矿山压力与岩层控制重点

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1、1）矿山压力：未受到工程开挖或扰动的地下岩体称为原岩，原岩处于应力平衡 状态。开挖巷道或进行回采，破坏了原岩的应力平衡 状态，弓I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 或采场周围岩体中形成的和 作用在支护物上的力定义为矿山压力，也称 为二次 应力或工程扰动力。2）矿山压力显现：在矿山压力的作用下，会引起巷硐周围岩体和支护物产生种 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。这种由于矿山压力作用使巷硐和采场周围岩体和支护物 产生的种种力学现象，统称为矿山压力显现。3）所有减轻、调节、改变和利用矿山

2、压力作用的各种方法，统称为矿山压力控 制岩石的碎胀性是指岩石破碎后的体积比破碎前的体积增大的性质岩石的压实性是指岩石破碎后，在其自重和外加载荷作用下逐渐压实使体积减少 的性质原岩应力：存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力，也称岩体初始 应力、绝对应力或地应力自重应力场：由地心引力引起的应力场称为自重应力场，自重应力等于位面积的 上覆岩层的重力。5）构造应力场：由于地质构造运动而引起的应力场称为构造应力场，构造力与 岩体的特性（裂隙发育密度与方向，岩体的弹性、塑性、黏性等）有关 构造应力的基本特点为：（1）一般情况下地壳运动以水平运动为主，构造应力主要是水平应力（浅部尤 为明显）；而且

3、地壳总的运动趋势是相互挤压，所以水平应力以压应力占绝对优 势。（2）构造应力分布不均匀，在地质构造变化比较剧烈的地区，各处最大主应力 的大小和方向往往有很大变化。（3）岩体中的构造应力具有明显的方向性，最大水平主应力和最小水平主应力 之值一般相差较大。（4）构造应力在坚硬岩层中出现一般比较普遍，在软岩中贮存构造应力很少。 原岩应力分布的基本规律;1）实测垂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）平均水平应力与垂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，显示出很强的方向性 地下岩体处在三向复杂和强烈的自重应力和构造应力场中，其体积和形状发

4、生 变化产生变形，变形是外力做功的结果。这种由外力作用而产生弹性变形，在岩 体内部所储存的能量称为弹性应变能。岩体内的弹性应变能分为体积改变形成的 体积改变能和形状变化形成的畸变能1）支承压力一一岩体中开掘开采后，围岩出现应力重新分布，将重新分布 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。2）极限平衡区岩体中开掘开采后，临空边的侧向应力为零，随着向围 岩深部发展，逐渐变为三向应力状态，围岩的抗压强度逐渐增加，直到某一距离 R处，岩块又处于弹性状态，R范围内的岩体就处于极限平衡状态，此范围内岩 块的应力圆与其强度包络线相切，这个范围称为极限平衡区。5）巷道两侧支承应力分

5、布状态讨论（1）围岩强度较低时，巷道周边一定范围岩体处于塑性状态。（2）巷道两侧峰 值应力集中系数比完全弹性时小。（3）支承压力峰值位置在弹性区与塑性区交界 处。4）极限平衡区往里处于弹性状态，支承压力按照弹性状态时的切向应力分 布状态分布。（5）围岩应力分布分降压区、增压区和稳压区。根据切向应力的大小，可分为减压区、增压区和稳压区。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。增压区即是通常说的支承压力区。 支承压力区的边界一般可取高于原岩应力的5%作为分界处。再向内部发展即处 于稳压状态的原岩应力区。另一种分类法是将其分为极限平衡区和弹性区。團2-25支承H力的分区X嶽质I

6、gtH 増岳$曲一压底jD框眼“赢：-亡： 野（2）影响支承压力分布的主要因素 回采空间尺寸及形状；回采空间顶板管理方法（支撑状态）；顶板岩层及 煤层岩性；采深；周围回采空间分布。直接顶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 老顶位于直接顶之上（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处理采空区的主要方法有全部垮落法、充填采空区法、刀柱管理法和缓慢下沉法 等。1）压力拱假说：假说观点：由于岩层自然平衡的结果而形成一个前拱脚（前支撑点）在工作面前方煤体，后 拱脚（后支撑点）在采空区内已垮落的矸石上或采空区充填体上。在前后拱脚间 形成了一个减压区，回采

7、工作面的支护体只承受压力拱内岩石的重量 讨论：压力拱假说对回采工作面前后的支承压力及回采工作空间处于减压 范围 作出了粗略的但却是经典的解释，而对于此拱的特性、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，并没有做任何分析。2）悬臂梁假说：假说观点：工作面和采空区顶板可视为一端固定于煤壁前方岩体内、另一端处于 悬伸状态的梁，悬臂梁弯曲下沉后，受到已垮落岩石的支撑，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。讨论：悬臂梁假说解释了（1）采场煤壁处顶板下沉量小，支架载荷也小，而距煤壁越远则两者均大的现 象。（2）工作面前方出现的支承压力及工作面出现的周期来压现象。3）

8、铰接岩块假说：（1）采场上覆岩层的破坏可分为垮落带和其上的规则移动带（2）工作面支架存在给定载荷和给定变形两种工作状状态。铰接岩块间的平衡 关系为三铰拱式的平衡。4）预成裂隙假说假说观点：（1）因开采影响，采场上覆岩层连续性遭到破坏，形成非连续的假塑性体。（2） 在采场周围存在应力降低区（I）,应力增高区（II）和采动影响区（III）,并随工作面 推进三个区同时向前移动。（3）非连续的假塑性体，在彼此被挤紧的状态时，可 以形成类似梁的平衡。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，就产生离层。（4）工作面支架应具有足够 初撑力和工作阻力，并应及时支撑

9、住顶板岩层，使各岩层及岩块间保持挤压状态， 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。 5,“砌体梁”假说：长壁工作面初次来压后，随着工作面的继续推进，上覆岩层在 矿山压力的作用下，将产生变形、移动和破坏。根据岩层破坏特征，可将上覆 岩层划分为如图所示的冒落带、裂缝带和弯曲下沉带等三个带。裂隙带岩层在 水平方向可分为如图所示的煤壁支撑区、离层区和重新压实区等三区 在裂缝带及其以上岩层内，已断裂的岩块互相咬合有可能形成其外形如梁实则是 拱的结构体。又由于岩块排列如砌体，故可称之为砌体梁。此结构由煤壁-支架- 采空区已垮落矸石所支撑。根据对岩体结构分析所得的结论，可对以

10、下矿山压力现象做出解释： 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； 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； 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； 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； 工作面形成的支承压力主要集中于前拱脚。此外，由砌体梁结构的概念，还可引出以下思路： 选择工作推进方向与主要构造裂隙之间的关系，以使工作面顶板压力较小； 确定支架的各项参数，如支架合理的额定工作阻力、支架应具备的性能及其它 参数； 倾斜工作长壁工作面与走向长壁工作

11、面矿山压力显现的差异； 确定在特定条件下煤层开采时采用上行开采的可能性等。6）传递岩梁假说：假说认为，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，由于断裂岩块之间的相互咬合，始终能向煤壁前方和采空 区矸石上传递作用力，因此顶板运动时的作用力无需由支架全部承担。支架承担 岩梁作用力的大小，由支架对岩梁运动的控制要求决定。即老顶岩梁给支架的力， 般取决于支架对岩梁运动的抵抗程度，可能存在“给定变形”和“限定变形”两种工作方式。直接顶的第一次大面积垮落称为直接顶初次垮落。直接顶初次垮落步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 的发育程度等所决定直

12、接顶初次垮落时的跨距称为直接顶初次垮落步距。简支梁时:固定梁的计算:L1t = 2h载荷.）=印#仍+灯占打毎1 碇+E盘+砌；RT tail （p结构不产生滑落失稳，必须满足：切力T水平推力h老顶岩层厚度L跨距老顶断裂扰动特征：（1）老顶断裂位置在煤壁前方。2）老顶断裂后在一定区域内出现“反弹”现象， 而在另一些区域则出现“压缩”现象。3）老顶反弹量随MO、E、I及k等的数值变 化而变化。（4）直接顶与煤层的垫层系数k越大，则反弹区域与反弹值越小；而 垫层系数k越小，则反弹区域与反弹值越大。（5）反弹效应在采场上下两巷同样 有所反应，利用这种信息可预测预报老顶断裂及工作面来压。四回采工作面常

13、见的矿山压力现象：1）顶板下沉2）顶板下沉速度3）支柱变形与折损4）顶板破碎情况5）局部冒 顶一6）工作面顶板沿煤壁切落（或称大面积冒顶）其它矿山压力现象如煤 壁片帮、支柱钻底、底鼓等。老顶初次来压的概念一一回采工作面从开切眼开始采煤，采空区范围逐渐增大， 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，即老顶初 次来压老顶初次来压步距由开切眼到初次来压时工作面推进的距离称为老顶的初 次来压步距）周期来压概念：老顶岩层的周期性破断致使“

14、砌体梁”结构的周期性失稳而引起 的顶板周期性压力增大的现象称为老顶周期来压。（2）周期来压的主要表现形式（矿压显现特征）顶板下沉速度急剧增加； 顶板下沉量变大；支架/柱载荷增加；煤壁片帮、顶板台阶下沉、支柱折损, 甚至工作面冒顶 周期来压步距匚=顶板压力的估算：一种是估算法：）经验估算法 p = 2x（24）砂 =壘洌m为采高;z体积力 顶板压力相当于 48倍采高岩柱的重量。另一种是实测法影响采场矿山压力显现的主要因素：1）采高与控顶距的影响2）工作面推进速 度的影响3）开采深度的影响4）煤层倾角的影响 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，来压强度低。2）支架载荷变小

15、，可低40%左右。3）第 一分层回采时，顶板来压表现的“动载荷”（即老顶折断时对支柱形成的载荷）较大, 而在下分层则主要表现为“静载荷”，即下分层开采时静载荷要比第一分层开采时 大。4）第一分层回来时，“支架一围岩”系统形成的刚度要比以下各分层大。5） 下分层开采时顶板下沉量变大，主要是静载变大，支架与围岩的综合刚度变小。 五直接顶的概念一直接位于煤层之上的一层或几层性质相近的岩层称为直接顶 直接顶分类：不稳定，中等稳定，稳定，非常稳定端面破碎度是指支架前梁端部到煤壁间顶板破碎的程度 将端面距为lm时的端面破碎度称为顶板冒落敏感度支架底座对单位面积底板上所造成的压力一底板载荷集度（底板比压）底板分类端极软，与松软,破较软，中硬，坚硬（1） P0初撑力。支架支设时，将活柱升起，托住顶梁，利用升柱工具和锁 紧装置使支柱对顶板产生一个主动力。P1初工作阻力。在支架的性能能曲线中，活柱下缩时工作阻力的增长率由 急剧增长转为缓慢增.长的转折点处的工作阻力一额定工件阴力或最大工作阻力（4） P2 一最大工作阻力。支柱所能承受的最大载荷能力，又称额定工作阻力。工作特性：（1）急增阻式（2）微增阻（3）恒阻式在直接顶上方存在厚度不等、强度不同的多层岩层。其中一层或多层厚硬岩层在 上覆岩层活动中起主要的控制作用。