精品矿山压力与岩层控制考研笔记Word格式文档下载.docx

1、 国家煤矿安全监察局 煤炭科学研究总院,http：/www.ccri。com。cn/ 中国矿业大学能源学院:/cese。cumt.edu。 山东科技大学能源学院 东北大学资源与土木学院，http：/www。neu。edu。cn/zitu/ 北京科技大学土木与环境工程学院，http：ustb。cn/ziyuan/index.asp中南大学，http:csu.edu。cn第二章采场及巷道周围应力场分布主要内容1原岩应力场2采场周围应力分布3巷道周围应力分布2。 地壳中没有受到人类工程活动（如矿井中开掘巷道等）影响的岩体称为原岩体,简称原岩。天然存在于原岩内而与任何人为原因无关的应力场称为原岩应力场

2、。原岩应力场：自重应力和构造应力自重应力即由于上覆岩层自重所引起的应力，岩体由不同体积力的岩层组成，各层的厚度和体积力为：构造应力场 在实际测定发现：有些地区岩体内的水平应力远大于垂直应力，在有些情况下，甚至高出几倍或几十倍，而且两个方向的水平应力也不一定相等。由于地壳运动的复杂性,再加上地壳运动后的长时期内应力有可能获得释放，因而构造应力难于用数学力学方法加以计算。 构造应力具有以下特点： 水平应力以压应力占绝对优势； 构造应力分布不均匀； 具有明显的方向性; 在坚硬岩层中出现比较普遍;原岩应力分布规律：实测铅直应力基本上等于上覆岩层重量；水平应力普遍大于铅直应力;平均水平应力与铅直应力随深

3、度的增加而减小；最大水平主应力和最小水平主应力一般相差较大。2采场周围应力场分布相邻工作面支承压力分布规律2.3巷道周围应力分布 塑性圈（A）：围岩强度明显削弱，能够负担的应力显著降低且低于原始应力H，围岩发生破裂和位移，称为破裂区，为卸载和应力降低区. 塑性圈外圈（B）：应力高于原岩应力，它与弹性区应力增高部分均为承载区,也称为应力增高区。支架受力是支架与非弹性区的岩石相互作用的结果. 塑性区内应力降低现软不同于未遭破坏岩体的应力解除。它是伴随塑性变形被迫产生的，是岩体强度和承载能力降低的表现。当岩体应力达到岩体强度极限后，强度并未完全消失，而是随着变形增加，强度逐渐降低，直到降到残余强度为

4、止，这种破坏过程也称为强度弱化。根据理论推导的结果,可以得出如下的结论:巷道周边的位移，随巷道所在处原岩应力的增大呈指数关系迅速增长。这是巷道随采深增大或采动影响后，围岩变形急剧增长的原因。内摩擦角和粘聚力愈小，也就是围岩强度越低，则周边位移显著增大.由于软岩巷道的内摩擦角和粘聚力较小，根据位移与二者的指数关系，软岩巷道随开采深度增大或受采动影响时的变形两比围岩稳定的巷道大的多。矿山压力理论矿山压力假说是采矿科学发展的重要形式，是弄清矿山压力及其显现规律的有效途径。假说建立的步骤：观察和收集实际资料分析整理所积累的资料，提出假设的基本观点；建立分析模型，进行数学力学分析推演,一方面为确定假说中

5、各个基本参数间的关系；另一方面为矿山生产提供指导；通过一定方式检验。矿山压力假说中基本观点首先是对研究对象基本属性的认识.其次是对研究对象及状态的认识，火把现象稳定在某一阶段，从瞬间平衡状态来认识矿压现象。如:压力拱假说;或考虑到现象发生的时间过程,从发展变化状态来考察矿压现象，如传递岩梁假说。最后就是对现象发生发展规律的认识。有的假说只推测性地描述现象发生发展的基本过程；有的则直接说明现象发生发展的因果关系。第一、二方面的内容是假说的基本前提，多由现场中观测的实际资料和已知的科学原理提供；第三方面的内容则是假说的核心部分，是在第一、二方面的基础上，用已有科学原理,按逻辑思维方法推得。二、几种

6、主要矿压假说由于开采方法的局限性，采场矿压基本建立在巷道矿（地）压理论基础上,两者无本质区别。矿压理论的建立，起初是以经验为基础，较多地偏重于矿山压力显现方面的描述，由于测试手段不完善,所以假说具有片面性和局限性.缓倾斜煤层工作面矿压理论假说（1）压力拱假说（2）双支梁假说（3）悬臂梁（悬板）假说（4）预成（生）裂隙假说（5）铰接岩块假说（6）台阶下沉假说（7）松散介质假说（8）楔形假说（9）砌体梁假说（10）传递岩梁假说（11）弹性基础梁假说（12）板结构假说压力拱假说压力拱（也称自然平衡拱）假说，是最早的矿压假说。在欧洲国家现在仍有不少拥护者。1885年法国学者依奥尔（Fayol）根据观测

7、和实验提出岩层移动拱形说。压力拱假说认为：开掘在任何岩层中的巷道，由于重力作用,顶板岩层发生破坏变形，形成一稳定的卸载拱。拱承受拱面以上全部岩石的重量,并将全部载荷经压力拱的拱脚传递到巷道两帮岩石而引起巷道两帮鼓出以及底板隆起等围岩变形，巷道支架所承受的载荷是拱面以下已经破碎的有限断面内的岩石总重量。工作面压力拱见图。压力拱假说的评价1）压力拱假说比较简明地阐述了采场围岩卸载的原因，探讨了围岩平衡状态及其范围，对回采工作面前后支承压力的形成及回采工作空间处于卸压区做出了一些解释。2）压力拱在巷道中并不是唯一的表现形式，支架压力取决于一系列的矿山地质条件及技术条件,其中起主要作用的是巷道围岩性质

8、，支架特性及结构形式。在回采工作面，由于煤层顶底板岩性不同，顶板管理方法，支架形式及特性以及回采工艺的差异,可能形成不同的复杂的力学结构。这远非压力拱理论所能概括与阐明的。3）压力拱假说认为：支架压力源于拱内岩石的重量，与支架特性及采深无关,这显然与实际情况不符.4）对坚硬的层状岩石，无论在巷道还是在采场，都不可能形成拱，这对压力拱假说是不适合的。悬臂梁假说 悬臂梁假说是由德国学者舒里兹在1867年提出的，它的主要代表有苏联斯列萨廖夫格尔曼，欧洲的弗兰德，克格尔菲力普斯等人。 悬臂梁假说认为：地下岩体是一种层状的连续弹性介质，未采动的岩体所受的力主要是垂直应力在煤层开采后,采空区上方悬露的顶板

9、在初次垮落后，可以看成是一端悬伸而另一端固定在工作面前方煤体上面的悬臂梁,如图所示。如果顶板为很多岩层组成，则形成彼此相互作用的组合悬臂梁,这种岩梁在采场上下两端的煤柱处也被固定着，因而形成了三面被固定的悬板，即所谓的悬板假说。由于采场上下两端的镶嵌作用在工作面较长时，对顶板活动所起的作用是很小的，因此，多视顶板为梁。岩梁在自重和上覆岩层的作用下，逐渐弯曲。下沉以至于断与垮落,当顶板岩层坚硬时，悬伸在采空区上方的岩梁可能很长,这时就必须采取人为的措施加以控制，以防止岩梁可能沿煤臂切断造成推掌子事故.若梁由于弯曲下沉时被冒落的矸石或充填体支撑时,也可能仅产生弯曲下沉而不产生折断。当岩梁的悬伸长度

10、达到极限值时，将发生有规律的周期性折断,此时将出现明显的周期性来压. 用悬臂梁理论可以解释，在靠近工作面煤壁的地方，顶板下沉量最小，因而压力最小，由工作面煤壁向采空区。顶板下沉量和压力则逐渐增加顶板下沉量和工作面支架载荷的最大值通常总是在沿采场倾斜方向的中部，这和现场实际是吻合。悬臂梁假说还可以解释工作面前方煤体中存在支承压力，能说明煤层和顶板岩层的物理力学性质对煤体中支承压力分布范围和应力集中程度的影响以及解释老顶的二次垮落现象等。 悬臂梁假说在一定条件下能对许多矿山压力现象进行解释并可以采用材料力学的方法进行粗略的计算但不难看出,该假说仍存在严重缺点，表现在: 1）、直接顶岩层由于地质构造

11、和采动的影响，通常被许多裂隙切割破坏丧失了连续性，因此不能视其为弹性的连续岩梁 2）、利用材料力学公式计算岩梁时，通常把问题过于简化而使计算结果与实际情况相差甚远与一些实际情况的对比表明，采场顶板实际下沉量比按悬臂梁或悬板公式计算出来的弯曲挠度要大几倍 3）、悬臂梁假说同压力拱假说一样,未能考虑顶板岩层与采场支架间的作用关系，只是孤立地研究岩梁的变形状态，不可能反映出采场上覆岩层运动的真实规律，从而降低了假说的实用价值。 4）、悬臂梁假说不可能从数量上对矿山压力进行计算，这是因为该假说脱离了整个岩体而只研究了个别岩层的运动规律.预成裂隙假说比利时学者阿拉巴斯,吸收了几种矿山压力假说的某些概念和

12、思想，以芬涅尔的巷道地压为基础,于1951年提出了预成裂隙假说。 其定义：拉巴斯认为：煤系地层为层状沉积岩，由于地质构造而形成各种层理、节理、裂隙及断层等破坏了岩体的连续性，因而属于非粘结性的不连续体，因此岩体虽然由脆性及刚性岩块组成，但它却象塑性体那样产生很大的变形，称之为“假塑性”体。这种特性在采空区中表现得更为明显，岩层移动导致围岩变形，岩层压力则引起支架受压。由于采掘工作的不断进行，在采空区周围岩体中形成破坏区 拉巴斯的预成裂隙假说视岩体为层状非连续体,特别提出“假塑性”变形特征是具有独创性的，因此阐明了采场周围岩体内应力分布、变形及破坏等，具有一定的实际意义，比悬臂梁假说和压力拱假说

13、都具有进一步的发展。 但拉巴斯的学说并不能概括采场中的所有情况，如完整坚硬岩石往往不能形成预成裂隙梁，而极其破碎的软弱岩层又因过于破碎以至使顶板中难以形成假塑性弯曲的岩梁。此外拉巴斯也缺乏充分的实际资料证明其假说中提出的三个区的分界线，所提出的支架载荷计算方法也由于引入了不少难以获得的修正系数而使该假说的应用受到限制。铰接岩块假说 铰接岩块假说是前苏联学者库兹涅佐夫根据相似材料模拟实验和现场实测结果，在悬臂梁假说的基础上于1954年提出的。 其内涵：库兹涅佐夫认为不能用连续介质力学的方法解决矿压问题。当工作面从开切眼开始推进,采空区扩大但尚未引起破坏时，逐渐增大的工作空间的支柱压力主要取决于岩

14、层构成及顶板管理方法。当老顶垮落后，不仅顶板整个岩层的组成起重要作用，而且特别是各种软岩和硬岩的互层程序起重大的作用。在顶板垮落后，按岩石的变形特征及破碎特点可将工作面上部岩层分两个带，即直接靠近采空区的不规则垮落带及上面的规则移动带。 不规则垮落带的岩层由于受到各种裂隙的切割而成许多单个岩块，自由地垮落到采空区中，彼此间无多大的力学关系。由于采空区冒落矸石破碎体积膨胀，使位于不规则垮落带上部的岩层自由空间缩小,形成规则的垮落或下沉。同时每-层内的岩块之间互相挤压,构成多环节的铰链系统。 假说还给出了针对两种不同的情况支架强度和可缩性的计算方法. 库兹涅佐夫的假说有别于前人的地方是以围岩的移动

15、变形为前提,避免了早期悬梁等假说用工程力学的论点生硬地解释采场矿压的缺陷。库氏对围岩移动特别是采空区直接顶垮落的分析有助于进一步阐明直接顶与老顶间的相互作用，对支架与围岩间的相互作用的力学分析比较切合实际，已初步涉及到支架作用的实质;对近代矿山压力理论有一定的指导作用。但该假说仅考虑了采场顶板的局部活动,而对岩体中应力重新分布以及对采场的影响等却未加考虑。同时关于岩层铰接关系活动的假说过于理想化了。在计算过程中所做的某些省略或假定并不合理。如在考虑顶板与煤层的相互作用时,假定直接顶不起实质性作用，工作面支架的作用不计等。砌体梁假说 砌体梁假说是中国矿业大学钱鸣高教授在前苏联学者库兹涅佐夫教授的

16、铰接岩块假说的基础上根据相似模型实验和现场实测，运用结构力学的方法得到了采场上覆岩层的平衡和失稳条件，从而提出了“砌体梁”假说。 砌体梁假说认为,在老顶岩梁达到断裂步距之后，随着工作面的继续推进,岩梁将会折断，但断裂后的岩块由于排列整齐在相互回转时能形成挤压，由于岩块间的水平力以及相互间形成的摩擦力的作用,在一定条件下能够形成外表似梁实则为半拱的结.这种平衡结构形如砌体，故称之为砌体梁。 经过采动此上覆岩层中的坚硬岩层都巳根据岩层移动特点，可将上覆岩层按坚硬岩层分成若干个岩层组,而每一个岩层组的底板则为坚硬岩层由测定可知断裂成为岩块，岩块间相互咬台则可能形成图示的结构 该结构为“煤壁已冒落矸石

17、”及“煤壁支架-已冒落矸石两种支撑体系所支撑采场上覆岩层可沿走向分为三个区，A-煤壁支撑影响区：B-离层区或支架影响区；C-已冒落矸石的支撑区 该假说在前人研究成果及现场实测的基础上，对开采层采场上覆岩层进行了分析认为： 1）在划分的岩层组中,每组中的软岩层或断裂的岩层可视为坚硬岩层上的载荷，或者传递垂直力的媒介 2）由于开采的影响，坚硬岩层已经断裂成为排列较整齐的岩块由于离层，在离层区域内，上下岩层组之间没有垂直力的传递。在水平方向由于有水平推力，形成了铰接关系铰接点的位置取决于岩层移动曲线的形状，若曲线下凹，则铰接点位于断裂面的下部，反之则在上部，离层区视为无支撑区 3）由于层间不能阻挡水

18、平错动，因而视软岩层或碎裂岩层为支承链杆，即只能传递垂直力，不能阻止水平力 4）、当岩块恢复到水平位置时，破碎岩块间的剪切力为零，故以后的岩块可以用一水平直杆代之 5）最上岩层组的坚硬岩层，由于其上只是软岩层及冲积层；因此可视为均布载荷作用于最上组的坚硬岩层上，而下面的岩层组则不然 6）最上的坚硬岩层，随着回采工作面的推进由于载荷条件一致，因而该岩层断裂后各岩块可视为等长但下面各组岩层由于相互作用，破碎后的长度未必相等采场矿压假说总结 前面所介绍的一些主要的矿压假说都是从经验事实、现场实测以及数学力学的一般原理出发，在假定岩体基本属性的前提下，采用某些分析手段来阐述采场矿压的基本问题,每种假说

19、都有其合理成分，有些观点是基本普遍公认可以肯定的，如： 1）采场支架所受载荷仅是上覆岩层的重量中的一小部分.根据支架与围岩的作用关系,支架可能处于给定载荷或给定变形工作状态; 2）煤层（矿体）开采后，在采场周围的岩（煤）体中将产生应力重新分布、变形乃至破坏，应力重新分布的结果是在邻近采场的岩体内形成卸压区，而在工作面前后方及两侧煤体（或冒落矸石、充填物）上形成应力升高区，远离采场则为未受采动影响的原岩应力区； 3）尽管对开采层上覆岩层的认识千差万别，但有一点是共同的,那就是都承认在采场上方岩层中存在某种力的结构（拱、梁，板等），这种结构承担着上覆岩层的重量，使工作面支架仅承受少部分上覆岩层的重

20、量，并且这种结构的平衡与失稳会给采场带来严重影响.但各种假说对一些基本问题存在很大的分歧，主要表现为： 1）对于岩体尤其是采场附近岩体的基本属性问题; 2）所采用的力学观点和方法方面； 3）支架对围岩应力分布、变形破坏所起的作用问题。总之，矿山压力假说是矿山压力理论发展的重要途径.随着科学技术的进步，各种研究手段的完善,人们将能够弄清矿山压力这个复杂的自然现象,从而使矿压假说不断地完善和发展，形成完整的科学理论3。6老顶断裂后的砌体梁结构及其稳定性分析 三角拱式的平衡 概述 老顶的初次来压 老顶的周期来压 顶板压力的估算 回采工作面前后支承压力的分布 影响采场矿山压力显现的主要因素4.1概述

21、一、顶板下沉 二、顶板下沉速度 三、支柱的变形与折损 四、顶板破碎情况 五、局部冒顶 六、工作面沿顶板沿煤壁切落 另外：煤壁片帮、支柱插入底板、底板鼓起等 回采工作面小结构上覆岩层（围岩）大结构4。2老顶的初次来压 老顶断裂成岩块后的失稳转动 回转失稳（变形失稳） 滑落失稳（台阶下沉） 老顶失稳对工作面安全造成严重威胁 老顶初次来压的力学模型 老顶稳定的条件PQ1+Q2但，老顶的破断不可避免,破断后支架的载荷再可能减轻。老顶初次来压前的表现： 顶板压力不大煤壁前的压力达到最大（发生剪切破坏），煤壁片帮是来压的重要标志 来压跨距大,强度大，影响范围广，易出现事故 举例，西山矿务局开滦某矿 持续2

22、-3d 应采取的对策掌握步距大小加强支护及其稳定性 老顶来压步距的影响因素：力学性质厚度互相咬合的条件地质构造 来压步距统计情况:10-30m5430-55m37。5其余大于55m（大同坚硬顶板160m） 来压步距矿压显现动压系数 浅埋厚煤层的特殊情况，来压步距小，但矿压显现强烈，东胜神府矿区第三节老顶的周期来压 一、回采工作面推进对岩体结构的影响 二、采场的周期来压 周而复始稳定失稳再稳定周期来压 周期来压的表现形式：下沉速度支柱载荷；煤壁片帮支柱折损顶板台阶下沉 严重情况周期来压特征表 步距差异：坚硬岩层有多层，破断后造成来压不一致，一大一小 直接顶稳定性对老顶稳定性有重要的影响 冐落矸石

23、充填采空区的程度 例子对策： 判断预兆 局部来压，工作面与开切眼斜交第四节顶板压力的估算 实测法 估算法经验估算法华北矿区p（48）M结构平衡关系角度计算威尔逊估算法第五节回采工作面前后支承压力的分布工作面前后支承压力分布第六节影响采场矿压显现的主要因素 一、采高与控顶距一定地质条件下：采高是上覆岩层破坏状况最严重的因素之一.一些矿区二者成正比关系。小结构适应大结构，顶板下沉亦如此 结论：Sl=mL采高、控顶距的大小成正比关系 举例说明 采高老顶平衡，煤帮稳定性矿压显现 顶板控制顶板估算量二、工作面推进度的影响 顶板下沉量是时间的函数，但加快推进速度能否必然使顶板下沉量减小,并甩开矿压？ 工序

24、对顶板下沉量影响的实质：结构、前后支承压力不断推移 （76）从S-t曲线看出：加快推进速度缩短了落煤与放顶的时间间隔，虽然减小下沉量,改善顶板状况，但增加了工序的影响次数,即缩短了工序的时间间隔，同时加剧了顶板的下沉速度三、开采深度的影响 积聚的能量与深度的平方成正比 开采深度直接影响着原岩应力的大小,同时对开采后巷道或工作面周围的支承压力值。 对矿压的影响可能比较明显。 采场顶板下沉量与采深没有直接关系四煤层倾角度影响 煤层倾角对开采工作面矿压显现的影响很大 力学分析图 与分层厚和采高也有一定的关系 工作面支架受力不均匀五、分层开采时矿山压力显现 留煤皮 人工假顶 第一层的矿压显现 下分层矿

25、压显现特点 老顶来压步距小 支架载荷变小顶板下沉量大第五章采场顶板支护方法 顶板分类与底板特征 采场支架类型与支架力学特性 采场支架与围岩相互作用原理 综采机械化采煤工作面顶板控制设计 单体液压支柱工作面顶板控制原则 采场来压预报与支护质量监测 重点掌握:控制矿山压力的基本手段工作面支架的工作特性单体支架的工作特性单体支架的支护方式液压支架的分类及其适用条件回采工作面支架与围岩石关系回采工作面顶板压力的估算支架初撑力对顶板管理的影响5。1顶板分类与底板特征 控制回采矿山压力的重要性 总体角度（矿井设计的问题） 局部（支护和采空区处理） 直接顶与老顶的关系 控制工作面矿山压力的方法 掌握矿山压力

26、的规律 回采工作面支架 回采工作面支架的两个特性 可缩性 良好的支撑性能 支架的性能:支架的支撑力与支架的可缩性的关系特征（Ps曲线）.结构工作面围岩（老顶、直接顶和直接底）载荷 对直接顶的分析 直接顶的重要性直接顶完整程度的两个因素（岩性、裂隙）直接顶稳定性的分类破碎顶板中等稳定顶板完整顶板裂隙分类 裂隙的发育情况 原生裂隙 构造裂隙 压裂裂隙b.裂隙面与工作面顶板的位置关系 五种裂隙及其组合,复合裂隙最为不利5.直接顶的定量分析 根据垮落步距 直接顶端面破碎度FA/F顶板冒落敏感度（端面距为1m的破碎度）二、对老顶的分析 1.老顶对工作面的影响 2.根据直接顶厚度与采高的比值（N=hi/h

27、m）对顶板进行分类:N5无周期来压或周期来压不明显的顶板2 N5有周期来压的顶板N2周期来压严重的顶板极坚硬顶板能塑性弯曲顶板三、缓倾斜煤层采煤工作面分类方案四、底板特征 底板在矿压控制中的两个方面: 底板破坏2.支护体系底板支架顶板 底板比压:支架底座单位面积底板 插底破坏形式底板分类方案第二节采场支架类型与支架力学特性 工作面支架的工作特性 各种工作阻力的含义我国工作面支护设备发展历程 木支柱单体（急微）金属支柱（急微）单体液压支柱液压支架液压支柱的结构及其特性液压支柱工作原理 适用条件（p126）内注式薄及行走困难工作面外注式缓倾斜和倾斜中厚工作面三、液压支架支护方法分析 液压支架分类

28、按对顶板的支撑面积与掩护面积的比值进行分类2.按支架结构进行分类有掩护梁即为掩护式支架无掩护梁为支撑式支架常用的:支撑式掩护式支撑掩护式3.支撑式液压支架支护方式分析结合例子（5-13p129阳泉4423工作面）支撑式支架的适用条件 一般性结构的支撑式液压支架,比较适应于直接顶比较完整的工作面，若周期来压又较剧烈则更易于适应。 但对特别坚硬的顶扳却又由于支柱承受不了强大的水平推力而不相适应.在破碎顶板条件下，则必须采取有效的护顶措施，才能得到良好的使用效果。 支撑式支架通风断面大、行人方便、结构简单，在瓦斯矿井中使用具有很大的优越性。 采高在1.5m以下，直接顶3、4类,底板类以上，煤层倾角20以内的长壁工作面。支撑式掩护支架支护方式分析 优点：1.缩小了控顶距，减少了托梁与顶板之间反复支撑的次数，提高了支架对机道上方顶板的支撑力；在顶板局部冒顶情况下，可以考虑不勾顶;3.支架的结构可以承受一定水平推力，因而可以实现承载前移。4.挡矸性能良好，因而采空区矸石不能涌入回采工作空间。 缺点：支架工作空间小，因而通风断面小，行人也不方便.除此之外,由于增加了掩护梁，支架重量有所增加。支顶掩护式支架支护方式分