矿山压力与岩层控制课程复习.doc

矿山压力与岩层控制课程复习一、 重要概念1. 矿山压力：地下岩体在受到开挖以前，原岩应力处于平衡状态。开掘巷道或进行回采工作时，破坏了原始的应力平衡状态，引起岩体内部的应力重新分布，直至形成新的平衡状态。这种由于矿山开采活动的影响，在巷硐周围掩体中形成的和作用在巷硐支护物上的力称为矿山压力。（P1）2. 矿山压力显现：在矿山压力的作用下，会引起各种力学现象，如岩体的变形、破坏、塌落，支护物的变形、破坏、折损，以及在岩体中产生的动力现象。这些由于矿山压力作用使巷硐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。（P1）3. 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做矿山压力控制。（P1）4. 原岩应力：存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力。（P40）5. 支承压力：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承应力。（P58）6. 老顶：通常把位于直接顶之上（有时直接位于煤层之上）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。（P65）7. 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。（P65）8. 直接顶初次垮落：直接顶的第一次大面积垮落称为直接顶的初次垮落。直接顶初次垮落的标志是：直接顶垮落高度超过1-1.5m，范围超过全工作面长度的一半。9. 顶板下沉量：一般指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板相对移近量。由于在缓斜及倾斜工作面底板鼓起量比较小，因而常常可以忽略不计，为此顶底板移近量简称顶板下沉量。（P98）10. 老顶初次来压：当老顶悬露达到极限跨距时，老顶断裂形成三铰拱式的平衡，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。（P99）11. 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“稳定失稳再稳定”的变化，这种变化将呈周而复始的过程。由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象称之为工作面的周期来压。（P102）12. 关键层：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。（P174）13. 沿空留巷：沿空留巷是在邻近工作面回采后，通过加强支护或采用其他有效方法，将上邻近工作面的一条顺槽保留下来，作邻近工作面回采时一条顺槽使用。沿空掘巷：在上一区段回采完毕后，采空区冒落严实，围岩活动相对稳定后，再沿采空区边缘掘进巷道，称为沿空掘巷。14. 锚固力：锚杆对围岩的约束力。（P242）15. 软岩：软岩分为地质软岩和工程软岩。（P256）地质软岩：是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层的总称。工程软岩：是指在巷道工程力作用下，能产生显著变形的工程岩体。巷道工程力是指作用在巷道工程岩体上的力的总和，工程软岩的定义揭示了软岩相对性的实质。16. 煤矿动压现象：煤矿开采过程中，在高应力状态下积聚有大量弹性能的煤或岩体，在一定的条件下突然发生破坏、冒落或抛出，使能量突然释放，呈现声响、震动以及气浪等明显的动力效应。这些现象统称为煤矿动压现象。（P294）17. 冲击矿压：是聚积在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，产生的动力将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响，造成煤岩体振动和煤岩体破坏，支架与设备损坏，人员伤亡，部分巷道垮落等。（P294）18. 冲击能指数：在单轴压缩状态下，煤样全“应力-应变”曲线峰值前所积聚的变形能与峰值后所消耗的变形能之比值。（P298）19. 浅埋煤层：具有浅埋深、基岩薄、上覆厚松散层赋存特征的煤层称为浅埋煤层。浅埋煤层可分为两种类型：典型的浅埋煤层，近浅埋煤层。对于基岩比较薄、松散载荷层厚度比较大的浅埋煤层，其顶板破断运动表现为整体切落形式，易于出现顶板台阶下沉。此类厚松散层浅埋煤层称为典型的浅埋煤层，其特征可以概括为埋藏浅，基载比小、老顶为单一关键层结构的煤层。对于基岩厚度较大、松散载荷层厚度比较小的浅埋煤层，其矿压显现规律介于普通工作面与浅埋煤层工作面之间，顶板结构呈现两组关键层，存在轻微的台阶下沉现象，可称为近浅埋煤层。（P283）二、 简答与分析论述1. 简述原岩应力场的概念及主要组成部分。答：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。原岩应力场主要由自重应力场和构造应力场组成。地心引力引起的应力场称为自重应力场，地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量。由于地质构造运动而引起的应力场称为构造应力场，构造应力与岩体的特性（岩体中裂隙发育密度与方向，岩体的弹性、塑性、粘性等），以及正在发生过程中的地质构造运动和历次构造运动所形成的地质构造现象（断层、褶皱等）有密切关系。2. 原岩应力分布的基本特点。答：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. 煤柱下方底板岩层中应力分布特点及其实际意义。答：参考P196整理，实际意义主要考虑巷道布置。4. 简述岩石破碎后的碎胀特征及其在控制顶板压力中的作用。（P72）答：岩石破碎后，杂乱堆积，岩体的总体力学特性类似于散体。由于岩层破碎后体积将产生膨胀，因此直接垮落后，堆积的高度要大于直接顶岩层原来的厚度。影响碎胀系数的重要因素是岩石破碎后块度的大小及其排列状态。例如，坚硬岩层成大块破断且排列整齐，因而碎胀系数较小；若岩石破碎后块度较小而排列较乱，则碎胀系数较大。岩石破碎后，在其自重及外加载荷的作用下渐趋压实，碎胀系数变小，压实后的高度将取决于岩石的残余碎胀系数。冒落的直接顶将充满采空区。此时，老顶一般的弯曲下沉量较小，常可忽略不计，由于直接顶碎胀后体积增大，减少了老顶的下沉量和压力。5. 分析采场上覆岩层结构失稳条件。答：由力学分析, 可得“砌体梁”结构不致发生滑落失稳的条件为结构不致发生回转变形失稳的条件为式中结构层及载荷层厚度；岩层单向抗压强度； 块间摩擦系数；回转变形角； 岩块的厚长比，即6. 分析加快工作面推进速度与改善顶板状况的关系。（P112）答：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，其结果肯定能减小顶板下沉量，但同时必然使顶板下沉速度加剧。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。因而想加快推进速度把顶板压力“甩掉”的企图实际上是不能实现的。7. 试分析开采深度对采场矿山压力及其显现的影响。答：开采深度直接影响着原岩应力大小，同时也影响着开采后巷道或工作面周围岩层内支承压力值。从这个意义上讲，开采深度对矿山压力具有绝对的影响。但对矿山压力显现的影响则不尽相同。开采深度对巷道矿山压力显现的影响可能比较明显。对有冲击矿压危险的矿井，随着开采深度的增加，发生冲击矿压的次数与强度都将显著增加。开采深度对采场顶板压力大小的影响并不突出，因而对矿山压力显现的影响也不明显，尤其是对顶板下沉量的影响。8. 简述我国缓倾斜煤层工作面顶板分类方案。答：分直接顶和老顶。类别1类不稳定顶板2类中等稳定顶板3类稳定顶板4类非常稳定顶板1a1b2a2b基本指标岩性和结构特征泥岩、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9. 支撑式、掩护式、支撑掩护式液压支架结构特征及适用范围。缺优缺点和适用范围答：支撑式。是指在结构上没有掩护梁，对顶板的作用是支撑的支架称之为支撑式支架。 掩护式。指在结构上有掩护梁，单排立柱连接掩护梁或直接支撑顶梁对顶板起支撑作用的支架。 支撑掩护式。指具有双排或多排立柱及掩护梁结构的支架，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。10. 简述采场支架与围岩关系特点。答：1）支架与围岩是相互作用的一对力，在小范围内，围岩形成的顶板压力可看作一个作用力，支架可视为一个反力，两者相互适应，使其大小相等，而且尽可能的作用在一个作用点上；2）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；3）支架结构及尺寸对顶板压力的影响。在实际生产中证明，在支架架型选择何时时，可以用最小的工作阻力维护好顶板。11. 分析采场支架工作阻力与顶板下沉量的“P-L”曲线关系（P147）答：工作阻P与顶板最终下沉量是一近似的双曲线，国内外实际测试及试验结果均证明了一个事实，即在一定工作阻力以上，支架工作阻力增加对顶板下沉量影响较小，但低于此值则影响极大。即采场支架的工作阻力并不能改变上覆岩层的总体活动规律。从P-L曲线分析可知，控制顶板下沉量是有一定限度的，超过此限度，支架也是无能为力的。因而事实上只能在工作阻力偏低情况下，提高工作阻力才有可能对顶板下沉有显著影响。12. 简述开采后引起的上覆岩层的破坏方式及其分区。（P179）答：根据采空区覆岩移动破坏程度可分为“三带”，即垮落带、裂缝带、弯曲带。1） 垮落带。破断后的岩块成不规则垮落，排列也极不整齐，松散系数比较大，一般可达1.3-1.5。但经重新压实后，碎胀系数可降到1.03左右。此区域与所开采的煤层相毗邻，很多情况下是由于直接顶岩层冒落后形成的；2） 裂缝带。岩层破断后，岩块仍然排列整齐的区域即为裂缝带。它位于冒落带之上，由于排列比较整齐，因此碎胀系数较小。垮落带与裂隙带合称“两带”，又称为“导水裂缝带”。3） 弯曲带。自裂缝带顶界到地表的所有岩层称为弯曲带。弯曲带内岩层移动的显著特点是岩层移动过程中的连续性和整体性，即裂缝带顶界以上至地表的岩层移动是成层的、整体性发生的，在垂直剖面上，其上下各部分的下沉差值很小。若存在厚硬的关键层，则可能在弯曲带内出现离层区。13. 简述绿色开采技术体系，关键层的作用。（P174）答：绿色开采即立足于煤炭开采的源头，通过对采煤方法和工艺、岩层控制及相关技术研究，改变传统采煤工艺造成的生态与环境问题，实现煤炭资源的环保、高效、高回收率和安全开采，根本解决煤炭开采资源采出率低、地表沉陷与生态环境破坏严重等问题，实现采矿工业的可持续发展。绿色开采体系主要包括：1） 水资源保护保水开采技术；2）土地与建筑物保护离层注浆、充填与条带开采技术；3）瓦斯抽放煤与瓦斯共采技术；4）煤层巷道支护技术与减少矸石排放技术；5）煤的地下气化技术。关键层的作用：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。覆岩关键层不仅对地表动态下沉过程起控制作用，还对地表移动曲线特性产生影响，地表下沉是关键层与表土层耦合作用的结果。14. 简述开采后上覆岩层的破坏方式及分区。答：15. 简述控制岩层移动的技术。（P188-193）答：岩层移动控制技术分为三类：1） 留煤柱控制岩层移动：部分开采（条带开采和房柱式开采）和留设保护煤柱；2） 充填法控制岩层移动：采空区充填（水力充填、干式充填、胶结充填）和覆岩离层充填；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、上行开采等。16. 简述回采工作面周围支承压力分布规律。（P195）答：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撑点转移，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，即移动性支承压力或临时支承压力。工作面沿倾斜和仰斜方向及开切眼一侧煤体上形成的支承压力，在工作面采过一段时间后，不再发生明显变化，即固定支承压力或残余支撑压力。回采工作面推过一定距离后，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，肯能出现较小的支承压力，即采空区支撑压力。缺分布规律（P195196）17. 采区平巷在其服务期内沿走向的矿压规律有哪些？采动影响带的前影响区和后影响区内矿压显现时间和机理有何不同？ 答：规律：采区巷道从开始到报废，经历采动造成的围岩应力重新分布过程，围岩变形会持续增长和变化，围岩经历五个阶段：巷道掘进影响阶段、掘进影响稳定阶段、采动影响阶段、采动影响稳定阶段、二次采动影响阶段。不同：巷道受上区段工作面的回采影响后，在回采引起的超前移动支承压力作用的影响下，巷道围岩压力再次分布，塑性区显著扩大，围岩变形急剧增长。在工作面后方附近，由巷道上方和采空区一侧顶板弯曲下沉和显著运动使得支承压力和巷道围岩变形速度都达到最大值。18. 沿空留巷矿压显现基本特征？与沿空掘巷矿压显现的主要区别？答：沿空留巷上区段工作面采动时受力情况：沿空巷道位于采空区边缘，保留巷道期间经历上区段工作面的采动影响，巷道顶板的下沉、破坏必然受到采空区上覆岩层沉降总规律的制约。上区段工作面采过后，沿空巷道经历老顶岩层从即将断裂前的极限状态到发生断裂失稳，然后到回转下沉压实采空区的过程。在这个过程中，由于老顶的剧烈活动，引起沿空留巷煤帮和巷道支护体发生剧烈变形。因此，沿空留巷围岩变形强烈。沿空掘巷是在邻近工作面采空区稳定后掘进，与沿空留巷相比，巷道围岩变形显著减小。19. 跨巷回采卸压的基本原理？（P227）答：煤层开采以后，在煤层底板中形成一定范围的应力增高区和应力降低区。位于煤层底板的巷道，若处于应力增高区，将承受较大的集中应力而遭到破坏；处于应力降低区，则易于维护。根据采面不断移动的特点以及巷道系统优化布置的原则，可将巷道上方的煤层工作面进行跨采，使巷道经历一段时间的高应力作用后，长期处于应力降低区内。跨采的效果主要取决于巷道与上方跨采面的相对位置，即巷道与上部回采煤层间的法向距离z与上部回采煤层煤柱（体）边缘的水平距离x。20. 如何根据锚杆对围岩的约束方式定义锚杆锚固力？（P242）答：托锚力：托锚力包括安装锚杆时，通过拧紧螺母产生的锚杆托板对围岩的预紧力，水胀式管状锚杆杆体纵向收缩，使托盘对围岩产生预紧力，以及锚杆托板阻止围岩向巷道内位移时，对围岩施加的径向支护力。粘锚力：粘结剂将围岩与锚杆粘结成整体，由于围岩深部与浅部变形的差异，锚杆通过粘结剂对围岩施加粘结力来抑制围岩变形。粘锚力就是锚杆杆体的轴力。摩擦锚固式锚杆通过杆体与围岩之间的摩擦力对围岩施加锚固力来抑制围岩变形。切向锚固力：围岩的变形大多从岩体的弱面开始，在围压作用下围岩沿弱面滑动或张开。锚杆体贯穿弱面，限制围岩沿弱面滑动或张开，这种限制力称为切向锚固力。21. 为什么说锚注支护是软岩巷道支护的新途径？（P263）答：锚杆支护的锚固力在很大程度上取决于岩体的力学性能，软岩巷道可锚性差是造成锚杆锚固力低和失效的重要原因。对于节理裂隙发育的岩体，注浆可改变围岩的松散结构，提高粘结力和内摩擦角，封闭裂隙，显著提高岩体强度。注浆加固为锚杆提供可靠地着力基础，使锚杆对松散围岩的锚固作用得以发挥，进一步提高岩体强度。但注浆只能在围岩的一定深处进行，需要与锚杆支护共同维持巷道周边围岩的稳定。因此，采取锚杆与注浆相结合的方法，使锚杆和注浆的作用在各自适用的范围内得到充分发挥，可提高对软岩的支护效果。所以说锚注支护是软岩巷道支护的新途径。22. 简述软岩巷道变形力学机制。（P256-258）答：三种形式：膨胀变形机制（也称低强度软岩）、应力扩容变形机制、结构变形机制。1） 膨胀变形机制膨胀岩含有蒙脱石、高岭土和伊利石等强亲水粘土矿物，这几类矿物由于其晶体结构特殊，能将水分子吸附在晶层表面和晶层内。既具有矿物颗粒内部分子膨胀，又具有矿物颗粒之间的水膜加厚的胶体膨胀。同时通过毛细作用吸入水，使岩石体积膨胀。 2） 应力扩容变形机制变形机制与力源有关，软岩在构造应力、地下水、重力、工程偏应力作用下，岩体产生破坏变形，微裂活动迅速加剧，形成拉伸破坏和剪切面，体积膨胀。工程偏应力即本书中的矿山压力，是应力扩容变形中不可忽视的力源。3） 结构变形机制变形机制与硐室结构和岩体结构面的组合特征有关。结构面的成因类型，结构面的结合特征，结构面的力学性质结构面相对于硐室的空间分布规律及它制约下形成的岩体结构控制着软岩变形、破坏规律。23. 简述影响顶煤冒放性的主要因素,提高顶煤冒放性的主要措施。（P272）答：影响冒放性的因素：煤体强度、煤体裂隙分布的影响、顶煤厚度、夹矸影