1、 第第 七七 章章 采采 场场 地地 压及压及 其其 控控 制制本本 章章 内内 容容7 71 1 概概 述述7-2 7-2 采场地压及围岩活动的一般规律采场地压及围岩活动的一般规律7-3 7-3 采场地压假说采场地压假说7-4 7-4 开采空间极限跨度及矿柱、充填体的受力分析开采空间极限跨度及矿柱、充填体的受力分析7-5 7-5 采场地压的控制方法采场地压的控制方法7-6 7-6 冲击地压（岩爆）及其控制冲击地压（岩爆）及其控制授课学时：授课学时：4学时学时本章的重点难点：本章的重点难点：1 1、采场地压的特点及影响采场地压的主要因素；、采场地压的特点及影响采场地压的主要因素；2 2、充填体
2、的力学效应；、充填体的力学效应；3 3、采场地压的控制方法；、采场地压的控制方法；4 4、岩爆发生的条件。、岩爆发生的条件。关键术语：关键术语：采场地压、采场地压、变形地压、松动地压、膨变形地压、松动地压、膨胀地压、冲击地压、移动角、崩落角、充填体胀地压、冲击地压、移动角、崩落角、充填体要求：要求：1、掌握本课程重点难点内容；、掌握本课程重点难点内容；2、了解、了解采场地压的一般规律。采场地压的一般规律。3 3、了解覆盖岩层的变形和破坏规律、了解覆盖岩层的变形和破坏规律 7 71 1 概概 述述围岩之间的相互作用力；围岩对支架的作用力。原岩对围岩的作用力；采场地压采场地压指在开采过程中，原岩对
3、采场或采空区围岩指在开采过程中，原岩对采场或采空区围岩及矿柱所施加的荷载。及矿柱所施加的荷载。地压现象地压现象井巷开挖，应力重新分配使围岩和支架产生井巷开挖，应力重新分配使围岩和支架产生变形、移动、破坏等现象，如冒顶、片帮、底鼓、顶板下变形、移动、破坏等现象，如冒顶、片帮、底鼓、顶板下沉等。沉等。地压地压泛指岩体中存在的力，包括：泛指岩体中存在的力，包括：一、地压现象与地压一、地压现象与地压松动地压（散体压力）膨胀地压变形地压（弹塑性变形地压、流变地压）地压分类：冲击地压 地压分类地压分类二、采场地压的特点二、采场地压的特点1 1、暴露空间大暴露空间大2 2、复杂性复杂性3 3、多变性、多变性
4、4 4、采场地压显现形式的多样性、采场地压显现形式的多样性5 5、控制采场地压的难度大、控制采场地压的难度大 三、影响采场地压的因素三、影响采场地压的因素 影响采场地压的因素可概括为自然因素和开影响采场地压的因素可概括为自然因素和开采技术因素两个方面。采技术因素两个方面。1 1、自然因素方面的主要有：、自然因素方面的主要有：（1 1）围岩的物理力学性质）围岩的物理力学性质 （2 2）开采深度）开采深度 （3 3）矿体的倾角与厚度：）矿体的倾角与厚度：（4 4）构造）构造 （5 5）地下水）地下水 2 2、采矿生产技术方面的因素、采矿生产技术方面的因素（1 1）开采顺序：）开采顺序：（2 2）开
5、采）开采方法方法及控顶方法及控顶方法（3 3）回采速度）回采速度 （4 4）空区形态及空区形成时间）空区形态及空区形成时间四、采场地压的研究内容四、采场地压的研究内容 采场地压的研究的主要内容是采场地压的研究的主要内容是采场采场(包括采空包括采空区区)围岩的应力状态、变形、移动和破坏的规律。围岩的应力状态、变形、移动和破坏的规律。在此基础上，找到维护采场稳定的措施。在此基础上，找到维护采场稳定的措施。采场地压的研究范围可归结为两个方面的问采场地压的研究范围可归结为两个方面的问题，题，一方面是回采期间采场的稳定问题一方面是回采期间采场的稳定问题，另一方另一方面是回采完毕采空区的处理问题。面是回采
6、完毕采空区的处理问题。1 1、回采期间采场的稳定、回采期间采场的稳定 这里是指采场这里是指采场(包括采准巷道、硐室包括采准巷道、硐室)的围岩在回采的围岩在回采期间不发生危险变形，以保障回采的安全，维护回采作业期间不发生危险变形，以保障回采的安全，维护回采作业的正常进行。其研究的范围包括下述一些问题：的正常进行。其研究的范围包括下述一些问题：（1 1）采场围岩应力分布的规律；采场围岩应力分布的规律；（2 2）岩体失稳的原因、条件和机理；岩体失稳的原因、条件和机理；（3 3）确定采场中各种结构物确定采场中各种结构物(矿柱、支架矿柱、支架)上地压的大上地压的大小；研究矿柱的支护原理和设计方法；小；研
7、究矿柱的支护原理和设计方法；（4 4）确定合理的采准布置方案；确定合理的采准布置方案；（5）研究采场地压的控制措施，等等。研究采场地压的控制措施，等等。2 2、采空区处理、采空区处理 空区处理的目的空区处理的目的：控制由于空区引起的地压控制由于空区引起的地压显现的强度。显现的强度。空区处理的主要方法空区处理的主要方法：目前处理空区的方法目前处理空区的方法可归纳为可归纳为“崩崩”“”“充充”“”“撑撑”“”“封封”四种。四种。崩落崩落：就是用爆破：就是用爆破(或其他手段或其他手段)的方法把空区的方法把空区上方的岩体崩落下来充塞空区。上方的岩体崩落下来充塞空区。充填充填：用充填物：用充填物(如碎石
8、、尾砂、水砂、混凝如碎石、尾砂、水砂、混凝土等土等)，将空区充满。，将空区充满。支撑支撑：利用矿柱或支架将空区撑起来，防止其：利用矿柱或支架将空区撑起来，防止其发生危险变形。实践表明，此种方法的效果是发生危险变形。实践表明，此种方法的效果是很差的。很差的。封闭封闭：对于单独的孤立的小空区可采用封闭：对于单独的孤立的小空区可采用封闭的方法，将它与其它采的方法，将它与其它采场的通道隔绝，防止该场的通道隔绝，防止该空区冒落时对其它采场发生气浪冲击。空区冒落时对其它采场发生气浪冲击。其中其中充填和崩落充填和崩落是是两种两种主要的方法主要的方法。2 2、采空区处理、采空区处理7-2 7-2 采场地压及围
9、岩活动的一般规律采场地压及围岩活动的一般规律 采场顶板的暴露面一般都较巷道顶板大得采场顶板的暴露面一般都较巷道顶板大得多，且随着采面位置的不断向前推进，空区多，且随着采面位置的不断向前推进，空区尺寸也会不断发生变化，故采场应力分布也尺寸也会不断发生变化，故采场应力分布也具有自身的特性，变化大，且属空间问题。具有自身的特性，变化大，且属空间问题。一、支承压力一、支承压力 在原岩中形成采场后，上覆岩层的重力即转在原岩中形成采场后，上覆岩层的重力即转嫁于采场四壁的岩体中，使采场四壁特别是两侧嫁于采场四壁的岩体中，使采场四壁特别是两侧岩体中的竖向应力升高，形成所谓岩体中的竖向应力升高，形成所谓支承压力
10、支承压力。采场周围应力分布采场周围应力分布 bL1 1、支承带应力集中系数、支承带应力集中系数 K KC C bL式中：式中：kL开采空间形状影响系数，长开采空间形状影响系数，长/宽宽1，kL 0.7；长长/宽宽3，kL 1；b支承带宽度；支承带宽度；L采场跨度。采场跨度。LckLbk)/11(2 2、支承压力带宽度、支承压力带宽度b b bL式中：式中：kl跨度影响系数，跨度影响系数，L3m，kl=1；L=3040m，kl=0.5；kr岩石性质影响系数，硬岩岩石性质影响系数，硬岩kr=0.8；中硬岩中硬岩 kr=1.5。rlkkLb 支承压力带宽度支承压力带宽度b，视岩层性质及采空区跨度而异
11、，大视岩层性质及采空区跨度而异，大致有以下关系：致有以下关系：3 3、支承压力带随工作面的推进而不断向前移动、支承压力带随工作面的推进而不断向前移动 采空区四周都存采空区四周都存在支承压力区；在支承压力区；前方岩体有较大前方岩体有较大的应力集中；的应力集中；刚充填的充填体刚充填的充填体中应力很小，远离中应力很小，远离开采的充填体被压开采的充填体被压实，其承受的压力实，其承受的压力逐渐增高，直至等逐渐增高，直至等于原岩应力。于原岩应力。4 4、相邻采场对支承压力的影响、相邻采场对支承压力的影响 (a)bb1+b2a)bb1+b2，无影响无影响(b)bb1+b2b)bb1+b2(c)bb1+b2c
12、)b1.5L/H1.5；（3 3）矿柱间距相等；）矿柱间距相等；（4 4）将采场上部厚度为）将采场上部厚度为h h的岩层视为顶板，且的岩层视为顶板，且hhl(l为矿房宽度之半）；为矿房宽度之半）；（5 5）作用于顶板上的荷）作用于顶板上的荷载均匀分布。载均匀分布。3 3、顶板中应力区划分、顶板中应力区划分1 1、拉应力区、拉应力区2 2、压应集中区、压应集中区3 3、卸压区：该区水平应、卸压区：该区水平应力力x x和垂直应力和垂直应力y y均较均较开采前低，处于卸压状态开采前低，处于卸压状态（免压拱或称卸压拱）。（免压拱或称卸压拱）。卸压区的岩体由于自重作卸压区的岩体由于自重作用及弹性恢复，将
13、向空区用及弹性恢复，将向空区移动，使顶板岩层下沉，移动，使顶板岩层下沉，岩体冒落或产生沉间离层岩体冒落或产生沉间离层现象。现象。4 4、压缩区：垂直应力、压缩区：垂直应力y y比开采前降低，水平应力比开采前降低，水平应力x x比比开采前升高，是拱形承压带的拱桥，起着引导原岩垂直开采前升高，是拱形承压带的拱桥，起着引导原岩垂直应力向空区两壁传递的作用。应力向空区两壁传递的作用。4 4、应用梁理论分析上覆岩层的应力及其稳定性、应用梁理论分析上覆岩层的应力及其稳定性 当埋深浅，开采空间跨度较大（当埋深浅，开采空间跨度较大（L2HL2H），），上覆岩层整上覆岩层整体性好，可当作弹性梁看待时，可采用材料
14、力学中的梁理体性好，可当作弹性梁看待时，可采用材料力学中的梁理论进行分析。论进行分析。（1 1）D.F.D.F.科次用下式验算顶板中最大拉应力科次用下式验算顶板中最大拉应力pt LHHHLt 2)(6.0 式中：式中：上覆岩层重度；上覆岩层重度；原岩应力场侧压力系原岩应力场侧压力系数；数；H H上覆岩层厚度；上覆岩层厚度；L L开采空间跨度。开采空间跨度。(2)2)层状岩体顶板应力分析层状岩体顶板应力分析 近水平岩层中开采矩形洞室后，随着顶板向空区下近水平岩层中开采矩形洞室后，随着顶板向空区下沉，岩层间将会产生离层现象。各层次生应力分布可近似沉，岩层间将会产生离层现象。各层次生应力分布可近似采
15、用梁理论。计算时，分别取各层的厚度采用梁理论。计算时，分别取各层的厚度h hi i作为梁的高度，作为梁的高度，i ih hi i为梁的自重荷载。为梁的自重荷载。分析可知：只要层厚小分析可知：只要层厚小于该层悬露跨度的一半，就于该层悬露跨度的一半，就可能产生离层现象。可能产生离层现象。(3)3)矩形开采空间长宽比对顶板应力影响矩形开采空间长宽比对顶板应力影响式中：式中：L 矩形板的宽度（采场跨度）；矩形板的宽度（采场跨度）；h h板的厚度；板的厚度；p p单位面积上施加的荷载。单位面积上施加的荷载。K K应力计算系数，随应力计算系数，随l/L L 变化变化；l/L=L=1,1.5,2,3,1,1
16、.5,2,3,K=0.280,0.487,0.610,0.713,0.750K=0.280,0.487,0.610,0.713,0.750t lL 对对l/L L223 3的开采空间，可近似采用矩形简支板分析，的开采空间，可近似采用矩形简支板分析，顶板最大拉应力可按下式估算：顶板最大拉应力可按下式估算：pt LhphLkt2)(三、覆盖岩层的变形和破坏三、覆盖岩层的变形和破坏1 1、空区覆盖岩层的变形和破坏规律、空区覆盖岩层的变形和破坏规律 由于空区岩体变形由于空区岩体变形破坏的结构，在覆盖岩破坏的结构，在覆盖岩层中将形成三个不同的层中将形成三个不同的地带：地带：（1 1）冒落带）冒落带（2
17、2）裂隙带）裂隙带（3 3）弯曲带）弯曲带（1 1）冒落带）冒落带 紧靠矿体上方的覆紧靠矿体上方的覆盖岩层由于破碎而呈拱盖岩层由于破碎而呈拱形冒落向上发展。形冒落向上发展。冒落高度与矿体开采冒落高度与矿体开采厚度、岩石碎胀性及可厚度、岩石碎胀性及可压实性、采动范围、岩压实性、采动范围、岩体强度、空区有无充填体强度、空区有无充填等有关，一般为矿体厚等有关，一般为矿体厚度（度（W W）的）的2 26 6倍。倍。（2 2）裂隙带）裂隙带 该带岩体变形较大，岩层沿层该带岩体变形较大，岩层沿层理开裂形成离层，在拉应力作用下理开裂形成离层，在拉应力作用下产生垂直岩层的裂隙。若有水，则产生垂直岩层的裂隙。若
18、有水，则可从裂隙渗入，威胁空区。可从裂隙渗入，威胁空区。水体下开采必须使采动形成的水体下开采必须使采动形成的裂隙带位于不透水层之下，即不破裂隙带位于不透水层之下，即不破坏水系与矿体之间的不透水层方可坏水系与矿体之间的不透水层方可进行回采。进行回采。裂隙带的高度约为矿体厚度的裂隙带的高度约为矿体厚度的9 92828倍。倍。水系水系不透水层不透水层裂隙带裂隙带采空区采空区（3 3）弯曲带）弯曲带 整体移动带，仅出现下整体移动带，仅出现下沉弯曲，不出现裂隙，保持沉弯曲，不出现裂隙，保持了岩体原有的整体性。了岩体原有的整体性。如果该带内有构造断裂如果该带内有构造断裂存在，岩层可能沿构造断裂存在，岩层可
19、能沿构造断裂出现较大的移动，使井巷或出现较大的移动，使井巷或建筑物受到破坏。建筑物受到破坏。弯曲带高度随岩性而异，弯曲带高度随岩性而异，一般当岩层脆而硬时，弯曲一般当岩层脆而硬时，弯曲带高度约为裂隙带高度的带高度约为裂隙带高度的3 35 5倍；岩体软而具有塑性时，倍；岩体软而具有塑性时，约为裂隙带高度的数十倍。约为裂隙带高度的数十倍。（4 4）地表下沉盆地与下沉值）地表下沉盆地与下沉值 随着弯曲带的缓慢下沉，地表也逐渐下随着弯曲带的缓慢下沉，地表也逐渐下沉，位于空区中央上方的地表下沉值最大，沉，位于空区中央上方的地表下沉值最大，空区周围上方地表下沉值渐次减小，从而形空区周围上方地表下沉值渐次减
20、小，从而形成一个下沉盆地。成一个下沉盆地。下沉盆地的形态，视开采面积与开采深下沉盆地的形态，视开采面积与开采深度的相对大小不同而异。度的相对大小不同而异。未充分采动未充分采动 当开采面积相对较小当开采面积相对较小，采空区宽度（走向或倾向，采空区宽度（走向或倾向）：）：L(L(0.90.92.2)2.2)H(HH(H为为开采深度），开采深度），盆地呈碗状盆地呈碗状；HLL(L2.2 2.2 H H，盆地呈平底状盆地呈平底状。HL L L2.2 2.2 H H，盆地呈平底状盆地呈平底状maxwMwmax 下沉系数下沉系数：最大下沉值最大下沉值w wmaxmax与对应的矿体厚度与对应的矿体厚度 M
21、之比。之比。采空区处理方法采空区处理方法下沉系数下沉系数常用值常用值崩落围岩崩落围岩0.60.80.7削壁带状干式充填削壁带状干式充填0.60.80.7外运材料干外运材料干式充填式充填0.40.50.5水砂充填水砂充填0.060.200.15水砂充填，带状部分开采水砂充填，带状部分开采0.020.02胶结充填胶结充填0.020.050.02不同倾角矿体的覆盖岩层冒落带和裂隙带高度不同倾角矿体的覆盖岩层冒落带和裂隙带高度 不同倾角矿体的覆盖岩层冒落带和裂隙带高度示意图不同倾角矿体的覆盖岩层冒落带和裂隙带高度示意图 1 1、裂隙带；、裂隙带；2 2、冒落带、冒落带2 2、地表塌陷及崩落角和移动角、
22、地表塌陷及崩落角和移动角 矿体埋深较大，冒矿体埋深较大，冒落带、裂隙带一般不会落带、裂隙带一般不会到地表，只在地表形成到地表，只在地表形成一个下沉盆地。若矿体一个下沉盆地。若矿体埋藏浅，开采深度浅时，埋藏浅，开采深度浅时，则会冒落到地表，形成则会冒落到地表，形成塌陷坑。塌陷坑。（1 1）地表塌陷盆地）地表塌陷盆地（2 2）崩落角和移动角）崩落角和移动角 根据地表变形破坏程度，可将移动盆地划分为崩落根据地表变形破坏程度，可将移动盆地划分为崩落区和变形区。区和变形区。崩落区崩落区地表开裂，发生剧烈变形和破坏。地表开裂，发生剧烈变形和破坏。变形区变形区地表只发生变形并未受到严重破坏。地表只发生变形并
23、未受到严重破坏。移动移动角角指用仪器测出的地表移动边界线至井下采空区指用仪器测出的地表移动边界线至井下采空区下部边界线的连线与水平面所成的夹角。下部边界线的连线与水平面所成的夹角。崩落角崩落角指地表开裂区的最边缘裂隙至井下采空区下部指地表开裂区的最边缘裂隙至井下采空区下部边界线的连线与水平面所成的夹角。边界线的连线与水平面所成的夹角。一般一般上盘崩落角上盘崩落角0 0约小于下盘崩落角约小于下盘崩落角0 0 5 50 010100 0。矿体走向方向。矿体走向方向的崩落角常用的崩落角常用表示表示,盲盲矿体上端的下盘崩落角矿体上端的下盘崩落角常用常用表示表示 。对于岩性坚硬而脆对于岩性坚硬而脆的岩层
24、，崩落角和移动的岩层，崩落角和移动角差别较小，只相差角差别较小，只相差5 50 010100 0。AABB0CODAABB0CODE（3 3）影响崩落角的因素）影响崩落角的因素 岩体性质岩体性质坚硬，崩落角大（坚硬，崩落角大（65650 075750 0或更大）；或更大）；软岩，崩落角小，表土约软岩，崩落角小，表土约45450 0。结构面分布结构面分布若结构面产状与空区构成有利于滑动若结构面产状与空区构成有利于滑动关系时，岩体可沿此面滑动。关系时，岩体可沿此面滑动。采矿方法采矿方法深孔爆破比浅孔爆破对上覆岩层破坏震深孔爆破比浅孔爆破对上覆岩层破坏震动大，崩落角小；重复采动，崩落角小；动大，崩落
25、角小；重复采动，崩落角小；空区处理方法空区处理方法空区及时充填且密实，崩落角大；空区及时充填且密实，崩落角大；开采深度及走向长度开采深度及走向长度在充分采动条件下，上盘崩在充分采动条件下，上盘崩落角常随开采深度的增大而变小。但当开采深度进一步落角常随开采深度的增大而变小。但当开采深度进一步增加时，崩落角将有所增大。增加时，崩落角将有所增大。在近地表开采，崩落废石充满空区，起到支承上盘控制在近地表开采，崩落废石充满空区，起到支承上盘控制岩移作用，崩落角大；采深增大，岩移作用，崩落角大；采深增大，崩落废石不足以充满空区，崩落废石不足以充满空区，上盘岩移向外扩展，使崩落角减小；但当开采深度进一步增上
26、盘岩移向外扩展，使崩落角减小；但当开采深度进一步增加时，受走向两端岩体夹制作用增大，崩落角将有所增大。加时，受走向两端岩体夹制作用增大，崩落角将有所增大。采深进一步加大，顶板崩落成拱形而出现悬顶现象。采深进一步加大，顶板崩落成拱形而出现悬顶现象。根据统计资料和实验室模拟实验结构分析表明：根据统计资料和实验室模拟实验结构分析表明：对于倾角小于对于倾角小于60600 0的走向长度为的走向长度为7007002500m2500m的矿体，的矿体，上盘岩体将发生定期崩落；上盘岩体将发生定期崩落；走向长度为走向长度为270270700m700m的矿体，随开采深度增加，的矿体，随开采深度增加，上盘岩体将发生悬
27、顶（顶板崩落成拱形），地面形成的崩上盘岩体将发生悬顶（顶板崩落成拱形），地面形成的崩落区范围将固定不再向外扩展。落区范围将固定不再向外扩展。走向长度小于走向长度小于230230m m矿体开采时，仅发生局部冒落。矿体开采时，仅发生局部冒落。开采开采走向长度小的矿体（走向长度小的矿体（270270350350m)m)，随开采深，随开采深度增加到一极限值度增加到一极限值，上盘岩体将发生悬顶。上盘岩体将发生悬顶。当矿体倾角大于当矿体倾角大于60600 0时，不仅上盘岩体发生移动，下时，不仅上盘岩体发生移动，下盘岩体也将发生移动。盘岩体也将发生移动。3 3、地表移动与地表建筑物保护、地表移动与地表建筑物
28、保护 地表下沉（地表下沉（W)W)地表某点垂直位移分量。地表某点垂直位移分量。(mm/m)11lWlWWiABBAAB 地表倾斜地表倾斜地表下沉盆地沿某地表下沉盆地沿某一方向的坡度，其平均值以两一方向的坡度，其平均值以两点间的下沉差除以两点间的水点间的下沉差除以两点间的水平距离，即平距离，即地表水平移动地表水平移动（u)u)地表某点的水平位移分量。地表某点的水平位移分量。ABC ABC2l1l1W 2W EuFuEF3 3、地表移动与地表建筑物保护、地表移动与地表建筑物保护 地表曲率地表曲率地表下沉盆地剖地表下沉盆地剖面线的弯曲程度，其平均值以面线的弯曲程度，其平均值以相邻两线段倾斜差除以两段
29、地相邻两线段倾斜差除以两段地表水平距离的平均值，即表水平距离的平均值，即/m)1(222121llilliiKABBCB ABC ABC2l1l1W 2W EuFuEF3 3、地表移动与地表建筑物保护、地表移动与地表建筑物保护 地表水平变形（地表水平变形（）地表地表移动盆地内，两点间水平移动移动盆地内，两点间水平移动差与该两点距离的比值，即差与该两点距离的比值，即(mm/m)3luEFuuFE ABC ABC2l1l1W 2W EuFuEF3l3 3、地表移动与地表建筑物保护、地表移动与地表建筑物保护 临界变形值临界变形值无需维修就能保持建筑物正常使用无需维修就能保持建筑物正常使用所允许的地表
30、最大变形值。所允许的地表最大变形值。安全开采深度安全开采深度当开采深度超过某一临界值时，当开采深度超过某一临界值时，岩移将不波及地表，或地表最大下沉值岩移将不波及地表，或地表最大下沉值20mm3 3），），顶板暴露面的稳定性顶板暴露面的稳定性取决于其跨度；开采长度不大（取决于其跨度；开采长度不大（B/B/L 3 3 的矩形的矩形采场），其稳定性视暴露面积采场），其稳定性视暴露面积(A=L A=L B)而定而定.3 3、求极限跨度、求极限跨度L Lmaxmax （1 1）按梁理论导出的顶板拉应力与跨度的关系：按梁理论导出的顶板拉应力与跨度的关系：HHHLt 2)(6.0 式中：式中：上覆岩层重度
31、；上覆岩层重度；原岩应力场侧压力系原岩应力场侧压力系数；数；H H开采深度；开采深度；t t 顶板岩层许用抗拉强度。顶板岩层许用抗拉强度。将将t t 换成换成 t t 则可推出则可推出L Lmaxmax.对浅埋矿体（采深对浅埋矿体（采深HH跨度跨度L L）且上覆岩体为整体且上覆岩体为整体时，由上式得出时，由上式得出L Lmaxmax：5.0max)(29.1 HHLt 某些模型得出的经验公式与上式具有相似性。如某些模型得出的经验公式与上式具有相似性。如 经验表明：多裂隙的极限跨度约为无裂隙的经验表明：多裂隙的极限跨度约为无裂隙的0.60.60.70.7倍。倍。式中：式中：k=|H-100|k=
32、|H-100|为考虑到拉应力集中系数随深为考虑到拉应力集中系数随深度不同所作的修正系数。度不同所作的修正系数。上式也适用于深埋矿体。上式也适用于深埋矿体。6.0max)0012.0(29.1kHHLt 3 3、求极限跨度、求极限跨度L Lmaxmax二、矿柱受力分析二、矿柱受力分析 1 1、缓倾斜矿体矿柱稳定性分析、缓倾斜矿体矿柱稳定性分析（1 1）矿柱类型）矿柱类型 缓倾斜矿体采用缓倾斜矿体采用空场法空场法开采时，矿柱有开采时，矿柱有 两种类型：两种类型：宽大的连续条带式矿柱宽大的连续条带式矿柱；不连续的圆形或矩形不连续的圆形或矩形截面矿柱。截面矿柱。（2 2）选择矿柱形状及尺寸的原则）选择
33、矿柱形状及尺寸的原则 从维护稳定性考虑，矿柱间距应小于采场的极限跨从维护稳定性考虑，矿柱间距应小于采场的极限跨度，矿柱本身的断面尺寸应满足强度要求。矿柱形状及尺度，矿柱本身的断面尺寸应满足强度要求。矿柱形状及尺寸选择既要能维护采场稳定，又要使矿石回采率最高。寸选择既要能维护采场稳定，又要使矿石回采率最高。矿柱设计不合理，会影响整个采场的稳定。若尺寸矿柱设计不合理，会影响整个采场的稳定。若尺寸过小，一旦被压垮，会引起连锁反应。过小，一旦被压垮，会引起连锁反应。例如，例如，4 4号矿柱被压垮，其承载力转移给相邻的号矿柱被压垮，其承载力转移给相邻的3 3、5 5号矿柱，导致号矿柱，导致3 3、5 5
34、矿柱破坏；矿柱破坏；3 3、5 5矿柱破坏后，矿柱破坏后，2 2、6 6矿矿柱额外承担了柱额外承担了3 3、5 5矿柱担负的荷载，则也可能产生破坏。矿柱担负的荷载，则也可能产生破坏。（3 3）矿柱应力分析）矿柱应力分析 矿柱应力的影响因素：原岩应力、开采深度、矿柱应力的影响因素：原岩应力、开采深度、采空区形状、矿体倾角、相邻采场开采情况等。采空区形状、矿体倾角、相邻采场开采情况等。矿房宽度矿房宽度a a及个数及个数n n对矿柱应力分布等影响对矿柱应力分布等影响 矿房宽度矿房宽度a a 越大，矿柱应力集中系数越大，矿柱应力集中系数k kc c越大，越大，矿房个矿房个数数n n增加，矿柱应力集中系
35、数略为增大。增加，矿柱应力集中系数略为增大。b b为矿柱宽度。为矿柱宽度。ck2134521345n ck2134521345ba/矿房宽度矿房宽度a a对矿柱应力分布影响对矿柱应力分布影响矿房个数矿房个数n n对矿柱应力分布影响对矿柱应力分布影响矿柱矿柱内部内部应力分布应力分布横向压应力横向压应力横向拉应力横向拉应力轴向应力轴向应力横向拉应力横向拉应力横向拉应力横向拉应力（4 4）矿柱）矿柱平均平均应力应力avav与矿柱围岩变形与矿柱围岩变形特性特性的关系的关系A A、矿柱平均应力矿柱平均应力 为简便起见，矿柱平均应力常按覆岩总重与面积存载为简便起见，矿柱平均应力常按覆岩总重与面积存载理论计
36、算。理论计算。ppmpavAhAAAQ )(式中：式中：Q Q矿柱所受荷载；矿柱所受荷载；Ap、Am矿柱横截面积，矿房开采面积；矿柱横截面积，矿房开采面积；,h上覆岩体重度和开采深度。上覆岩体重度和开采深度。矿石回采率：矿石回采率：则：则：pmmAAA 即建立了矿柱平均应力与原岩应力和回采率的关系。即建立了矿柱平均应力与原岩应力和回采率的关系。可见，采深可见，采深 h h 越大，越大，v v 越大，越大，avav 越大；矿柱留得越多，越大；矿柱留得越多，即回采率即回采率越低，矿柱受的应力越低，矿柱受的应力avav越小越小。11pmmpmpAAAAAA令：令：hv 则矿柱平均应力：则矿柱平均应力
37、：1)(vppmpavAhAAAQB B、矿柱、矿柱平均平均应力应力avav与矿柱围岩变形与矿柱围岩变形特性特性的关系的关系ppmpavAhAAAQ )(按上式计算出的按上式计算出的avav可以认为是上限，实际应力需视可以认为是上限，实际应力需视围岩和矿柱变形协调关系而定。若矿柱刚度小，易压缩，围岩和矿柱变形协调关系而定。若矿柱刚度小，易压缩，则所承受的荷载就小；若围岩与矿柱的变形速度不一，围则所承受的荷载就小；若围岩与矿柱的变形速度不一，围岩下沉较快而矿柱压缩变形相对较慢，则矿柱所承受的荷岩下沉较快而矿柱压缩变形相对较慢，则矿柱所承受的荷载增大，反之，矿柱可能卸载。载增大，反之，矿柱可能卸载
38、。（5 5）矿柱破坏机理及破坏形式）矿柱破坏机理及破坏形式 矿柱破坏机理与岩石单轴压缩实验类似。矿柱破坏机理与岩石单轴压缩实验类似。常见的破坏形式有三种：常见的破坏形式有三种：（a)a)贯通性剪切破坏；贯通性剪切破坏；(b)b)剪切剥离破坏；剪切剥离破坏；(c)c)横向膨胀及纵向劈裂。横向膨胀及纵向劈裂。矿柱在外荷载作用下达到其极限值时虽出现破裂，但矿柱在外荷载作用下达到其极限值时虽出现破裂，但其发展结果有两种趋势：其发展结果有两种趋势：破坏不再发展，矿柱保持稳定，破坏不再发展，矿柱保持稳定，利用残余强度支承地压；利用残余强度支承地压；破坏继续发展，直至丧失稳定，破坏继续发展，直至丧失稳定，残
39、余强度不足以支承地压。残余强度不足以支承地压。)(a)(b)(c（6 6）矿柱设计与验算）矿柱设计与验算 矿柱强度条件：矿柱强度条件：注意注意：R Rc c是根据矿柱标准试件的单向抗压强度是根据矿柱标准试件的单向抗压强度c c并考虑并考虑下列影响因素推断得出：下列影响因素推断得出：nRccav 式中：式中：avav矿柱平均应力；矿柱平均应力；R Rc c矿柱抗压强度；矿柱抗压强度；c c 矿柱许用应力；矿柱许用应力；n n安全系数，支承矿柱安全系数，支承矿柱n=2n=23 3；盘区矿柱盘区矿柱n=3n=35 5。B B、承载时间对强度的影响、承载时间对强度的影响：由于流变效应使强度降低，：由于
40、流变效应使强度降低，故应取长期强度作为矿柱强度；故应取长期强度作为矿柱强度；C C、尺寸对强度的影响尺寸对强度的影响：矿柱尺寸大，含裂隙等原因，：矿柱尺寸大，含裂隙等原因，强度降低。设计时安全系数应大于强度降低。设计时安全系数应大于1 1；D D、弱面的影响弱面的影响；E E、爆破作业的影响爆破作业的影响。式中：式中：c c矿柱标准试件的单向抗压强度矿柱标准试件的单向抗压强度；R Rc c矿柱抗压强度；矿柱抗压强度；B B矿柱宽度矿柱宽度；h h矿柱高度矿柱高度。A A、几何形状及高宽比对强度的影响：几何形状及高宽比对强度的影响：2/1)(hBRcc 2 2、急倾斜或倾斜厚矿体矿柱计算、急倾斜
41、或倾斜厚矿体矿柱计算 按滑动棱体假说进行矿柱稳定性计算。按滑动棱体假说进行矿柱稳定性计算。cos)sin()90sin()sin(0 QQp 滑动棱体对矿柱的作用力与滑动棱体对矿柱的作用力与 p p等值反向，则矿柱等值反向，则矿柱受滑动棱体荷载作用产生的平均应力为受滑动棱体荷载作用产生的平均应力为avav:pbLbaav 式中：式中：a,b分别为矿房和矿分别为矿房和矿柱的宽度；柱的宽度；L滑动棱体厚度。滑动棱体厚度。要保证矿柱稳定，则：要保证矿柱稳定，则：ba bL cavpbLba c c 为为矿柱许用抗压强度。矿柱许用抗压强度。三、充填体的力学效应三、充填体的力学效应1 1、松散充填体：水
42、砂、碎石、尾砂、炉碴等、松散充填体：水砂、碎石、尾砂、炉碴等力学特点力学特点：松散、粘结力非常小，颗粒间的连结主：松散、粘结力非常小，颗粒间的连结主要靠摩擦力和微弱的粘结力（毛细管表面的张力和要靠摩擦力和微弱的粘结力（毛细管表面的张力和松散料中含有的胶结物质所构成），强度低，但被松散料中含有的胶结物质所构成），强度低，但被压实后，能起一定的支承作用，能有效限制围岩移压实后，能起一定的支承作用，能有效限制围岩移动和地表下沉。动和地表下沉。2 2、胶结充填体、胶结充填体胶结充填体胶结充填体：在散料（水砂、碎石、尾砂、炉碴等）中：在散料（水砂、碎石、尾砂、炉碴等）中加入胶结剂或低标号水泥形成胶结物，
43、来充填空区。加入胶结剂或低标号水泥形成胶结物，来充填空区。力学特点力学特点：具有一定的粘结力，其强度较松散充填体高，：具有一定的粘结力，其强度较松散充填体高，力学性能更好，能更有效限制围岩移动和地表下沉，维力学性能更好，能更有效限制围岩移动和地表下沉，维护围岩稳定。可用胶结充填体作为人工顶底柱和间柱，护围岩稳定。可用胶结充填体作为人工顶底柱和间柱，以提高矿石回收率。以提高矿石回收率。胶结充填体的抗压强度为胶结充填体的抗压强度为2 26 6MPaMPa，弹性模量为弹性模量为9898980980MPaMPa，与围岩相比仍很低，所以，它对围岩的限与围岩相比仍很低，所以，它对围岩的限制和地压的控制作用
44、仍有限。制和地压的控制作用仍有限。3 3、充填体对地压的控制作用、充填体对地压的控制作用充填材料性质对采场应力分布的影响：充填材料性质对采场应力分布的影响：(1)(1)改善围岩和矿柱的应力状态，提高围岩和矿柱的自支改善围岩和矿柱的应力状态，提高围岩和矿柱的自支承能力。承能力。根据莫尔库伦理论，在三向应力状态下，矿柱强度根据莫尔库伦理论，在三向应力状态下，矿柱强度1c1c为：为：（2 2）限制围岩崩落及裂隙扩展，控制地表下沉。）限制围岩崩落及裂隙扩展，控制地表下沉。acc sin1sin11 式中式中a a为充填体施加于矿柱的侧压力为充填体施加于矿柱的侧压力,与充填材与充填材料的力学性质有关料的
45、力学性质有关；c c 为矿柱单向抗压强度。为矿柱单向抗压强度。4 4、充填体的承压作用、充填体的承压作用原岩应力状态原岩应力状态回采矿房回采矿房形成人工矿柱形成人工矿柱矿柱开采，人工矿柱受力矿柱开采，人工矿柱受力7-5 7-5 采场地压的控制方法采场地压的控制方法 一、一、改善围岩的应力状态改善围岩的应力状态 1 1、合理确定采场断面形状及矿房、矿柱尺寸、合理确定采场断面形状及矿房、矿柱尺寸 例如，在自重应力场中用空场法开采，留倾斜矿柱比水例如，在自重应力场中用空场法开采，留倾斜矿柱比水平矿柱更合理。平矿柱更合理。2 2、确定合理的矿块开采顺序、确定合理的矿块开采顺序 利用矿房矿柱间隔回采的方
46、法，能大大减轻地压。矿房利用矿房矿柱间隔回采的方法，能大大减轻地压。矿房矿柱尺寸选取得当，可形成免压拱，在免压拱下回采则较矿柱尺寸选取得当，可形成免压拱，在免压拱下回采则较为安全。为安全。3 3、确定合理的矿体开采顺序、确定合理的矿体开采顺序 （1 1）在地质构造复杂地段先回采高应力矿块。在地质构造复杂地段先回采高应力矿块。（2 2）自断层下盘后退式回采。矿体被断层错断后，断）自断层下盘后退式回采。矿体被断层错断后，断层下盘矿体的回采顺序不同时，地压显现也不同。层下盘矿体的回采顺序不同时，地压显现也不同。断层断层采空区采空区后退式回采后退式回采应力降低区应力降低区断层断层采空区采空区前进式回采
47、前进式回采应力集中区应力集中区4 4、合理布置采场、合理布置采场 回采空间长轴方向应尽可能与矿体最大主应力方向一致。回采空间长轴方向应尽可能与矿体最大主应力方向一致。1 沿最大主应力方向掘进沿最大主应力方向掘进1 垂直最大主应力方向掘进垂直最大主应力方向掘进二、支承与加固围岩二、支承与加固围岩 回采不稳固矿体时，常用人工方法支护工作面，防止回采不稳固矿体时，常用人工方法支护工作面，防止冒落。例如架设支架，锚杆、锚索和喷射混凝土等。冒落。例如架设支架，锚杆、锚索和喷射混凝土等。三、充填三、充填 利用充填体处理空区，改善围岩和矿柱受力状态，增利用充填体处理空区，改善围岩和矿柱受力状态，增强围岩稳定
48、性及矿柱强度，以阻止围岩冒落，缓解地压显强围岩稳定性及矿柱强度，以阻止围岩冒落，缓解地压显现，减小地表下沉。现，减小地表下沉。四、崩落四、崩落 崩落岩体处理空区，可缓解或消除因空区存在而引起崩落岩体处理空区，可缓解或消除因空区存在而引起的地压显现，降低或消除采场附近岩体中和支承压力。的地压显现，降低或消除采场附近岩体中和支承压力。7-6 7-6 冲击地压（岩爆）及其控制冲击地压（岩爆）及其控制 一、一、概述概述 1 1、冲击地压（岩爆）、冲击地压（岩爆）：在深井开采或在构造应力：在深井开采或在构造应力很高的地区开采时，采空区周围岩体（处于极限应很高的地区开采时，采空区周围岩体（处于极限应力状态
49、）突然发生爆发式破坏现象，犹如炸药爆炸，力状态）突然发生爆发式破坏现象，犹如炸药爆炸，岩体弹射、震动，大量岩块抛出，并伴有巨大声响岩体弹射、震动，大量岩块抛出，并伴有巨大声响和气浪，这种地压现象称为冲击地压。冲击地压是和气浪，这种地压现象称为冲击地压。冲击地压是岩体发生脆性破坏的一种动力现象。岩体发生脆性破坏的一种动力现象。2 2、冲击地压的能级分类、冲击地压的能级分类 根据释放能量，将岩爆分为根据释放能量，将岩爆分为5 5级：级：岩爆级别岩爆级别释放能量释放能量(J)烈度（度）烈度（度）现象现象 微岩爆微岩爆10 107 5矿区或中段巷道塌落，甚至可矿区或中段巷道塌落，甚至可使全井报废使全井
50、报废 岩爆释放的能量，大部分转化为动能，使岩爆释放的能量，大部分转化为动能，使岩体发生脆性破坏、塑性变形及抛掷岩块作功；岩体发生脆性破坏、塑性变形及抛掷岩块作功；一部分转换为热能，而其中大部分以地震的形一部分转换为热能，而其中大部分以地震的形式释放。式释放。二、岩爆发生的条件二、岩爆发生的条件 1 1、应力条件、应力条件：可能发生岩爆地段的矿体、围岩可能发生岩爆地段的矿体、围岩中的应力需达到极限应力状态；中的应力需达到极限应力状态；2 2、能量条件、能量条件：可能发生岩爆地段的矿体、围岩：可能发生岩爆地段的矿体、围岩中积聚的弹性应变能足以使相当范围内的矿岩发中积聚的弹性应变能足以使相当范围内的
