[工学]矿山压力测定与支护技术_教学与交流课件

矿山压力测定与支护技术本课程是采矿工程专业的专业基础课程，专注于矿山压力测定方法与支护技术的理论与实践课程内容涵盖岩石物理力学性质、地应力测量技术、巷道支护设计等核心知识课程采用张幻灯片详细讲解矿山压力测定方法与支护技术，结合最新的工50程实践案例和技术发展趋势适用于采矿工程专业教学与工程实践，为学生提供系统的理论基础和实用技能课程概述课程性质采矿工程专业专业基础课，为后续专业课程奠定理论基础学时学分学时，学分，理论与实践相结合的教学模式

402.5-3先修课程理论力学、材料力学等基础力学课程适用专业采矿工程专业、专升本函授采矿工程专业课程目标1岩石物理力学基础掌握岩石物理力学性质与强度理论，为后续分析提供理论基础2岩体结构理解理解岩体结构及岩体力学性质，分析工程岩体的稳定性问题3地应力测量技术掌握地应力测量方法和原理，能够选择合适的测量技术方案4应力分布规律理解采动岩体内应力计算方法和重新分布规律，掌握岩层模拟试验方法第一章绪论学科发展历史研究内容从传统经验到现代科学理论的演进过程矿山压力学科的核心研究内容及方法体系1234研究现状工程重要性国内外矿山压力研究的最新进展和技术水平学科在采矿工程中的关键作用和应用价值矿山压力与岩层控制的基本概念矿山压力定义岩层控制原理矿山压力是指地下开采过程中，围岩对支护结构产生的压力作用岩层控制是通过合理的开采方法和支护措施，维持围岩稳定的技根据成因可分为原生地应力、采动应力和支护反力等不同类型术体系基本原理包括应力转移、变形控制和强度匹配等方面压力的大小和分布直接影响巷道和工作面的稳定性，是矿山安全有效的岩层控制能够预防冒顶、片帮等地压灾害，确保矿山安全生产的关键控制因素高效开采研究方法概述理论分析法数值模拟法相似模拟试验运用力学理论建立数学利用有限元、边界元等通过物理模型试验验证模型，分析矿山压力分数值方法模拟复杂工程理论分析和数值计算结布规律问题果现场监测采用先进监测设备获取现场实测数据进行分析研究第二章岩石物理力学性质力学性质影响因素强度、变形、弹性模量等力学温度、湿度、应力状态等环境特征参数因素的影响物理性质流变特性密度、孔隙率、吸水性等基本蠕变、松弛等时间相关的变形物理参数特征2314岩石的物理性质密度与孔隙率岩石密度反映其致密程度，孔隙率影响强度和透水性密度测定采用排水法或比重瓶法，孔隙率可通过饱和吸水法计算吸水性与透水性吸水性表征岩石对水的吸收能力，透水性反映水在岩石中的渗透难易程度这些性质直接影响岩石的风化速度和强度变化风化与软化特性岩石暴露在地表环境中会发生物理和化学风化，导致强度降低软化系数是评价岩石遇水软化程度的重要指标温度影响温度变化会引起岩石热胀冷缩，产生热应力在深部开采和特殊环境下，温度对岩石性质的影响不可忽视岩石的力学性质岩石类型抗压强度抗拉强度弹性模量MPa MPaGPa花岗岩100-3008-2530-80石灰岩60-2005-2020-70砂岩50-1503-1515-50页岩20-1002-105-30岩石的力学性质包括强度特征、变形特征和破坏特征强度特征主要包括抗压强度、抗拉强度和抗剪强度变形特征通过弹性模量、泊松比等参数表征不同类型岩石的力学性质差异显著岩石的流变特性蠕变现象松弛现象岩石在恒定应力作用下随时间发生的缓1岩石在恒定变形条件下应力随时间逐渐慢变形过程2减小的现象工程应用流变模型4在支护设计中考虑岩石的长期变形和强建立描述岩石时效变形行为的数学模型3度衰减特性和本构关系第三章岩石的破坏机制拉伸破坏1岩石在拉应力作用下发生的脆性断裂破坏模式剪切破坏2岩石沿剪切面发生滑移破坏的主要破坏形式压缩破坏3高压应力状态下岩石的压缩破碎和塑性变形岩石破坏机制的研究对于理解岩体稳定性和设计合理的支护方案具有重要意义不同应力状态下岩石呈现不同的破坏模式，需要根据具体工程条件选择相应的强度准则和分析方法常用岩石强度理论莫尔库仑强度理论-基于摩擦理论的经典强度准则，认为岩石破坏取决于最大剪应力和法向应力的组合该理论简单实用，在岩土工程中应用广泛格里菲斯强度理论基于裂纹扩展理论的强度准则，考虑岩石中微裂纹在应力作用下的扩展过程特别适用于脆性岩石的拉伸破坏分析霍克布朗强度准则-专门针对岩石材料开发的非线性强度准则，能够较好地反映岩石强度的非线性特征在岩石工程中应用效果良好岩石破坏过程分析微裂纹扩展机理应力集中效应岩石破坏始于微裂纹的萌生和岩石中的孔洞、裂纹等缺陷会扩展，应力集中导致裂纹尖端产生应力集中，局部应力可达应力放大，当应力达到临界值平均应力的数倍，成为破坏的时裂纹快速扩展起始点声发射监测岩石破坏过程中会产生声发射信号，通过监测声发射活动可以预测岩石的破坏时间和位置第四章岩体结构与力学性质工程岩体质量评价综合评价体系建立1岩体强度特征2整体强度与局部强度分析岩体变形特征3连续变形与不连续变形结构面力学特征4节理、裂隙等结构面性质岩体结构类型5基本结构分类与识别岩体结构类型485%主要结构类型结构控制强度块状、层状、柱状、碎裂结构的基本特征结构面对岩体强度的控制程度3-5优势节理组数影响岩体稳定性的主要节理组岩体结构类型直接影响支护设计方案的选择块状结构岩体整体性好，适合采用锚杆支护；层状结构易发生沿层面滑移，需要加强层间连接；柱状结构容易产生楔形破坏，要重点控制关键块体；碎裂结构整体性差，需要采用密集支护或联合支护方式结构面力学特征岩体质量分类系统岩体质量指标岩体分类法RQD RMR岩芯质量指标，通过钻孔岩芯完整性评价岩体质量值越岩体质量评级系统，综合考虑岩石强度、、节理间距、节RQD RQD高表示岩体质量越好，是最基本的岩体分类指标理条件、地下水和应力状态等因素极好级极好岩体•RQD90%•I81-100良好级良好岩体•75-90%•II61-80一般级一般岩体•50-75%•III41-60较差级较差岩体•25-50%•IV21-40极差级极差岩体•RQD25%•V0-20第五章地应力测量原理与技术基本概念地应力的定义、分类和工程意义成因分布地应力形成机制和分布规律测试方法各种地应力测量技术原理数据应用测量数据分析与工程应用地应力基本概念地应力定义地应力是指地壳中天然存在的应力，包括重力应力、构造应力和残余应力应力分类按成因分为初始地应力和诱导地应力，按方向分为水平应力和垂直应力应力状态三维应力状态下的主应力和应力分量，应力张量的完整描述地应力测量方法分类地应力测量方法根据测量原理可分为直接法和间接法直接法包括扁千斤顶法、水压致裂法等；间接法包括应力解除法、声发射法等选择合适的测量方法需要考虑岩体条件、测量精度要求和经济成本等因素钻孔应力解除法钻孔准备选择合适的钻孔位置，确保岩体完整性，安装应变测量设备应变测量在钻孔过程中连续监测围岩应变变化，记录应变释放过程应力计算根据弹性理论和测得的应变数据反演计算原地应力大小和方向结果验证通过多个测点数据对比和其他方法验证，确保测量结果可靠性水力压裂法测量地应力1原理机制通过向密封钻孔段注入高压流体，使岩石产生拉伸破裂，根据破裂压力和关闭压力计算地应力2设备系统包括高压泵、压力传感器、流量计、封隔器等核心设备，能够精确控制注入压力和流量3测试流程钻孔、封隔、注水加压、压裂、卸压，整个过程需要严格控制操作参数4数据解释通过压力时间曲线分析确定破裂压力、重张压力和关闭压力，计算主应力-值地应力分布规律第六章巷道地压理论应力重分布弹塑性分析1开挖后围岩应力场的重新调整过程围岩变形破坏的力学机理分析2稳定性评价地压计算4巷道围岩稳定性的综合评判3变形地压与松脱地压的理论计算巷道周围应力分布弹性应力分布塑性区形成形状影响基于弹性理论的圆形巷道周围应力分布当围岩应力超过强度极限时，巷道周围形巷道断面形状显著影响应力分布圆形断应力集中系数在巷道边界达到最大值，随成塑性区塑性区范围取决于地应力大小、面应力分布最均匀，矩形断面在角部产生距离增加逐渐减小至原地应力水平围岩强度和巷道几何形状明显应力集中现象巷道围岩变形机理变形发展阶段围岩变形分为瞬时变形、蠕变变形和长期变形三个阶段瞬时变形在开挖后立即发生，蠕变变形持续数月至数年，长期变形可能延续整个服务期变形量计算基于弹塑性理论建立变形计算模型，考虑围岩性质、地应力状态、开挖方法等因素常用芬纳公式、卡斯特纳公式等理论解影响因素分析围岩强度、地应力大小、巷道尺寸、支护时机等因素显著影响变形大小软弱围岩和高地应力条件下变形量较大变形监测技术采用收敛计、多点位移计、应变计等设备实时监测围岩变形建立变形预警体系，及时采取工程措施采场矿山压力显现基本规律顶板下沉规律采场顶板下沉呈现阶段性特征，包括弯曲下沉、裂缝发育、冒落破坏等过程下沉量与采高、顶板岩性密切相关基本顶来压规律基本顶初次来压步距较大，周期来压步距相对稳定来压强度与顶板厚度、强度和悬露面积有关来压显现特征来压前兆包括顶板下沉加剧、支架压力增大、煤壁片帮、底鼓等现象及时识别来压征象对安全生产至关重要巷道围岩稳定性分析方法理论分析法基于弹塑性理论、极限平衡理论等建立力学模型，通过解析或半解析方法求解具有概念清晰、计算简便的优点数值模拟法采用有限元、有限差分、离散元等数值方法模拟复杂工程问题能够处理复杂几何形状和非线性材料特性工程类比法根据相似工程条件下的成功经验，结合现场实际情况进行类比分析适用于缺乏详细资料的工程初步设计安全系数法通过计算安全系数评价围岩稳定性安全系数大于时认为稳定，小于时需要

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1.

51.2采取加固措施第七章采场顶板控制及支护方法支护参数优化支护密度与时机优化1常用支护方式2锚杆、锚索、金属支架等顶板灾害预防3冒顶、片帮等灾害防治顶板稳定性保证4主动控制与被动控制措施控制基本原则5三下原则指导下的控制策略采场顶板控制基本原则三下原则下沉量控制、下沉速度控制、下沉范围控制，确保顶板安全有序下沉安全与经济平衡在保证安全的前提下，选择经济合理的支护方案，避免过度支护主动控制优先通过预支护、预应力等主动控制措施，预防地压灾害发生监测预警结合建立完善的监测预警体系，将理论预测与现场监测相结合常用支护方式比较支护方式适用条件支护强度施工难度经济性锚杆支护中等稳定中等简单经济围岩锚索支护大跨度或高中等中等软岩金属支架软弱破碎高复杂较高围岩喷射混凝表面加固中等中等经济土联合支护复杂地质很高复杂高条件锚杆支护技术锚杆类型作用机理根据锚固方式和材料分类通过锚杆与围岩的共同作用，提高围岩自承能力机械式锚杆•悬吊作用树脂锚杆••组合梁作用水泥锚杆••挤压加固作用摩擦式锚杆••设计参数施工工艺锚杆长度、间排距、预紧力等设计要素钻孔、清孔、安装、锚固等关键工序锚固长度确定钻孔质量控制••支护密度计算锚固剂选择••配套措施设计预紧力施加••锚索支护技术锚索特点系统组成锚索是高强度钢绞线制作的深部支护构件，具有承载力大、锚固锚索支护系统包括钢绞线、锚固剂、托盘、螺母等组件钢绞线深度深的特点相比锚杆，锚索能够穿越松动圈，在稳定岩层中是主要承力构件，锚固剂提供锚固力，托盘分散荷载锚固预应力锚索通过张拉设备施加预应力，使围岩处于压应力状态，锚索支护适用于大跨度巷道、软弱围岩和高地应力条件通过预提高围岩稳定性索力监测设备实时监控锚索工作状态应力作用，能够有效控制围岩变形，提高支护效果金属支架支护技术200-

3000.8-

1.2支护阻力可缩性kN/m m型钢支架的典型支护阻力范围支架的最大收缩变形量U25-36钢材型号常用型钢支架的规格型号U金属支架具有承载力大、可缩性好、施工快速等优点，特别适用于软弱破碎围岩和高地应力条件支架设计需要考虑围岩压力、变形特征和施工条件，合理确定支架类型、间距和连接方式喷射混凝土支护技术1材料配比水泥、砂石、外加剂的合理配比，确保喷层强度和粘结性2湿喷工艺湿喷法粉尘少、回弹率低，施工质量好，是目前主推工艺3厚度设计根据围岩条件确定喷层厚度，一般为5-15cm4复合支护与锚杆、钢筋网配合使用，形成复合支护体系支护参数优化设计支护密度确定根据围岩分类、地应力大小和变形特征确定锚杆间排距一般采用数值分析或经验公式计算，考虑安全系数和经济性要求支护时机选择及时支护原则下，在围岩变形稳定前完成支护安装根据围岩自稳时间和变形监测数据确定最佳支护时机参数优化方法采用数值模拟、现场试验和工程类比等方法优化支护参数建立多目标优化模型，实现安全性和经济性的平衡效果评价指标通过围岩变形量、支护结构应力、安全系数等指标评价支护效果建立长期监测体系，持续优化支护方案第八章冲击地压防治防治措施实施压力释放、煤体增韧、强支护等综合防治技术预测预报技术微震监测、钻屑法、电磁辐射等预警方法冲击倾向性评价煤岩体冲击倾向性分级与危险性评估冲击地压机理能量积聚与突然释放的物理机制分析冲击地压机理与分类能量积聚机制瞬时释放过程分类标准高地应力作用下，煤岩能量释放过程极其迅速，按破坏程度分为弱冲击、体内弹性能不断积聚，伴随剧烈声响、震动和中等冲击、强烈冲击和当超过材料极限时发生煤岩体抛射现象灾难性冲击四个等级突然释放典型案例国内外煤矿冲击地压事故案例分析，总结规律和经验教训冲击地压预测预报技术冲击地压防治措施压力释放技术通过卸压钻孔、爆破卸压等方法释放集中应力，降低冲击危险性卸压效果与钻孔参数、布置方式密切相关煤体增韧技术采用注水、注浆等方法改善煤体力学性质，提高煤体韧性，减少脆性破坏注水能够软化煤体，降低弹性能积聚强支护技术采用高强度、高刚度支护材料和密集支护方式，提高支护系统抗冲击能力包括锚杆锚索联合支护、金属网片支护等开采优化调整通过优化开采顺序、调整工作面布置、控制开采速度等措施，避免应力集中，减少冲击地压发生概率第九章岩体工程的相似模拟理论与方法相似理论基础模型材料制作1建立模型与原型的相似关系和相似准则选择合适材料并制作相似模型2结果分析应用试验设计实施4分析试验结果并指导工程实践3制定试验方案并进行模拟试验相似理论基础相似类型相似条件相似比例应用范围几何相似形状相同长度比例模型尺寸设计运动相似运动轨迹相似时间比例动态过程模拟动力相似力的作用相似力的比例荷载模拟物理相似物理性质相似材料参数比例材料选择相似理论是物理模拟试验的理论基础通过建立模型与原型之间的相似关系，可以用小尺度模型研究大尺度工程问题相似准则的推导基于定理和量纲分π析方法模型材料与制作材料选择原则选择与原型岩体力学性质相似的材料，常用石膏、砂、水泥等作为基本材料，通过调整配比达到相似要求配比设计方法根据相似比例和岩体力学参数确定模型材料配比通过试验确定最佳配比，使模型材料的强度、变形等参数满足相似要求模型制作工艺采用分层浇筑、振动密实等工艺制作模型严格控制制作过程中的含水率、密实度等参数，确保模型质量边界条件处理合理设计模型边界条件，包括约束边界、荷载边界等边界效应的控制对试验结果准确性至关重要模拟试验设计与实施试验方案设计试验过程控制根据工程问题确定试验目标，设计试验方案包括模型尺寸、加严格按照试验方案执行，控制加载速度、环境条件等试验参数载方式、测点布置等关键要素试验方案应能够反映工程实际条实时监测模型响应，及时调整试验参数件详细记录试验过程中的现象和数据，包括变形发展过程、破坏模考虑试验的可行性和经济性，合理简化复杂的工程条件确保试式等建立完整的试验档案验结果能够为工程设计提供有效指导模拟试验结果分析数据采集处理利用现代测试技术获取试验数据，包括应力、应变、位移等参数结果分析解释分析试验现象和数据，揭示岩体工程的基本规律和机理模型原型对比将模型试验结果换算为原型工程参数，验证理论分析工程应用转化将试验成果应用于工程设计和施工指导第十章数字化矿山与矿压监测监测系统设计构建完整的矿山压力监测网络，包括传感器选择、布置方案和数据传输系统设计物联网技术应用利用物联网技术实现设备互联和数据共享，提高监测系统智能化水平大数据分析运用大数据技术分析海量监测数据，挖掘隐藏规律和预测趋势智能预警决策建立智能预警系统，为矿山安全生产提供科学决策支持。