矿山压力与岩层控制

1、矿山压力及岩层控制矿山压力及岩层控制n资源与环境工程学院n主讲人：12345678910绪绪 论论一、课程性质及任务：一、课程性质及任务：性质：性质：矿山压力及矿山压力及岩层岩层控制控制是采矿工程专业的专业主干课。是采矿工程专业的专业主干课。研究对象：研究对象：采矿形成地下空间后，周围应力分布、围岩变形与采矿形成地下空间后，周围应力分布、围岩变形与破坏及防止破坏的有效支护措施。破坏及防止破坏的有效支护措施。任务：任务： 应力分布规律应力分布规律 1、掌握三个规律、掌握三个规律 岩层移动规律岩层移动规律 矿压显现规律矿压显现规律 2、掌握二个原理、掌握二个原理 工作面支架与围岩相互作用原理工作面

2、支架与围岩相互作用原理 巷道支架与围岩相互作用原理巷道支架与围岩相互作用原理 3、掌握一套方法、掌握一套方法 ： 矿压控制方法矿压控制方法11二、课程学习基本要求：二、课程学习基本要求： 了解各类围岩事故产生的了解各类围岩事故产生的条件条件、原因原因和和特点特点； 了解矿山压力了解矿山压力现场研究的基本方法现场研究的基本方法； 初步具备分析、解决矿山压力问题的能力；初步具备分析、解决矿山压力问题的能力； 能针对具体煤层和围岩条件能针对具体煤层和围岩条件布置巷道布置巷道和和回采工作面回采工作面； 能合理设计回采工作面、巷道的能合理设计回采工作面、巷道的围岩控制方式围岩控制方式。12三、矿山压力与

3、控制概念：三、矿山压力与控制概念：1、采动采动在煤或岩层中开掘巷道和进行回采工作称为对在煤或岩层中开掘巷道和进行回采工作称为对煤岩的采动。煤岩的采动。2、采动空间采动空间采动后，在煤（或岩层）中形成的空间采动后，在煤（或岩层）中形成的空间3、围岩围岩采动空间周围的岩体统称为围岩。采动空间周围的岩体统称为围岩。4、矿山压力矿山压力由于矿山开采活动影响，在开采空间周由于矿山开采活动影响，在开采空间周围岩体内形成的和作用在支护物上的力。围岩体内形成的和作用在支护物上的力。5、矿山压力显现矿山压力显现由于矿山压力作用，使围岩、煤体由于矿山压力作用，使围岩、煤体和各种人工支撑物产生的种种力学现象，简称和

4、各种人工支撑物产生的种种力学现象，简称“矿压显矿压显现现135、矿山压力控制、矿山压力控制为使采矿工作正常、安全进行所为使采矿工作正常、安全进行所采取的各种减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的方采取的各种减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的方法。法。 14四、四、矿山压力的来源矿山压力的来源n 采动前原岩中已存应力是矿山压力产生的根源。 原岩中各点主应力的大小、方向、垂直应力与水平应力之间的比值等决定了采动后围岩应力重新分布的规律。n 采动前原岩中各点的应力，其主要来源有： (1) 覆盖岩层的重力； (2) 构造运动的作用力； (3) 岩体膨胀的作用力，包括岩体因温度升高或遇水膨胀而产生的力等

5、。15五、五、矿山压力显现矿山压力显现矿山压力显现矿山压力显现由于矿山压力作用，开采空间围岩体及由于矿山压力作用，开采空间围岩体及支护物产生的各种力学现象。支护物产生的各种力学现象。支架压折支架变形（活柱下缩）支架承受载荷的增减支架受力底板运动顶板运动两帮运动围岩运动显现的形式1、矿山压力显现的概念及显现的基本形式、矿山压力显现的概念及显现的基本形式 (1)、矿山压力显现的概念、矿山压力显现的概念(2) 矿山压力显现的基本形式矿山压力显现的基本形式162、矿压显现的相对性、矿压显现的相对性 由于围岩的运动受压力的大小、方向、边界以及自身由于围岩的运动受压力的大小、方向、边界以及自身的强度极限等

6、限制，加之支架对围岩运动的抵抗，矿压显的强度极限等限制，加之支架对围岩运动的抵抗，矿压显现不可能在任何压力存在的条件下显现出来，即是相对的。现不可能在任何压力存在的条件下显现出来，即是相对的。六、矿山压力与矿山压力显现的关系六、矿山压力与矿山压力显现的关系1、矿山压力的存在是绝对的，而显现是相对的。、矿山压力的存在是绝对的，而显现是相对的。2、压力显现强烈的部位不一定是压力高峰的位置。、压力显现强烈的部位不一定是压力高峰的位置。17七、关于支护的作用问题七、关于支护的作用问题 支架的作用支架的作用在于帮助围岩稳定，把矿山压力显现控制在于帮助围岩稳定，把矿山压力显现控制在要求的范围内。在要求的范

7、围内。，提高承载能力。侧向力，改变受力状态依靠支架提供给围岩允许围岩有一定变形，可缩性支架持围岩稳定。控制围岩变形程度，保承载能力，增加围岩内聚力，提高锚喷锚固型维护围岩稳定的支护类181.1.生态环境保护生态环境保护2.2.保证安全和正常生产保证安全和正常生产 矿床开采以后，由于上覆岩层的移动引发了地表沉陷，矿床开采以后，由于上覆岩层的移动引发了地表沉陷，带来煤矸石和瓦斯排放等与生态环境保护密切相关的问题。带来煤矸石和瓦斯排放等与生态环境保护密切相关的问题。岩层控制理论岩层控制理论为完善充填技术、进行井下矸石处理和有效为完善充填技术、进行井下矸石处理和有效抽放瓦斯奠定了理论基础。抽放瓦斯奠定

8、了理论基础。 在煤矿的各种自然灾害中，顶板事故造成的人员伤亡在煤矿的各种自然灾害中，顶板事故造成的人员伤亡几乎占井下所有事故死亡人数的一半。这些事故小至个别几乎占井下所有事故死亡人数的一半。这些事故小至个别岩块掉落，大至工作面大面积冒顶，无不与对矿压显现规岩块掉落，大至工作面大面积冒顶，无不与对矿压显现规律的掌握程度以及采取的控制手段是否正确有关。巷道的律的掌握程度以及采取的控制手段是否正确有关。巷道的维护状况直接影响到井下正常运输、通风和行人。岩层控维护状况直接影响到井下正常运输、通风和行人。岩层控制理论和技术为大幅度降低顶板事故做出了突出贡献。制理论和技术为大幅度降低顶板事故做出了突出贡献

9、。八、研究矿山压力对矿山开采的意义：八、研究矿山压力对矿山开采的意义：193.3.减少地下资源损失减少地下资源损失 在开采过程中，为了保护巷道或进行回采工作面顶在开采过程中，为了保护巷道或进行回采工作面顶板管理，常常留设各种煤柱板管理，常常留设各种煤柱( (护巷煤柱，采区隔离煤柱，护巷煤柱，采区隔离煤柱，房间煤柱，房间煤柱， “刀柱刀柱”等等) )。据统计，煤柱造成的损失平。据统计，煤柱造成的损失平均占矿井可采储量的均占矿井可采储量的2020一一4040，这是造成煤炭损失的主，这是造成煤炭损失的主要根源。此外，在发生大、中型冒顶事故时也会引起煤要根源。此外，在发生大、中型冒顶事故时也会引起煤炭

10、损失。所以研究矿压显现规律，减少顶板事故，选择炭损失。所以研究矿压显现规律，减少顶板事故，选择合理的煤柱尺寸，甚至在某些情况下完全取消煤柱，就合理的煤柱尺寸，甚至在某些情况下完全取消煤柱，就有可能大大减少煤炭资源损失。有可能大大减少煤炭资源损失。204.4.改善地下开采技术改善地下开采技术 地下开采技术的进步与对矿压显现规律的地下开采技术的进步与对矿压显现规律的深刻认识深刻认识和和矿压控制手段矿压控制手段的改善有的改善有密切关系密切关系。例如深度增加使矿压显。例如深度增加使矿压显现更为剧烈，并带来了一系列新的矿压控制问题，只有不现更为剧烈，并带来了一系列新的矿压控制问题，只有不断解决这些问题才

11、能使未来复杂条件下的开采工作得以顺断解决这些问题才能使未来复杂条件下的开采工作得以顺利进行。这些都说明随着开采条件日益困难和新技术的发利进行。这些都说明随着开采条件日益困难和新技术的发展，要求更深入地研究矿压显现规律及其新的控制方法。展，要求更深入地研究矿压显现规律及其新的控制方法。5.5.提高经济效益提高经济效益 为了维护巷道和管理顶板，每年要消耗大量人力、物为了维护巷道和管理顶板，每年要消耗大量人力、物力。例如，一般矿井的巷道维修人员约占井下生产工人的力。例如，一般矿井的巷道维修人员约占井下生产工人的10 10 20 20，而且为了进行矿压控制，全国煤矿每年要消，而且为了进行矿压控制，全国

12、煤矿每年要消耗大量的耗大量的坑木、金属支架材料、水泥和其他材料坑木、金属支架材料、水泥和其他材料。这些都。这些都会明显地增加开采费用，使吨煤成本上升。如果由于矿压会明显地增加开采费用，使吨煤成本上升。如果由于矿压控制不善而发生各种顶板事故，则还可能造成人员伤亡，控制不善而发生各种顶板事故，则还可能造成人员伤亡，生产中断，这就给全矿井带来更大的经济损失。生产中断，这就给全矿井带来更大的经济损失。21 九、矿山压力及其控制的研究方法九、矿山压力及其控制的研究方法 矿山压力与岩层控制采用了矿山压力与岩层控制采用了理论分析理论分析、实验室试验实验室试验、现场观测现场观测等性质不同的研究方法。这三者各有

13、侧重，在研等性质不同的研究方法。这三者各有侧重，在研究问题时往往将三种方法配合使用，相辅相成得出全面、究问题时往往将三种方法配合使用，相辅相成得出全面、准确的结论。准确的结论。1 1、理论研究、理论研究岩体结岩体结构分析构分析地质信息和地质信息和工程条件工程条件抽象成力抽象成力学模型学模型计算应力应计算应力应变分布及破变分布及破坏条件坏条件数学力数学力学分析学分析22 主要的数学工具有：经典数学理论、模糊数学理论、随主要的数学工具有：经典数学理论、模糊数学理论、随机数学理论和近代数学理论。机数学理论和近代数学理论。1 1）解析分析方法）解析分析方法 通过力学模型，利用平衡条件、本构方程、变形条

14、件、通过力学模型，利用平衡条件、本构方程、变形条件、破坏判据和边界条件求解其应力、变形和破坏条件。破坏判据和边界条件求解其应力、变形和破坏条件。2 2）数值分析方法）数值分析方法 包括有限元法、差分法、边界元法、结构单元法等，包括有限元法、差分法、边界元法、结构单元法等，这类分析主要给出这类分析主要给出应力和应变分布应力和应变分布，以及，以及应力应力、位移位移、速速度等特征值。度等特征值。3 3）模糊分析、概率分析、随机分析、灵敏度分析、趋势）模糊分析、概率分析、随机分析、灵敏度分析、趋势分析等方法。分析等方法。234 4）近代数学、力学和计算机科学方法。）近代数学、力学和计算机科学方法。 近

15、年来，断裂力学、损伤力学、分形几何、分叉、混近年来，断裂力学、损伤力学、分形几何、分叉、混沌、突变理论等，渗透到矿业科学领域，推动了矿山压力沌、突变理论等，渗透到矿业科学领域，推动了矿山压力与岩层控制学科的发展。与岩层控制学科的发展。2 2、实验室试验、实验室试验1 1）岩石物理力学性质研究。）岩石物理力学性质研究。2 2）利用相似材料模型进行模拟试验）利用相似材料模型进行模拟试验3 3）在实验室条件下研究支架的整体性能和有关参数，建）在实验室条件下研究支架的整体性能和有关参数，建成具有先进水平的大型自移式液压支架试验装置。成具有先进水平的大型自移式液压支架试验装置。243 3、现场监测、现场

16、监测 采场主要监测顶底板移近量、支架阻力、活柱下缩量采场主要监测顶底板移近量、支架阻力、活柱下缩量和顶板破碎度；巷道主要监测顶底板移近量、支架变形、围和顶板破碎度；巷道主要监测顶底板移近量、支架变形、围岩应力分布和岩层内部移动规律。岩应力分布和岩层内部移动规律。十、矿山压力及其控制的研究和发展方向十、矿山压力及其控制的研究和发展方向 当今世界自然科学与技术以前所未闻的速度发展。依当今世界自然科学与技术以前所未闻的速度发展。依赖于数学、力学理论的新进展，矿山岩石力学逐步形成一赖于数学、力学理论的新进展，矿山岩石力学逐步形成一门新兴的学科分支；现代的采矿设备、先进的测控仪器、门新兴的学科分支；现代

17、的采矿设备、先进的测控仪器、计算机信息处理管理以及新的采矿技术和工艺层出不穷。计算机信息处理管理以及新的采矿技术和工艺层出不穷。使得矿山压力与岩层控制课程既与岩石力学前沿接轨，又使得矿山压力与岩层控制课程既与岩石力学前沿接轨，又在采矿工程实践中有广阔的应用领域。在采矿工程实践中有广阔的应用领域。25 为适应采矿工业的发展，矿山压力及岩层控制课程不为适应采矿工业的发展，矿山压力及岩层控制课程不断开创断开创新的研究领域：新的研究领域：1 1）采场矿压理论与控制体系，包括岩层控制的）采场矿压理论与控制体系，包括岩层控制的关键层理关键层理论论、放顶煤高产高效开采技术放顶煤高产高效开采技术和高产高效开采

18、故障诊断和高产高效开采故障诊断技术与保障系统等；技术与保障系统等；2 2）巷道矿压理论与控制技术，包括采动影响矿压理论、）巷道矿压理论与控制技术，包括采动影响矿压理论、煤巷锚杆支护技术、围岩注浆加固及充填技术和巷道底煤巷锚杆支护技术、围岩注浆加固及充填技术和巷道底鼓控制技术等；鼓控制技术等；3 3）开采新方法、新工艺和新技术，包括煤炭）开采新方法、新工艺和新技术，包括煤炭地下气化地下气化、“三下三下”环保开采、地热的开发利用等。环保开采、地热的开发利用等。4 4）矿井深部开采和高地应力引起的冲击矿压的预测和）矿井深部开采和高地应力引起的冲击矿压的预测和预报。预报。26钱鸣高，煤矿绿色开采技术钱

19、鸣高，煤矿绿色开采技术个人研究方向转为绿色开采，提出开采技术三大原则，即个人研究方向转为绿色开采，提出开采技术三大原则，即经济原则经济原则、环境保护原则环境保护原则、高效安全生产原则高效安全生产原则。三个感叹：采矿科技人员流失，行业前景可怕；三个感叹：采矿科技人员流失，行业前景可怕；6 6亿吨煤是小煤矿采亿吨煤是小煤矿采出来的，荒唐透顶！出来的，荒唐透顶！“莫让资源大省成为地质灾害大省莫让资源大省成为地质灾害大省”。煤炭开采形成的环境问题：煤炭开采形成的环境问题：资源损失资源损失、地表及地下水破坏地表及地下水破坏、地表塌地表塌陷及矸石山占地等陷及矸石山占地等。绿色开采内涵：绿色开采内涵：地下气

20、化技术地下气化技术；采空区及离层区充填技术采空区及离层区充填技术；煤与瓦煤与瓦斯共采技术；不出或少出矸石等斯共采技术；不出或少出矸石等。采矿引起的环境破坏都与开采后造成的岩层运动有关，应用力学方采矿引起的环境破坏都与开采后造成的岩层运动有关，应用力学方法解决，提出了法解决，提出了关键层理论关键层理论。关于煤层巷道维护。巷道维护是煤矿的永恒主题。大断面预留变形关于煤层巷道维护。巷道维护是煤矿的永恒主题。大断面预留变形空间、可缩支架、巷旁充填。推进锚杆支护技术，形成由应力场空间、可缩支架、巷旁充填。推进锚杆支护技术，形成由应力场测定、数值计算、支护设计、现场测定组成的完整技术。测定、数值计算、支护

21、设计、现场测定组成的完整技术。27胡省三，发展胡省三，发展“高效、安全、洁净、结构优化高效、安全、洁净、结构优化”的煤炭工业的煤炭工业 1. 近十年来国内外煤炭科技发展特点近十年来国内外煤炭科技发展特点矿井生产的高度集中化和大型化：矿井规模扩大数量减少；矿井生产的高度集中化和大型化：矿井规模扩大数量减少；采煤工作采煤工作面尺寸不断加大，面尺寸不断加大，工作面长美工作面长美350350m m、德德600600m m、走向走向60006000m m；生产生产系统不断简化；系统不断简化；工作面单产、工效迅速提高，工作面单产、工效迅速提高，美一矿一面达美一矿一面达9090以上。以上。高技术的发展、应用

22、，正在改变着煤矿的技术面貌和社会形象。美高技术的发展、应用，正在改变着煤矿的技术面貌和社会形象。美10001000万吨万吨a a自动化工作面配套设备，每个采煤班自动化工作面配套设备，每个采煤班6 68 8人人，即无人或，即无人或少人工作面。少人工作面。煤炭向洁净、高效能源转变：用于发电或流体、气体燃料。煤炭向洁净、高效能源转变：用于发电或流体、气体燃料。露天开采技术仍将进一步发展。露天开采技术仍将进一步发展。 2. 煤炭工业面临能源市场和环境要求的挑战煤炭工业面临能源市场和环境要求的挑战可再生能源：太阳能、风能、地热能以及核能、氢能，取决于资源、可再生能源：太阳能、风能、地热能以及核能、氢能，取决于资源、经济、科技发展水平。经济、科技发展水平。未来未来30305050年仍为主要能源。世界煤炭可采年仍为主要能源。世界煤炭可采200200年年、石油可采、石油可采4 40 0年、年、天然气可采天然气可采6060年。环境压力大。年。环境压力大。28 3. 近十年煤炭科技发展的