压观测采煤工作面和巷道矿压观测1、观测工作面矿压显现的指标观测工作面矿压显现的指标矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法1 1）“三量三量”及其测试方法及其测试方法（1 1）顶底板移近量）顶底板移近量（2 2）支架载荷）支架载

4、荷该该量量是是指指煤煤炭炭采采出出后后，同同一一测测点点随随开开采采在在控控顶顶区区范范围围顶顶底底板板移近值。移近值。实测的支架所承受的载荷，包括实测的初撑力和当时支架载荷。实测的支架所承受的载荷，包括实测的初撑力和当时支架载荷。2 2、采煤工作面、采煤工作面“三量三量”观测观测 顶板移近量观测示意图（a）量测方法 （b）ADL-2.5测杆1-活柱；2-标尺；3-读数口；4-卡环；5-弹簧；6-套管；7-固定螺钉采煤工作面和巷道矿压观测采煤工作面和巷道矿压观测矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法1 1）“三量三量”及其测试方法及其测试方法 液液压压支支架架一一般般采采用用圆圆图图压压力力

5、自自记记仪仪观观测测，可可实实现现24h24h连连续续自自动动记记录录支支柱柱内内压压力力；单单体体液液压压支支柱柱除除可可采采用用圆圆图图压压力力自自记记仪仪观观测测外外，也也可可采采用用各各类类测测压压压压力力表表，由由观测工人按照规定的时间读表。观测工人按照规定的时间读表。圆图压力自记仪 1-调零螺钉；2-滚花螺母；3-圆盘形记录纸测压表 采煤工作面和巷道矿压观测采煤工作面和巷道矿压观测（2 2）支架载荷）支架载荷矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法（3 3）活柱下缩量）活柱下缩量活活柱柱下下缩缩量量是是反反映映矿矿压压显显现现的的一一个个重重要要的的参参照照指指标标，特特别别是是它

6、它与与顶顶底底板板的的比比值值，是是反反映映支支护护质质量量的的一一个个重重要要指指标标。一一般般先先在在支支柱柱的的活活柱柱上上刻刻上上标标记记，每每次次用用钢钢尺尺量量测测其与底柱上端的间距，间距的变化量即是活柱下缩量。也可安置自记仪自动记录。其与底柱上端的间距，间距的变化量即是活柱下缩量。也可安置自记仪自动记录。2 2）工作面测站布置）工作面测站布置3 3）观测方法）观测方法工作面测站布置普遍采用沿工作面长度方向设上、中、下三个测站。工作面测站布置普遍采用沿工作面长度方向设上、中、下三个测站。采煤工作面和巷道矿压观测采煤工作面和巷道矿压观测常常规规矿矿压压观观测测：认认识识和和总总结结工

7、工作作面面开开采采矿矿压压显显现现规规律律以以及及文文护护结结构构的的适适应应性性。一一般按照规定的作业循环，在每一班固定的时间系统观测般按照规定的作业循环，在每一班固定的时间系统观测1次。次。专项观测：专项观测：对于有些专项要求的，则应按照实测研究的具体任务，安排观测工作。对于有些专项要求的，则应按照实测研究的具体任务，安排观测工作。矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法1 1）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（1 1）端面顶板破碎）端面顶板破碎指指在在工工作作面面前前方方无无支支护护空空间间悬悬露露顶顶板板中中，发发生生冒冒落落的的部部分分占

8、占整整个个悬悬露露顶顶板板的比例。的比例。我我国国在在实实践践中中将将埃埃森森方方法法简简化化为为：每每隔隔10 10 m m，确确定定一一条条测测线线，在在测测线线上上量量取取端端面面距距，并并量量测测这这条条测测线线上上冒冒落落高高度度在在5cm5cm以以上上的的空空穴穴所所占占的的长长度度，即即得得出该测线上的顶板破碎度。出该测线上的顶板破碎度。3 3、采煤工作面控顶区围岩破坏状态观测、采煤工作面控顶区围岩破坏状态观测 采煤工作面和巷道矿压观测采煤工作面和巷道矿压观测矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法1 1）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

9、方法（2 2）台阶数目和高度）台阶数目和高度台阶是指在工作面前方无支护空间由于顶板切落形成的顶板错落台阶是指在工作面前方无支护空间由于顶板切落形成的顶板错落 采煤工作面和巷道矿压观测采煤工作面和巷道矿压观测矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法1 1）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（3 3）片帮深度）片帮深度 片帮是指在矿山压力作用下煤从煤壁处片落的现象。片帮是指在矿山压力作用下煤从煤壁处片落的现象。片帮深度是从原煤壁线到片帮最深处的水平距离。片帮深度是从原煤壁线到片帮最深处的水平距离。采煤工作面和巷道矿压观测采煤工作面和巷道矿压观测矿山岩层控

10、制研究方法矿山岩层控制研究方法2 2）工作面测站布置）工作面测站布置统计观测方法，样本越多，统计结果的可信度也越高。统计观测方法，样本越多，统计结果的可信度也越高。一般情况下，沿工作面线每一般情况下，沿工作面线每5 510 m10 m布置一条测线。布置一条测线。采煤工作面和巷道矿压观测采煤工作面和巷道矿压观测在在我我国国，工工作作面面控控顶顶区区围围岩岩破破坏坏状状态态观观测测是是工工作作面面矿矿压压观观测测的的一一个个方方面面内容，因而，它的观测方法和组织与工作面矿压观测一样。内容，因而，它的观测方法和组织与工作面矿压观测一样。有些矿井把工作面控顶区围岩破坏状态观测作为一单项观测研究内容有些

11、矿井把工作面控顶区围岩破坏状态观测作为一单项观测研究内容3 3）观测方法）观测方法矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法国国内内外外在在矿矿山山巷巷道道地地压压观观测测中中最最常常用用、也也是是最最普普遍遍应应用用的的是是巷巷道道围围岩岩移移近近量量观观测测，其其中中应应用用最最广广泛泛、也也是是最最基基本本的的移移近近量量观观测测方方法法是是“十十”字字形形观测法。观测法。当当巷巷道道断断面面较较大大，需需要要分分析析研研究究变变形形的的复复杂杂受受力力过过程程时时，有有时时采采用用周周边边多多测点变形观测方法。测点变形观测方法。采煤工作面和巷道矿压观测采煤工作面和巷道矿压观测4 4、回采

12、巷道矿压观测、回采巷道矿压观测矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法1 1）连续介质力学研究）连续介质力学研究2 2）弹、塑、粘性力学的研究）弹、塑、粘性力学的研究弹弹、塑塑、粘粘性性力力学学是是研研究究物物体体在在外外力力作作用用下下的的应应力力和和变变形形的的科科学学。根根据据研研究究对对象象在在外外力力作作用用下下呈呈现现的的变变形形性性质质或或所所处处的的变变形形阶阶段段，可可划划分分为为弹弹性性力力学学、塑塑性性力力学学、粘粘性性力力学以及它们组合成的弹塑性力学和流变学等。学以及它们组合成的弹塑性力学和流变学等。（1 1）弹、塑、粘性力学研究的基本假设）弹、塑、粘性力学研究的基本假

13、设1 1、理论研究、理论研究 连续性假设：认为整个物体内部都为固体物质所填满，没有空隙。连续性假设：认为整个物体内部都为固体物质所填满，没有空隙。均质性和各向同性假设：认为整个物体内各质点和各个方向上的性质都完全相同。均质性和各向同性假设：认为整个物体内各质点和各个方向上的性质都完全相同。小变形假设：假定物体受力后的变形与原型物体尺寸相比甚小。小变形假设：假定物体受力后的变形与原型物体尺寸相比甚小。关关于于本本构构关关系系的的假假设设：即即弹弹、塑塑、粘粘性性力力学学对对于于物物体体的的本本构构关关系系分分别别采采用用了了一一些些理理想化假设。想化假设。矿山压力理论研究方法矿山压力理论研究方法

14、 矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法连连续续性性问问题题。岩岩石石和和岩岩体体都都是是由由颗颗粒粒组组成成的的，其其间间存存在在空空隙隙和和裂裂隙隙，多多被被各各种种各各样样结构面所切割。结构面所切割。均均质质性性和和各各向向同同性性问问题题。岩岩石石和和岩岩体体大大都都是是非非均均质质的的，它它们们由由各各种种不不同同的的矿矿物物或或岩岩石颗粒组成，矿物或岩石颗粒的排列和取向，形成了岩石和岩体的各向异性。石颗粒组成，矿物或岩石颗粒的排列和取向，形成了岩石和岩体的各向异性。本本构构关关系系问问题题。岩岩石石和和岩岩体体是是多多属属性性介介质质，所所具具有有的的弹弹性性、塑塑性性或或粘粘性

15、性都都是是相相对对的的。同一岩石在特定条件下呈现弹性，在另一些条件下就出现塑性，甚至粘性。同一岩石在特定条件下呈现弹性，在另一些条件下就出现塑性，甚至粘性。矿山压力理论研究方法矿山压力理论研究方法 2 2）弹、塑、粘性力学的研究）弹、塑、粘性力学的研究（2 2）岩体力学中应用基本假设的根据）岩体力学中应用基本假设的根据 3 3）非连续介质力学研究）非连续介质力学研究当当受受力力超超过过一一定定限限度度后后，大大多多数数材材料料都都趋趋于于断断裂裂。这这一一事事实实已已被被早早期期材材料料学学研研究究人人员员所所熟知，他们认为岩石的（断裂）强度是材料的一种固有性质，这似乎是完全合情合理的。熟知，

16、他们认为岩石的（断裂）强度是材料的一种固有性质，这似乎是完全合情合理的。矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法数数值值分分析析方方法法是是在在计计算算机机日日新新月月异异发发展展的的背背景景下下，不不断断发发展展的的力力学学计计算算方方法法，且且已被证明在解决复杂的岩体力学课题中是一种十分有效的手段。已被证明在解决复杂的岩体力学课题中是一种十分有效的手段。2 2、数值分析方法、数值分析方法 矿山普遍采用的梯形巷道断面最大主应力分布图矿山普遍采用的梯形巷道断面最大主应力分布图 矿山压力理论研究方法矿山压力理论研究方法 矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法（1 1）有有限限差差分分法法（FD

17、MFDM，Finite Finite Diference Diference MethodMethod）。有有限限差差分分法法是是从从物物理理现象出发引出相应的微分方程，经离散化而得到差分方程，再行求解的方法。现象出发引出相应的微分方程，经离散化而得到差分方程，再行求解的方法。FLACFLAC 常用数值分析方法常用数值分析方法 （2 2）有有限限单单元元法法（FEMFEM，Finite Finite Element Element MethodMethod）。有有限限单单元元法法的的实实质质是是把把一一个个实实际际的的结结构构物物（如如某某种种开开采采装装备备）或或力力学学模模型型（如如根根据

18、据研研究究原原型型建建立立的的采采场场某某一一时时刻刻的的连连续续体体整整体体力力学学模模型型），用用一一种种多多个个彼彼此此相相联联系系的的单单元元体体所所组组成成的近似等价物理模型来代替。的近似等价物理模型来代替。ANSYS,RFPAANSYS,RFPA （3 3）离离散散元元方方法法。离离散散元元法法是是康康德德尔尔（CundallCundall）19711971年年以以刚刚性性离离散散单单元元为为基基本本单单元元，根根据据牛牛顿顿第第二二定定律律提提出出的的一一种种动动态态分分析析方方法法，随随后后又又将将其其发发展展为为变变形形离散单元，使其既能模拟块体受力后的运动，又能模拟块体受力

19、后的变形。离散单元，使其既能模拟块体受力后的运动，又能模拟块体受力后的变形。PFC,UDECPFC,UDEC 矿山压力理论研究方法矿山压力理论研究方法 矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法相相似似材材料料模模拟拟研研究究方方法法的的目目的的就就是是借借助助实实验验室室材材料料，即即采采用用与与被被模模拟拟岩岩层层的的真真实实岩岩层层相相当当的的，其其力力学学特特性性在在所所采采用用的的模模拟拟比比例例中中能能满满足足条条件件的的材材料料，代代替真实的矿山岩石，从而对实际工程状况进行直观上的规律和特性研究。替真实的矿山岩石，从而对实际工程状况进行直观上的规律和特性研究。相似：相似：两种物理量

20、对应时刻的对应点成比例，可称相似两种物理量对应时刻的对应点成比例，可称相似相似材料模拟实验研究方法相似材料模拟实验研究方法 几何相似：对应尺寸成比例几何相似：对应尺寸成比例物理相似：物理相似：载荷相似：模型与原型在对应点上同一时刻的对应载荷成比例（载载荷相似：模型与原型在对应点上同一时刻的对应载荷成比例（载荷荷方向相同，大小成比例）方向相同，大小成比例）运动相似：时间相似，速度相似运动相似：时间相似，速度相似边界相似：边界相似：起始条件相似起始条件相似1 1、相似原则、相似原则矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法根据研究或实验课题的基本要求提出实验设计根据研究或实验课题的基本要求提出实验设

21、计相似材料模型的铺设和装置相似材料模型的铺设和装置实验前进备实验前进备相似材料模拟实验相似材料模拟实验实验测试原始材料的整理和分析实验测试原始材料的整理和分析编写实验研究报告编写实验研究报告相似材料模拟实验研究方法相似材料模拟实验研究方法 2 2、相似材料模拟实验的主要过程相似材料模拟实验的主要过程矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法模拟实验的总体设计图模拟实验的总体设计图1-煤层；煤层；2-砂质页岩；砂质页岩；3-砂岩；砂岩；4-页岩；页岩；5-砾岩；砾岩；6-页岩砂质页岩互层页岩砂质页岩互层模拟实验加载方式示意图模拟实验加载方式示意图 相似材料模拟实验研究方法相似材料模拟实验研究方法

22、矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法急倾斜急倾斜相似材料模拟实验相似材料模拟实验相似材料模拟实验研究方法相似材料模拟实验研究方法 矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法近水平煤层开采近水平煤层开采相似材料模拟实验相似材料模拟实验相似材料模拟实验研究方法相似材料模拟实验研究方法 矿山岩层控制研究方法矿山岩层控制研究方法相相似似材材料料模模拟拟研研究究法法可可以以很很详详细细地地研研究究工工作作面面推推进进时时岩岩层层中中所所发发生生的的现现象象及及机机理理，特特别别是是岩岩石石出出现现断断裂裂的的变变形形现现象象，这这在在采采用用其其它它模模拟拟方方法法时时常常常常是是不不可能的。可能的。通通过过相相似似材材料料模模拟拟研研究究法法可可以以按按比比例例推推断断出出工工作作面面顶顶板板下下沉沉量量、下下沉沉速速度度等等顶顶板板活活动动规规律律，对对现现场场具具有有一一定定借借鉴鉴意意义义，尤尤其其对对新新工工作作面面得得初初次次来来压压确确定定有着重要的意义。有着重要的意义。相似材料模拟实验研究方法相似材料模拟实验研究方法 3 3、相似材料模拟实验的相似材料模拟实验的研究意义研究意义