矿山压力理论

浅析矿山压力与岩层控制0 引言由于在地下煤岩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，就叫做“矿山压力”。

在矿山压力的作用下，会引起各种力学现象，如顶板下沉，底板鼓起，巷道变形后断面缩小，岩体破坏散离甚至大面积冒落，煤被压松产生片帮或突然抛出，支架严重变形或损坏，充填物受压缩，以及大量岩层移动地表发生塌陷等等，这些矿山压力显现都将严重影响矿山企业的采掘活动和经济效益。

如今我国煤矿的平均开采深度已经接近千米，个别矿区开采深度达到1300 多米。

随着开采日益向深部延深，矿山压力显现更加频繁。

如果矿山作业人员能够准确预测矿压显现的预兆，做出合理的判断及采取正确的预防措施，将会对井下人员的安全和减少矿山经济损失方面起到积极作用。

下面仅就矿山压力的理论发展作简要的介绍。

1 矿山压力理论发展压力拱假说，又名自然平衡拱，是在1908 年由M·M·普洛托雅柯诺夫提出的，它是一种岩石移动拱形说。

拱形假说适用于不稳定岩体，它将岩体视为松散岩体，以散体力学为理论依据，认为如无支护，则在上部覆岩的压力下，松散的岩石将从开采空间的两帮和顶部向下冒落，两帮塌落成斜面，顶部冒落成自然平衡拱。

如有支护，则作用在支护上的载荷仅只是冒落范围内的岩块重量，而与开采空间的埋藏深度无关。

铰接岩块假说，是苏联库兹涅佐夫于1950～1954 年提出，认为工作面上覆岩层的破坏可分两带，即不规则垮落带和其上的规则移动带。

假说认为工作面支架存在两种不同的工作状态：当规则移动带（相当于老顶）下部岩层变形小而不发生折断时，不规则垮落带岩层（相当于直接顶）和老顶间就可能发生离层，支架最多只承受直接顶折断岩层的全部重量，故称支架处于“给定载荷状态”；当直接顶受老顶移动影响折断时，支架所受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承达到平衡为止，这种情况称为支架的“给定变形状态。

1.矿山压力：由于矿山开采活动影响，在巷硐周围岩体中形成和作用在巷硐支护物上的力。

意义（生态环境保护，保证安全生产，减少资源浪费，改善开采技术，提高经济效益）2.矿压显现：由于矿山压力作用使巷硐周围岩体和支护物产生的种种力学现象。

指标（顶板下沉，顶板下沉速度，支柱变形和折损，顶板破碎情况，局部冒顶，大面积冒顶）。

影响因素（采高和控顶距，工作面推进速度，开采深度，煤层倾角，分层开采）3.矿压控制：所有减轻，调节，改变和利用矿山压力的各种方法。

矿压控制的意义:（生态环境保护，保证安全和正常生产，减少资源损失，改善开采技术，提高经济效益）途径（抵抗，避开，移走，释放）高压4.岩石是组成地壳的基本物质，它由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律组合而成。

岩石的孔隙性是岩石中孔隙和裂隙的发育程度，岩石中各种孔洞和裂隙体积和总体积之比就是裂隙度，岩石中各种孔洞和裂隙体积和固体岩石体积之比是孔隙比5.岩石的变形分为弹性，塑性，黏性，变形规律是弹性，塑性，流变和破坏6.应力应变曲线为：反映岩石加载后变形和破坏全过程的试验曲线。

压密压实，线弹性，弹塑性，破坏阶段7.与时间有关的应力应变现象统称为流变，完全弹性体，完全黏性体，刚一塑体8.应力不变条件下，应变随时间延长而增加的现象就是蠕变，（初始，等速，加速）蠕变9.影响岩石变形强度因素：岩石（性质，生成条件，构造特征，风化，水和温度，试件的形状和尺寸，加载速率和次数，受载状态）10.岩石破坏形式:拉断和剪切，强度理论分为:莫尔和格里菲斯强度理论（区别是莫尔主要是剪切破坏，格里菲斯是拉断。

单轴抗压强度R c=2C（1+sin&/1-sin&开根号）11.岩体由一定地质环境中各种岩性和结构特征岩石组成的集合体，由结构面和结构体组成12.岩体特征：岩体（非均质性，各向异性，非连续性）类型(整体，块状，层状，碎裂，松散)结构。

影响岩体变形因素：岩体结构，岩体结构面，实验条件。

1.矿山压力：由于开采影响，作用在开采空间煤岩体内或者支护物的力。

2.矿山压力显现：在矿压的作用下，开采空间煤岩体内和支护物上产生的各种力学现象。

3.构造应力：由于构造运动在岩体中引起的应力。

4.支承压力：指在岩体中开掘巷道、在煤层内进行采煤时巷道两侧或回采工作面周围煤壁上形成的高于软岩应力的垂直集中应力。

（应力重新分布后，巷道两侧改变后的切向应力增高的部分）5.支撑压力的分区问题：常将采场前方或巷道两侧的切向应力分布按大小进行区分。

⑴根据切向应力的大小，可分为增压区和减压区。

比原岩应力小的压力区是减压区，比原岩应力高的压力区是增压区。

增压区即通常说的支承压力区。

支承压力区的边界一般可以取高于原岩应力的5%处作为分界处。

再向内部发展即处于稳压状态的原岩应力区。

⑵另一种分类方法是将其分为极限平衡区和弹性区。

6.老顶初次来压：老顶平衡结构第一次失稳而施加给工作面以大型压力的过程。

7.老顶的周期来压：由于裂隙带周期性失稳而引起的顶板来压现象。

8.直接顶初次垮落：直接顶第一次大面积垮落。

9.老顶初次来压步距：第一次来压工作面至开切眼的距离。

10.周期来压：由于老顶平衡结构周期性失稳而施加给工作面以大型压力的过程。

11.周期来压步距：两次来压期间工作面的推进距离。

12.老顶的梁式破断：最大剪力发生在固定梁的两端：Qmax=R1=R2=qL/2最大弯矩发生在梁中间：Mmax=qL2/8固定梁：按最大剪应力得出的极限跨距为：L2s=4hRs/3q按最大弯矩得出的极限跨距为：L2T=h2RT/q简支梁：按最大剪应力得出的极限跨距为：L2s=4hRs/3q按最大弯矩得出的极限跨距为：L2T=2h RT/3q老顶的板破断：分为，①四边固支②三边固支，一边简支③两边固支，两边简支④一边固支三边简支弯矩分布，固定端边界大。

转换时，煤壁处弯矩大，煤壁中段弯矩最大。

破裂过程，长边→短边→沟通→中间13.直接顶，⑴影响直接顶好坏的原因：①岩性；②裂隙切割；③老顶压力；④支护压力⑵直接顶岩层破坏离层原因：①节理裂隙切割②岩层松软变形量大（离层）③落煤之后顶板支护不及时或初撑压力过小（离层）④老顶岩层平衡结构失稳，岩块回转⑤支护力不均衡或支架反复支撑⑥放顶撤柱过快，产生动压冲击14.横三区竖三带，⑴按层面垂直方向移动状况划分竖三带：Ⅰ冒落带（垮落带）—分为规则、不规则垮落带：Ⅱ裂隙带，位于冒落带以上，岩层间产生离层，形成拉伸裂隙，整体间联系比较好，相对位移小；Ⅲ弯曲下沉带：岩层基本上不产生离层，也不产生断裂，岩层会大面积缓慢下沉。

研究生课程论文一、采场矿山压力有哪些假说，各假说的主要观点如何？可以解释哪些现象？试论述各假说间有何联系与区别？你认为往什么方向发展，才能取得较大的进展?答：1.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，德国人哈克(W.Hack)和吉利策尔(G.Gillitzer)于1928年提出。

压力拱假说认为：在回采工作空间上方，由于岩层自然平衡的结果而形成了一个压力拱，拱的一个支撑点是在工作面前方的煤体内，形成了前拱角，而另一个支撑点是在采空区的充填体上，形成了后拱角，随着工作面的推进，前后拱角也将向前移动；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。

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。

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，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。

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。

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。

我认为此假说以后在拱的特性、岩层变形、移动和破坏的发展过程以及支架与围岩的相互作用方面能取得较大的发展。

2．悬臂梁假说悬臂梁假说是由德国施撬克于1916年提出的，后得到英国的费里德，前苏联的格尔曼等的支持。

此假说认为: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。

第一部分基础理论知识一、有关矿山压力的基础知识(一) 岩石的物理力学性质1、岩石的物理性质（1）岩石的重力密度γ（容重）：岩石所受的重力与包括空隙在内的岩石总体积之比。

如砂岩的重力密度（容重）为：γ=19.6KN/m³-27.5KN/m³（2）岩石的孔隙率(n):岩石的孔隙体积与其总体积之比。

沉积岩的孔隙率一般小于10%，但部分砾岩和胶结性较差的砂岩孔隙率可达标10%~20%。

（3）岩石的碎胀性:岩石破碎后体积增大的性质。

残余碎胀性系数( kp。

)：破碎岩石在矿山压力作用下，压实后的体积与破碎前的体积之比。

2、岩石的变形性质岩石单轴压缩，应力（σ）─应变（ε）曲线。

（见图1）应力σ：单位面积上的力；应变=（L–L′）⁄ L（1）压缩阶段；（2）弹性变形阶段；（3）塑性变形阶段，直至破坏。

岩石性质不同，应力─应变曲线各不相同。

3、岩石强度性质（1）强度概念：抵抗外力(应力)而不破坏的能力。

根据应力状态，强度有：抗压强度，抗拉强度，抗剪强度,抗弯强度；抗压强度：单向抗压强度，双向抗压强度，三向抗压强度。

（2）强度的特征抗压>抗剪>抗弯>抗拉三向抗压>双向抗压>单向抗压；三向抗压强度，侧压力愈大强度愈大：（3）岩石强度的指标: f称为普氏系数硬石灰岩、硬砂岩，f=8；普通砂岩，f=6；砂质页岩，f=5；砾岩，f=4；普通页岩，f=3；软页岩、无烟煤，f=2；煤，f=1-1.5。

4、岩体的变形与强度特性岩体与岩块特性的差别：（1）构造上的差别：岩体充满裂隙、层理等弱面；（2）受力状态差别：岩体受三向应力；（3）岩块尺寸不同，强度也不同；岩块尺寸愈大，强度愈小。

岩体被许多裂缝切割，但块度也很大。

（二）矿山岩体内原始应力分布规律1、自重力地下岩体处于三向应力状态。

2、构造应力（见图2）原因：构造应力。

地壳运动使岩体变形，岩体内储存弹性变形能。

当应力超过岩体强度时，岩体破坏，能量全部或部分释放。

矿山压力及控制一：名词解释：1、矿山压力：巷道和回采工作面周围的煤，岩体内形成一个与原岩应力场显然不同的新的应力场，这种由于在地下进行采掘活动而在井巷，硐室及回采工作面周围煤，岩体中和支护物上所引起的力，就叫矿山压力。

2、岩石的孔隙度：是指岩石中未被固体物质充填的空间体积与岩石总体积的比值。

3、泊松比：是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数4、流变：各种岩土工程都和时间因素有关。

时间对岩石变形特性的影响称为岩石的变形时间效应，与时间因素有父的应力应变现象统称为流变。

5、蠕变：应力不变条件下，应变随时间延长而增加的现象。

它与塑性变形不同，塑性变形通6、原岩应力：存在于地层中未受工程扰动的天然应力为原岩应力，也称为岩体初始应力，绝对应力或地应力7、支撑压力：在岩体内开掘巷道后，巷道同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文承压力。

8、回采工作面：在煤层或矿床的开采过程中，一般把直接进行采煤或矿物的工作空间称为回采工作面或简称为采场9、初次来压：由于老顶初次垮落，使工作面压力增大，故称为初次来压。

10、砌体梁：似砌体一样排列而组成的结构二、填空题：1、减压区和增压区2、垮落带、裂隙带、缓沉带3、全部垮落发，填充法4、岩石本身的力学性质和层理和裂隙的发育程度5、支柱通过泵压而给予顶板的主动支撑力三、简答题1、a、压力拱假说，b、悬臂梁假说，c、铰接岩块假说，d、预成裂隙假说，2、岩石的孔隙性即岩石具备由各种孔隙、孔洞、裂隙及各种成岩缝所形成的储集空间，岩石的孔隙度是指岩石中裂隙和孔隙的发育程度，其衡量指标为孔隙率或孔隙比。

孔隙比是指岩石中各种孔隙体积总和与岩石总体积之比。

3、根据采煤工作面推进到使上覆岩层充分运动的一定范围后，岩层运动(或破坏)发展程度，可格上迢岩层划分为三个带：(1)垮落带(或冒落带)：即图3—1中I所示部分。

1矿山压力;由于矿山开采互活动的影响，在巷硐周围岩体中形成的和作用在巷硐支护物上的力定义为矿山压力2原岩应力：未受开采影响的岩体内，由于岩体自重和构造运动等原因引起的应力。

3构造应力：由于地壳构造运动在岩体中引起的应力支承压力定义：4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5初次来压：通常将老顶沿块第一次失稳而造成回采工作面顶板压力突然增大的现象称为巷道顶板的初次来压6周期来压：直接顶初次垮落后随工作面的继续推进，工作面上方的老顶岩层将呈悬露状态，此时上覆岩层的重量将由老顶的悬臂直接传递给煤壁子，部分上覆岩层已经折断的老顶重量将直接压在已经垮落的矸石上，采煤工作面空间处于老顶悬梁的保护之下。

当采煤工作面继续推进，老顶悬露的跨度达到一定长度时，老顶在其自重及上覆岩层载荷的作用下，将沿煤壁甚至在煤壁内发生折断和垮落，随工作面的推进老顶这种垮落现象周而复始的出现，这种老顶周期性折断或垮落的矿压显现成为老顶的周期来压。

7原岩：地壳中没有受到人类工程活动影响的岩体称为原岩体，简称原岩。

8围岩：由于受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体。

9极限平衡区：极限平衡区是一个范围，此范围内沿块所出的应力圆与其强度包络线相切。

10应力集中系数：支承压力峰值与原岩铅直应力的比值11简支梁：就是两端支座仅提供竖向约束，而不提供转角约束的支撑结构。

12破裂区：靠采空区侧应力低于原岩应力的部分称为破裂区13塑性区：在采煤工作面煤壁前方，部分煤体进入塑性变形状态14超前支承压力：工作面前方形成超前支承压力，他随着工作面推进向前移动15侧向支承压力：工作面沿倾斜和仰斜方向及开切眼一侧煤体上形成的支承压力，在工作面过一段时间后，不再发生明显变化，称为固定支承压力或惨合支承压力16增载系数：老顶来压与平时压力强度的比值17煤柱应力传递影响角：等值线为1 在煤柱边缘的切线与垂线之间的夹角18原生裂隙：指岩层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19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。

1、矿山压力：开掘巷道或进行回采工作时，破坏了原来的应力平衡状态，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，在巷硐周围岩体中形成的和作用在巷硐支护物上的力定义为矿山压力。

2、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，以及在掩体中产生的动力现象。

这些由于矿山压力作用使巷硐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。

3、矿山压力控制：为使矿山压力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吧矿山压力显现控制在一定范围内。

对于有利于采矿生产的矿山压力也应当合理利用，所有减轻、调节、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。

4、岩石的分类：①按岩石成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。

煤田是地质历史上沉积运动形成的，煤矿绝大多数遇到的是沉积岩。

②按岩石力学强度和坚实性，可分为坚硬岩石和松软岩石。

5、软岩巷道围岩变形力学机制：①膨胀变形机制②应力扩容变形机制③结构变形机制6、碎胀性：岩石破碎后的体积比破碎前的体积增大的性质。

随胀系数Kp（岩石破碎后处于松散状态下的体积与岩石破碎前处于整体状态下的体积之比）7、软化性：岩石浸水后其强度降低的性质。

软化系数（水饱和岩石试件的单轴抗压强度与干燥岩石试件单轴抗压强度之比）软化系数越小，岩石受水影响就越小8、岩石变形的类别：①弹性变形（弹性特征：①线弹性②完全弹性③滞弹性）②塑性变形③黏性变形。

9、弹性后效：弹性后效指的是材料在弹性范围内受某一不变载荷作用，其弹性变形随时间缓缓增长的现象。

在去除载荷后，不能立即恢复而需要经过一段足够时间之后才能逐渐恢复原状的现象。

材料越均匀，弹性后效越小。

高熔点的材料，弹性后效极小。

10、抗剪强度：①抗切强度②抗剪强度③摩擦强度。

11、应力应变曲线：①原始空隙压密阶段②线弹性阶段③弹塑性过渡阶段④塑性阶段⑤后破坏阶段。