矿山压力理论Word格式文档下载.docx

1、工作面和采空区上方的顶板可视为梁，它一端固定于岩体中，一端处于悬伸状态，在悬臂梁弯曲下沉后，受到已垮落的岩石支撑，当悬伸长度很大时，发生有规律的周期性折断，从而引起周期来压，而我们知道地下岩体是一种层状的连续弹性介质,未受扰动的岩体所受的力主要是垂直应力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,即所谓的悬臂梁假说。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、下沉以至于断裂与垮落，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

2、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

3、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

4、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。此假说以后可以往开采后上覆岩层活动规律方面发展，会取得较大成就。3.铰接岩块假说 该假说认为，工作面上覆岩层的破坏可分为跨落带和其上的规则移动带。跨落带分上下两部分，下部跨落时，岩块杂乱无章；上部垮落时，则呈规则的排列，但与规则移动带的差别在于无水平方向有规律的水平挤压力的联系。规则移动带的岩块间可以相互铰合而形成一条多环节的铰链，并规则地在采空区上方下沉，还对支架和围岩的相互作用做了分析“给定载荷状态”和“给定变形状态”。此假说对支架和围岩的相互作用作了较详细的分析。假说认为，工作面支架存在两种不同的工作状态。当

5、规则移动带（相当于老顶）下部岩层变形小而不发生折断时，跨落带岩层（相当于直接顶）和老顶之间就可能发生离层，支架最多只承受直接顶折断岩层的全部重量，这种情况称为支架处于给定载荷状态。当直接顶受老顶影响折断时，支架所承受的载荷和变形取决于规则移动带下部岩块的相互作用，载荷和变形将随岩块的下沉不断增加，直到岩块受已垮落岩石的支撑达到平衡为止，这种情况称为支架的给定变形状态。铰接岩块间的平衡关系为三角拱式的平衡。 铰接岩块假说正确地阐明了工作面上覆岩层的分带情况，并初步涉及岩层内部的力学关系及其可能形成的结构。 4.预成裂隙假说 预成裂隙假说认为，由于开采的影响，回采工作面上覆岩层的连续性遭到破坏，从

6、而成为非连续体。在回采工作面周围存在着应力降低区、应力增高区和采动影响区。随工作面的推进，三个区域同时相应地向前移动。由于开采后上覆岩层中存在各种裂隙，这些裂隙有可能是由于支承压力作用而形成的，它可能是平行于正应力的张开裂隙，也可能是与正压力成一定交角的剪切裂隙，从而使掩体发生很大的类似塑性体的变形，因而可将其视为假塑性体。这种被各种裂隙破坏了的假塑性体处于一种彼此被挤紧的状态时，可以类似梁的平衡；在自重及上覆岩层的作用下，将发生明显的假塑性弯曲；当下部岩层的下沉量大于上部岩层时，就会产生离层。 此假说还认为，为了有效地控制顶板，应保证支架具有足够的初撑力和工作阻力，并应及时支撑住顶板岩层，使

7、各岩层及岩块之间保持挤紧状态，借助于彼此之间的摩擦阻力，阻止岩层破断岩块之间的相对滑移、张裂与离层。该假说应该往岩块之间的平衡、支架受力关系的方向发展，才会取得较大的进展。5. 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

8、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”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

9、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

10、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。6. 传递岩梁假说传递岩梁假说于1978年由山东科技大学宋振骐教授根据现场实测资料提出的。该假说首先与众不同地建立了直接顶与老顶两个基本概念。直接顶：在采空区已经冒落的岩层总和，由于它们不能长久地保持向煤壁前方传递力的联系，因此其作用力必须由支架全部承担。老顶：由邻近采场的一部分传递岩梁组成，该部分岩梁的运动对采场矿压显现有明显的影响。老顶岩梁的结构采用了“传递岩梁”的概念，它包括下列含义：（1）该岩梁是由同时运动（或近似于同时运动）因而对矿压显现同时有明显影响的岩层组合而成。（2）该岩梁在采场推进过程中，

11、无论是在相对稳定阶段，还是进入显著运动的阶段，都能在工作面推进方向上始终保持传递力的联系，从而能将其作用力传递至煤壁前方和采空区已冒落的矸石之上。由于采场不断推进，采场矿山压力及其显现总是在不断发展变化之中。因此宋振骐教授建议研究的重点不仅是某一时刻瞬间值的大小，而是矿压的发展变化规律及其与上覆岩层运动的关系。解决了这个问题，则能通过矿压显现推测上覆岩层的运动，预测采场来压的时刻和强度，解决开采设计，生产管理等问题。该假说尚存在一些不足之处：（1）假说中提出的岩体结构模型的属性比较笼统，不够明确，是否具有普遍性尚待进一步证实。（2）假说中有许多地方是根据现场观测到的现象去推测，需要进一步研究。

12、7.台阶下沉假说台阶下沉假说是由前苏联学者秦巴列维奇提出的，研究对象只是埋藏较浅的水平及缓倾斜薄及中厚煤层的矿压问题。它与预成裂隙假说有许多共同特点。假说从巷道周围存在低应力区出发，认为在采场顶板内也存在着三角形的低应力区，且工作面推进，其范围也不断地扩大，如图所示：当工作面不断推进时，由于三角棱柱体还来不及形成，因此在任一时刻其高度b总小于计算值，但为简化可以认为这三棱柱的高度低于计算值，即式中，顶板岩石的内摩擦角； a工作面煤壁至开切眼的距离。随着工作面的不断推进，低应力区将通达地表，采空区上方的悬露岩体m由于受到裂隙切割将与两侧岩体失去联系。台阶下沉假说缺乏充分的依据。岩层运动的几何形状

13、过分绝对化，也未能考虑到支架与围岩以及下沉条带间的相互作用。8.锲形假说 前苏联学者鲁宾涅依特总结了前人有关走向长壁开采回采工作面的各种矿压假说，吸取了其中某些较合理的部分，于1955年提出楔形假说，其实质如下：从采空区起，采场顶板岩层可以分为三个区域，即完全破坏区，半破坏区和未破坏区。如图所示：由于工作面前方支承压力作用，煤体将产生一预先下沉值。岩层在高应力的作用下则呈半破坏状态而失去了抗拉能力，但仍未丧失连续性，且有抗压能力，半破坏区的岩石由极限平衡状态向弹性状态过渡。再深入岩体则是未破坏的弹性状态区。 鲁宾涅依特的理论在很多方面与实际不符，许多假说与计算明显地缺乏可信的基础。9.松散介质

14、假说 荷兰学者伊尔切松和佐利登拉特提出的松散介质假说，要点如下：将岩体看作松散体，其力学性质基本上可用内摩擦角表示。根据含煤地层的岩石由于古代构造力作用的结果，已被许多裂隙切割破坏了。 假说认为煤及岩体如同松散介质受载向自由空间移动样也向采空区移动，个别岩块可能很大，但仍能按松散体的应力分布规律取得平衡，因此可用松散静力学方法研究它。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

15、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量，并且这种结构的平衡与失稳会给采场带来严重影响。他们的联系是所有的假说都是拱内有梁，梁中有拱；

16、区别是各自有各自的观点和可以的解释现象。二、巷道矿山压力有哪些理论，各种理论的主要观点如何？试论述各理论间有何联系与区别？你认为往什么方向发展，才能取得较大的进展。巷道矿压理论包括采动影响巷道矿压理论、锚杆支护技术、围岩注浆加固及充填技术和巷道底鼓控制技术等。1.组合梁理论机理：将锚固范围内的岩层挤紧，增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象，提高其自撑能力。将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。在上覆岩层载荷的作用下，这种组合厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小。其局限：（1）组合梁有效组合厚度很难确定。（2）没有考虑

17、水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆载荷的作用。其实，在水平应力较大的巷道中，水平应力是顶板破坏、失稳的主要原因。（3）只适用于层状项板而且仪考虑了锚杆对离层及滑动的约束作用，没有涉及锚杆对岩体强度、变形模量及应力分布的影响。适用条件：层状地层和顶板在相当距离内不存在稳定岩层，悬吊作用处于次要地位。2.悬吊理论的机理：将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。缺点：（1）没有考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开。 （2）悬吊理论仅考虑了锚杆的被动抗拉作用，没有涉及其抗剪能力及对破碎岩层整体强度的改变。理论计算的载荷

18、与实际出入较大。锚杆可以锚固到顶板坚硬稳定岩层3.组合拱理论机理：在破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要铺杆间距足够小，各个错杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。一般不能作为准确的定量设计。顶板无稳定岩层4.最大水平应力理论机理：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性。在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造

19、成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动。直观性较差。5.全长锚固中性点理论机理：全长锚固中性点理论由东北大学王明恕教授等提出了，该理论认为在靠近岩石壁面部分（锚杆尾部），锚杆阻止围岩向壁面变形，剪力指向壁面。在围岩深处（锚杆头部），围岩阻止锚杆向壁面方向移动，锚杆上的剪力指向相背的分界点，称为中性点。该点处剪应力为零，轴向拉应力为最大。由中性点向锚杆两端剪应力逐渐增大，轴向拉应力逐渐减少。6.联合支护理论机理：冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉教授等提出的联合支护技术是在新奥法的基础上发展起来的，其观点可以概括为：对于巷道支护，一昧强调支护刚度是不行的，特别是对于松

20、软岩土围岩要先柔后刚，先抗后让，柔让适度，稳定支护。由此发展起来的支护形式有锚喷网技术、锚喷网架技术、锚带网架技术、锚带喷架等联合支护技术。7.锚喷一弧板支护理论机理：孙钧、郑雨天和朱效嘉等提出的锚喷-弧板支护理论是对联合支护理论的发展。该理论的要点是：对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度后，要坚决顶住，即采用高标号、高强度钢筋混凝土弧板作为联合支护理论先柔后刚的刚性支护形式，坚决限制和顶住围岩向中空位移。8.松动圈理论机理：松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容是：凡是坚硬围岩的裸露巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支护。松动圈越

21、大，收敛变形越大，支护难度就越大。因此，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。根据围岩松动圈支护理论，锚喷支护的机理和支护参数应以松动圈的大小来确定。发展方向是向以解决深井软岩巷道大变形、大地压、难支护等问题的方向发展。三、试从“梁”和“拱”两大体系的思路，论述砌体梁理论、关键层理论和传递岩梁理论。这些理论有无实质性的区别？若有，区别在哪里？若无，请详细说明。砌体梁理论-采场上覆岩层可分为“纵三带”和“横三区”，砌体梁结构为梁-拱式结构，运动特征为分组一致下沉,且受支配层制约，力的传递关系为垂直力传向水平力，结构特征为半拱式结构和关键块，平衡条件为S-R平衡,滑落失稳显现为台阶,回

22、转失稳显现为顶板下沉量增大）。关键层理论-关键层是指对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起主要控制作用的岩层.支承特征为关键层破坏前以板 （或简化为梁 ）的结构形式 ,作为全部岩层或层部岩层的承载主体 ,断裂后若满足岩块结构的S-R稳定，则成为砌体梁结构 ,继续成为承载主体；关键层破断后将成为砌体梁结构,主关键层与亚关键层之间、亚关键层与亚关键层之间的变形不协调或不整合将形成岩层移动中的离层和各种裂隙分布。传递岩梁理论-一组同时运动的岩层看作一个整体,传递力的岩梁；老顶是由对采场矿压显现有明显影响的一组或几组“岩梁”组成，对于老顶中的每一岩梁,由于裂断岩块之间的相互咬合,始终能向煤壁前方

23、和采空区矸石上传递作用力；岩梁运动时的作用力无需由支架全部承担，支架承担作用力的大小,由对其运动的控制要求决定；内应力场由运动岩梁决定，以塑性区存在为前提，改变支架工作阻力可以改变内应力场的大小和分布；外应力场由上覆岩层决定,稳定与否取决于基本顶的运动状态和工作面的推进；支架对直接顶的作用是给定荷载；支架对基本顶的作用是给定变形和限定变形。这些理论无实质性的区别，都是采用梁假说，均认为岩梁可以传递水平力，考虑成层性,假定分组一致下沉。四、绿色开采关键技术有哪些？试论述矿压理论对指导绿色开采关键技术的作用。煤矿绿色开采以及相应的绿色开采技术,在基本概念上是要从广义资源的角度上来认识和对待煤、瓦斯

24、、水等一切可以利用的各种资源。基本出发点是防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响。目标是取得最佳的经济效益和社会效益。根据煤矿中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等,绿色开采主要包括以下内容:水资源保护“保水开采”；瓦斯抽放“煤与瓦斯共采”;土地与建筑物保护“充填开采”；排放矸石占用土地污染环境“煤炭地下气化”等。关键技术：1.保水开采：通过对开采方法、岩层控制技术以及开采与岩层水流动相互关系的研究，解决因煤炭开采造成的水资源流失和土壤沙漠化问题，研究地下水因开采而形成的渗透、流动规律。2.充填开采方法：初步建成高性能、低成本膏体充填新材料制备及充填工艺系统。主要解决的问题是实现建筑物

25、、水体等特殊条件下的煤炭资源高采出率开采以及地表不沉陷，地下水不流失等。3.矸石井下处理技术：如矸石井下处理系统及物流可控技术，矸石不出井的巷道布置、开采技术及系统可靠性，与绿色开采相关的技术及理论，如充填及降沉技术及理论等。主要解决矸石在地面堆积而引起的相关环境问题等。4.煤与瓦斯共采：关键层理论-关键层运动对上邻近层瓦斯动态涌出与下解放层开采最大卸压高度的影响；“O形圈”在卸压瓦斯抽放中的作用机理；岩层运动对瓦斯抽放钻孔的破坏及其防护对策、瓦斯的综合利用等。减少矿井有害气体的排出，最大限度地在开采煤炭的同时将瓦斯采出。5.深部及复杂地质条件下开采：深部及复杂地质条件下的巷道围岩综合控制新理

26、论，新技术，特别是煤巷锚杆支护理论与技术的突破；建立“地应力测试等地质力学评估数值计算分析设计现场应用实测及信息反馈”岩层控制体系；冲击矿压的机理、预测及控制技术；深部高应力条件下的采场矿压显现规律及上覆岩层的移动规律等。6.煤炭地下气化：如“长通道、大断面、两阶段”技术理论，聚能点火理论，渗流燃烧理论，地下气化炉测控原理等。解决燃烧环境下的上覆岩层应力、破断、位移与渗流问题，矿压作用下的煤层燃烧控制技术与优质稳定产气新工艺。矿压理论对指导绿色开采关键技术的作用主要表现在关键层理论对指导绿色开采关键技术的作用。具体如下：关键层理论主要观点：关键层理论将使采场矿压、岩层移动和地表沉陷等方面的研究

27、有机地统一成一个整体；判断某一岩层是否为关键层 ,需同时满足关键层的刚度判别条件和强度判别条件；当出现与地表沉陷相对应的多层岩层同步协调变形和破坏时 ,其最下部坚硬岩层为主关键层 ,只是岩体内部数层岩层协调变形与破断 ,并不影响至地表时 ,其下部坚硬岩层为亚关键层；关键层在破断前为弹性地基梁 （或板 ） ,用此模型可较为准确地计算出采场来压步距和岩层移动的周期性变化规律 .关键层破断后将成为砌体梁结构；主关键层与亚关键层之间、亚关键层与亚关键层之间的变形不协调或不整合将形成岩层移动中的离层和各种裂隙分布。关键层理论的运用之一-采场上覆岩层移动控制技术：留煤柱；充填法，采空区充；覆岩离层区注浆；

28、主关键层下部将是离层注浆的最佳层位。 关键层理论的运用之二-瓦斯抽采：运用关键层破断移动规律，建立了卸压瓦斯抽放“O”形圈理论，它是指导卸压瓦斯抽放钻孔布置的理论依据；理论与实测研究证明 ,覆岩远距离煤层能充分卸压 ,其卸压煤层气可通过“O”形圈大面积抽放出来。试验研究表明,邻近开采煤层的下部关键层的破断运动对“导气”裂隙发育的动态过程起控制作用,邻近层卸压瓦斯的涌出受控于“导气”裂隙发育的动态过程；根据“导气”裂隙发育规律，上部邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布置应遵循如下原则：高抽巷沿倾向位置，在初采期应位于采空区中部，而在正常回采期间，应位于“O”形圈内。5.展望深部开采采场与巷道矿山压力理论的

29、研究方向和发展趋势。国内外众多科研工作者和工程技术人员围绕地下开采围岩应力分布、支承压力计算、采动裂隙演化特征等矿山压力理论方面开展了许多研究, 取得了一系列成果, 对推动煤矿安全高效开采起到积极重要作用。但地下开采是围岩应力场、破坏场、变形场和裂隙场不断演化的过程, 采场矿山压力客观上是一个三维问题, 开采引起的围岩压力重新分布、围岩变形移动破坏及煤岩动力灾害等根本上是采场围岩三维矿山压力演化所决定的, 故深部煤炭资源的安全高效开采急需矿山压力理论方面的基础理论和相关研究支持, 以便更好地指导高强度开采技术的推广与应用, 更大限度地提高资源采出率, 实现安全高效生产。因此, 在掌握地质条件、开采技术条件的基础上, 以大范围围岩为研究对象, 注重三维矿山压力基础理论研究的同时, 更应注重深部开采围岩支承压力演化及其对采动裂隙的动态效应和应力场、裂隙场与渗流场的耦合理论研究。 1.开展深部开采三维矿山压力基础理论和现场试验研究。传统的采场矿压理论所研究的范围多为6 8 倍采高以内的基本顶范围,