矿山压力与岩层控制课件

矿山压力与岩层控制电子教案2/6/20231

绪论1.1与矿山压力有关的安全事故在整个煤矿安全事故中，煤矿顶板事故所占比重超过50%以上，死亡人数所占比重超过30%以上，每年顶板事故影响的产量约占总产量的5%，达到3000万t至4000万t的巨大数字。图1.1中国煤矿安全事故比例图1.2中国煤矿死亡人数比例2/6/20232

绪论年份伤亡总起数伤亡总人数其中冒顶运输机电爆破透水其他起数人数起数人数起数人数起数人数起数人数起数人数1994294014232233223555199532361920112211475519962835172211111167231997213191311111151144199817209911221123241999232511111111224446200015183522113466200117255811135855200222286711251315合计2292881101388814141214386047542/6/20233煤矿重大事故的发生及有效控制，几乎都同时与岩层运动和应力场应力的大小和分布条件有机地联系在一起。

图1.3与岩层运动相关事故机理

绪论2/6/20234冲击地压承受巨大地压的顶板突然断裂所造成的破坏岩石位能转变为动能而带来的冲击地压。

绪论2/6/20235透水事故因矿井顶、底板压力过大，致使煤矿在开采过程中地表水、老空水或相邻煤矿报废矿井中的水沿断层破碎带流入井田造成透水事故。

图1.5广东兴宁一煤矿发生透水事故示意图图1.6四川广安矿井透水事故示意图

绪论2/6/20236（1）没有很好地掌握各个具体煤层需要控制的岩层范围及运动规律（运动发生的时间、条件），顶板控制设计缺少基础；（2）没有掌握各种类型支架的特性及实际支撑能力。针对具体煤层条件选好和用好支护手段方面的问题；（3）没有更好地揭示支架-顶板运动间的关系，正确合理选择控制方案。

绪论顶板事故频发的基本原因：2/6/20237

绪论1.2矿山压力与岩层控制研究的主要任务

（1）研究随采场推进过程中，在采场周围煤层及岩层中重新分布的应力（包括应力大小及方向等）及其发展变化的规律。该应力的存在和变化是煤及岩层变形、破坏和位移的根源，也是采场及周围巷道支架上压力显现的条件。

（2）研究采场支架上显现的压力及其控制方法。包括压力的来源、压力大小及与上覆岩层运动间的关系、正确的控制设计方法等。2/6/20238（4）控制采动岩层活动的主要因素分析。从复杂的采动岩层活动中建立采动岩层的结构力学模型，从而展开对采场顶板矿压、采场突水、岩层移动及地表沉陷规律等进行系统描述。（5）深部开采时采场支承压力分布、岩层结构及运动特点、围岩大变形的控制机制等。

绪论（3）研究开掘的巷道的位置和时间。不同时间开挖巷道时和不同地点开挖的巷道围岩压力的来源、巷道支护设备上的压力大小及其影响因素等。2/6/20239

绪论1.3矿山压力与岩层控制研究的回顾1.3.1掩护“拱”假说①采动形成的工作空间是在“拱”结构掩护之下；②“拱”结构承担上覆岩层的重量，通过拱脚传递到煤层及岩体上的压力，并且在煤及岩体中形成的应力，该应力是煤及岩层破坏的原因，也是“拱”结构本身向外扩展的条件；③采场空间的支护仅承受拱内已破坏岩层的岩重，支架是在由“拱”的结构尺寸所圈定的破碎岩石荷重下工作。2/6/202310

绪论图1.7自然平衡拱（1）自然平衡拱假说（普氏假说）

巷道开掘后，已采空间上部岩层将逐步破损成拱的形状。这个拱是自然形成的。拱的高度h是岩层的岩石强度和巷道宽度b的函数：2/6/202311

绪论

当R和b已知，即可按上述二式计算出掩护拱的高度h，从而可以推算出拱所包围的破碎岩石的面积A及相应的岩石重量，据此即可确定巷道支护所需的反力。适用条件：普氏拱假说适用于确定强度不高（f=5~6），开采深度不是很大的巷道支护反力。优点：应用简便。缺点：①没有深入研究围岩中应力分布和稳定的条件；

②不能解释采场矿压显现的周期性变化规律。

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绪论图1.8工作面推进中的自然平衡拱

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绪论（2）压力拱假说

图1.9Φ.许普鲁特压力拱假

说模型

压力拱跨越整个采场，前后拱脚分别座落在未采动的煤层和采空区的矸石上。2/6/202314

绪论

①压力拱切断了拱内外岩体间力的联系，承担了上部岩层的重量，并将其转递至拱脚，从而形成支承压力；优点：假说较好的解释了采场周围支承压力的存在，较好的说明了支架上的压力远小于上覆岩层重量的原因。

②采场支架仅仅承担拱内（即控顶区以上至拱边界处）岩石的重量，支架是在一定的载荷条件下工作，支架上显现的压力大小与本身的承载能力及其力学特性无关。压力拱假说的主要假设：2/6/202315

绪论假说存在的缺陷：

①没有明确压力拱的性质及其与岩层运动发展间的关系。因此，这个压力拱始终是一个边界无法确定的模糊概念，即无法找到采场支架需要控制的具体岩层范围；

②假说没有正确的揭示采场支架与围岩间的力学关系，无法解释采场支架上显现的压力往往与支架本身力学特性有关的现象。2/6/202316

绪论1.3.2掩护“梁”假说

①采场是在一系列“梁”的掩护之下。这些梁在冒落前能将自身的重量传递至前后两端支承岩体之上，从而形成支承压力

④支架作用在于防止已碎岩体垮落和保持结构梁的连续性，不必要也不可能在改变顶板下沉量方面发挥作用。

③支架可能在由已破坏的岩石重力所“给定”的“一定载荷条件下”工作，也可能在由岩梁的沉降所决定的“一定变形条件下”工作。

②“梁”的破坏（冒落）和沉降是采场支架上压力显现的根源2/6/202317

绪论（1）“悬臂梁”假说悬臂梁连续梁优点：奠定了掩护梁假说的发展。缺点：“悬臂梁”的岩层组合条件；没有从理论上和方法上解决生产现场找到悬臂梁范围；没有研究采场围岩中的应力；不能对采场上覆岩层的结构状态作出更全面的描述。

2/6/202318（2）“预生裂隙梁”假说低应力区高应力区假塑性变形区优点：煤层超前破坏以及临近采场的部分岩层出露前可能预先产生裂隙这一点，已经为实践所证实。缺点：不考虑煤层条件和开采技术条件，也不问岩层强度高低，一律用预生裂隙假说去推断采场上覆岩层破坏的情况是错误的。

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绪论1.3.3铰接岩块假说无规则垮落带

有规则垮落带

铰接岩梁

缺点：未能将采场顶板控制设计提高到科学定量的程度

优点：相当深入的研究和揭示了采场支架与围岩间的部分关系。为采场顶板控制设计提供了重要依据。

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绪论1.3.4砌体梁结构力学模型与关键层理论（1）砌体梁模型（矿大钱鸣高院士）在老顶岩梁达到断裂步距之后，随着工作面的继续推进，岩梁将会折断，但断裂后的岩块由于排列整齐，在相互回转时能形成挤压，由于岩块间的水平力以及相互间形成的摩擦力，在一定条件下能够形成外表似梁实则为半拱的平衡结构。形状如砌体--砌体梁。2/6/202321

绪论

采动后岩体内形成的砌体梁是一个大结构，而影响采场顶板控制的主要因素是离层区附近的几个关键岩块。关键块是否平衡直接影响采场顶板的稳定性和支架受力大小。应重点分析关键块的平衡关系。砌体梁关键块的滑落和回转变形（“S—R”）稳定条件。2/6/202322

绪论（2）关键层理论

某些较为坚硬的厚岩层在活动中起控制作用，即起承载主体与骨架作用；有些较为软弱的薄岩层在活动中只起加载作用，其自重大部分由坚硬的厚岩层承担。在岩体活动中起主要控制作用的岩层称为关键层。

关键层定义：在采场上覆岩层中存在多个岩层时，对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层。2/6/202323

绪论

关键层判别的主要依据：变形和破断特征，在关键层破断时，其上部全部岩层或局部岩层的下沉变形是相互协调一致的，关键层的断裂将导致全部或相当部分的上覆岩层产生整体运动，从而引起明显的岩层运动和矿压显现。关键层由其岩层厚度、强度和载荷大小而定。2/6/202324

绪论1.3.5以岩层运动为中心的矿山压力理论宋院士--以上覆岩层运动为中心的矿山压力理论（“传递岩梁”理论）。明确矿山压力与矿山压力显现的概念和关系上覆岩层运动和发展的基本规律

采场矿山压力与矿山压力显现和上覆岩层运动间的关系

回采工作面顶板控制设计

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绪论1.4本课程的主要研究内容与学习方法（1）第一章绪论。了解矿山压力研究的任务、发展历史与现状，掌握“传递岩梁理论的主要研究内容，了解矿山压力研究方法。（4）第四章采场矿山压力显现与上覆岩层运动间的关系。掌握确定直接顶、老顶的方法与步骤，支承压力在采场不同推进阶段的发展变化规律，支架与围岩相互作用的各种工作方案。（2）第二章矿山压力及矿山压力显现。建立“矿山压力”及“矿山压力显现”的基本概念，弄清二者间的联系和区别。（3）第三章上覆岩层运动和发展的基本规律。掌握上覆岩层运动和破坏的基本形式、上覆岩层沿纵向、采场推进方向的运动规律。2/6/202326

绪论（5）第五章回采工作面顶板控制设计。了解常用支架工作特性、支架实际支撑能力的影响因素，理解控制设计的要求与目标，掌握顶板控制设计的一般方法与步骤。（6）第六章综采放顶煤采场矿压控制。了解放顶煤采场矿压显现特点，理解与掌握放顶煤采场顶板结构及其控制方法。（7）第七章矿柱支护采矿法的围岩控制。掌握矿柱支护采矿法的应用范围和支护结构组成，理解矿柱支护能力的分析方法，了解对此类采矿方法的岩体控制技术。（8）第八章采场周围巷道矿压控制。了解采场周围应力分布规律，理解回采巷道不同阶段变形与破坏的规律，掌握合理巷道位置选择与合理开掘时间的确定方法，掌握锚杆支护等设计方法。2/6/202327

绪论（9）第九章冲击地压及其监测。理解冲击地压发生的原因、机理，冲击地压预测方法，掌握防治冲击地压的技术措施。（10）第十章常规矿山压力监测技术。了解矿山压力监测常用仪器，掌握单体液压支柱工作