煤矿工程地质问题分析.ppt

煤矿工程地质问题分析,煤矿是一个典型的地质工程纵横交错的巷道系统纵深穿越的井筒咽喉顶底板复杂的采场煤矿工程地质问题众多成为制约煤矿安全和经济效益的重要因素,1.立井井筒工程地质问题包括立井围岩、土体应力分布、变形破坏特征、稳定性分析；凿井施工方案、支护措施的工程地质论证等。当前突出要解决的问题是巨厚松散层建井工程地质问题。立井渗漏问题一直是影响井筒正常使用的一大难题。立井井壁破裂治理在不少矿区成为经常性的技术措施。,,,2.巷道、采场工程地质问题包括巷道围岩应力重分布、变形破坏特征，巷道、围岩稳定性工程地质分析；采场地压显现的规律；煤矿冲击地压及其控制；运输大巷、井底车场、峒室布置的工程地质论证；巷道、采场的工程地质勘测、测试及观测工作。其中突出的问题有软岩巷道变形、破坏问题、冲击地压问题和底板突水问题。,,3.开采岩层移动工程地质研究理论内容包括岩层移动工程地质研究的基本理论、覆岩变形破坏的类型与力学机理、土体变形的水土耦合作用机理等。应用研究领域主要有安全保护煤柱问题，包括厚松散含水层下及其它水体下开采防水煤岩柱、断层防水煤岩柱、建筑物下、铁路下采煤保护煤柱等；老采空区岩土体稳定性研究等。如在厚松散含水层下采用放顶煤方法开采厚煤层防水煤岩柱留设问题,上覆岩层高压注浆减缓地表沉陷技术.,第四章煤矿工程地质问题分析,第一节地下工程围岩稳定性分析围岩应力重分布围岩变形与破坏影响围岩稳定性的地质因素围岩稳定性分析围岩压力第二节煤矿工程地质问题专题分析煤矿立井破裂防治开采岩层移动工程地质,本章参考书,工程地质学开采岩层移动工程地质研究，中国建筑工业出版社煤矿立井井壁破裂防治技术研究，中国矿业大学出版社,第一节地下工程围岩稳定性分析,一、围岩应力重分布二、围岩变形与破坏三、影响围岩稳定性的地质因素四、围岩稳定性分析五、围岩压力,一、围岩应力重分布,原岩应力地下工程开挖之前，岩体处于原岩应力的平衡状态之中围岩应力地下工程开挖后岩体内能量释放，引起洞室周围一定范围内岩体中的应力重新分布，形成新的应力状态，称为围岩应力或二次应力围岩应力的影响范围一般为洞室直径的３－５倍，习惯上将此范围内的岩体称为围岩。,,圆形洞室的重分布应力,,,,,不同侧压力系数条件下圆形洞室的应力重分布,,,,,,二、影响围岩稳定性的地质因素,岩性地质构造岩层走向与巷道轴向的关系褶皱断层岩体结构地应力地下水,,,,褶皱,,,,岩体结构,三、围岩变形与破坏,脆性破裂块体滑动塌落层状弯折和拱曲松动解脱塑性变形与剪切破坏膨胀崩解煤、岩、瓦斯突出等方式、特征、成因,,围岩的变形与破坏的几种形式（据水利版工程地质学）,,,,,,,,,,四、围岩稳定性分析,（一）基本概念概念地下工程使用期间，安全和所需最小断面得以保证，称为稳定。种类自稳洞室开挖后，不需支护，长期自行稳定人工稳定需考喷锚或其他支护，才能稳定力学本质,,,,围岩稳定性评价方法弹塑性理论方法不连续体理论方法数值分析方法工程地质类比方法等,,（二）弹塑性理论方法１．周边围岩破坏判据,,（二）弹塑性理论方法２．周边位移洞室周边向洞室空间的移动，以位移量大小表示。弹性位移,,,弹塑性位移,,Pb-支护压力,剪切模量,判断,,（三）不连续体（块体）理论方法１．顶板楔形危岩,,,,,,G,,,,稳定条件,（三）不连续体（块体）理论方法２．侧壁楔形危岩,,,G,安全系数1安全＝１极限平衡１失稳,,,,Ａ,B,C,,（四）数值分析方法有限差分法有限单元法离散单元法边界单元法DDA,,（五）工程地质类比法按围岩强度或岩体力学属性对围岩分类按围压稳定性的综合分类按岩体质量等级的围岩分类RQDRMRQ,理论方法要注意使用条件,整体结构岩体坚硬、完整、宏观结构面不发育，可以用弹性理论和弹塑性理论块状结构岩体岩石较坚硬、完整性差、宏观结构面发育，有充填或张开，可以用不连续体理论方法软弱岩体弹塑性理论方法松散结构岩体、土体可以用散体理论方法,五、围岩压力,基本概念与种类巷道围岩压力估算井壁压力估算,一基本概念,含义洞室围岩应力超过围岩强度，使岩体产生变形和破坏，因此需要支护，作用在工程支护上的压力，称为围岩压力或矿压。是围岩与支护之间的作用力分类（按形成方式、成因不同）松动压力由于开挖而松动或塌落的岩体以重力形式直接作用在支护上的压力变形压力围岩变形受到支护限制产生的压力（弹性变形、塑性变形、流变等）膨胀压力围岩膨胀崩解产生的压力冲击压力岩爆、冲击地压、煤爆等动力作用产生的压力,二巷道围岩变形压力的估算,１．松动压力估算普氏理论（1907，普罗托吉亚科诺夫）认为由于应力重分布，洞顶破碎岩体随时间增长逐步坍塌，直至形成自然拱后围岩才稳定下来，围岩压力就等于压力拱和衬砌之间松动岩体的重量。,,,,,,,,h,2b,fk－普氏系数,二巷道围岩变形压力的估算,2．不连续体,,,,,,,,,,,,二巷道围岩变形压力的估算,３．变形压力,三井壁压力估算,１.松散层一般可按挡土墙理论计算,,,,,,,,,P,Pp,Pa,Po,a,b,c,o,移向填土方向,离开填土方向,土压力作用形式a-主动土压力；b-被动土压力；c-静止土压力,,主动土压力挡土墙背在墙后填土的侧压力作用下，离开填土方向向前移动或转动时，土体内出现主动滑裂面，同时产生剪切阻力作用，阻止土体滑移，使侧向压力减小，随着墙身向前位移的不断增加，墙后填土内的剪切阻力作用也随之不断增大，直至土的抗剪强度已完全发挥，土体达到主动极限平衡状态，此时墙后填土作用在墙背上的土压力减至某一最小值，该土压力称为主动土压力Pa。,极限平衡条件,,,,,,,,c,,,,,,,,A,O,O’,,,,,,,,,主动土压力计算原理,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,主动土压力系数,无粘性土,粘性土,立井地压计算,第n层顶面的垂直压力第n层顶面的地压,立井地压分层计算,,第n层底面的垂直压力第n层底面的地压,,重液理论估算把表土的含水冲积层和流沙层视为水、土混合的重液，不需考虑分层的压力大小，其地压随深度呈三角形分布。公式为,式中水土混合物的重度，一般取１１－１３KN/m3H－计算点的深度,,,2.基岩中井壁压力估算当深度远大于破裂带宽度时，可以用下式估算（＝１）,,,,,,Rp,,,R０,