礦山壓力與巖層控制山東科技大學

1、礦山壓力與巖層控制一、概念題1、礦山壓力 ：采動后作用于巖層邊界或存在于巖層之中使圍巖向已采空間運動的力，即采動后促使圍巖向已采空間運動的力，稱為礦山壓力。 3、礦山壓力顯現(xiàn) 采動后，在礦山壓力作用下通過圍巖運動與支架受力等形式所表現(xiàn)出來的礦山壓力現(xiàn)象，其基本表現(xiàn)形式為圍巖運動與支架受力。4、直接頂 在采空區(qū)內(nèi)已跨落、在采煤工作面內(nèi)由支架暫時支撐的懸臂梁，其結(jié)構(gòu)特點是在采煤工作面推進方向上不能始終保持水平力的傳遞。5、基本頂 指運動時對采煤工作面礦壓顯現(xiàn)有明顯影響的傳遞巖梁的總和，在初次來壓后，是一組在推進方向上能夠始終保持傳遞水平力的不等高裂隙梁。7、支承壓力 煤炭采出后，在圍巖應(yīng)力重新分布

2、的范圍內(nèi)，作用在煤層、巖層和矸石上的垂直壓力，屬于礦山壓力的范疇。9、初次來壓 采煤工作面從切眼開采至基本頂首次斷裂，使工作面發(fā)生明顯的頂板下沉和支架承受較大的靜載荷或沖擊載荷，這種礦山壓力顯現(xiàn)叫做基本頂初次來壓。10、周期來壓 基本頂周期性裂斷及回轉(zhuǎn)下沉引起的明顯礦山壓力顯現(xiàn)。11、直接頂初次垮落25、沖擊地壓 由礦山采動（采掘工作面）誘發(fā)高強度煤（巖）體變形能的瞬間釋放，在相應(yīng)采動空間引起強烈圍巖震動和擠出的動力現(xiàn)象。 二、簡答題2、如何理解礦山壓力與礦山壓力顯現(xiàn)的相互關(guān)系？所謂礦山壓力是指采動后作用于巖層邊界上或存在于巖層之中促使圍巖向已采空間運動的力。而礦山壓力顯現(xiàn)是指采動后，在礦山壓

3、力作用下通過圍巖變形與支架受力等形式所表現(xiàn)出來的礦山壓力現(xiàn)象。礦山壓力的存在是絕對的、客觀的，它存在于采動空間的周圍巖體中，而礦山壓力顯現(xiàn)則是相對的、有條件的，它不僅是礦山壓力作用的結(jié)果，同時它還與圍巖的條件有關(guān)，圍巖中有礦山壓力存在不一定有明顯的礦壓顯現(xiàn)，壓力顯現(xiàn)強烈的部位也不一定是壓力高峰的位置。4、簡述采場上覆巖層沿縱向運動發(fā)展運動的特點？（1） 隨采場推進，巖層懸露達一定跨度、彎曲沉降到一定值，強度低的軟弱夾層或接觸面在軸向剪應(yīng)力作用下破壞，發(fā)生離層，并為下部巖層的自由沉降和運動向上部巖層發(fā)展創(chuàng)造了條件；（2）巖層的縱向運動總趨勢大體上是由下而上發(fā)展的；（3）離層后上下巖層的運動組合情

4、況由巖層的強度（包括巖性、厚度、裂隙等）差別決定，上部巖層強度較下部巖層越高，下部巖層越先于上部巖層運動，上部巖層運動滯后的時間越長。相反，則同時運動；（4）巖層的厚度較之巖性對巖層的離層和運動組合的影響重要的多。 7、哪些因素可導(dǎo)致巖層彎拉破壞和剪切破壞兩種形式的相互轉(zhuǎn)化？（1）當工作面推至端部開裂位置附近，提高推進速度可能會使原來呈彎拉破壞運動的巖層轉(zhuǎn)變?yōu)榧魯嗥茐?。這就是在日常來壓較均勻的采場，高產(chǎn)后往往出現(xiàn)切頂事故的原因。（2）改變開采程序。堅硬巖層覆蓋的厚煤層，下行式開采時，頂分層的堅硬頂板可能整體切斷，威脅生產(chǎn)。同時，跨落的大塊造成中底分層假頂管理困難。為此可采用上行式開采程序。（3

5、）強制放頂改變堅硬巖層的厚度，可以排除整體切斷跨落的威脅，從而使破壞形式轉(zhuǎn)化為彎拉破壞形式。（4）當工作面推進到斷層部位，巖層懸露尚未達到中部裂斷所必需的跨度，可能出現(xiàn)整體切斷的危險。8、回采工作面頂板處理方式有哪些？采煤工作面頂板處理方式的選擇，既要考慮地表和巖層的保護要求，又要考慮對工作面礦壓顯現(xiàn)有明顯影響的上覆巖層范圍及其組成巖層的變形能力、運動方式和對工作面可能造成的威脅程度。 通常的頂板處理方法有：煤柱支撐法（如房柱、刀柱等）、緩慢下沉法、自然垮落法、厚層堅硬頂板特殊處理法和充填法。10、簡述綜采支架的基本類型、特點及其適用條件？ 綜采液壓支架的基本類型有支撐式、支撐掩護式、掩護式液

6、壓支架。 支撐式：具有較大的支撐能力，靠立柱和頂梁直接支撐頂板維護工作空間，頂板巖層在頂梁后部切斷冒落。這種支架一般適用于穩(wěn)定和堅硬的頂板。 支撐掩護式：對頂板兼有支撐和掩護兩種作用，支撐部分大于掩護部分。適合于中等穩(wěn)定的頂板條件。 掩護式：在結(jié)構(gòu)上有掩護梁，支架頂梁較短，支撐能力較弱，頂梁上支撐力集中在靠煤壁附近，主要靠掩護作用維護工作空間。適用于松軟破碎頂板條件。11、工作面支架對基本頂有哪兩種工作方案？簡述這兩種工作方案對基本頂各自的控制要求。 采場支架對基本頂有兩種工作方案：“給定變形”工作方案和“限定變形”工作方案?！敖o定變形”工作方案對基本頂?shù)目刂埔螅簬r梁運動穩(wěn)定時的位態(tài)由巖梁的

7、強度及兩端支承情況決定。在巖梁由端部斷裂到沉降至最終位態(tài)的整個運動過程中，支架只能在一定范圍內(nèi)降低巖梁的運動速度，但不能對巖梁運動的最終位態(tài)起到限制作用。 “限定變形”工作方案對基本頂?shù)目刂埔螅翰蓤鲋Ъ軐r梁運動進行必要的限制，即在支架阻力的作用下，巖梁不能沉降至最低位態(tài)（無阻礙最終沉降位態(tài)）。巖梁運動穩(wěn)定時的位態(tài)（巖梁運動穩(wěn)定時采場的頂板下沉量）由采場支架的阻抗力所限定。12、給出位態(tài)方程的表達式，并解釋其含義。位態(tài)方程的表達式：A 直接頂?shù)淖饔昧Γ?控頂末排最大頂板下沉量；要控制的頂板下沉量；K 位態(tài)常數(shù)，由巖梁參數(shù)和控頂距決定。位態(tài)方程主要有以下三方面的含義：（1）支架在“限定變形”狀

8、態(tài)下工作時，支架工作阻力與取得平衡的基本頂巖梁位態(tài)之間存在著相應(yīng)的力學平衡關(guān)系，理論上可以建立兩者之間的力學方程。（2）因直接頂在采空區(qū)內(nèi)已經(jīng)垮落，頂板控制設(shè)計必須按直接頂沿煤壁處切斷的最危險狀態(tài)考慮，因此，支架必須承擔起全部直接頂?shù)淖饔昧ΑＮ粦B(tài)方程表明，任何小于直接頂作用力的支護強度都是不安全的（即“非法”的）。（3）闡述了支架-圍巖之間的雙曲線關(guān)系，即需要控制的頂板位態(tài)越高（ 越小），需要的支護強度越大；反之，需要控制的頂板位態(tài)越低（ 越大），需要的支護強度越小。當需要控制的頂板位態(tài) = 時，即為“給定變形”工作方案。14、按工作面布置方式分類，放頂煤采煤法分哪幾類？放頂煤采煤法可分為四種

9、不同的類型：整層放頂煤采煤法；預(yù)采頂分層放頂煤采煤法；預(yù)采中間分層放頂煤采煤法；水平分段放頂煤采煤法。 22、簡述沿空留巷從掘進到報廢整個服務(wù)期間的變形過程。 沿空留巷要經(jīng)歷如圖所示的頂板活動和支承壓力作用的全過程，在整個服務(wù)期間其圍巖變形過程可分為七個階段： （1）實體煤中掘巷影響引起的圍巖變形； （2）掘巷影響穩(wěn)定后至上工作面回采影響前的圍巖流變變形。 （3）上工作面超前支承壓力作用影響引起的圍巖變形。 （4）上工作面基本頂巖梁斷裂后回轉(zhuǎn)下沉顯著運動引起很大的巷道圍巖變形。（5）基本頂顯著運動觸矸后，進一步壓實矸石的過程中引起的的圍巖變形。 （6）上工作面回采引起的頂板活動趨向穩(wěn)定至下工作

10、面回采影響前的圍巖流變變形。 （7）受本工作面超前支承壓力作用影響引起的巷道圍巖變形。 26、沖擊地壓按沖擊時釋放的地震能大小分為哪幾類？并簡述各類別的顯現(xiàn)及迫害特征？（1）微沖擊。小范圍的巖石拋出和震動，局部破壞，單個煤巖塊彈出，并伴有射擊聲響。（2）弱沖擊。少量煤巖拋出的局部破壞，伴有明顯聲響和地震效應(yīng)，不造成嚴重破壞。（3）中等沖擊。急劇的脆性破壞，拋出大量煤（巖）體，形成氣浪，造成幾米長的巷道支架及設(shè)備破壞。（4）強烈沖擊。使長達幾十米的巷道支架破壞和垮落，損壞機電設(shè)備、需要大量修復(fù)。（5）災(zāi)害性沖擊。使整個采區(qū)或一個水平內(nèi)的巷道發(fā)生垮落。特別嚴重情況下波及全礦造成礦井報廢。三、論述題

11、1、論述采場推進過程中初次來壓階段支承壓力及顯現(xiàn)的發(fā)展規(guī)律？ 第一階段：采場開始推進到煤壁支承能力改變之前。 煤體特點：煤體沒有破壞，彈性壓縮； 壓力分布：一條高峰在煤壁上的單調(diào)下降曲線（負指數(shù)）； 礦山壓力顯現(xiàn)分布：與壓力分布曲線相同，即煤壁沒有進入塑性狀態(tài)，各巖梁的跨度相等，同一位置的傳遞系數(shù)相同。 第二階段：從煤壁支承能力改變到老頂巖梁端部斷裂前為止。 煤體特點：煤體支承能力降低，隨老頂巖梁的離層發(fā)展，其作為載荷與傳遞上部巖重的作用將逐步下降。 壓力特點：塑性區(qū)（包括煤體已完全破壞部分）壓力逐漸上升， 彈性區(qū)內(nèi)則單調(diào)下降，其壓力高峰在交界處。 礦山壓力顯現(xiàn)特點： 總體仍為單調(diào)下降曲線，但

12、是具體講則是塑性區(qū)內(nèi)與壓力分布相反，彈性區(qū)內(nèi)與壓力分布相同。第三階段:從老頂巖梁端部斷裂到巖梁中部觸矸為止。 煤體特點：支承壓力分布與顯現(xiàn)變化劇烈，壓力分布與顯現(xiàn)總體一致。 壓力特點:斷裂線附近應(yīng)力集中；以斷裂線為界分為兩個應(yīng)力場；兩個應(yīng)力場中壓力分布背向發(fā)展。 礦山壓力顯現(xiàn)特點:巖梁斷裂時，伴隨壓力的集中，該部位移近速度突增；斷裂擴展或顯著沉降，頂?shù)装逡平霈F(xiàn)停滯甚至反彈； 斷裂結(jié)束后，內(nèi)外應(yīng)力場中的壓力顯現(xiàn)以斷裂 線為界呈背向轉(zhuǎn)移變化。2、分析周期來壓階段采場與巷道中老頂巖梁端部斷裂前后支承壓力分布及顯現(xiàn)的主要規(guī)律？ （1）支承壓力分布變化的主要規(guī)律： a、巖梁端部斷裂前夕，在斷裂線附近將

13、伴有壓力的集中； b、巖梁斷裂結(jié)束時，以斷裂線為界將支承壓力分布明顯地劃分為兩個部分，即在斷裂線與煤壁之間由已斷裂巖梁自重所決定的“內(nèi)應(yīng)力場”，以及在斷裂線外由上覆巖層整體重量所決定的“外應(yīng)力場”； c、兩應(yīng)力場形成后，隨工作面推進，各自的應(yīng)力高峰以斷裂線為界呈背向轉(zhuǎn)移變化。 （2）超前巷道中顯現(xiàn)的主要規(guī)律： a、巖梁斷裂時，伴隨著壓力在斷裂線的集中，該部位頂?shù)装逡平俣葘⑼蝗辉龃螅?b、隨巖梁斷裂擴展或顯著沉降，由于斷裂線附近的壓力突然下降，煤層頂?shù)装宓囊平霈F(xiàn)停滯甚至產(chǎn)生“反彈”現(xiàn)象； c、巖梁斷裂結(jié)束后，隨工作面繼續(xù)推進，內(nèi)應(yīng)力場中的壓力顯現(xiàn)也將以斷裂線為界呈背向轉(zhuǎn)移變化。 3、下圖表示

14、在煤體邊緣處于彈性狀態(tài)的條件下，工作面煤體上的支承壓力分布，試分析在此條件下巷道開掘的位置和時間如何選擇？煤體邊緣處于彈性狀態(tài)條件下，老頂在煤體邊緣裂斷，由老頂回轉(zhuǎn)下沉造成的頂板下沉量??；煤體邊緣處于彈性變形狀態(tài)，由煤體變形引起的巷道頂板下沉量小、幫壓小；支承壓力高峰在煤體邊緣，巷道底臌量小。因此，在無內(nèi)應(yīng)力場條件下的沿空留巷其維護一般是比較容易的，特別是在有相適應(yīng)的支護手段時，應(yīng)積極采用沿空留巷。 因為煤體邊緣處于彈性變形狀態(tài)，故沿空送巷引起的圍巖變形較小。當受本工作面回采影響時，如果煤體邊緣由于疊加支承壓力的作用進入塑性破壞狀態(tài)，巷道圍巖變形量會急劇增加。但支承壓力高峰要向煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，留

15、小煤柱送巷2的的巷道將處于疊加支承壓力峰值區(qū)內(nèi)的巷道將處于疊加支承壓力峰值區(qū)內(nèi)，勢必受到疊加支承壓力高峰影響，巷道圍巖同樣會進入塑性破壞狀態(tài)（兩幫煤體處于單向受壓狀態(tài)）、而且小煤柱可能失去穩(wěn)定性，因此 留小煤柱送巷2 的圍巖變形也會急劇增加。如果疊加支承壓力峰值不足以使煤體邊緣發(fā)生塑性破壞，則沿空送巷1的變形量不大，不必在位置2送巷。巷道位置3在原始應(yīng)力區(qū)中，只受超前支承壓力作用，巷道圍巖變形量最小。但煤柱損失大，且給下部煤層開采帶來不利影響，尤其是深部開采和開采有沖擊傾向性煤層更加不利。 沿空送巷如在老頂觸矸前掘出，則巷道將由于老頂回轉(zhuǎn)來壓而產(chǎn)生很大的頂板下沉；在老頂巖梁觸矸石后掘巷，則不受

16、頂板顯著運動的影響。4、工作面?zhèn)认蛎后w邊緣處于塑性狀態(tài)下，繪圖說明有哪幾種沿空掘（送）巷位置，并分析其優(yōu)缺點。 工作面?zhèn)认蛎后w邊緣處于塑性狀態(tài)下的應(yīng)力分布（內(nèi)、外應(yīng)力場）見示意圖。煤體邊緣處于塑性破壞狀態(tài)，支承壓力分布出現(xiàn)了內(nèi)外應(yīng)力場，在此條件下，對于合理的送巷位置與時間分析如下： 由圖所示，煤體邊緣處于塑性狀態(tài)下有四種可能的送巷位置：在內(nèi)應(yīng)力場中的沿空送巷(位置1)和小煤柱送巷(位置2)、在外應(yīng)力場中的煤柱護巷(位置3)以及原始應(yīng)力區(qū)的大煤柱送巷(位置4)。由于內(nèi)應(yīng)力場中的煤體己發(fā)生塑性破壞，處于卸壓狀態(tài)，因此內(nèi)應(yīng)力場中掘巷不會引起支承壓力分布和煤體力學狀態(tài)的明顯變化。從頂板活動和支承壓力分

17、布發(fā)展過程來看，老頂巖梁觸矸后（內(nèi)應(yīng)力場穩(wěn)定后）的沿空送巷1，不僅可以避免由于老頂顯著運動而產(chǎn)生很大的巷道頂板下沉，而且在覆巖穩(wěn)定和支承壓力疊加過程中內(nèi)應(yīng)力場中的應(yīng)力上升較少，巷道受采動影響較小，因此條件具備時應(yīng)積極采用沿空送巷。 老頂巖梁觸矸后在內(nèi)應(yīng)力場中的小煤柱送巷2，同樣避免了由于老頂顯著運動而產(chǎn)生的很大的巷道頂板下沉，圍巖變形較小。特別是當工作面需要擋矸、防漏風和防水時，一般采用在內(nèi)應(yīng)力場中的小煤柱送巷2。在外應(yīng)力場中的煤柱護巷3送巷后，巷道兩幫煤體由三向受壓狀態(tài)變成單向受壓狀態(tài)，在支承壓力峰值區(qū)的作用下，巷道兩幫煤體必然要發(fā)生塑性破壞，送巷后即產(chǎn)生較大的圍巖變形。尤其是受本工作面采動

18、影響時處于支承壓力峰值疊加區(qū)內(nèi)，巷道難以維護。 在原始應(yīng)力區(qū)的大煤柱護巷4，送巷后僅受工作面超前支承壓力作用，維護狀況較好，但煤柱損失大。 上述分析表明，工作面?zhèn)认蛎后w邊緣處于塑性狀態(tài)下，在老頂觸矸后的內(nèi)應(yīng)力場中采用沿空送巷位置1和留小煤柱送巷位置2是合理的。老頂巖梁觸矸是在內(nèi)應(yīng)力場中送巷比沿空留巷優(yōu)越的先決條件。若掘巷時老頂巖梁尚未觸矸即掘巷，滯后回采工作面的距離過短，則在內(nèi)應(yīng)力場中送巷的受力和變形就與留巷差別不大了。因此，送巷的位置由內(nèi)應(yīng)力場范圍決定，送巷的時間由老頂運動的發(fā)展過程決定。四、計算題某普采工作面煤層傾角為 13°，采高為 2.4m，控頂距為 4.0m，直接頂厚度為 4.8m，初次垮落步距為 13m，懸頂距為 1.0m，基本頂厚度為 6.4m，初次來壓步距為 25m，周期來壓步距為 10m，工作面支護為單體支柱加鉸接頂梁支護，支柱實際支撐能力為