矿大北京矿山压力与岩层控制特训文档格式.docx

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100%

n——岩石的孔隙率，%

V0——岩石中孔隙的总体积，m3

V——岩石的总体积，m3

第二节岩石的强度和变形特性

1.线弹性：

应力——应变关系呈直线关系。

2.完全弹性（非线性弹性）：

应力——应变关系不是直线关系，但卸载时应力应变沿原来的曲线返回原点。

3.滞弹性：

应力——应变为曲线关系，无残余变形，卸载时应力应变沿另一条曲线返回原点。

4.岩石的单向抗压强度：

岩石试件在无侧压且只受轴向荷载作用下，所能承受的最大压应力。

5.岩石的单轴抗拉强度：

岩石试件在单轴拉应力作用下所能承受的最大值。

6.蠕变：

应力不变条件下，应变随时间延长而增加的现象。

7.松弛：

应变一定时，应力随时间延长而减小的现象。

8.弹性后效：

加载（或卸载）后经过一段时间应变才增加（或减小）到一定数值的现象。

9.粘性流动：

岩石在蠕变发生一段时间以后卸载，部分变形永久不能恢复的现象。

图形分析

1.岩石的不同弹性类型

a—线弹性b—完全弹性（非线性弹性）c—滞弹性

2.岩石的应力应变全程曲线（课本16页图1—9）

可以分为五个阶段：

（1）O—A段，原始空隙压密阶段，岩石应力—应变曲线呈上弯形。

（2）A—B段，线弹性阶段，岩石应力—应变曲线呈直线形。

（3）B—C段，弹塑性过渡阶段，岩石的应力—应变曲线从B点开始偏离直线，当应力达到0.6

时，岩石开始有微破裂不断产生，岩石的体积由压缩转向膨胀。

（4）C—D段，塑性阶段，当应力超过屈服应力后接近0.95

时，岩石破裂速度加快岩石的应力—应变曲线继续向右上方延伸，岩石的体积膨胀加速，变形也随应力增长而迅速增长，直到D点破坏。

（5）D点以后为破坏阶段，又称后破坏阶段，岩石达到强度极限后，破坏的发展要经历一个过程，最终达到完全破坏。

简答

影响岩石变形和强度的因素有哪些？

岩石的变形和强度受很多因素影响，但总体来说有两大类，一是岩石的本身特征，二是岩石试件的试验条件，主要有以下几个方面：

（1）岩石的性质。

由于岩石本身密度、矿物组成、结晶程度、颗粒大小及胶结物的种类不同，各种岩石的强度甚至是同一种岩石的强度都不同。

（2）岩石的生成条件。

埋藏深度是生成条件对强度影响的一个方面，而在有些岩石结构中，若其形成具有非结晶物质，则岩石的强度就会大大降低。

（3）岩石的构造特征。

层理构造对沉积岩强度的影响十分明显。

（4）风化、水和温度的作用。

（5）岩石试件的形状和尺寸。

一般棱柱形试件的强度低于圆柱形试件的强度，岩石的强度还随试件尺寸的增大而降低，试件的高径比对单轴抗压强度也有重要影响。

（6）加载速率及次数。

加载速率愈快岩石的抗压强度愈大，对于不同的加载次数，岩石的变形和强度会有明显的不同。

（7）岩石的受载状态。

三轴等压抗压强度>

三轴不等压抗压强度>

双轴抗压强度>

单轴抗压强度>

抗剪强度>

抗弯强度>

单轴抗拉强度。

第三节岩石的破坏机理和强度理论

1.格里菲斯强度理论：

在材料内部存在许多均匀的，随机分布窄缝形的微裂隙。

在力的作用下，处于不利方位的微隙端部就产生应力集中现象，使该处的应力达到所施加压力的十几倍甚至是上百倍，于是裂隙就沿其长度方向开始扩张，直至材料整体破坏。

2..莫尔强度准则（课本25页）

第四节岩体的基本特征和类型

1.岩体：

地质体的一部分，并且是由处于一定地质环境中的各种岩性和结构特征岩石所组成的集合体。

2.结构面：

在地质历史中所形成的具有一定方向、厚度较小和一定延展长度的地质界面。

岩体的基本特征是什么？

（1）岩体的非均质性。

由多种岩石组成的岩体，因其结构面方向、分布、密度以及在自然条件下组成岩石的物质成分和组合状况经常变化，所以认为岩体是非均质的。

（2）岩体的各向异性。

因岩体中结构面的分布往往有一定的方向，随受力岩体的结构面趋向不同，其力学性质也不同。

（3）岩体的非连续性。

由于岩体被各种结构面所切割，因而从总体上说岩体属于非连续介质。

第五节岩体的基本力学性能与分级标准

岩石质量指标RQD：

钻孔中直接获取的岩心总长度L，扣除破碎岩心和软弱夹泥的长度后的长度l，与钻孔总进尺H之比，即

影响岩体强度的因素：

（1）结构面产状。

存在结构面是岩体区别于岩石的最重要特征之一，且因结构面的存在，而使岩体的强度显著低于岩块强度，因此岩体更容易变形和失稳。

通常，结构面对岩体强度的影响主要表现为造成岩体强度的各向异性和岩体强度的降低。

（1）单向压缩下结构面产状。

层状岩体在单向压缩下，加载方向与层理面呈不同角度，极限强度会随夹角不同而有规律的变化，并且平行于层理加载的抗压强度和抗剪强度小于垂直于层理方向加载时的相应强度，抗拉强度则大于垂直于层理的抗拉强度。

（2）三轴压力下结构面产状。

当岩体中存在一组结构面时，其强度随结构面与主应力之间夹角的不同而不同，但如果岩体中存在多组倾角不同的结构面，由于各组结构面影响范围的交叉重叠，反而使岩体强度各向异性的程度减弱。

（2）结构面密度。

结构面密度对岩体强度的影响主要有两个方面：

相同条件下，岩体内结构面数量越多，密度越大，变形也越大，但强度越低；

岩体强度不会因结构面密度的增大而无限降低，而是存在一个临界值，大于此值时，结构面密度对岩体变形和强度的影响就很小。

（3）试件尺寸。

岩体强度随试件尺寸的增大而减小，但不同岩体的强度因试件尺寸增大而减小的规律却不同，其影响因素较多。

通常，试件尺寸对岩体强度影响的大小主要取决于岩体结构特征或破坏程度，并与结构面产状、密度以及结构面蜕化程度和结构体特征有很大关系。

（4）环境围压。

环境围压对岩体变形和强度都产生很大的影响，即a，围压的大小影响岩体的破坏方式。

b，岩体抗剪强度随围压的增大而增大，但不呈直线关系，在低围压情况下增大得快，高围压增大得慢。

C，围压增大，岩体的变形模量也明显提高。

d，岩体中结构面的力学效应应随围压的增大而减小，当围压达到某一临界值时，岩体中结构面效应完全消失，此时岩体从脆性破坏变为延性破坏。

（5）孔隙水压。

由于孔隙水压的存在，使岩体中固体颗粒或骨架所承受的压力随之减小，岩体强度也就相应的降低。

第二章矿山岩体的原岩应力及其重新分布

第一节岩体中的原岩应力

原岩应力：

存在于地壳中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力。

原岩应力分布的基本规律

（1）实测铅直应力基本上等于上覆岩层重量

（2）水平应力普遍大于铅直应力

（3）平均水平应力与铅直应力的比值随深度增加而减小

（4）最大水平主应力和最小水平主应力一般相差较大

第二节岩体中的弹性变形能

弹性应变能：

岩体受外力作用而产生弹性变形时，在岩体内部所储存的能量，称为弹性应变能。

第三节“孔”周围的应力分布

第四节围岩的极限平衡与支承压力分布

支承压力：

在岩体内开掘巷道后，巷道围岩必然出现应力重新分布，一般将巷道两侧改变后的切向应力增高部分称为支承压力。

图形分析（课本页图2—26支撑压力的分区）

第五节支承压力在底板岩层中的传播

第三章采场顶板活动规律

第一节概述

1.采场：

在煤层或矿床开采过程中，一般把直接进行采煤或采有用矿物的工作空间称为采场。

2．直接顶：

一般把直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层称为直接顶。

3．老顶：

位于直接顶之上对采场矿山压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层称为老顶。

第二节有关采场上覆岩层活动规律的假说

第三节直接顶的垮落

第四节老顶的断裂形式

第五节老顶的初次断裂步距

初次断裂步距：

老顶达到初次断裂时的跨距。

n层对第1层影响时形成的载荷，即（qn）1

第六节老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析

第七节老顶断裂时在岩体内引起的扰动

第四章采场矿山压力显现基本规律

顶板下沉：

一般指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板相对移近量。

第二节老顶的初次来压

老顶的初次来压：

当老顶悬露达到极限跨距时，老顶断裂形成三铰拱式的平衡，同时发生已断裂的岩块回转失稳，有时可能伴随滑落失稳，工作面支架呈现受力普遍加大的现象。

第三节老顶的周期来压

周期来压：

随着回采工作面的推进，在老顶初次来压以后，裂隙带岩层形成的结构将始终经历“稳定——失稳——再稳定”的变化，这种变化将呈现周而复始的过程，由于结构的失稳导致了工作面顶板的来压，这种来压也将随着工作面的推进而呈周期性出现，因此，由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象称之为工作面顶板的周期来压。

第四节顶板压力的估算

经验估算法

直接顶载荷

式中

——直接顶厚

——悬顶距

——体积力

老顶载荷

——考虑直接顶及老顶来压时的支护强度，kpa

n——老顶来压与平时压力强度的比值，称为增载系数，取2

第五节回采工作面前后支承压力的分布

第六节影响采场矿山压力显现的主要因素

影响采场矿山压力显现的主要因素有哪些？

影响采场矿山压力显现的主要因素是围岩性质。

采深、采高、倾角及推进速度对工作面矿山压力显现产生主要的影响。

采高与控顶距。

在一定地质条件下，采高是影响上覆岩层破坏状况的最重要因素之一。

采高越大、采出的空间越大，必然导致采场上覆岩层破坏越严重。

工作面推进速度的影响。

随着回采工作面推进速度加快，顶板下沉速度也明显加快。

开采深度的影响。

随着采深增加，支承压力必然增加，从而导致煤壁片帮及地板鼓起的几率增加，由此也可能导致支架载荷增加。

煤层倾角的影响。

煤层倾角对回采工作面矿山压力显现的影响也是很大的，随着煤层倾角增加，顶板下沉量将逐渐变小。

分层开采时的矿山压力显现。

当厚煤层用倾斜分层开采时，可采用全部垮落法自上而下逐分层回采。

开采第一分层时，矿山压力显现规律与普通单一煤层开采没有任何区别。

但当回采以下各分层时，工作面顶板就变成了在第一分层回采时冒落的岩块。

这样，破碎的顶板必然给顶板管理工作带来新的困难。

对分层开采中的矿山压力显现规律，应根据具体条件进行分析。

第五章采场顶板支护方法

第一节顶板分类与底板特征

1.原生裂隙：

岩石在形成过程中由于温度、矿物结晶及沉积的作用而形成的弱面。

2.构造裂隙：

由于岩层形成后，经剧烈的地质变动，例如在挤压、扭曲等过程中形成的弱面。

3.压裂裂隙：

在煤层开采时引起的破坏面。

4.底板比压：

将支架底座对单位面积底板上所造成的压力称为地板载荷集度，即底板比压。

第二节采场支架类型与支架力学特性

工作阻力：

支柱受顶板压力作用而反映出来的力。

支架与围岩相互作用的特点

支架与围岩是相互作用的一对力。

支架受力的大小及其在回采工作面分布的规律与支架性能有关。

支架结构及尺寸对顶板压力的影响。

第四节综合机械化采煤工作面顶板控制设计

第五节单体液压支柱工作面顶板控制原则

第六节采场来压预报与支护质量预测

第六章采场岩层移动与控制

第一节岩层移动引起的采动损害概述

第二节岩层控制的关键层理论

关键层：

对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层。

第三节采场上覆岩层移动规律

1.岩层移动（开采沉陷）：

煤层采出后，采空区周围原有的应力平衡状态收到破坏，引起应力的重新分布，从而引起岩层的变形、破坏与移动，并由下向上发展至地表的移动。

2.充分采动：

当采空区尺寸（长度和宽度）相当大时，地表最大下沉值达到该地质条件下应有的最大值，此时的采动称为充分采动。

3.裂隙带：

岩层破断后，岩块仍然排列整齐的区域即为裂隙带。

第四节采场底板破坏与突水

第五节采场上覆岩层移动控制技术

第七章巷道矿压显现规律

第一节巷道围岩应力及变形规律

图形分析（课本201页图7—9）

围岩变形要经历五个阶段：

巷道掘进影响阶段。

巷道围岩变形主要取决于巷道埋深和围岩性质。

掘进影响稳定阶段。

采动影响阶段。

巷道围岩性质、护巷煤柱宽度或巷旁支护方式、工作面顶板岩层结构对该时期围岩变形量影响很大。

采动影响稳定阶段。

二次采动影响阶段。

巷道受本区段回采工作面的回采影响时，由于上区段参与支承压力，本区段工作面超前支承压力相互叠加，巷道围岩应力急剧增高，引起围岩应力又一次重新分布，塑性区进一步扩大，应力的反复扰动使围岩变形比仅受一次采动影响时更加剧烈。

第二节受采动影响巷道矿压显现规律

区段巷道矿压显现规律：

煤体—煤体巷道服务期间内，围岩的变形将经历巷道掘进影响、掘进影响稳定和采动影响三个阶段。

由于巷道在采面后方已经废弃，巷道仅经历采面前方采动影响，围岩变形比采动影响阶段全过程小得多，一般仅1/3左右。

煤体—煤柱或无煤柱巷道服务期间，围岩的变形同样经历巷道掘进影响、掘进影响稳定和采动影响三个阶段。

煤体—煤柱或无煤柱（正采动）巷道服务期间，围岩的变形将经历全部的五个阶段。

第三节巷道围岩控制原理

围岩应力：

围岩变形受阻而作用在支护物上的挤压力或塌落岩石的重力。

第八章巷道维护原理和支护技术

第一节无煤柱护巷

巷旁支护：

巷道断面范围以外，与采空区交界处架设的一些特殊类型的支架或人工构筑物。

煤柱的载荷

（1）煤柱载荷的估算：

一单位长度煤柱上的总载荷p为：

——煤柱宽度，m

——采空区宽度，m

——巷道埋深，m

——采空区上覆岩层垮落角

——上覆岩层平均体积力，

煤柱单位面积的平均载荷即平均应力：

（2）煤柱宽度的理论计算：

第二节巷道围岩卸压

第三节巷道金属支架

“支架——围岩”相互作用原理：

现有的各种巷道支架，在“支架——围岩”力学平衡系统中，只能承担极其有限的一小部分载荷，支架在围岩内部应力平衡关系中所起的作用是微小的，更不能企图依靠支架去改变上覆岩层的运动状态。

然而支架的这个微小的支撑力又是极其重要和必不可少的，支架的工作阻力，尤其是初撑力在一定程度上能相当有效地抑制直接顶板离层，控制围岩塑性区的再发展和围岩的持续变形，保持围岩

第十章浅埋煤层开采岩层控制（略）

第十一章煤矿动压现象及其控制

煤矿动压现象：

煤矿开采过程中，在高应力状态下积聚有大量弹性能的煤或岩体，在一定的条件下突然发生破坏、冒落、或抛出，使能量突然释放，呈现声响、震动以及气浪等明显的动力效应，这些现象统称为煤矿动压现象。

第一节冲击矿压现象形成特点及分类

冲击矿压的特点：

（1）突发性。

（2）瞬时震动性。

（3）巨大破坏性。

（4）复杂性。

第二节冲击矿压发生机理

弹性能指数：

煤样在单轴压缩条件下破坏前所积蓄的变性能与产生塑性变形消耗的能量的比值。

冲击矿压发生的机理：

（1）强度理论。

煤岩体破坏的原因和规律，实际上是强度问题，即材料受载后，超过其强度极限时，必然要发生破坏。

（2）能量理论。

（3）冲击倾向理论。

强度准则：

能量准则：

冲击准则：

——包括自重应力、构造应力、由于开采引起的附加应力、煤体与围岩交界处的应力和其他条件（如瓦斯、水和温度）引起的应力；

——煤体与围岩系统强度；

——围岩系统贮存的弹性能；

——煤体贮存的弹性能；

——消耗于克服煤体与围岩边界处和煤体破坏等阻力的能量；

、

——分别为为围岩系统、煤体内的能量释放速度；

——克服围岩边界阻力和煤体破坏时吸收能量的速度；

——分别为围岩系统、煤体内能量释放的有效系数；

——煤体（围岩）的冲击倾向度指标；

——试验（实测）确定的冲击倾向度界限值。

第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定

第四节冲击矿压的防治

冲击矿压防范措施：

1．合理的开拓布置和开采方式

（1）开采煤层群时，开拓布置应有利于解放层开采。

（2）划分采区时，应保证合理的开采顺序，最大限度的避免形成煤柱等应力集中区。

（3）采区或盘区的采面英朝一个方向推进，避免相向开采，以免应力增加。

（4）在地质构造等特殊部位，应采取能避免或减缓应力集中和叠加的开采程序。

（5）有冲击危险的煤层的开拓或准备巷道、永久硐室、主要上下山、主要溜煤巷和回风巷应布置在底板岩层或无冲击危险煤层中，以利于维护和减小冲击危险。

（6）开采有冲击危险的煤层，应采用不留煤柱垮落法管理顶板的长壁开采法。

（7）顶板管理采用全部垮落法，工作面支架采用具有整体性和防护能力的可缩性支架。

2．开采解放层

冲击危险的解危措施

（1）卸压爆破

（2）煤层注水

（3）钻孔卸压

（4）定向裂隙

第五节顶板大面积来压

顶板大面积来压：

由于坚硬顶板被采空的面积超过一定的极限值，引起大面积冒落而造成的剧烈动压现象。

第十二章（略）

第十三章（略）