中国矿大矿山压力课件.docx

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中国矿大矿山压力课件

矿山压力及岩层控制

第一章绪论

1.1矿山压力的基本概念

1.1.1矿山压力的基本概念

我们所说的采矿通常是指固体矿床地下开采，即：

地下开采和露天开采，在煤矿行业，地下开采又常称为“井工开采”或标准采矿等，由于露天开采对地表破坏、环境污染较严重，也称为非标准采矿，见上图。

无论是地下开采还是露天开采都可抽象为对原有地壳的一种人为破坏活动，或称是一种人为的有目的在地壳岩体中的大规模开挖活动。

这种开挖活动破坏了岩体原有应力平衡状态，引起了岩体内部应力重新分布，其结果表现为开掘的井、巷、硐、工作面、露天矿采场边坡等的周围岩体变形、移动、甚至破坏，直到岩体内部重新形成一个新的应力平衡状态为止，见下图。

严格的讲，矿山压力应包括地采和露采两部分内容，但由于传统的观念和习惯，矿山压力通常指与地采有关地内容，即概念如下。

矿山压力（i.e.矿压）：

这种由于在地下煤炭中进行采掘活动而在井巷、硐室、及回采工作面周围煤岩体中和其中的支护物上所引起的力，就叫矿山压力。

在矿山压力作用下，会引起各种力学现象，如顶板下沉、底板臌起、巷道断面缩小、岩体破坏脱落母体甚至大面积冒落，煤被压松产生片帮或突然抛出，支架严重变形或损坏，以及大面积岩层移动，地表发生塌陷等等，这些由于矿山压力作用，使围岩、煤体和各种人工支撑物产生的种种力学现象，通称为“矿山压力显现”.i.e.”矿压显现”.

随着大规模开采活动及矿压显现给工作带来严重危害，为使矿压显现不致影响采矿工作正常进行和保障安全生产，必须采取各种技术措施把矿山压力显现控制在一定的范围内，对有利于采矿生产的矿山压力显现也要合理的利用。

所有减轻、调解、改变和利用矿山压力作用的各种方法，均叫做矿山压力控制。

矿山压力、矿山压力显现、矿山压力控制是矿山压力与岩层控制研究的主要内容。

随着大规模开采活动及矿压显现给工作带来严重危害，人们迫切需要一种理论来解释和研究有关的矿压现象，并用以指导工程设计和安全生产，这就使于20世纪60年代形成了一门新的学科分支——矿山压力及岩层控制。

1.1.2煤矿地下开采中常见的矿山压力灾害

矿山压力产生是由于地下开采（开挖空洞），那么煤矿地下开采常见的开挖有：

（1）井

（2）硐室

（3）巷道

（4）采场

1990年以前，矿山压力事故死亡人数占煤矿总事故死亡人数的45%以上，目前煤矿死亡事故人数中，瓦斯事故占40%，矿山压力事故占30%。

矿山压力事故的特征是：

事故次数多、预防困难、一次伤亡人数较少（与瓦斯事故相比）、不容易引起重视，但是后果严重。

1.1.3矿山压力及岩层控制对采矿工程的作用

（1）生态环境保护：

地下水破坏、地表沉降、矸石山占地、瓦斯抽放等。

（2）保证安全和正常生产：

顶板事故、巷道稳定、边坡控制等，掌握矿山压力活动的基本规律，用以指导采矿生产的设计，生产组织，保障安全生产，设备正常运行。

（3）减少地下资源损失：

通过研究和实测矿压活动规律，减少顶板等事故，选择合理煤柱尺寸，甚至某些情况下取消煤柱，减少煤炭资源损失量。

（4）改善地下开采技术：

地下开采技术的进步与对矿压显现规律的深刻认识和矿压控制手段的改善有密切关系，例如，自移式液压支架的使用（对顶板有效控制）促成了采煤综合机械化的实现，反之开采技术的变化和解决，如放顶煤开采技术的运用，需进一步研究顶煤运移与破坏规律，重新研究“支架—围岩关系”等。

开采深度增加也使矿压显现更为剧烈，并带来了一系列新的矿压控制问题，只有不断解决这些问题，才能使未来复杂条件下的开采工作得以顺利进行。

（5）提高开采经济效果：

为了维护巷道和管理顶板，每年要消耗大量人力、物力。

一般矿井的巷道维修人员约占井下工人的10～20％，而且为了进行矿压控制，每年要消耗大量的坑木，金属支护材料，水泥及其它材料。

这些都会明显地增加开采费用，使吨煤成本上升。

矿压显现预测、支护质量与顶板动态监测、信息反馈、确定优化的矿山与开采设计等，提高开采效益。

综上所述，掌握矿压显现规律，研究矿压控制的有效方法，对煤矿生产有十分重要意义。

1.1.4采矿工程的力学特点

（1）采矿工程岩体结构的本质

与地面工程结构不同，地下工程围岩即是载荷，也是一种承载结构，施载体系与承载体系之间没有明显界限。

（2）采矿工程的移动特性

采场空间移动与临时性、多种采动空间的相互影响与迭加。

（3）采矿工程中围岩的大变形和支护体的可缩特性

采矿空间巨大、埋藏深，围岩变形量大。

注重发挥围岩自身承载能力，重视支架——围岩关系研究和应用。

（4）采矿工程中的能量原理和动力现象

冲击矿压、顶板大面积来压、煤与瓦斯突出等均为采矿工程中的动力现象，也是煤岩中能量的突然释放。

1.2矿山压力及控制的发展简况

1.2.1对矿压的早期认识阶段

我国是世界上采矿最早的国家之一，中国采矿有文字可考的历史始于商代（公元前16世纪至前11世纪），但实际的采矿活动还要早很多。

迄今为止，发现最早的采矿遗址，是山西怀仁镇鹅毛口石器制作场和广东南海县西樵山采石加工厂，分别为自凝灰岩、煌斑岩夹层挖采和从石洞帮采石材，其年代据考古判定至迟在新石器时代早期，距今已历万年。

近年又发现的大冶铜绿山采矿遗址的鉴定，该地地下采矿始于3000多年前地商代晚期，而地下采矿之前，曾经有过相当长时间的露天开采。

春秋至南北朝（分元前770年至前200年），采矿技术已有全面发展，巷道作用已由仅作回采演化进行到作开拓、采准及探矿之用，竖井可达50～60m，断面积可达1.4~2.0m2，平巷高度可达1.5~1.8m，开始使用框式支架，甚至取消底梁，说明已认识到矿压的危害及需要加以控制，这时的煤炭主要用作颜料与染料而不是燃料。

随着采矿规模日益扩大，经常出现矿井内顶板冒落，巷道堵塞或地表塌陷等事故，迫使人们重视和研究矿压问题。

欧洲国家对矿压的认识大约开始于15世纪，1487年在欧洲出现了“防止采矿工作面破坏地表的协定”。

19世纪30年代以后，在比利时，德、法等国家，为了防止地面房屋建筑遭到破坏，也曾提出过一些确定保护煤柱的方法。

上述说明中国是世界上采矿最早的国家之一，对矿山压力早就有所认识。

世界上的其他国家对矿压也早就有所认识。

1.2.2建立矿压早期假说阶段

19世纪后期到20世纪初，是矿压研究的第二个阶段，利用一些简单的力学原理解释实践中出现的一些矿压现象，并提出了一些初步的矿压假说，具有代表性的是“压力拱假说”，即认为巷道上方能形成自然平衡拱及有关分析计算。

同时提出了以岩石坚固性系数f（普氏系数）作为定量指标的岩石分类方法，曾获得广泛应用至今。

在这个阶段中，对巷道围岩破坏机理和支架所受的岩石压力大小开始了初步的理论研究。

在研究岩层和地表移动等方面，进行了地面及井下观测，研究到地表建筑物的损坏不仅由于地表下沉，还由于水平移动的结果。

1.2.3以连续介质力学为理论基础的研究阶段

20世纪30年代至50年代：

由于开采深度和规模迅速增大，开始感到仅仅研究巷道周围局部地区岩石状况变化的理论和方法，已不能充分反映开掘巷硐所引起的围岩中应力变化的真实过程，于是利用当时的理论及计算手段，将整个岩体作为连续的，各向同性的弹性体来考虑，即用弹性理论研究矿山压力问题，这一阶段的典型成果：

（1）用虎克定律推导出了自重作用下原岩应力的计算公式；

（2）用弹性理论解决了圆形巷道的应力分布问题。

后来又研究了岩体非均质和各向异性对理想弹性体的影响，以及把岩层看作具有不同变形特征的弹性介质，进一步研究岩体层理的影响，此外还用连续介质力学方法研究了岩层移动问题。

在进行理论研究的同时，研究矿压的实验手段也获得了发展，其中较为应用的是利用相似材料进行的相似模型研究方法和利用光敏感材料进行的光弹性模拟方法。

1.2.4矿压研究的近代发展阶段（20世纪60年代至今约40多年时间里）

这个时期的科技发展和政治特点：

（1）世界范围内，主要国家处于总体上和平发展时期，生产与科技有系统发展的平台；

（2）工业和军事等的迅猛发展对煤炭等矿石需求量迅猛增加，矿山开采规模迅速增大，矿山数量迅速增加；

（3）开采技术和装备发展迅速；

（4）计算机技术飞速发展，使计算和控制等变得容易和现实；

（5）相关学科进步明显，对矿压发展起到促进作用。

与此相类似，为了适应采矿和科技发展的需要，矿压研究取得了重要进展：

（1）理论方面

将传统的连续、弹性、各向同性的岩体→岩体是有各种弱面切割的裂隙体，具有与一般固体所不同的特征。

从这个观点出发引用相关学科中现代研究成果，出现了一系列边缘学科分支和方法，如岩石断裂力学，岩石块体力学，岩石流变学等。

在研究方法方方面，在现代计算技术基础上发展起来的一些新的数值分析方法：

有限元，边界元，离散元法等。

这些方法可以考虑岩体复杂的力学属性，进行巷道和硐室围岩体中的应力变化和位移分布，确定其稳定性等，使矿压理论研究有可能获得更符合实际的数值解答。

在地表岩层移动研究方面，在进行大量现场观测和掌握了不同条件下岩层移动基本规律的基础上，建立了更为完美的因开采造成的地表移动和变形值的计算和预测方法，以及开展了开采工作引起的煤层上覆岩层运动机理及其有关规律的研究。

（2）应用研究方面

配合地下开采技术和支护技术的发展，进行了不同煤层条件下采用不同支护类型的回采工作面中矿压显现规律的研究，开展了采用煤柱护巷和无煤柱护巷的各类巷道中的矿压显现规律的研究，以及进行了为解决有冲击矿压、煤和瓦斯突出危险煤层开采的有关研究，从而为改善回采工作面矿压控制，合理布置和维护巷道，以及保证安全生产，提供了科学依据。

（3）实验研究方面

结合各类研究课题的进行，逐步应用和改善了现场与室内观测和实验的各种仪器和设备，有代表性是井下钻孔电视应用和真三轴岩石试验机以及刚性试验机，为矿山压力的进一步研究和完善提供了必要的原始数据和资料。

大型模拟试验台、先进的多点数据采集仪器等

（4）矿压现场控制方面

进一步改善了巷道支护技术，如大断面、大缩量和高支撑力的可缩性金属支架，广泛应用锚杆支护，开发了各种类型的锚杆，注浆加固不稳定煤层和围岩，回采工作面中使用自移式液压支架，架型增多，适用范围扩大等。

对难以控制的坚硬顶板，通过高压注水，超前爆破等手段，比较有效地避免了在采控区突然大面积冒落造成的危害。

对井下冲击矿压的预测和控制效果大为提高。

1.2.5我国在矿山压力研究方面的主要工作与成就

为了配合全国有序地开展矿压研究及推动煤矿科技进步。

1979年4月26日煤炭部批准在中国矿业大学建立煤炭工业部矿山压力情况报中心站，作为全国矿压研究与实践方面的重要学术组织，到目前为止已经组织召开了12届全国性矿山压力理论与实践研讨会，并下设8个各分站：

钱鸣高、牛锡倬、平寿康、刘天泉、宋振骐等学者对推动我国矿压理论研究与工程应用作出了突出贡献，如著名的砌体梁理论等。

我国煤矿事故中顶煤事故由45％下降到30％，目前一批中青年学者、专家迅速成长。

（1）采场上覆岩层“砌体梁”结构力学模型和“关键层理论”

1）上覆岩层开采后呈“砌体梁”式平衡的结构力学模型，给出了采场边界条件。

（20世纪60~70年代）

2）各种条件下板的力学模型，用于老顶来压预报。

（20世纪70~80年代）

3）“关键层”理论（20世纪90年代后）

（2）“砌体梁”平衡的关键块研究及“S—R”稳定

提出“砌体梁”关键块滑落与转动变形失稳条件即“S—R”稳定条件。

（3）采场支架—围岩关系及整体力学模型

支架工作阻力与顶板下沉量的关系曲线为类双曲线关系（“P—L”类双曲线关系）

（4）顶煤放出的散体介质流理论（最近几年提出）

可用于顶煤层放出预测与提高顶煤回收率

（5）采场矿山压力与支护质量监测

20世纪80年代开始大规模进行采场顶板与支护质量监测。

（6）巷道布置改革与无煤柱护巷技术

（7）巷道支架围岩关系、支护技术改革

U形钢支护、工字钢结构可缩性支架、锚杆支护、联合支护

（8）软岩巷道支护

（9）巷道围岩控制设计决策及支护质量监测

1.3矿山压力研究的主要内容与方法

1.3.1矿山压力研究的主要内容

地下采矿中常见的岩石开挖工程有：

井、硐室、巷道和工作面，其中以巷道和回采工作面最为常见，所以矿山压力研究以巷道和回采工作面为核心进行研究。

主要研究内容如下：

1、支承压力分布规律

2、回采工作面顶板岩层活动规律及其分析

（1）老顶稳定及初次极限跨距

（2）砌体梁及结构分析

3、回采工作面矿山压力显现基本规律

（1）初次来压分析

（2）周期来压分析

（3）顶板压力估算

4、回采工作面顶板控制与支护方法

（1）支架围岩相互作用原理

（2）支架选型

5、高位岩层移动与控制

（1）上覆岩层移动规律

（2）上覆岩层移动控制技术

6、采区巷道矿压显现与控制

（1）巷道矿压显现的基本规律

（2）巷道矿压控制原理

（3）采区巷道支护

7、动压现象及控制

（1）冲击矿压（冲击矿压煤、及瓦斯的突然喷出）

（2）顶板大面积来压

1.3.2矿山压力研究的基本方法

（1）现场观测与统计方法

现场观测与研究是矿山压力研究中必须不可少的基础工作。

我国早在50年代中期就开始进行回采工作面顶底板移近量和支柱受载观测。

目前矿压现场观测的方法和手段都有了很大发展。

观测仪器已由过去单一的机械扩大到利用电、声、光、磁等多科学技术的综合应用，观测方式也正在从人工就地读数逐步向遥控和自动监测过渡，并且已广泛利用计算机进行观测数据的处理和分析。

（2）室内试验方法

由于采矿工程规模大、时间、复杂、以及受生产影响大等，现场观测由于费用等原因受到一定的限制，所以逐渐借助室内试验进行研究，目前仍以模拟试验为主。

（3）理论分析

结构力学、岩石力学、弹性力学为主要分析工具

（4）数值计算方法

有限元（FEM）、边界元（BEM）、离散元（DEM）等

（5）随机分析、模糊分析、近代力学和数学用于矿压研究

1.3.3矿山压力与岩层控制的发展方向

（1）采场矿山压力理论与控制体系

（1）关键层理论深入发展与应用

（2）放顶煤（厚煤层）高产高效开采（矿压理论、岩层控制、放煤理论）

（3）高产高效开采故障诊断技术与保障系统

（2）巷道矿压理论与控制技术

（1）采动影响巷道矿压理论

（2）锚杆支护技术的深入与完善

（3）软岩巷道、大变形巷道、底鼓严重巷道围岩控制理论与技术

（3）开采新方法、新工艺、新技术

（1）地下气化

（2）瓦斯开采

（3）“三下”保护开采

（4）地热的开采与利用

（4）深部和高应力开采矿压灾害、冲击矿压预测预报和防治理论和技术技术

1.4矿山压力与岩石力学的关系

1.4.1矿山压力与岩石力学的关系

随着采矿深度何规模增大，矿山压力的研究不断深入和发展，人们越来越来多地认识了岩石的力学性质和开采过程中岩体内所发生的自然力现象和规律，在此基础上产生了一个新的学科分支—矿山岩体力学，即矿山岩体力学是研究自然和采动影响所造成的矿山应力场中，有关矿山岩体和矿山工程结构的强度、稳定性和变形的科学，它既是固体力学的一个应用分支，也是采矿科学的一个组成部分。

严格地说，矿山压力是矿山岩石力学的一个应用部分，但由于我国煤矿系统的习惯，将矿压作为一个独立的课程。

岩石力学最初产生于采矿工程，其服务对象也主要是采矿工程，但其研究方法和理论并非为采矿工程所独有。

尤其是二战后，各国水利、交通、建筑、国防的大规模开发和建设，促进了岩石力学的形成和发展。

于50年代，前苏联、法国、美国等开始借于土力学、弹性力学和工程地质学原理，编写了《岩石力学》的专门著作。

1950年，前苏联的里涅耐特编写了《岩石力学导论》一书，书中利用弹性理论求解岩石工程问题。

法国的塔罗布尔于1957、1958先后编著的《岩石力学》和《岩石力学在土木工程中应用》两书正式出版，较系统地介绍了岩石力学研究的理论、方法和重要意义。

1956年，美国科罗拉多矿业学院首次为采矿专业本科生开设了岩石力学课程，五十年完成了岩石力学作为一门独立学科的创立过程。

1962年在奥地利地萨尔茨堡（Salzburg）成立了“国际岩石力学学会”（InternationalSocietyofRockMechanics,i.e.ISRM）,并于1966年在里斯本举行了第一次国际岩石力学大会，以后每四年一届，至今已召开8届大会。

国际岩石力学学会还出版了《RockMechanic》和《InternationalJournalofRockMechanics&MingSciences&GeomechanicsAbstracts》。

从此岩石力学进入了迅速发展时期，至今形成了很多学术观点，甚至学派，如以重视节理裂隙为主地奥地利学派和注重理论分析地法国学派等，其中奥地利学派对岩石力学的发展起到了巨大作用。

该学派地代表人物是L.Muller主要观点有三个：

（1）就大多数工程问题而言，岩体工程性质取决于岩体内部地质断裂系统的强度要比取决于岩石本身强度的大得多，所以岩石力学是一种不连续体力学，即裂隙介质力学；

（2）岩体强度是一种残余强度，其受到岩体中所含弱面强度的制约；

（3）岩体的变形和它的各向异性主要由弱面位移所产生。

上述这三个观点为岩石力学的发展起到了引导和促进作用，尤其是在工程地质、水电、冶金等岩石力学研究中受到格外重视，而煤炭行业由于煤田成因及研究问题的特殊性，没有充分重视和发展上述观点，但从长远看煤炭行业的岩石力学有关问题研究必须与国际接轨，矿山压力研究应纳入到矿山岩石力学的一个应用分支，必须重尊岩石力学研究的一般准则。

课后作业：

自学教科书第一章第一节岩石的基本物理性质（P7~10）