湖南科大矿山压力.doc

矿山岩体的原岩应力及其重力分布原岩（原岩体）：地壳中没有受到人类活动影响的岩体称为原岩体，简称为原岩。原岩应力（地应力、岩体初始应力、绝对应力）：存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力。原岩应力的形成：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀。原岩应力场：天然存在于原岩内而与人为因素无关的应力场称为原岩应力场（主要组成部分有自重应力场和构造应力场）。原岩应力分布规律：1 实测铅直应力基本上等于上覆岩层重量。2 水平应力普通大于铅直应力。3 平均水平应力与铅直应力的比值随深度增加而减少。4 最大水平主应力和最小水平主应力一般相差很较大。孔圆形周边的应力分布：1 孔周围形成切向应力集中现象，最大切向应力值在孔的周边的2rh。2 应力集中系数：2rh。3 孔的影响范围与断面有关。矿山压力（二次应力）：由于矿山开采活动的影响，在巷道周围岩体中形成的和作用在巷道支护物上的力定义为矿石压力。矿山压力显现：由于矿山作用使巷道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。矿山压力控制：所有减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的各种方法，均叫住矿山压力控制。支撑压力：在岩体内开掘巷道后，巷道围岩必然出现应力重新分布，一般将巷道两侧改变后的切向应力增高部分称为支撑压力。（支撑压力是矿山压力的重要组成部分） 受力状态（单轴三轴）=切向应力(大小)、抗压强度（低高）、破坏顺序（外里） 自稳的条件：周边最大应力弹性极限。 三区的形成（减压区、增压区、稳定区）：周边最大应力弹性极限。（有时候也分为极限平衡区和弹性区）。第三章 采场顶板活动规律采场（回采工作面）：在煤层或矿床的开采过程中，一般把直接进行采煤或采矿物的工作空间称为回采工作面或采场。顶板：赋存在煤层之上的岩层称为顶板或上覆岩层。底板：位于煤层下方的岩层称为底板。直接顶：一般把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。伪顶：在煤层与直接顶之间有时存在厚底小于0.30.5m，极易跨罗的软弱岩层，称为伪顶。老顶：通常把位于直接顶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。 处理采空区方法： 1 留煤柱法（损失大、浪费资源） 2 顶板缓慢下沉法（较少见） 3 全部（部分）充填法（成本高、工艺复杂） 4 全部垮落法（工作面的变化）有关采场上覆岩层活动规律的假说： 1 压力拱假说 2 悬臂梁假说 优点：可以解释工作面近煤壁处顶板沉量小，支架载荷也少，而距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支撑压力及工作面出现的周期来压现象。 缺点：所计算的底板下沉量和支架荷载与实际所测得的数据相差甚远。 3 铰接岩块假说 优点：正确的阐明了工作面上覆岩层的分带情况，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：未能对铰接岩块间的平衡条件做进一步的探讨。4 预成裂隙假说 优点：为了有效地控制顶板，应保证支架具有足够的初撑力和工作阻力，并应及时支撑住顶板岩层，使各岩层之间保持挤紧状态，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 优点：具体给出了断裂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，很好地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。 缺点：没有对此结构的平衡条件做出推导与评价。直接顶初次垮落：直接顶第一次大面积垮落（直接顶的垮距称为初次垮落距）。直接顶初次垮落的标志：1 直接顶垮落高度超过11.5m， 2 范围超过全工作面的一半。初次垮落距大小确定因素：1 直接顶岩层的强度 2 分层厚度 3 直接顶内节理裂隙的发育程度。当直接顶厚度小于或等于老顶时，均易于形成离层。极限跨距（初次断裂步距）：老顶达到初次断裂时的跨距。老顶的梁式破断（误差大） 板式破断（计算复杂、误差小）采场上覆岩层所形成的结构的失稳条件： 1 结构的滑落失稳 （咬合点处的摩擦力大于剪切力） 2 结构的变形失稳 （挤压应力集中、咬合处破坏或塑性小）形成稳定状态有两种情况：1 完整状态下的稳定（按固定梁或简支梁分析） 2 破裂状态下的稳定（按砌体梁来分析）第四章 采场矿山压力显现规律矿山压力显现程度的指标：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 6 工作面顶板沿煤壁切洛 老顶的初次来压：工作面支架呈现受力普通加大的现象，即称为老顶的初次来压。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初次来压步距。（一般情况下，老顶的初次来压步距与老顶断裂的极限步距相当）初次来压步距的特点：1 回采工作面煤壁上所受的支撑力将随着老顶跨度加大而增加。 2 老顶来压前，回采工作面的顶板压力并不大，但煤壁内的支撑压力却达到了这种情况下的最大值。 3 初次来压一般要持续23天，顶板出现断裂声，随后产生裂缝。老顶初次来压的对策： 1 必须掌握初次来压步距的大小。 2 必须加强支架的支撑力，尤其是加强支架的稳定性，增设木垛、斜撑等特种支护。周期来压：由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压的现象称之为工作面的顶板周期来压。周期来压步距：两次来压期间工作面推进的距离。周期来压的特点： 1 由于存在两层或两层以上的老顶而导致采场周期来压步距呈现大小周期性变化和周期性来压程度呈现高低周期性变化的现象。 2 由于老顶的变形及其支架的相互作用，常常导致直接顶破碎。 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，周期来压步距一般为初次来压步距的1314。周期来压的对策：1 正确的判断来压的预兆。 2 及时采取加强支护措施。 3 尤其是保证支架的规格质量，保证一定的支架密度及支架稳定性， 4 将工作面与开切眼斜交，老顶悬板呈梯形。根据顶板达极限跨距时破断的原理，老顶的破断将不至于造成工作面全面来压，呈现局部来压。影响采场矿山压力的显现主要因素是围岩性质，其次还有采深、采高、倾角及推进速度。试分析加快工作面推进速度与改善顶板状况的关系：加快工作面的推进速度只是缩短了破煤与放顶两个主要生产过程的时间间隔。从理论来说，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。只要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少，因而想把顶板压力甩掉的企图是不能实现的。试分析落煤与放顶不能同时同地点、平行作业的原因及条件：原因：这是因为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，从资料分析，两者错开在1015m以上比较合适，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在同一地点同时进行，又因为移架时大部分采用整架降柱然后再升柱的办法，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。第五章 采场顶板支护方法回采工作面支架必须具备两个特性： 1 必须具备一定的可塑性。 2 必须具有良好的支撑性能。直接顶的完整程度取决于两个因素： 1 岩层本身的力学性质。 2 直接顶岩层内由各种原因造成的层理和裂隙的发育情况。直接顶的分类标准； 工程指标 稳定顶板 ： 初次垮落距L=1620M 中等稳定顶板：初次垮落距.不稳定顶板：初次垮落距直接顶分类指标及参考要素类别类不稳定顶板类中等稳定顶板类稳定顶板类非常稳定顶板基本指标岩性和构造特性泥岩，泥页岩，节理裂隙发育或松软泥岩，碳质泥岩，节理裂隙较发育致密泥岩，粉砂岩，砂质泥岩，节理裂隙不发育砂岩。石灰岩，节理裂隙很少致密砂岩，石灰岩，节理裂隙极少根据支柱和顶梁的配合关系，可将回采工作面支架分为两类：单体支架和液压支架；单体支架：由金属支柱和金属铰接顶梁组合而成的工作面称为单体支架，根据支柱的特性，可以分为摩擦式金属支架和单体液压支架。液压支架：是由支柱、底座与顶梁联合为一个整体的结构。支柱的撑力：支柱对顶板的主动作用力称为支柱的撑力。工作阻力（支柱的阻力）：支柱受底板压力作用而反映出来的力称为支柱的阻力，也称为工作阻力。支柱的工作特性有：急增阻式，微增阻式，恒阻式。液压支架按支架结构分类：支撑式指在结构上没有掩护梁，对顶板的作用是支撑的支架称为支撑式支架。掩护式指在结构上有掩护梁，单排立柱连接掩护梁或直线支撑顶梁对顶板其支撑作用的支架。支撑掩护式指具有双排或多排立柱及掩护结构的支架，支柱大部分或全部通过顶梁对顶板起支撑作用，可能有部分支柱是通过掩护梁对顶板起作用。特种支架的主要作用：增加支撑力增强稳定性从根本上解决周期来压和初次来压的方法是：充填法按悬臂支架沿工作面推进方向的布置方式可分为：正悬臂式和倒悬臂式。支架与围岩的相互作用的特点：支架与围岩是相互作用的一对力。支架受力的大小及其在回采工作面分布的规律与支架性能有关。支架结构及尺寸对顶板压力的影响。回采工作面的支架与其支撑的围岩是一对相互作用着的矛盾统一体。第六章 采场岩层移动与控制关键层：将对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。关键层的特点：1 几何特性，相对其他同类岩层单层厚度较厚。 2 岩性特性，相对于其他岩层较坚硬，即弹性模量大，强度较高。 3 变形特性，关键层下沉变