矿山压力与岩层控制.doc

矿山压力与岩层控制1、 原岩应力：天然存在于原岩内而与人为因素无关的应力场。2、 原岩应力分布基本规律：1）、实测铅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）、平均水平应力与铅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3、 支承压力：岩体内开掘巷道后巷道周围必然出现应力重新分布，一般巷道两侧改变后的切向应力增高部分称支承压力。支承压力区的边界一般可以取高于原岩应力的5%处作为分界处。4、 各种假说的优缺点 压力拱假说：优点：对回采工作面前后的支承压力及回采空间处于减压范围作出了粗略的但是经典的解释。缺点：对此拱的特性岩层变形、移动和破坏现象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。悬臂梁假说：优点：此假说可以解释工作面区煤壁处顶板下沉量小，支架载荷也小，而距离煤壁越远则两者均大的现象，同时也可以解释工作面前方出现的周期来压现象；缺点：未查明开采后上覆岩层活动规律，因此仅凭悬臂梁本身计算所得的顶板下沉量和支架载荷与实际所测差距相差甚远。 铰接岩块假说：优点：正确阐明了工作面上覆岩层分带情况，并初步涉及岩层内部的力学关系及其可能形成的结构；缺点：此假说未能对铰接岩块间的平衡条件做进一步探讨。预成裂隙假说：优点：此假说从另一侧面解释了破断岩块的相互作用关系；缺点：忽视了了覆岩层未发生裂隙岩层的受力情况。砌体梁假说：优点：给出了破断岩块的咬合方式及平衡条件，同时还讨论了老顶破断时在岩体中引起的扰动，很好的解释了采场矿山压力显现规律，为采场矿山压力的控制及支护设计提供了理论依据。5、 直接顶初次垮落：煤层开采以后，将首先引起直接顶的垮落。回采工作面从开切眼开始向前推进，直接顶悬露面积增大，当达到其极限跨距时开始垮落。直接顶的第一次大面积垮落称为直接顶初次垮落。直接顶初次垮落的标志是：直接顶垮落高度超过1-1.5米，范围超过全工作面长度的一半。此时直接顶的跨距称为初次垮落距。6、 在同样条件下，由简支梁计算所提的极限跨距要比固定梁计算所得的小。在一般情况下，由于弯矩形成的极限跨距要比剪切应力形成的极限跨距小，因此通常按弯矩来计算极限跨距。7、 采场上覆岩层结构失稳条件：当老顶达到极限跨距时，随着回采工作面继续推进，老顶即发生初次断裂，破断后的岩块互相挤压形式三铰拱式的平衡结构，此结构将取决于咬合点的挤压力是否超过咬合点接触面处的强度极限，在一定条件下可能导致岩块承受着回转而形成变形失稳；另外即是咬合点处的摩擦力与剪力与剪切力的相互关系，当剪切力大于摩擦力时形成滑落失稳，在工作面的表现形式为顶板的台阶下沉。8、 老顶的初次来压及其特点：当老顶悬露达到极限跨距时，老顶断裂形成三铰拱的平衡，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。即称为老顶的初次来压。（P102）特点：1）、P力形成的反力矩难以平衡由Q2形成的力矩，老顶岩块的回转在一定程度上不可避免。 2）、老顶可能沿工作面发生切落； 3）、当老顶岩层在采空区接触到冒落矸石后形成反力后，冒落矸石才有可能承担部分老顶的载荷，使工作面支架所受载荷得到减轻。 4）、工作面顶板必然发生下沉，这种现象不可避免，是回采工作空间的地下结构物与其它构筑物重要区别之一对策：1）、掌握初次来压步距的大小；2)加强支架的支撑力，尤其要加强支架的稳定性。9、 老顶的周期来压：随着回采工作面的推进，在老顶初次来压以后，裂隙带岩层形成的结构将始终经历“稳定-失稳-稳定”的变化，这种变化将呈现周而复始的过程。由于结构的失稳导致了工作面顶板的来压，这种来压也将随着工作面的推进而呈周期性的出现。因此，由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象称为工作面顶板的周期来压。特点：1）、存在两层或两层以上老顶而导致采场周期来压步距呈一大一小周期性变化和周期性来压强度呈现一高一低周期性变化的现象；2)、周期来压步距一般初次来压步距的1/4-1/3；3）、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，采空区冒落越严实，老顶对工作面影响越小，反之，则较大。10、 影响采场矿山压力显现的主要因素是围岩性质。11、 加快工作面的推进速度只是缩短了落煤与放顶两个主要生产过程的时间间隔。从理论上说，其结果肯定能减少顶板下沉量，但同时必然使顶板下沉速度加剧。由于落煤与放顶所造成的剧烈影响者是在较短的时间内完成的，加快掖进速度只能消除一部分平时的下沉量，但绝不能消除此工序的剧烈影响所造成的下沉量。所以，只有在原先的工作面推进速度比较缓慢的条件下，加快工作面推进速度才会对工作面顶板状态有所改善。当工作面推进速度提高到一定程度后，顶板下沉量的变化将逐渐减小。因而想把顶板压力“甩掉”的企图实际上是不能实现的。12、 落煤与放顶对工作面顶板下沉量影响都很大，单体支架的结构无法在这种情况下保证人身安全。所以，不允许落煤与放顶工序在同一地点同时进行，必须错开一定的距离。但对于液压自移支架来说，由于其工作特点决定了落煤与放顶几乎是在同一地点同时进行的，又因为移架时大部分采用整架降柱而后再升柱的办法，因而顶板比采用单体支架时易于破碎。但是，这种支架的结构稳定性好，能够保证人身安全。所以，这时采用平行作业是完全允许的。13、 回采工作面支架必须具备以下两个特性：一是必须具备一定的可缩性；二是必须具有良好的支撑性能。14、 顶板分类方案：采煤工作面直接顶类别按其在开采过程中表现的稳定程度进行划分，共分为四类：不稳定顶板、中等稳定顶板、稳定顶板、非常稳定顶板老顶分级指标是老顶初次来压平均当量，分为：老顶来压不明显、明显、强烈、非常强烈。15、 回采工作面支柱特性：共有三种：急增阻式、微增阻式，恒阻式。优缺点：急增阻式支柱可缩量较小，微增阻式支柱具有较大可缩量，恒阻式支柱的工作阻力保持不变16、采面支架与围岩的关系特点：所谓“支架与围岩关系”就是工作面支架和工作面顶、底板之间的相互作用和相互影响，即支架对围岩既要支撑又要适应的关系。从目前掌握的资料来看，采场支架与围岩有如下几个特点：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前端。支架受力大小还与支架与围岩支撑系统的总体特性有关。事实证明，刚性、急增阻式、微增阻式或恒阻式支架受力在工作面的分布状态是不一致的，恒阻式支架的受力比较均匀。3）、支架结构及尺寸不同对顶板压力影响和维护效果不同。实际生产中证明在支架架型选择合适时，可以用最小的工作阻力维护好顶板。17、绿色开采技术：1）、水资源保护（地下水资源流失与突水事故）-形成保水开采技术；2）、土地与建筑物保护（地表塌陷土地与建筑物损害）-形成离异层注浆、充填与条带开采技术；3）、瓦斯抽放（瓦斯卸压流动与瓦斯事故、排放瓦斯污染环境）-形成煤与瓦斯共采技术；4）、（占用农田污染环境）煤层巷道支护技术与减少矸石排放技术；5）、地下气化技术。18、关键层：在直接顶上方存在厚度不等、强度不同的多层岩层。实践表明，其中一层至数层厚硬岩层在采场上覆岩层活动中起主要的控制作用。将对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层称为关键层。有以下特征：1）、几何特征，相对其他同类岩层单层厚度较厚；2）、岩性特征，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，关键层下沉变形时，其上覆全部或局部岩层的下沉量同步协调；4）、破断特征，关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的同步破断，引起较大范围内的岩层移动；5）、承载特征，关键层破断前以板的结构形式作为全部岩层或局部岩层的承载主体，破断后则成为砌体梁结构，继续成为承载主体。关键层理论的提出实现了矿山压力、岩层移动与地表沉陷、采动煤岩体中水与瓦斯流动研究的有机统一，为更全面、深入地解释采动岩体活动规律与采动损害现象奠定了基础，为煤矿绿色开采技术研究提供了新的理论平台。19、横三区：煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区竖三带：垮落带、裂缝带、弯曲带20、 岩层移动控制技术可分为三类：1）、留设煤柱控制岩层移动（部分开采、留设保护煤柱）；2）、充填开采控制岩层移动（水力充填、干式充填、胶结充填）；3）、调整开采工艺及参数控制岩层移动，如限厚开采、协调开采、上行开采。21、 岩层移动引起的采动损害：1）、形成矿山压力显现，引起采场和巷道顶板的正常，垮落和来压甚至引发冲击地压等强烈的矿压显现。2）、形成采动裂隙，引起周围煤体中的水与瓦斯流动，导致井下瓦斯事故与突水事故。3）、岩层移动发展到地表引起地表深陷，导致农田建筑的毁坏。22、 区段巷道的布置方式：煤体-煤体巷道、煤体-煤柱巷道、煤体-无煤柱巷道23、 底板巷道位置：布置在已稳定采空区下部、布置在保护煤柱下部、布置在尚未开采的工作面下部24、 上、下山的位置：1）、位于煤层内用煤柱保护的上、下山；2)、位于底板岩层内上方保留煤柱的上、下山；3）上、下山位于底板岩层内，上部煤层工作面跨越上、下山回采，不留护巷煤柱；4）、上、下山位于底板岩层内，上部煤层工作面跨越上、下山回采，不留护巷煤柱。25、 回采工作面周围支承压力分布规律：煤层开采过程破坏了原岩应力场的平衡状态，引起应力重新分布。对于受到采动影响的巷道，它的维护善除了受巷道所处位置的自然因素影响以外，主要取决于采动影响。煤层开采以后，采空区上部岩层重量将向采空区周围新的支承点转移，从而在采空区四周形成支承压力带。工作面前方形成超前支承压力，它随着工作面推进而向前移动，称为固定支承压力或残余支承压力。回采工作面推进一定距离后，采空区上覆岩层活动将趋于稳定，采空区内某些地带冒落矸石被逐渐压实，使上部未冒落岩层在不同程度上重新得到支撑。因此，在距工作面一定距离的采空区内，也可能出现较小的支承压力，称为采空区支承压力。综合上述几个力构成回采工作面周围支承压力分布状态。支承压力的显现牲通过支承压力分布范围、分布形式和应力峰值表示。工作面超前支承压力峰值位置距煤壁一般为4-8米，相当2-3.5倍回采高度。影响范围为40-60米，少数可达60-80米，应力增高系数为2.5-3.工作面倾斜方向固定方向支承压力影响范围一般为15-30米，少数可达35-40米，支承压力峰值位置距煤壁一般为15-20米、应力增高系数为2-3.采空区所形成的支承压力会在某些地点发生相互叠加，称为叠合支承压力。例如，在上下区段之间，上区段采空区形成的残余支承压力与下区段工作面超前支承压力叠加、在煤层向采空区凸出的拐角、形成很高的叠合支承压力，应力增高系数可达5-7，有时甚至更高。26、 巷道支架-围岩相互工作原理及实际应用：支架的工作阻力。尤其是初撑力在一定程度上能相当有效地抑制直接顶板离层，控制围岩塑性区的再发展和围岩的持续变形，保持围岩的稳定，而地下工程中围岩不仅是施载体，在一定条件下还是一种天然承载构体，上覆岩层的绝大部分重量完全是由自身承担的，因此，合理的支架-围岩相互作用关系是充分利用围岩的这种天然的自承力和承载力，人为的支扩创造条件，促进围岩形成自稳和承载结构，巷道支护围岩提供支护阻力，控制围岩塑性区的持续发展，减小围岩移近量。实际应用：1）、实行二次支护；2）、采用