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1、煤矿技术人员培训讲稿煤矿技术人员培训讲稿第一部分：矿山压力及其控制1.1 矿山压力及其控制的基本概念矿山压力：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，简称矿压、地压等。矿山压力显现：由于矿山压力的作用，使围岩、煤体和各种人工支撑物产生的种种力学现象。 （如顶板下沉、底板臌起、冒顶、断面缩小等）矿山压力控制：人为的调节、改变和利用矿山压力作用的各种措施。（如支护、充填等，目的是保证生产安全和取得良好的经济效益）1.2 矿压及其控制研究的历史：1.2.1 对矿压力早期认识阶段：15 至 19 世纪早期，观测到了地下采掘活动对地表造成的破坏，提
2、出了最初的保护煤柱确定方法。1.2.2 建立早期假说的阶段：19 世纪后期至 20 世纪，利用某些比较简单的力学原理解释实践中出现的一此矿压现象，并提出了一此初步的矿压假说。代表性的是认为巷道上方能形成自然平衡拱的“压力控假说”及有关的分析计算。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，开展了地面及巷道中的岩石移动观测。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，开始把巷道周围的的整个岩体当作连续的、各相同性的弹性体来进行研究和建立假说，即用弹性理论来研究矿山岩石力学问题，并推出了计算原岩力学的有关公式。以后又考虑了岩石的非均质性
3、及各相异性，同时在实验手段上较广泛的利用了相似材料时行的相似模型研究方法及光敏材料进行的光弹性模拟方法，在工程实践中开始采用 U 型钢拱形可缩支架、磨擦式金属支柱、锚杆支架等支护技术。1.2.4 近代发展阶段：指 20 世纪 60 年代至今，在理论研究上进一步考虑岩石的真实特性，最重要的是把岩体看作是受到各种性质的弱面切割的多裂隙介质，相应的提出了岩石断裂力学、块体稳定理论等，另一方面把岩体变形看成是与时间有关的岩石流变特性的研究，提出了岩石流变学，在研究方法上应用计算机技术发展了新的数值分析方法，如有限元法、边界元法、离散元法等。在应用方面，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
4、研究，进一步改善了巷道支护技术。2.1 矿山岩石和岩体的基本性质2.1.1 矿山岩石的基本概念岩石：具有一定构造和形态的矿物结合体。在自然状态下，按其固体矿物颗粒之间的结合特征，可以分为固结性岩石、粘结性岩石、散粒状岩石、流动性岩石等。按照岩石的力学强度和坚实性，常把矿山岩石分为坚硬岩石和松软岩石。一般将饱水状态下单向抗压强度大于 5Mp 的岩石叫做坚硬岩石，反之称为松软岩石。按照岩石的构成特征，可以区分出岩石的结构和岩石的构造两个概念。2.1.2 岩石的物理性质岩石的（真）密度：指单位体积的岩石（不包括空隙）的质量，取决于组成岩石的矿物密度，且与岩石的空隙和吸水多少无关。一般在2.7103k
5、g/m3 左右。岩石的视密度：指单位体积的岩石（包括空隙）的质量。除了与组成岩石的矿物密度有关外，还与岩石的空隙和吸水多少有关。根据含水状态的不同可分为天然视密度、干视密度和饱和视密度。岩石的孔隙性：是指岩石中孔洞各裂隙的发育程度，常用孔隙度表示。即各种孔洞、裂隙体积的总和与岩石总体积之比，也称孔隙率。岩石的孔隙性对岩石的其它性质也有显著影响，一般来说，孔隙率增大可使岩石的视密度和强度降低，同时使塑性变形和透水性增大。岩石的碎胀性和压实性：碎胀性指岩石在破碎后的体积增大的性质，一般用碎胀系数来表示。岩石在破碎后，在其自重和外加载荷的作用下会逐渐压实的性质为压实性。岩石的吸水性：指遇水不崩解的岩
6、石在一定的试验条件下吸入水份的能力。通常以岩石的自然吸水率和强制吸水率表示。工程上往往用吸水率的大小来评价岩石的抗冻性能，当吸水率小于 0.5%时，一般认为岩石是耐冻的。岩石的透水性：即岩石能被水透过的性质，一般用渗透系数来表示。岩石的软化性：浸水后强度明显降低的性质。岩石的膨胀性和崩解性：前者指软岩浸水后体积增大和相应的引起压力增大的性能；后者指软岩浸水后发生解体的现象。2.1.3 岩石的力学性质2.1.3.1 岩石的弹性和塑性弹性：指卸载后能变形能全部恢复的变形性质；塑性：指卸载后变形全部不能恢复的变形性质。岩石的弹性指卸载后岩石变形能完全恢复的性质，随岩石的性质不同，可能出现线弹性、非线
7、性弹性和滞弹性三种不同的弹性特征。(见图 1)由于岩石是一个复杂的组合体，它的弹性变形和塑性变形往往是同时出现的，即岩石是一个弹塑性体。一般用弹性模量和变形模量表示岩石的变形性质，是评价岩石的受载条件下变形的一个重要参数。一般岩石的变形曲线如图 2 所示。2.1.3.2 岩石在单向压缩下的变形性质在单向压缩下，岩石的变形表现为横向变形和体积变化。可根据单向压缩时的岩石变形性质把岩石分为脆性岩石(破坏前的总应变小于 3%)和塑性岩石两类。脆性岩石、塑性岩石、一般岩石的应力应变曲线分别如下图3、4、5 所示：一一一一一一一一一一一一一一一一一3 一一一一一一一一一一一 0一一一一ABC一一一一一一
8、一一一一一一一一一maxT一一一一一一F E一一一一0一4 一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一5 一一一一一一一一一一一一一 0一一一一EABCD一一一一一一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一2.1.3.3 岩石在三向压缩下的变形性质自然条件下的岩体绝大多数是处于三向压缩状态，研究岩石在三向压缩状态下的变形性质要用专门的三轴应力试验机，通过试验表明：随着侧向应力的增大，岩石的塑性变形也相应增大，在单向应力或较低的侧向应力状态下多表现为脆性，在高压三向应力状态下破坏前也能表现出很大的塑性，另外在岩石在三向压缩条件下发生破坏后，仍然保留一定的承载能力，且围压俞大，其残余强度也俞大，这个
9、规律对于矿压控制很有实际意义。2.1.3.4 岩石的流变性质流变：即材料在出现塑性变形后，在应力不变或应力增加很小的情况下继续产生变形，简称流变，也叫屈服。通常把与时间因素有关的应力应变现象统称为流变，包括蠕变、弹性后效和松弛等现象，其中蠕变对工程应用的意义较大。蠕变：固体材料在不变载荷的长期作用下，其变形随时间的增长而缓慢增加的现象。大致可分为稳定蠕变和不稳定蠕变两类。由于蠕变而造成的应变最后能否趋于稳定，取决于所施加的恒定载荷值的大小以及能使这种岩石的蠕变量保持稳定的临界值的大小。如果恒定载荷值小于临界值，即使主生蠕变，也只是稳定蠕变，不会造成工程破坏，反之则出现不稳定蠕变，长时间后超过允
10、许的变形量，最终会导致工程破坏。2.1.3.5 岩石的强度性质及其测定岩石的单向抗压强度：岩石试件在单向压缩时所能承受的最大应力值。它是地下工程中使用最广的岩石力学参数。岩石的单向抗拉强度：岩石试件在单向拉伸时肥承受的最大拉应力值，它也是岩石力学性质的重要指标。由于岩石的抗拉强度远小于抗压强度(一般只有强压强度的 3-30%)，因此它对研究井下巷硐失稳有重要意义。岩石的抗剪强度：岩石试件受到剪断时，剪切面上的切向应力值。它也是岩石力学性质的最重要的指标之一。岩石的三轴抗压强度：岩石试件在三轴压应力作用下所能抵抗的最大轴向应力。试验表明：岩石的三轴抗压强度随围压的加大而增加，但不成线性关系。岩石
11、强度的影响因素及相互关系：内在因素：矿物成份、结构、构造、水、温度等外在因素：岩石的受力状态。试验表明，岩石在不同的受力状态下的强度值符合以下规律：三向等压抗压强度三向不等压抗压强度双向抗压强度单向抗压强度抗剪强度抗弯强度单向抗拉强度。2.1.3.6 岩石的破坏机理和强度理论岩石的破坏机理：任何材料的破坏，从不同部分散离的状态来看，不外是两种，即产生散离的部分互相远离或错开，所以物体的破坏机理归结到底只有两种：即拉断和剪切。因此岩石的破坏从其机理上来说也只有拉坏和剪坏，而通常所说的岩石被“压坏” ，从力学分析来看，实质上是不存在的。岩石的强度理论：研究岩石在复杂应力状态下的破坏原因、规律及其强
12、度条件的理论。目前已提出的有很多，下面是两种较常用的岩石强度理论。莫尔强度理论：认为材料发生破坏主要是由于破坏面上的剪应力达到一定限度的缘故，这个剪应力除了与材料本身性质有关外，还与破坏面上由于正应力造成的磨擦阻力有关。即破坏不仅取决于剪应力，同时也取决于正应力。格里菲斯强度理论：脆性破坏是由于拉伸而破坏，并不是因剪切而破坏。格里菲斯认为，岩石内随机分布着许多窄缝形的微裂隙，当物体受到拉应力作用时，处于不利方位的裂隙的端部就产生了高度的应力集中，于是裂隙就沿着其长度方向上扩张，直至岩石整体破坏。2.2 矿山岩体的基本性质岩体：自然界中由各种岩性和各种结构特征的岩石所组成的集合体。岩体与岩石在力
13、学上有许多区别，主要有岩体的非均质性、各向异性和非连续性。岩体的变形破坏过程：岩体是具有弹性的、塑性和粘性的、多裂隙的非连续介质，因此岩体的变形要比岩块的变形要复杂得多。岩体和办学性质是天然岩块和其结构弱面力学性质的综合反应，总变形中必然包括结构体的压缩变形和形状变形以及结构面的压密变形和剪切滑移变形，有的结构体还由于剪切过程中的磨擦作用而发生转动。根据试验研究，岩体受力后产生变形和破坏的过程可分为四个阶段，其应力应变曲线如下图 6 所示：岩体的强度特征及强度试验：岩体强度主要取决于软弱结构面的强度，因此可认为岩体是一种不能承受拉力的工程材料，在工程设计中称为无拉力准则。结构面虽然不能抗拉，但
14、仍能传递一定的剪应力，即具有一定的抗剪强度。试验证实，大部分岩体的强度曲线的受压区仍符合“库仑摩尔”准则，总是处于岩石强度曲线与弱面强度曲线之间。由于弱面的存在，岩体的强度显著的低于岩块的强度，并使岩体更易于变形和失稳。3.1 矿山岩体内应力的重新分布3.1.1 岩体中的自重应力与构造应力原岩体：没有受到人类工程活动影响的岩体。原岩应力场：天然存在与原岩内而与人为原因无关的应力场。主要有因自重引起的自重应力和地质构造运动而引起的构造应力，其次在不均匀沉积的交替区域，有可能形成局部应力集中。原岩应力场的第一种假说：原岩体中任何地方的水平应力约等于垂直应力的 2540%。 （较适用于较浅的原岩应力
15、场）原岩应力场的第二种假说：在岩体深处的原岩垂直应力与其上覆岩层的重量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。 （适用于深度较大时） 。此假说又称静水应力状态假说，主要是由于长期地质作用和岩石的蠕变特性，使深部的岩体达到静水应力状态。构造应力是一个复杂的问题，目前还无法用数学力学的方法进行计算，但它有以下特点：1、一般以水平压应力为主2、分布很不均匀3、具有明显的方向性4、根据测定，构造应力普遍存在着：最大水平应力最小水平应力垂直应力 的规律。水平构造应力可能比自重造成的水平应力大几倍到几十倍，因此在浅部开采时构造应力显得比自重应力更为重要。5、构造应力在坚硬岩层中出现一般比较普遍。3.1.2
16、巷道周围的支承压力分布。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。支承压力是矿山压力的重要组成部分。根据计算分析，可近似地认为，一般巷道两侧的应力集中系数为23 倍，当巷道为圆形时，集中系数最小且应力分布最均匀，当巷道的高/宽小于 1/2 时，两侧的应力集中系数可达到 45 倍，矩形巷道的拐角处切向应力最大。一般巷道两侧的支承压力分布示意图 7 所示：相邻巷道之间的相互影响：相邻巷道的相互之间影响程度及其应力分布受到下列因素的影响：巷道断面的形状及其尺寸大小；相邻两巷之间相隔的距离；在同一水平内相邻巷道的数目；原岩应力场的性质和有关参数。若以超过原岩应力的 5%为限，则影响半径 R 的经验计算公式为：R20*r4.47r （r 为巷道半径）则相邻两条巷道之间相互不影响的最小距离为 2R8.9r，以半径为2.4m 的巷道为例，则合理的巷道间距应在 21.5m 以上，这就是我们井下一般巷道布置间距应在 2030m 以上的原因。同样如果两条巷道相向贯通，则
