采礦學(xué)地采第十三章第1頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述第二節(jié)采場暴露面和礦柱第三節(jié)支護(hù)第五節(jié)崩落圍巖第四節(jié)充填第十三章地壓管理第2頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第十三章地壓管理【目的要求】

掌握采場地壓管理的方法和概念；掌握采場暴露面的穩(wěn)定性評價、礦柱強(qiáng)度計(jì)算及尺寸確定及各種支護(hù)方法的使用條件。【重點(diǎn)】

掌握采場地壓管理的方法和概念；掌握各種支護(hù)方法的使用條件。【難點(diǎn)】掌握采場地壓管理的方法和概念；掌握各種支護(hù)方法的使用條件。第3頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述一、概念1、原巖體未開挖的巖體或不受開挖影響的巖體部分稱為原巖體。2、原生應(yīng)力場原巖體中的巖石在上覆巖層重量以及其它力的作用下，處于一種應(yīng)力狀態(tài)，一般把這種應(yīng)力狀態(tài)稱為原生應(yīng)力。3、地壓顯現(xiàn)巖體被開挖以后，破壞了原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，巖體中的應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生了次生應(yīng)力場，使巷道或采場周圍的巖石發(fā)生變形、移動和破壞，這種現(xiàn)象稱為地壓顯現(xiàn)。第4頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述4、地壓

使圍巖變形、移動和破壞的力，稱為地壓或礦山壓力。5、地壓管理為保證正常回采，而采取的減少或避免地壓危害的措施，或積極利用地壓進(jìn)行開采，這種工作就是地壓管理。6、地壓管理方法為進(jìn)行地壓管理所采取的各種措施。第5頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述二、采場地壓管理的基本方法

1、利用礦巖本身的強(qiáng)度和留必要的支撐礦柱，以保持采場的穩(wěn)定性。

2、采取各種支護(hù)方法，支撐回采工作面，以維持其穩(wěn)定性。

3、充填采空區(qū)，支撐圍巖并保持其穩(wěn)定性。

4、崩落圍巖，使采場圍巖應(yīng)力降低，并使其重新分布達(dá)到新的應(yīng)力平衡。第6頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)采場暴露面和礦柱一、采場暴露面的穩(wěn)定性評價

1）影響采場暴露面積大小的主要因素：礦石和圍巖的力學(xué)性質(zhì)；開采深度；施加在開采空間頂板的上覆巖層高度；暴露面維持的時間；暴露面的幾何形狀等。第7頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2）覆巖總重假說認(rèn)為，在水平或緩傾斜礦體中，開采空間承受的載荷P，是開采空間上部直達(dá)地表全部覆巖重量的總和。第二節(jié)采場暴露面和礦柱

第8頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)采場暴露面和礦柱

3）拱形假說以松散體力學(xué)為理論基礎(chǔ)，認(rèn)為在上部覆巖的壓力作用下，松散的巖體從開采的頂板向下冒落，形成自然平衡拱。作用在礦柱上或支架上的載荷，僅是冒落拱內(nèi)巖塊的重量，于開采空間埋藏深度無關(guān)。其方程式為：式中：a—平衡拱跨度之半

f—巖石堅(jiān)固性系數(shù)，f=tanφ第9頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)采場暴露面和礦柱4）開采空間上部巖體所承受的載荷，不是其上部整個覆巖的重量，而僅使其中的一部分。如果施加在開采空間頂板上面的巖層高度：

式中：H——開采深度；

k——載荷系數(shù)。第10頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月5）實(shí)踐證明：開采暴露面的穩(wěn)定性，不僅決定于面積大小，而且決定于暴露面的形狀。暴露面長寬尺寸接近時（長度小于其2倍寬度），穩(wěn)固性決定于面積大小；暴露面長度遠(yuǎn)大于寬度（大于2倍以上）時，穩(wěn)固性決定于寬度。為保持暴露面的穩(wěn)固性，開采空間跨度不得超過極限跨度或面積不得超過其極限暴露面積。

第二節(jié)采場暴露面和礦柱第11頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月6）暴露面保持的時間，對穩(wěn)定性有很重要的影響。盡管載荷不增加，但長期靜載荷作用下，巖石由于蠕變，變形迅速增加，使巖石破壞。因此相同條件下，提高開采強(qiáng)度，縮短開采空間的暴露時間，往往能夠獲得良好的開采效果。

第二節(jié)采場暴露面和礦柱第12頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)采場暴露面和礦柱

二、礦柱

1）礦柱的形狀對其強(qiáng)度的影響礦柱的強(qiáng)度與其形狀有關(guān)。礦柱的寬度越大，高度越小，礦柱處于三向壓縮狀態(tài)的部分越大，則礦柱的強(qiáng)度越高。2）水平和緩傾斜礦體礦柱計(jì)算：保證礦柱強(qiáng)度必需的截面，按許用承載強(qiáng)度計(jì)算：式中：S—礦柱支撐的上部覆巖面積；

H—開采深度

K—載荷系數(shù)，與巖石性質(zhì)有關(guān)

S—礦柱的截面積；

n—安全系數(shù)。第13頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)采場暴露面和礦柱最終選定的礦柱尺寸，必須大于下列條件所限定的礦柱最小寬度：1）為防止礦柱被爆破崩壞，應(yīng)使礦柱寬度c≥2w;2）為防止礦柱縱向彎曲，要求c≥0.25h~0.75礦柱h;3）采用爆破崩礦時，要求c≥3~5m，以保持礦柱中心部位穩(wěn)固；4）如果頂板巖石強(qiáng)度低于礦石強(qiáng)度，為防止礦柱壓入頂板，應(yīng)加大礦柱面積。第14頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)采場暴露面和礦柱3）急傾斜礦體礦柱計(jì)算開采急傾斜礦體時，一般留有頂柱，底柱和間柱。底柱因受放礦巷道切割嚴(yán)重，對圍巖的支撐能力很差；頂柱因受剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，只能承受部分載荷，因此頂柱和底柱的支撐能力僅按安全系數(shù)考慮；間柱厚大且連續(xù)，呈三向受力狀態(tài)，是支撐圍巖的主體部分。第15頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)支護(hù)一、木材支護(hù)

1、橫撐支柱和立柱開采急傾斜薄礦脈時，用橫撐支柱支護(hù)兩幫圍巖，并在其上架設(shè)木板或圓木，作為鑿巖爆破的工作臺。開采緩傾斜薄礦體時，可用立柱支護(hù)不穩(wěn)固的頂板，采幅高度一般不大于2.5~3m。根據(jù)頂板穩(wěn)固程度，采用帶帽立柱或立柱加背板。第16頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)支護(hù)２、木垛支護(hù)用于跨度不大而地壓較大的緩傾斜礦體或在充填體上面支護(hù)頂板（圖13-8）。木垛常用的木材長度為1.5-2.5m，直徑120-200mm。水平礦體所用木垛中木料最小長度不得小于高度的1/4，以保證其穩(wěn)定性。第17頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)支護(hù)３、方框支架和木棚方框支架是一個矩形平行六面體的木結(jié)構(gòu)，隨回采工作面推移，由下盤向上盤逐個架設(shè)，由下向上逐層建造（圖13-9）。在不穩(wěn)定的圍巖和礦石中，采用回采巷道回采時，常用間隔的或密集的木棚支護(hù)。第18頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)支護(hù)二、錨桿和錨桿架支護(hù)１、錨桿支護(hù)綜合國內(nèi)外應(yīng)用的錨桿結(jié)構(gòu)型式，其分類為：點(diǎn)錨固型式全長錨固型式機(jī)械錨固粘結(jié)錨固楔縫式漲殼式倒楔式樹脂粘結(jié)錨固樹脂砂漿摩擦錨固管縫式液壓漲殼式第19頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)支護(hù)1）點(diǎn)錨固式錨桿在工作之初，先要擰緊螺帽，使其受到預(yù)加拉力，因此，也稱為預(yù)應(yīng)力錨桿，

2）全長錨固式錨桿荷載沿錨桿全長作用，屬無預(yù)應(yīng)力型。與點(diǎn)錨固式錨桿相比，全長錨固式錨桿具有錨固力大、變形小、適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn),松軟性巖層中應(yīng)用，效果更好；在需要用預(yù)應(yīng)力錨桿時，使用預(yù)應(yīng)力錨桿為好。

【注】錨桿支護(hù)區(qū)別于木材支護(hù)的主要特點(diǎn)：錨桿和圍巖結(jié)合為一整體，共同作用，因此也稱為主動支護(hù)。第20頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)支護(hù)2、錨桿的力學(xué)作用

1）懸吊作用：在塊狀結(jié)構(gòu)或碎裂結(jié)構(gòu)的巖層中，錨桿將不穩(wěn)固的巖塊或巖層，懸吊在松動區(qū)以外的穩(wěn)固的巖層上，組織巖塊或巖層塌落。２）組合作用：在層狀結(jié)構(gòu)的巖層中，錨桿如同連接螺栓，將薄層組合成厚梁，使圍巖承載能力大大提高．３）擠壓作用：在松軟的巖層中，以某種參數(shù)系統(tǒng)布置預(yù)應(yīng)力錨桿群，在圍巖內(nèi)形成一個承載拱，以提高圍巖的承載能力．第21頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)支護(hù)2、錨桿桁架支護(hù)錨桿架是礦山頂板支護(hù)的新方法，它比錨桿支護(hù)具有更高的優(yōu)越性。

1966年在美國研制成功，以后應(yīng)用與煤和非礦山的寬巷道，斜坡的頂板支護(hù)，還用于房柱法的礦房頂板支護(hù)上。第22頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)支護(hù)三、金屬支架支護(hù)

金屬支架具有強(qiáng)度大，使用期限長，可多次復(fù)用，安裝容易，耐火性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在地下開采中的應(yīng)用逐漸增加。但這種支架重量大，成本高，搬運(yùn)和修理較困難，因此多用于開拓和采準(zhǔn)巷道的支護(hù)中，而采場中應(yīng)用較少。采空區(qū)液壓支護(hù)第23頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)支護(hù)

近年來，開采頂板不穩(wěn)定的緩傾斜薄礦體時，探索性移植了煤礦液壓式掩護(hù)支架。隨回采工作面向前推進(jìn)，不斷移動掩護(hù)支架以支撐工作面附近的頂板。在支架后方，直接頂板可自然冒落。由于金屬礦石較堅(jiān)硬，通常使用鑿巖爆破法落礦，故掩護(hù)支架需有防爆措施。此外，尚應(yīng)研制與掩護(hù)支架配套的采場搬運(yùn)措施。第24頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)支護(hù)四、混凝土和噴射混凝土支護(hù)

這種支護(hù)方法主要用于電耙巷道，噴射混凝土支護(hù)有時也用于采礦巷道。１、混凝土支護(hù)

主要是使用速混凝土，但在一些關(guān)鍵部位采用配以鋼筋或鋼軌、工字鋼等整體澆灌的支護(hù)方法。

具有承壓大，整體性好，適應(yīng)各種漏斗布置形式，支護(hù)表面平整利于耙礦等優(yōu)點(diǎn)。

無可塑性，抗爆破沖擊震動性能差，需要較長的養(yǎng)生期，底柱回采后彎曲的鋼筋不利放礦。第25頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)支護(hù)２、噴射混凝土支護(hù)

將按比例并已經(jīng)攪拌好的干料（砂、石、水泥、速凝劑等混合物），送入噴射機(jī)，用壓氣輸料管道送到工作面，干料在噴射咀的混合室內(nèi)與水混合，以高速噴射到所支護(hù)的巖壁上，形成噴射混凝土支護(hù)體。這種支護(hù)方法與被支護(hù)體的巖壁有很高的粘結(jié)力，能充填巖壁較大的裂隙，從而提高巖體的穩(wěn)定性和承載能力。噴射混凝土與巖壁共同作用，構(gòu)成統(tǒng)一的受力體系，成為主動的承載結(jié)構(gòu)。第26頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)充填

按照充填材料的成分和輸送方法不同，可分為干式充填、水力充填和膠結(jié)充填。一、干式充填按采場內(nèi)運(yùn)輸廢石的方式，可以分為自重、機(jī)械和風(fēng)力充填三種。自重充填主要用于隨后充填，但當(dāng)采用傾斜分層回采時，也可用于同時充填。機(jī)械充填是用自行設(shè)備，電耙或輸送機(jī)在采場內(nèi)撲平廢石。風(fēng)力充填應(yīng)用較少．它是利用壓氣使充填料沿管路送向充填地點(diǎn)。由于干式充填效率低，充填工作勞動消耗大，充填不夠致密，逐漸為水力充填所代替．但對中小型礦山因?yàn)橥顿Y少，不需添置設(shè)備，因此仍有使用價值。第27頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)充填二、水力充填水力充填是用水作媒介，使充填料沿管道或鉆孔輸送到充填地點(diǎn)。包括充填料的選擇和加工，砂漿制備和輸送，充填和脫水以及廢水處理等。1、充填材料的選擇和加工水力充填材料有河砂，山砂，卵石，爐渣，采掘的巖石以及選廠的尾砂等。充填料的最大粒徑不應(yīng)超過管徑的1/3，而且含量不超過總量的15％。砂漿的濃度用固體和液體的體積比或重量比表示，為了減少排水費(fèi)用，固液比應(yīng)控制在1:3.5以內(nèi)。應(yīng)嚴(yán)格控制尾砂的硫化物的含量：黃鐵礦含量不得超過８％，磁鐵礦不應(yīng)超過４％。否則應(yīng)進(jìn)行脫硫處理。第28頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)充填2、充填料的制備為了使充填料在管道中順利輸送，充填料在進(jìn)入管道前，必須和水均勻混合成砂漿，這就是砂漿制備。其目的是將充填料配制成合格的粒級組成，控制細(xì)泥含量和砂漿濃度，以保證順利輸送和達(dá)到必要的充填能力。第29頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)充填３、砂漿的水力輸送制備好的砂漿，需用管道輸送至充填地點(diǎn)。管道由垂直和水平部分組成，垂直部分砂漿柱要有一定高度（自然壓頭），保證水平部分砂漿以必要的速度運(yùn)移充填料。４、充填體的形成與脫水目前國內(nèi)外的脫水方法有兩種：溢流脫水和滲透脫水。充填料的粒級在19-27um以上時，宜用滲透脫水；對于17-27um以下的則只能用溢流脫水。５、排泥沉淀池或水倉內(nèi)沉淀的泥砂，必須定期清理，這個過程稱排泥。第30頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)充填第31頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)充填６、水力充填評價與干式充填比較，水力充填工作可實(shí)現(xiàn)全面機(jī)械化，勞動生產(chǎn)率高，充填能力大，充填體密度大，但污染巷道，基建費(fèi)用較高。與膠結(jié)充填比較，充填費(fèi)用低，但充填體具有松散性，沉縮較大。對充填體強(qiáng)度沒有特殊要求時，水力充填有明顯的優(yōu)點(diǎn)。第32頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)充填三、膠結(jié)充填

１、充填材料：混凝土膠結(jié)充填料和尾砂膠結(jié)充填料兩類。２、膠結(jié)充填料的配比混凝土膠結(jié)充填料，應(yīng)具有較好的流動性，便于向采場輸送和澆注；尾砂膠結(jié)充填料的配比主要是指水泥和尾砂重量比和輸送濃度。３、膠結(jié)充填料的制備和輸送間歇式攪拌系統(tǒng)，連續(xù)式攪拌系統(tǒng)，半分離制備系統(tǒng)。４、膠結(jié)充填的評價與混凝土膠結(jié)充填比較，尾砂膠結(jié)充填的充填料便于管道輸送，制備工藝簡單，效率高，投資少，但其充填體強(qiáng)度較低。應(yīng)用絮凝劑可以防止水泥離析現(xiàn)象，以提高充填體強(qiáng)度。第33頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)充填四、充填體的作用１、充填體對礦柱的作用充填體強(qiáng)度低，剛度小，只采用充填料不能有效地防止圍巖的移動。實(shí)踐證明，留有適量的礦柱，再充填礦房，能有效的控制地壓和限制圍巖的移動，保持開采空間的穩(wěn)固性。２、充填體對圍巖應(yīng)力分布的影響充填的作用在于限制圍巖和礦柱變形的發(fā)展，減緩巖石移動的危害和降低地表的下沉程度。充填工作速度越快，圍巖變形受限制的時間越早，越有利于開采空間的穩(wěn)定。第34頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)充填

當(dāng)采用間隔開采和膠結(jié)充填，以及在接頂又較理想的條件下，第一步回采礦柱的應(yīng)力分布曲線