CUMT-矿山压力与岩层控制-矿山压力与岩层控制复习资料

一、重要概念矿山压力：地下岩体在受到开挖以前，原岩应力处于平衡状态。

开掘巷道或进行回采工作时，破坏了原始的应力平衡状态，引起岩体内部的应力重新分布，直至形成新的平衡状态。

这种由于矿山开采活动的影响，在巷道周围岩体中形成的和作用在巷道支护物上的力定义为矿山压力，在相关学科中也称为二次应力或工程扰动力。

（1）矿山压力显现：在矿山压力作用下，会引起各种力学现象，如岩体的变形、破坏、塌落，支护物的变形、破坏、折损，以及在岩体中产生的动力现象。

这些由于矿山压力作用使巷道周围岩体和支护物产生的种种力学现象，统称为矿山压力显现。

（1）矿山压力控制：所有减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的各种方法叫矿山压力控制。

（1）原岩应力：存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力，也称为岩体初始应力、绝对应力或地应力。

（40）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。

(58)老顶：通常把位于直接顶之上(有时直接位于煤层之上)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。

一般是由砂岩、石灰岩及砂砾岩等岩层组成。

（65）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。

（65）直接顶初次垮落：煤层开采后，将首先引起直接顶的垮落,回采工作面从开切眼开始向前推进，直接顶悬露面积增大,当达到其极限垮距时开始垮落。

直接顶的第一次大面积垮落称为直接顶初次垮落。

（70）顶板下沉量：一般指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板相对移近量。

（98）老顶初次来压：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，同时发生已破断的岩块回转失稳(变形失稳)，有时可能伴随滑落失稳(顶板的台阶下沉)，从而导致工作面顶板的急剧下沉。

此时，工作面支架呈现受力普遍加大现象，即称为老顶的初次来压。

（99）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“稳定一失稳一再稳定”的变化，这种变化将呈现周而复始的过程。

出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。

（101）关键层：将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称为关键层。

（174）开采沉陷：煤层采出后，采空区周围原有的阴历平衡状态受到破坏，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引起地表的移动，这一过程和现象称为岩层移动，又称为开采沉陷。

（177）充分采动和非充分采动：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。

将刚达到充分采动状态的采空区尺寸称为临界开采尺寸。

如果采空区尺寸小于临界开采尺寸，称为非充分采动。

（177）岩层移动角：地表下沉边界（常以10mm点划定）和采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为岩层移动角。

（179）.岩层变形：【地表变形？】：由于地表相邻点的下沉和水平移动量是不相等的，从而引起地表变形。

地表变形分为倾斜、曲率、水平变形（拉伸和压缩）。

倾斜变形（i）:这是指相邻点在竖直方向的相对移动与两相邻点间水平距离的比值。

曲率变形（K）：指相邻线段的倾斜差与两线段中点间的水平距离的比值。

水平变形（∈）：指两相邻点的水平移动差值与两点间水平距离的比值。

沿空留巷：如果通过加强支护或采用其他有效方法，将相邻区段巷道保留下来，供本区段工作面回采时使用的巷道，称为沿空保留(煤体—无煤柱)巷道。

（203）沿空掘巷：巷道一侧为煤体，另一侧为采空区，如果采空区一侧采动影响已经稳定后，沿采空区边缘掘进的巷道称为沿空掘进(煤体—无煤柱)巷道（203）锚固力：为锚杆对围岩的约束力。

（242）软岩：分为地质软岩和工程软岩。

（256）地质软岩：指强度低，孔隙度大，胶结程度差，受结构面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层的总称。

工程软岩：指在巷道工程力作用下，能产生显著变形的工程岩体。

巷道工程力是指作用在巷道工程岩体上的力总和，工程软岩的定义揭示了软岩的相对性质。

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。

（294）冲击矿压：冲击矿压是聚积在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，产生的动力将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响，造成煤岩体振动和煤岩体破坏，支架与设备损坏，人员伤亡，部分巷道垮落破坏等。

冲击矿压还会引发或可能引发其他矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统，严重时造成地面震动和建筑物破坏等。

因此，冲击矿压是煤矿重大灾害之一。

（294）冲击能指数：在单轴压缩状态下，煤样全“应力一应变”曲线峰值c前所积聚的变形能Es与峰值后所消耗的变形能Ex之比值。

它是包含试件“应力一应变”全部变化过程的曲线，直观和全面地反映了蓄能、耗能的全过程，显示了冲击倾向的物理本质。

（298）顶板大面积来压：顶板大面积来压主要是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。

浅埋煤层：根据实测，浅埋煤层可分为两种类型：典型的浅埋煤层，近浅埋煤层。

对于基岩比较薄、松散载荷层厚度比较大的浅埋煤层，其顶板破断运动表现为整体切落形式，易于出现顶板台阶下沉。

此类厚松散层浅埋煤层称为典型的浅埋煤层，其特征可以概括为埋藏浅、基载比小、老顶为单一关键层结构的煤层。

对于基岩厚度较大、松散载荷层厚度较小的浅埋煤层，其矿压显现规律介于普通工作面与浅埋煤层工作面之间，顶板结构呈现两组关键层，存在轻微的台阶下沉现象，可称为近浅埋煤层。

（283）放顶煤开采：放顶煤采煤法的实质，就是在厚煤层沿底部布置一个采高2~3m 的长壁工作面，用常规方法进行回采，并利用矿山压力的作用或辅以松动爆破等方法，使支架上方的顶煤破碎成散体后，由支架上方的放煤窗口放出，经由刮板输送机运出工作面。

二、简答与分析论述1.简述原岩应力场的概念及主要组成部分。

（40）天然存在于原岩内而与人为因素无关的应力场称为原岩应力场。

由地心引力引起的应力场称为自重应力场，由于地质构造运动而引起的应力场称为构造应力场，构造应力与岩体的特性(岩体中裂隙发育密度与方向，岩体的弹性、塑性、粘性等)，以及正在发生过程中的地质构造运动和历次构造运动所形成的地质构造现象(断层、褶皱等)有密切关系。

自重应力场和构造应力场是原岩应力场的主要组成部分。

2.原岩应力分布的基本特点(43)通过理论研究、地质调查和大量的地应力测量资料，原岩应力分布的主要规律归纳如下：(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。

3.煤柱下方底板岩层中应力分布特点及其实际意义？（62）在集中力P 作用下，沿水平面及深度方向，岩体内的铅直应力σz 的分布的等应力线呈类似卵形的压力泡。

在实际工程中很少遇到集中载荷作用的情况，但是通过这个解，可以知道应力在岩体内的传递规则，并且可以用积分的方法解决其他形式载荷条件下的应力分布问题。

前西德学者雅可毕将煤层开采条件理想化，即将岩体视为均质的弹性体，对煤柱和煤体下方底板岩层中的应力分布进行了模拟计算。

得到了σz 应力线的分布图如图所示。

其假设的条件是；采深为800m ，上覆岩层体积力为25kN ／m 3。

图中的单位是10MPa ，因此图中的等应力线2即相当于原岩应力。

在煤柱或煤体下方的一侧为增压区，而在采空区下方一侧为减压区。

当多煤层开采时，岩体内的σz 应力线将更为复杂。

4.简述岩石破碎后的碎胀特征及其在控制顶板压力中的作用？(72)岩石的碎胀性是指岩石破碎后散乱后堆积的体积比破碎前整体状态下增大的特性，一般用碎胀系数K P 表示。

影响碎胀系数K P 的重要因素是岩石破碎后块度的大小及其排列状态。

例如，坚硬岩层成大块破断且排列整齐，因而碎胀系数较小；若岩石破碎后块度较小且排列较乱，则碎胀系数较大，岩石破碎后，在其自重及外加载荷的作用下渐趋压实，碎胀系数变小，压实后的高度将取决于岩石的残余碎胀系数K P ，。

若直接顶岩层的垮落厚度为∑h ，则垮落后堆积的高度为K p ·∑h ，它与老顶之间可能留下的空隙△为：△＝∑h ＋M －K p *∑h=M-∑h*（K p -1）当M ＝∑h （K p -1）时，△=0，即冒落的直接顶将充满采空区。

此时下沉量较小，常可忽略不计。

因此，形成充满采空区所需直接顶的厚度为： 随着老顶初次断裂，老顶破断岩块的变形迫使直接顶变形而向支架方向加载荷，此时直接顶就不再可能形成初次放顶时可能发生的离层状态。

但是老顶破断岩块形成的变形失稳与滑落失稳将对直接顶的稳定性产生影响。

对于岩层控制来说，碎胀性有重要作用，当煤层采出形成采空区后，顶板处于悬露状态，就会发生破坏堵蒂，并给工作面顶板管理造成影响以至危害。

由于顶板岩石有碎胀性，垮落后体积增大，能充填部分因煤层采出后形成的采空区，其上覆岩层的活动对工作面就没有明显的动压影响了。

因此，碎胀性对工作面顶板管理有重要意义．5.分析采场上覆岩层结构失稳条件（☆）上覆岩层的岩体结构主要由坚硬岩层组成，软岩层只作为载荷，坚硬岩层断裂成岩块后排列鳖齐并互相咬合，这样，就可以建立一个势定的力学模型。

根据力学计算，岩体结构的平衡条件为：1）岩块间应有足够的水平推力，且不可过大。

2）岩块的下沉量S l 要小，厚度h 要大，且S l 要远小于h 。

3）岩块间的断裂角θ要小于岩块间的摩擦角ψ4）岩块间的剪切力Q 要小于岩块间的摩擦力，即岩体结构上作用的载荷不易过大。

6.分析加快工作面推进速度与改善顶板状况的关系。

（112）1K Mh -=∑p从实测的“s一t”曲线中可以看出，加快工作面的推进速度实质上意味着减少了工作面的控顶时间，也减少了时间因素对顶板下沉的影响，无疑可以减少顶板的下沉量，改善顶板维护状况。

但是加快工作面的推进速度却在一定的时间间隔内增加了工序的影响次数，即缩短了相邻两个工序的时间间隔，同时也必然使顶板的下沉量加剧。

当工作面推进速度加快到一定程度后，可能会出现前一工序影响的顶扳下沉还未稳定，后一个工序的影响却已来到。

这样，会使工作面顶板始终处于剧烈活动的情况下。

显然，这种状况对顶板的维护是非常不利的。

在工作面推进速度很慢的情况下，加快工作面的推进速度对于减小顶板的下沉量，改善顶板维护状况显然是有利的。