《矿山压力与岩层控制期末考试复习资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《矿山压力与岩层控制期末考试复习资料（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、矿山压力与岩层控制矿山压力：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。矿山压力显现：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。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。矿山压力与岩层控制的研究方法：理论研究，实验室研究，现场监测。表征岩石的变形指标一般有泊松比、弹性模量和体积变形量。材料发生破坏除了取决于该点的剪应力，还与该点的正应力有关。岩石变形分为弹性变形、塑性变形和粘性变形。原岩应力：存在于地层中未受工程扰动的天然应力。原岩应力场：天然存在于原岩内而与人为因素无关的应力场。原岩应力组成 自重应力和构造应力。由地心引
2、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 。构造应力由地壳构造运动在岩体中引起的应力，分为现代构造应力和地质构造残余应力。 构造应力以水平应力为主，具有明显的区域性和方向性。构造应力特点： 1）分布不均，在构造区域附近最大； 2）水平应力为主，浅部尤为明显； 3）具有明显的方向性，最大应力与最小应力相差较大； 4）坚硬岩层中明显，软岩中不明显；原岩应力分布基本规律：（1）实测铅直应力基本等于上覆岩层重量；（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比值随深度增加而减小；（4）最大主应力与最小主应力一般相差较大。岩体受外力作用而产生弹性变形时，在
3、岩体内部所储存的能量，称为弹性应变能。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增高部分称为支承压力。 在煤层或矿床开采的过程中，一般把直接进行采煤或采有用矿物的工作空间称为回采工作面或采场。赋存在煤层之上的岩层称为上覆岩层，在煤层之下的岩层称为底板。伪 顶位于煤层之上，薄而软弱的岩层；位于煤层之上随采随冒落的极不稳定岩层，其厚度一般在0.5m以下，岩性多为炭质页岩。直接顶位于煤层或伪顶之上一层或几层性质相近岩层；老顶位于直接顶或煤层之上厚而坚硬的岩层（基本顶）；采空区的处理方法：刀柱法，顶板缓慢下沉法，全部或局部充填法，全部垮落法。矿山压力假说： 一、压力拱
4、假说 二、悬臂梁假说 三、 铰接岩块假说 四、预成裂隙假说 回采空间周围存在三个区：即应力降低区、应力增高区和采动影响区，且随着采面推进而前进。三个理论： 砌体梁理论、传递岩梁理论、关键层理论直接顶的第一次大面积垮落称为直接定的初次垮落。直接顶初次垮落的标志是：直接顶垮落高度超过11.5m，范围超过全工作面长度的一半。 初次垮落距的大小由直接顶岩层的强度、分层厚度、直接顶内节理裂隙的发育程度所决定，它是直接顶稳定性的一个综合指标。当直接顶厚度小于或等于老顶厚度时，均易于形成这种离层。（直接顶与老顶间的离层）充满采空区所需直接顶厚度： Kp 碎胀系数、 M煤层厚度。老顶的断裂形式分为：一、老顶的
5、梁式断裂 二、老顶的板破断（O-X破坏）老顶失稳分为：一、结构的滑落失稳 二、结构的变形失稳。直接顶的初次跨落步距：回采工作面从开切眼开始向前推进，到直接顶第一次跨落时的推进距离。老顶和直接顶的关系不一样，形成的离层现象也不一样。老顶达到初次断裂时的跨距称为初次断裂步距。弯矩形成的极限跨距比剪切力形成的极限跨距小；简支梁的抗弯极限跨距比固支梁的小；老顶初次断裂支架支撑四种形式：四边固支，一简三固，两简两固，三简一固。边长系数：主要由采空区几何形状系数和边界约束条件决定，它反映了工作面长度和开采边界对断裂步距的影响，故称为边长系数。老顶初次断裂步距是由反映其自身稳定性的步距准数和反映开采边界条件
6、与工作面长影响的“边长”系数这两个要素构成的。髙长比越小，结构抗滑落失稳的能力越大。老顶断裂后在一定区域内出现了“反弹”现象，而在另一些区域则出现了“压缩”现象。根据对岩体结构分析所得的结论，可对以下矿山压力现象做出解释： (1) 老顶岩块的滑落失稳是工作面顶板出现台阶以及有时地表下沉出现台阶的原因；(2) 煤壁上方老顶剪切力最大是工作面顶板沿煤壁切落的原因；(3) 上覆岩层结构的存在是支架受力小于覆盖层重量的原因，并由此可以分析工作面支架工作阻力必须平衡的顶板压力大小；(4) 采高小、直接顶较厚和采用充填法处理采空区是工作面顶板压力比较小的原因；(5) 工作面形成的支承压力主要集中于前拱脚的
7、原因。回采工作面常见的矿山压力现象： 一、顶板下沉，二、顶板下沉速度，三、支柱变形与折损，四、顶板破碎情况，五、局部冒顶，六、大面积冒顶。老顶的初次来压：老顶岩层初次破断后，老顶破断岩块回转下沉引起工作面顶板急剧下沉、支架受力普遍加大、煤壁片帮的现象。老顶的初次来压步距：由开切眼到初次来压时工作面推进的距离。动压系数：支架来压时载荷与平时载荷之比。 老顶的初次来压步距与来压强度，与老顶岩层的力学性质、厚度、破断岩块之间相互咬合的条件有关，与地质构造的因素有关。 老顶初次来压步距越大，工作面来压显现越剧烈，相应的动压系数（支架来压时载荷与平时载荷之比。）也越大。 老顶岩层的周期性破断而引起“砌体
8、梁”结构的周期性失稳而引起的顶板来压现象称为采场周期来压。周期来压的主要表现形式是：顶板下沉速度急剧增加，顶板的下沉量变大；支柱载荷普遍增加；有时还可能引起煤壁片帮、顶板台阶下沉、支柱折损，甚至工作面冒顶事故。来压的大小还与采空区冒落矸石充满采空区的程度直接相关。充填越严实，来压越小。预防老顶来压造成的事故的措施：1、判断老顶来压预兆；2、加强支护；3、保证支架规格质量；4、保证支架密度及支架稳定性。老顶来压与平时压力强度的比值称为增载系数。顶板压力相当于采高48倍岩柱的重量 。影响采场矿山压力显现的主要因素主要是：采高、采深、倾角和推进速度。工作面开采后上覆岩层的移动曲线是按照负指数函数的关
9、系变化的。回采工作面的顶板下沉量与采高、控顶距的大小成正比关系。下分层的矿压显现与上分层相比有以下特点：1老顶来压步距小，强度低；2支架载荷小；3顶板下沉量大。直接顶的完整程度直接影响工作面安全和支护方式的选择。影响直接顶完整性的两个因素：1、 力学性质：（抗拉、抗压强度，弹模等）2、 岩层内节理裂隙的发育情况：（原生裂隙、构造裂隙、压裂裂隙。） 一般可将各种节理裂隙分为以下三类：原生裂隙：指岩层在形成过程中受温度、沉积作用等影响形成的弱面。构造裂隙：指岩层形成后，经剧烈的地质变动形成的弱面。压裂裂隙：在煤层开采时引起的破坏面。直接顶三种稳定性状态：1、破碎的顶板 2、中等稳定顶板 3、完整顶
10、板直接顶初次垮落距L大于等于1620的顶板称为稳定顶板，L小于等于8的顶板称为不稳定顶板，L=915之间的顶板称为中等稳定顶板。端面破碎度：支架前梁端部到煤壁间顶板破碎的程度。老顶的分类：按直接顶厚度与采高比值 N=h/m，并参照老顶初次来压步距L，将老顶分为4级。一级 N5, 来压不明显二级 2N5, 来压明显三级 N2 来压强烈四级老顶坚硬，无直接顶，。老顶的失稳不仅取决于N的指标，还与老顶的节理裂隙发育程度及其在岩层中的分布有关，以及与老顶的厚度和含水情况有关。直接顶分为以下四类：1、不稳定顶板 2、中等稳定顶板 3、稳定顶板 4、非常稳定顶板底板比压（底板荷载集度）：支架底座对单位面积
11、底板上所造成的压力。支柱钻底的破坏形式有以下四种：整体剪切，局部剪切，其它剪切，穿鞋破坏。底板五类分类：极软、松软、较软、中硬、坚硬底板。工作阻力支柱受顶板压力作用而反应出来的力称为支柱的阻力，也叫工作阻力。支柱上工作阻力：P0 初撑力P0 始动阻力P1 初工作阻力P2 额定工作阻力或最大工作阻力。 增阻特性：急增阻式、微增阻式、恒阻式。采面支架围岩相互作用的特点：1支架围岩是相互作用的一对力。2支架受力大小及其在回采工作面分布的规律与支架性能有关。还与支架与围岩支撑系统的总体特性有关。3支架结构及尺寸不同对顶板压力影响和维护效果不同。支架的刚度相对直接顶越小，则支架的变形量越大。支架的受力状
12、况、工作状态及顶板下沉量决定支架与直接顶刚度的相对大小。支架的工作状态是处于“给定变形”状态还是处于“给定载荷”状态，是由直接顶刚度和支架刚度的相对变化决定的。三量：顶板下沉量、活柱下缩量、支架载荷量。支架与围岩体系的刚度K由直接顶、支架和顶板的刚度共同决定： 岩层移动造成损害的表现：(1)形成矿山压力显现， 需对采场围岩进行支护。(2) 岩层移动形成采动裂隙，会引起周围岩体中的水与瓦斯的运移，需对此进行控制与利用。(3) 岩层移动发展到地表引起地表沉陷，导致农田、建筑设施的毁坏，需要对地表沉陷进行预测与控制。绿色开采内容：1、水资源保护形成“保水开采”技术，2、土地与建筑物保护形成离层注浆、
13、充填和条带开采技术 3、瓦斯抽放形成“煤与瓦斯共采”技术 4、煤层巷道支护技术与减少矸石排放技术 5、地下气化技术。将对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层。前者称为岩层活动的主关键层，后者称为亚关键层。采动岩体中的关键层有如下特征：(1) 几何特征：相对其他相同岩性的岩层厚度较厚。(2) 岩性特性：相对其他岩层较为坚硬，即弹性模量较大，强度较高。(3) 变形特征：在关键层下沉变形时，其上部全部或局部岩层的下沉量是同步协调的。(4) 破断特征：关键层的破断将导致全部或局部岩层的破断，引起较大范围内的岩层移动。(5) 支承特征：关键层破坏前以“板”(或简化为梁)结构作为全部岩层或局部岩层
14、的承载主体，断裂后则成为砌体梁结构，继续成为承载主体。当两层硬岩层相距较近时，往往出现承载能力显著增强（即硬岩层破断距增大）现象，称之为复合效应。 当关键层出现同步破断的现象称为关键层复合破断。岩层移动：煤层采出后，采空区周围原有的应力平衡状态受到破坏，引起压力的重新分布，从而引起岩层的变形、破坏与移动，并且由下向上发展至地表引起地表的移动，这一过程称为岩层移动或开采沉陷。当采空区尺寸相当大时，地表最大下沉值达到该地质条件下应有的最大值，此时称为充分采动。 刚达到充分采动状态的采空区尺寸称为临界开采尺寸。 采空区尺寸小于临界开采尺寸为非充分采动。地表变形分为：倾斜变形、曲率变形、水平变形。地表
15、下沉边界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。岩层与地表移动会导致其产生沿竖直方向和水平方向的位移，前者称为下沉，后者称为水平移动。岩层移动在竖直方向上分为三带：垮落带、裂隙带、弯曲下沉带。在水平方向上分为三区：即 A煤壁支撑影响区；B离层区；C重新压实区。岩层移动与岩性和煤层的采高有关。岩层移动曲线符合负指数函数关系曲线。煤层开采后上覆岩层中形成的两类裂隙：1、离层裂隙、2、竖向破断裂隙。岩层移动中的离层与裂隙分布规律：(1) 关键层运动对离层及裂隙的产生、发展与时空分布起控制作用。覆岩离层主要出现在关键层下。(2) 沿工作面推进方向，关键层下离层动态分布呈现两阶段发展规律：关键层初次破断前，最大离层位于采空区中部。关键层初次破断后，关键层在采空区中部趋于压实，而在采空区两侧仍各自保持一个离层区,其最大宽度及高度仅为关键层初次破断前的1/3左右.(3) 沿顶板高度
