采场支承压力分布

1、采场支承压力分布第1页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四巷道开掘的合理位置和开掘时间的选择、底板巷道合理位置与维护等巷道矿压控制设计，采场顶板来压预测预报等问题，其共同点都是依据采场支承压力分布及其传播规律，特别是煤体上支承压力高峰位置以及内外应力场的分布范围等。煤体上支承压力分布特征的监测内容为：1、内应力场形成前后支承压力高峰位置；2、支承压力影响范围；3、最大应力集中系数；4、内应力场范围和稳定时间。 第2页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四4.1 支承压力分布与显现的动态变化规律 图4.1 侧向支承压力显现规律 1、2、3、7分别为对应动态仪

2、的动态曲线 第3页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四4.2 监测方法支承压力现场测定主要是确定其分布特征，如分布范围、高峰位置、低应力区范围等重要的特征参数，这些重要的特征参数也正是有关矿山压力控制设计的依据。本节主要介绍几种现场常用的支承压力分布特征的监测方法。 第4页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四（1）钻孔液压枕法 该方法是利用钻孔液压枕（油枕应力计）测量煤体的相对应力变化。采用钻孔测力计测定支承压力分布特征的关键是测力计的预紧，否则只能给出很低的压力变化或根本测不出压力。测力计的预紧一般通过楔体结构实现， 第5页，共47页，2022年，5月

3、20日，12点59分，星期四1液压囊；2压力表；3外楔体；4内楔体 第6页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四安装时，先在孔底装入一木质垫块，将外楔体3伸至最长，将应力计置于孔内，串接折装杆，将应力计送到孔底，敲击拆装杆尾端使楔体与孔壁撑紧，用手压油泵通过三通阀将应力探头加压至5MPa左右，关闭三通阀，拆除手压泵。 第7页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四油枕应力计的测点布置，在开采前，从距切眼50m100m开始，每隔10m20m由两顺槽巷道向煤体钻水平孔。孔深一般5m10m。每个观测阶段每侧巷道内的钻孔数不应少于3个5个。钻孔的方向也可根据观测需要确

4、定。 第8页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四图4.3 应力计测孔布置示意图 第9页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四（2）钻屑法 钻屑法根据钻孔过程中单位孔深排出煤屑的重量、体积和粒度组成等来判断采煤工作面煤体应力是一种简便方法。排出煤屑的状况，一方面与钻孔的几何尺寸有关，另一方面与煤体内应力状况有关，在应力作用下钻孔发生收缩变形，使钻孔的煤屑量和粒度组成发生改变。该方法是用手持式电钻垂直煤壁打眼，钻孔深5m8m，在钻孔过程中，收集钻出的煤屑，每钻进一米测量一次煤屑重量和体积及用3mm筛子测粒度组成。 第10页，共47页，2022年，5月20日，1

5、2点59分，星期四图4.4 煤屑重量与钻孔深度得实测曲线 图中钻孔排出的煤屑重量与煤壁内应力增高有明显变化关系。同时，钻孔排出的煤屑体积和煤屑粒度大于3mm组成百分数也有相同的变化规律。 第11页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四（3）钻孔钢弦测力计法钻孔钢弦测力计方法同钻孔液压枕监测支承压力分布特征的原理相同，主要差异在于传感原理不同。 图4.5 钢弦式测力计结构 1支撑；2，6导轨；3楔块； 4金属弹性筒；5振弦；单位mm 第12页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四其工作原理是：钻孔围岩内应力变化使金属弹性筒受力变形，通过振弦的弦振频率变化进行测

6、量。钢弦长19mm，弦直径为0.23mm，对弦的要求是均匀、弹性好、抗疲劳性能好，为此须作严格的老化处理。测力计安装在直径为37mm的钻孔内，依靠楔块3紧压钻孔岩壁。使之具有一定的初始安装应力。 第13页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四（4）超前巷道位移法 原理支承压力的存在是绝对的。支承压力显现是支承压力的作用结要，其形式和程度是相对的。只有当煤体进入塑料破坏状态后才会发生明显的显现，支承压力显示的基本规律如图4.6所示。煤壁不出现非弹性区，压力分布呈高峰在煤壁的负指数曲线，相应的支承压力显现按同样的趋势分布，支承压力与显现成正比关系；煤壁出现非弹性区后，显现与压力的

7、分布规律不尽相同，显现仍是一条高峰在煤壁单调下降曲线，弹性区内显现与压力成对应关系，非弹性区，显现与压力变化趋势相反。 第14页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四图4.6 支承压力及其显现分布曲线 第15页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四测区布置与监测方法超前巷道位移监测支承压力分布特征，在采场前方布置仪器观测是位移信息的变化过程，实现支承压力显现分布特征的测定。测区布置可以与顶板运动监测类似，在巷道内等间距安设5-7台位移计，间距3m -5m，当靠近煤壁的位移计距煤壁2m左右时移至前方，监测顶底板移近量和移近速度。一般情况下，每隔2小时观测一次读

8、数。也可以在支承压力影响范围外的回采道内布置固定测站，监测采场推进过程中（逼近测站过程中）的移近速度变化，得到距煤壁不同距离的移近速度曲线。 第16页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四图4.7 实测支承压力显现曲线 图4.7是实测回采巷道围岩移近的变化过程。支承压力显现范围延伸到煤壁前方40m左右，愈靠近煤壁显现愈明显。煤壁前5m范围显现特别强烈，为非弹性区。 第17页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四（4）侧向联络巷位移法侧向联络巷位移法是在顺槽一侧设置一条巷道监测线，如图4.8所示。观测开采前后倾向支承压力分布状态。 图4.8 测区布置 第18页

9、，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四图4.9 支承压力显现变化 第19页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四图4.9为实测侧向岩梁断裂（断裂线距煤壁4.5m）后，外应力场压力显现变化。（1）工作面推过观测巷8m（L-8m）时，6m点出现峰值，说明外应力场高峰支承压力已自断裂线附近向前转移；（2）当工作面推过观测巷16m（L-16m）时，10m点又出现峰值，显然高峰支承压力转移到该处。此后，压力显现下降并趋于平稳。由此可见，沿倾向高峰支承压力距煤壁10m左右。通过采场动态综合观测，得到采场基本顶岩梁沿倾向运动稳定后的状态及支承压力分布状况如图4.10所示；

10、 第20页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四图4.10 支承压力分布实测图 第21页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四图4.11 实测P . HS#6曲线 第22页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四图4.11为实测开采上部煤层（6#煤层）时，对下部煤层（8#煤层）工作面两侧支承压力的影响范围（在侧向巷道中测）从各测点的压力和下沉曲线变化可见，除P1的最大压力为98kN外，其余各点压力和下沉都是缓慢递增。显然，当6#煤层开采时，在工作面两侧的影响范围对8#煤层应在17m以内（测点距顺槽17m左右）。 第23页，共47页，2022年

11、，5月20日，12点59分，星期四冲击地压的监测方法 1 、对比法对比法就是基于相似条件下对冲击前兆进行归类，一般应考虑下列因素：本矿和邻矿的冲击地压现状和发展趋势；本煤层或邻层、邻区已发生过的冲击地压；顶板为单轴抗压强度大于70MPa的坚硬岩层；岛形或半岛形煤柱；支承压力影响区；上部或下部遗留煤柱或回采边界；煤层厚度或倾角突然变化；褶曲或断裂构造带等。在了解上述因素后，根据已发生的冲击地压的开采条件、地质构造特点，以及对煤层的区域了解程度，可对煤层冲击地压前兆信息进行识别，又称为相似性识别。 第24页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四用对比法进行冲击前兆信息的识别，必须

12、了解以下内容：（1）煤岩层赋存特点煤岩层赋存特点包括：煤层埋深、顶底板坚硬岩层、煤岩力学性质、断层、褶曲区域的开采冲击地压显现特征。随着开采深度的延深，当煤岩体应力满足强度条件时就可能发生冲击地压。不同的地质构造区域，冲击地压的始发深度不一样，自始发深度起，冲击地压就有可能在煤柱、煤层凸出的部位和邻近煤柱的上下煤层区段发生。随着开采水平的延深，冲击地压发生的地点和范围也随之扩大。因此，根据相同地质条件的浅部冲击地压的前兆信息，对相似条件的深部冲击地压的前兆信息进行识别。 第25页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四（2）开采参数开采参数包括：相邻煤层中的残留煤柱和开采边界影

13、响的范围及强度；回采工作面推进到巷道、采空区、断层、褶曲带的时间；采煤方法、顶板控制方法、冲击岩层、相邻煤层中的回采工作面相互位置；回采速度及工作面长度等。 第26页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四2 钻屑法钻屑法是通过在煤层中钻小直径钻孔（直径42mm50mm），根据钻孔在不同深度排出的煤粉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。为了及时客观地评价采掘地点的冲击危险程度，必须适时确定支承压力带峰值大小和位置。峰值愈大、距煤壁距离愈近，冲击危险程度就愈大。但直接测定煤层应力相当困难，一般多采用相对评价的方法。 第27页，共47页，2022年，5月20日，1

14、2点59分，星期四钻屑法的原理就是通过测量钻孔煤粉量的大小以确定相应的煤体应力状态，因此，研究煤粉量与煤体应力之间的定量关系是实施这种方法的理论基础，也是近代岩体力学的一个新课题煤体钻孔力学的主要内容。因内外不少学者进行了理论分析、室内模拟和实测试验。此外，若将煤粉钻孔视为在冲击危险区开掘了一个微型巷道，则制造煤粉钻孔，就犹如规模缩小了的冲击地压模拟试验。打钻时钻孔冲击、粒度、推进时间和推进力的变化以及钻杆被夹持等有关动力效应，亦有可能成为鉴别冲击危险的依据。 第28页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四在煤体中打钻至一定深度后，钻孔周围煤体将逐渐达到极限应力状态，如图1所

15、示。孔壁部分煤体可能突然挤入孔内，并伴有不同程度的响声和微冲击；打钻过程中钻具的推进情况也会发生变化，或钻进容易，或出现卡钻甚至将钻卡死。出现这些变化的原因是钻孔周围煤体变形和脆性破碎所致。煤层中的应力愈大，煤的脆性破碎愈占优势。在钻孔的B段，孔周煤体处于极限应力状态，打钻过程中钻屑量异常增多，钻屑粒度增大，响声和微冲击强度升高，孔径扩大，这就是所谓的钻孔效应。粒度增大和钻进容易，是因为在高应力作用下打钻几乎不需要钻头参与煤体就自动破碎，勿需推力，研磨也小，造成钻屑块度变大。只要出现这种钻孔效应，就意味着应力集中带的出现。在应力集中带钻孔，钻屑量异常多，钻孔冲击更强烈，钻孔周围破碎带不断扩大。

16、这也是钻孔卸压的根据所在。 第29页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四图1 钻孔效应示意图 第30页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四3 地球物理法地球物理方法是利用岩体自然或人为激发的物理场监测岩体的动态变化，冲击地压的监测可以采用地球物理方法。目前采用的主要方法有：微震法、AE法、电磁辐射法等。 第31页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四（1）微震法采矿微震主要是记录矿山震动，对其进行有目的的解释、分析记录的信息，达到对冲击地压进行预测和预报的目的。微震法监测冲击地压的机理冲击地压是应力高度集中的结果。由于巷道和工作面煤体的

17、受力由表面到煤体深部应力不断增大，利用微震信息，包括微震的类型、次数、震级等，揭示这些信息的显现规律，就可以对未来冲击地压的强度、发生地点进行预测。 第32页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四微震监测系统我国目前有WJD-1和从波兰引进的SYLOK微震监测系统。微震系统由三个部分组成，如图2。 图2 微震监测装置 第33页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四（a）信号传输系统。该系统包括拾震仪、传输电缆和接收箱，可接收传播8路微震信号。微震仪频带宽0.1Hz50Hz，最大传输距离10km。（b）信号处理系统。在可编程序支持下，由计算机完成全部处理工作，

18、并对全部信息进行存储，并可以调出多次震动参数进行计算、机制测定和频谱分析等。（c）模拟记录系统。实时记录8路模拟震相，可以粗略定位和确定震源性质。 第34页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四冲击地压发生次数与震级的关系 式中 N冲击地压的频次，大于某一冲击地压震级的次数； M冲击地压次数； a，b常数。 第35页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四（2）AE法利用煤体的声发射（Acoustic Emission，简称AE）特征进行冲击地压的预报是主要预报方法之一。AE监测方法是在监测区内布置AE探头，由监测装置连续自动采集AE信号，经实时处理加工成报告

19、、图表。通过对数据进行整理分析，判断监测区域的冲击危险程度。 第36页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四图3 MA0104E AE监测系统示意图 第37页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四AE监测系统图3为AE监测系统示意图，系统硬件由通用微机系统和信号采集传输系统组成。通用微机系统由计算机、打印机、模数转换装置组成；信号采集与传输由AE探头、发送器、信号传输电缆、接收器等组成。系统采用积木式结构，可配1个4个接受仪，每个接受仪可接4路AE探头，每个探头有效接受范围为20m100m。 第38页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四A

20、E监测系统的布置AE探头的布置应注意待测范围不能超过其有效接受半径，根据不同生产、地质条件及监测目的布置探头。图4为工作面与巷道进行AE监测的典型布置形式。 图4 典型的地音探头布置形式a工作面的布置形式；b巷道的布置形式；1已布置探头； 2待布置探头 第39页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四AE监测系统的应用图5为门头沟煤矿AE监测能率变化曲线，在临近冲击前，能率出现明显上升。图5 典型地音能率变化曲线 第40页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四另外，还有流动AE监测法，属于非连续的监测方法，一般与煤粉钻孔法结合使用，能提高冲击地压预测的准确性。

21、第41页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四（3）电磁辐射法煤体破坏时将产生电磁辐射现象。图6为煤体典型应力-时间、电磁辐射（EME）脉冲数-时间、电磁辐射幅值一时间曲线图。（a）不同类型的煤体在载荷作用下的变形及破裂过程中都有声发射和电磁辐射信号发生。在煤体的受载荷变形破裂过程中，电磁辐射基本上随着载荷的增大而增强，随着加载及变形速率的增加而增强。（b）从煤的变形破坏试验结果来看，煤试样在发生冲击性破坏以前，电磁辐射强度较稳定，而在扩容突变阶段，电磁辐射强度出现突变。（c）煤岩体电磁辐射的脉冲数随着扩容突变过程的增大而增大。进入扩容突变后，即煤体的变形破裂强烈，电磁辐射信号也越强。 第42页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四第43页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四电磁辐射预测冲击地压的原理。煤体是典型的非均质材料，在外力作用下，其内部颗粒之间的强度与变形有着显著的差异，煤体内部的应力与应变的分布是不均匀的。当煤体发生不均匀应变时，会在内部发生极化现象，压缩区域的电荷密度升高，而低应力区的电荷密度降低，导致电荷由高密度区向低密度区运动。 第44页，共47页，2022年，5月20日，12点59分，星期四（4）顶板动态法顶板动态的前兆主要是通过监测顶板的运动状态、支承压力显现范围及峰值位置来预测冲击