礦山壓力與巖層控制山東科技大學(xué)

1、礦山壓力與巖層控制一、概念題1、礦山壓力 ：采動(dòng)后作用于巖層邊界或存在于巖層之中使圍巖向已采空間運(yùn)動(dòng)的力，即采動(dòng)后促使圍巖向已采空間運(yùn)動(dòng)的力，稱為礦山壓力。 3、礦山壓力顯現(xiàn) 采動(dòng)后，在礦山壓力作用下通過圍巖運(yùn)動(dòng)與支架受力等形式所表現(xiàn)出來的礦山壓力現(xiàn)象，其基本表現(xiàn)形式為圍巖運(yùn)動(dòng)與支架受力。4、直接頂 在采空區(qū)內(nèi)已跨落、在采煤工作面內(nèi)由支架暫時(shí)支撐的懸臂梁，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在采煤工作面推進(jìn)方向上不能始終保持水平力的傳遞。5、基本頂 指運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)采煤工作面礦壓顯現(xiàn)有明顯影響的傳遞巖梁的總和，在初次來壓后，是一組在推進(jìn)方向上能夠始終保持傳遞水平力的不等高裂隙梁。7、支承壓力 煤炭采出后，在圍巖應(yīng)力重新分布

2、的范圍內(nèi)，作用在煤層、巖層和矸石上的垂直壓力，屬于礦山壓力的范疇。9、初次來壓 采煤工作面從切眼開采至基本頂首次斷裂，使工作面發(fā)生明顯的頂板下沉和支架承受較大的靜載荷或沖擊載荷，這種礦山壓力顯現(xiàn)叫做基本頂初次來壓。10、周期來壓 基本頂周期性裂斷及回轉(zhuǎn)下沉引起的明顯礦山壓力顯現(xiàn)。11、直接頂初次垮落25、沖擊地壓 由礦山采動(dòng)（采掘工作面）誘發(fā)高強(qiáng)度煤（巖）體變形能的瞬間釋放，在相應(yīng)采動(dòng)空間引起強(qiáng)烈圍巖震動(dòng)和擠出的動(dòng)力現(xiàn)象。 二、簡答題2、如何理解礦山壓力與礦山壓力顯現(xiàn)的相互關(guān)系？所謂礦山壓力是指采動(dòng)后作用于巖層邊界上或存在于巖層之中促使圍巖向已采空間運(yùn)動(dòng)的力。而礦山壓力顯現(xiàn)是指采動(dòng)后，在礦山壓

3、力作用下通過圍巖變形與支架受力等形式所表現(xiàn)出來的礦山壓力現(xiàn)象。礦山壓力的存在是絕對(duì)的、客觀的，它存在于采動(dòng)空間的周圍巖體中，而礦山壓力顯現(xiàn)則是相對(duì)的、有條件的，它不僅是礦山壓力作用的結(jié)果，同時(shí)它還與圍巖的條件有關(guān)，圍巖中有礦山壓力存在不一定有明顯的礦壓顯現(xiàn)，壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈的部位也不一定是壓力高峰的位置。4、簡述采場(chǎng)上覆巖層沿縱向運(yùn)動(dòng)發(fā)展運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)？（1） 隨采場(chǎng)推進(jìn)，巖層懸露達(dá)一定跨度、彎曲沉降到一定值，強(qiáng)度低的軟弱夾層或接觸面在軸向剪應(yīng)力作用下破壞，發(fā)生離層，并為下部巖層的自由沉降和運(yùn)動(dòng)向上部巖層發(fā)展創(chuàng)造了條件；（2）巖層的縱向運(yùn)動(dòng)總趨勢(shì)大體上是由下而上發(fā)展的；（3）離層后上下巖層的運(yùn)動(dòng)組合情

4、況由巖層的強(qiáng)度（包括巖性、厚度、裂隙等）差別決定，上部巖層強(qiáng)度較下部巖層越高，下部巖層越先于上部巖層運(yùn)動(dòng)，上部巖層運(yùn)動(dòng)滯后的時(shí)間越長。相反，則同時(shí)運(yùn)動(dòng)；（4）巖層的厚度較之巖性對(duì)巖層的離層和運(yùn)動(dòng)組合的影響重要的多。 7、哪些因素可導(dǎo)致巖層彎拉破壞和剪切破壞兩種形式的相互轉(zhuǎn)化？（1）當(dāng)工作面推至端部開裂位置附近，提高推進(jìn)速度可能會(huì)使原來呈彎拉破壞運(yùn)動(dòng)的巖層轉(zhuǎn)變?yōu)榧魯嗥茐?。這就是在日常來壓較均勻的采場(chǎng)，高產(chǎn)后往往出現(xiàn)切頂事故的原因。（2）改變開采程序。堅(jiān)硬巖層覆蓋的厚煤層，下行式開采時(shí)，頂分層的堅(jiān)硬頂板可能整體切斷，威脅生產(chǎn)。同時(shí)，跨落的大塊造成中底分層假頂管理困難。為此可采用上行式開采程序。（3

5、）強(qiáng)制放頂改變堅(jiān)硬巖層的厚度，可以排除整體切斷跨落的威脅，從而使破壞形式轉(zhuǎn)化為彎拉破壞形式。（4）當(dāng)工作面推進(jìn)到斷層部位，巖層懸露尚未達(dá)到中部裂斷所必需的跨度，可能出現(xiàn)整體切斷的危險(xiǎn)。8、回采工作面頂板處理方式有哪些？采煤工作面頂板處理方式的選擇，既要考慮地表和巖層的保護(hù)要求，又要考慮對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)有明顯影響的上覆巖層范圍及其組成巖層的變形能力、運(yùn)動(dòng)方式和對(duì)工作面可能造成的威脅程度。 通常的頂板處理方法有：煤柱支撐法（如房柱、刀柱等）、緩慢下沉法、自然垮落法、厚層堅(jiān)硬頂板特殊處理法和充填法。10、簡述綜采支架的基本類型、特點(diǎn)及其適用條件？ 綜采液壓支架的基本類型有支撐式、支撐掩護(hù)式、掩護(hù)式液

6、壓支架。 支撐式：具有較大的支撐能力，靠立柱和頂梁直接支撐頂板維護(hù)工作空間，頂板巖層在頂梁后部切斷冒落。這種支架一般適用于穩(wěn)定和堅(jiān)硬的頂板。 支撐掩護(hù)式：對(duì)頂板兼有支撐和掩護(hù)兩種作用，支撐部分大于掩護(hù)部分。適合于中等穩(wěn)定的頂板條件。 掩護(hù)式：在結(jié)構(gòu)上有掩護(hù)梁，支架頂梁較短，支撐能力較弱，頂梁上支撐力集中在靠煤壁附近，主要靠掩護(hù)作用維護(hù)工作空間。適用于松軟破碎頂板條件。11、工作面支架對(duì)基本頂有哪兩種工作方案？簡述這兩種工作方案對(duì)基本頂各自的控制要求。 采場(chǎng)支架對(duì)基本頂有兩種工作方案：“給定變形”工作方案和“限定變形”工作方案?！敖o定變形”工作方案對(duì)基本頂?shù)目刂埔螅簬r梁運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定時(shí)的位態(tài)由巖梁的

7、強(qiáng)度及兩端支承情況決定。在巖梁由端部斷裂到沉降至最終位態(tài)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，支架只能在一定范圍內(nèi)降低巖梁的運(yùn)動(dòng)速度，但不能對(duì)巖梁運(yùn)動(dòng)的最終位態(tài)起到限制作用。 “限定變形”工作方案對(duì)基本頂?shù)目刂埔螅翰蓤?chǎng)支架對(duì)巖梁運(yùn)動(dòng)進(jìn)行必要的限制，即在支架阻力的作用下，巖梁不能沉降至最低位態(tài)（無阻礙最終沉降位態(tài)）。巖梁運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定時(shí)的位態(tài)（巖梁運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定時(shí)采場(chǎng)的頂板下沉量）由采場(chǎng)支架的阻抗力所限定。12、給出位態(tài)方程的表達(dá)式，并解釋其含義。位態(tài)方程的表達(dá)式：A 直接頂?shù)淖饔昧Γ?控頂末排最大頂板下沉量；要控制的頂板下沉量；K 位態(tài)常數(shù)，由巖梁參數(shù)和控頂距決定。位態(tài)方程主要有以下三方面的含義：（1）支架在“限定變形”狀

8、態(tài)下工作時(shí)，支架工作阻力與取得平衡的基本頂巖梁位態(tài)之間存在著相應(yīng)的力學(xué)平衡關(guān)系，理論上可以建立兩者之間的力學(xué)方程。（2）因直接頂在采空區(qū)內(nèi)已經(jīng)垮落，頂板控制設(shè)計(jì)必須按直接頂沿煤壁處切斷的最危險(xiǎn)狀態(tài)考慮，因此，支架必須承擔(dān)起全部直接頂?shù)淖饔昧?。位態(tài)方程表明，任何小于直接頂作用力的支護(hù)強(qiáng)度都是不安全的（即“非法”的）。（3）闡述了支架-圍巖之間的雙曲線關(guān)系，即需要控制的頂板位態(tài)越高（ 越?。?，需要的支護(hù)強(qiáng)度越大；反之，需要控制的頂板位態(tài)越低（ 越大），需要的支護(hù)強(qiáng)度越小。當(dāng)需要控制的頂板位態(tài) = 時(shí)，即為“給定變形”工作方案。14、按工作面布置方式分類，放頂煤采煤法分哪幾類？放頂煤采煤法可分為四種

9、不同的類型：整層放頂煤采煤法；預(yù)采頂分層放頂煤采煤法；預(yù)采中間分層放頂煤采煤法；水平分段放頂煤采煤法。 22、簡述沿空留巷從掘進(jìn)到報(bào)廢整個(gè)服務(wù)期間的變形過程。 沿空留巷要經(jīng)歷如圖所示的頂板活動(dòng)和支承壓力作用的全過程，在整個(gè)服務(wù)期間其圍巖變形過程可分為七個(gè)階段： （1）實(shí)體煤中掘巷影響引起的圍巖變形； （2）掘巷影響穩(wěn)定后至上工作面回采影響前的圍巖流變變形。 （3）上工作面超前支承壓力作用影響引起的圍巖變形。 （4）上工作面基本頂巖梁斷裂后回轉(zhuǎn)下沉顯著運(yùn)動(dòng)引起很大的巷道圍巖變形。（5）基本頂顯著運(yùn)動(dòng)觸矸后，進(jìn)一步壓實(shí)矸石的過程中引起的的圍巖變形。 （6）上工作面回采引起的頂板活動(dòng)趨向穩(wěn)定至下工作

10、面回采影響前的圍巖流變變形。 （7）受本工作面超前支承壓力作用影響引起的巷道圍巖變形。 26、沖擊地壓按沖擊時(shí)釋放的地震能大小分為哪幾類？并簡述各類別的顯現(xiàn)及迫害特征？（1）微沖擊。小范圍的巖石拋出和震動(dòng)，局部破壞，單個(gè)煤巖塊彈出，并伴有射擊聲響。（2）弱沖擊。少量煤巖拋出的局部破壞，伴有明顯聲響和地震效應(yīng)，不造成嚴(yán)重破壞。（3）中等沖擊。急劇的脆性破壞，拋出大量煤（巖）體，形成氣浪，造成幾米長的巷道支架及設(shè)備破壞。（4）強(qiáng)烈沖擊。使長達(dá)幾十米的巷道支架破壞和垮落，損壞機(jī)電設(shè)備、需要大量修復(fù)。（5）災(zāi)害性沖擊。使整個(gè)采區(qū)或一個(gè)水平內(nèi)的巷道發(fā)生垮落。特別嚴(yán)重情況下波及全礦造成礦井報(bào)廢。三、論述題

11、1、論述采場(chǎng)推進(jìn)過程中初次來壓階段支承壓力及顯現(xiàn)的發(fā)展規(guī)律？ 第一階段：采場(chǎng)開始推進(jìn)到煤壁支承能力改變之前。 煤體特點(diǎn)：煤體沒有破壞，彈性壓縮； 壓力分布：一條高峰在煤壁上的單調(diào)下降曲線（負(fù)指數(shù)）； 礦山壓力顯現(xiàn)分布：與壓力分布曲線相同，即煤壁沒有進(jìn)入塑性狀態(tài)，各巖梁的跨度相等，同一位置的傳遞系數(shù)相同。 第二階段：從煤壁支承能力改變到老頂巖梁端部斷裂前為止。 煤體特點(diǎn)：煤體支承能力降低，隨老頂巖梁的離層發(fā)展，其作為載荷與傳遞上部巖重的作用將逐步下降。 壓力特點(diǎn)：塑性區(qū)（包括煤體已完全破壞部分）壓力逐漸上升， 彈性區(qū)內(nèi)則單調(diào)下降，其壓力高峰在交界處。 礦山壓力顯現(xiàn)特點(diǎn)： 總體仍為單調(diào)下降曲線，但

12、是具體講則是塑性區(qū)內(nèi)與壓力分布相反，彈性區(qū)內(nèi)與壓力分布相同。第三階段:從老頂巖梁端部斷裂到巖梁中部觸矸為止。 煤體特點(diǎn)：支承壓力分布與顯現(xiàn)變化劇烈，壓力分布與顯現(xiàn)總體一致。 壓力特點(diǎn):斷裂線附近應(yīng)力集中；以斷裂線為界分為兩個(gè)應(yīng)力場(chǎng)；兩個(gè)應(yīng)力場(chǎng)中壓力分布背向發(fā)展。 礦山壓力顯現(xiàn)特點(diǎn):巖梁斷裂時(shí)，伴隨壓力的集中，該部位移近速度突增；斷裂擴(kuò)展或顯著沉降，頂?shù)装逡平霈F(xiàn)停滯甚至反彈； 斷裂結(jié)束后，內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)中的壓力顯現(xiàn)以斷裂 線為界呈背向轉(zhuǎn)移變化。2、分析周期來壓階段采場(chǎng)與巷道中老頂巖梁端部斷裂前后支承壓力分布及顯現(xiàn)的主要規(guī)律？ （1）支承壓力分布變化的主要規(guī)律： a、巖梁端部斷裂前夕，在斷裂線附近將

13、伴有壓力的集中； b、巖梁斷裂結(jié)束時(shí)，以斷裂線為界將支承壓力分布明顯地劃分為兩個(gè)部分，即在斷裂線與煤壁之間由已斷裂巖梁自重所決定的“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”，以及在斷裂線外由上覆巖層整體重量所決定的“外應(yīng)力場(chǎng)”； c、兩應(yīng)力場(chǎng)形成后，隨工作面推進(jìn)，各自的應(yīng)力高峰以斷裂線為界呈背向轉(zhuǎn)移變化。 （2）超前巷道中顯現(xiàn)的主要規(guī)律： a、巖梁斷裂時(shí)，伴隨著壓力在斷裂線的集中，該部位頂?shù)装逡平俣葘⑼蝗辉龃螅?b、隨巖梁斷裂擴(kuò)展或顯著沉降，由于斷裂線附近的壓力突然下降，煤層頂?shù)装宓囊平霈F(xiàn)停滯甚至產(chǎn)生“反彈”現(xiàn)象； c、巖梁斷裂結(jié)束后，隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中的壓力顯現(xiàn)也將以斷裂線為界呈背向轉(zhuǎn)移變化。 3、下圖表示

14、在煤體邊緣處于彈性狀態(tài)的條件下，工作面煤體上的支承壓力分布，試分析在此條件下巷道開掘的位置和時(shí)間如何選擇？煤體邊緣處于彈性狀態(tài)條件下，老頂在煤體邊緣裂斷，由老頂回轉(zhuǎn)下沉造成的頂板下沉量小；煤體邊緣處于彈性變形狀態(tài)，由煤體變形引起的巷道頂板下沉量小、幫壓小；支承壓力高峰在煤體邊緣，巷道底臌量小。因此，在無內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)條件下的沿空留巷其維護(hù)一般是比較容易的，特別是在有相適應(yīng)的支護(hù)手段時(shí)，應(yīng)積極采用沿空留巷。 因?yàn)槊后w邊緣處于彈性變形狀態(tài)，故沿空送巷引起的圍巖變形較小。當(dāng)受本工作面回采影響時(shí)，如果煤體邊緣由于疊加支承壓力的作用進(jìn)入塑性破壞狀態(tài)，巷道圍巖變形量會(huì)急劇增加。但支承壓力高峰要向煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，留

15、小煤柱送巷2的的巷道將處于疊加支承壓力峰值區(qū)內(nèi)的巷道將處于疊加支承壓力峰值區(qū)內(nèi)，勢(shì)必受到疊加支承壓力高峰影響，巷道圍巖同樣會(huì)進(jìn)入塑性破壞狀態(tài)（兩幫煤體處于單向受壓狀態(tài)）、而且小煤柱可能失去穩(wěn)定性，因此 留小煤柱送巷2 的圍巖變形也會(huì)急劇增加。如果疊加支承壓力峰值不足以使煤體邊緣發(fā)生塑性破壞，則沿空送巷1的變形量不大，不必在位置2送巷。巷道位置3在原始應(yīng)力區(qū)中，只受超前支承壓力作用，巷道圍巖變形量最小。但煤柱損失大，且給下部煤層開采帶來不利影響，尤其是深部開采和開采有沖擊傾向性煤層更加不利。 沿空送巷如在老頂觸矸前掘出，則巷道將由于老頂回轉(zhuǎn)來壓而產(chǎn)生很大的頂板下沉；在老頂巖梁觸矸石后掘巷，則不受

16、頂板顯著運(yùn)動(dòng)的影響。4、工作面?zhèn)认蛎后w邊緣處于塑性狀態(tài)下，繪圖說明有哪幾種沿空掘（送）巷位置，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。 工作面?zhèn)认蛎后w邊緣處于塑性狀態(tài)下的應(yīng)力分布（內(nèi)、外應(yīng)力場(chǎng)）見示意圖。煤體邊緣處于塑性破壞狀態(tài)，支承壓力分布出現(xiàn)了內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)，在此條件下，對(duì)于合理的送巷位置與時(shí)間分析如下： 由圖所示，煤體邊緣處于塑性狀態(tài)下有四種可能的送巷位置：在內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中的沿空送巷(位置1)和小煤柱送巷(位置2)、在外應(yīng)力場(chǎng)中的煤柱護(hù)巷(位置3)以及原始應(yīng)力區(qū)的大煤柱送巷(位置4)。由于內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中的煤體己發(fā)生塑性破壞，處于卸壓狀態(tài)，因此內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中掘巷不會(huì)引起支承壓力分布和煤體力學(xué)狀態(tài)的明顯變化。從頂板活動(dòng)和支承壓力分

17、布發(fā)展過程來看，老頂巖梁觸矸后（內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)穩(wěn)定后）的沿空送巷1，不僅可以避免由于老頂顯著運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生很大的巷道頂板下沉，而且在覆巖穩(wěn)定和支承壓力疊加過程中內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中的應(yīng)力上升較少，巷道受采動(dòng)影響較小，因此條件具備時(shí)應(yīng)積極采用沿空送巷。 老頂巖梁觸矸后在內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中的小煤柱送巷2，同樣避免了由于老頂顯著運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的很大的巷道頂板下沉，圍巖變形較小。特別是當(dāng)工作面需要擋矸、防漏風(fēng)和防水時(shí)，一般采用在內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中的小煤柱送巷2。在外應(yīng)力場(chǎng)中的煤柱護(hù)巷3送巷后，巷道兩幫煤體由三向受壓狀態(tài)變成單向受壓狀態(tài)，在支承壓力峰值區(qū)的作用下，巷道兩幫煤體必然要發(fā)生塑性破壞，送巷后即產(chǎn)生較大的圍巖變形。尤其是受本工作面采動(dòng)

18、影響時(shí)處于支承壓力峰值疊加區(qū)內(nèi)，巷道難以維護(hù)。 在原始應(yīng)力區(qū)的大煤柱護(hù)巷4，送巷后僅受工作面超前支承壓力作用，維護(hù)狀況較好，但煤柱損失大。 上述分析表明，工作面?zhèn)认蛎后w邊緣處于塑性狀態(tài)下，在老頂觸矸后的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中采用沿空送巷位置1和留小煤柱送巷位置2是合理的。老頂巖梁觸矸是在內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中送巷比沿空留巷優(yōu)越的先決條件。若掘巷時(shí)老頂巖梁尚未觸矸即掘巷，滯后回采工作面的距離過短，則在內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中送巷的受力和變形就與留巷差別不大了。因此，送巷的位置由內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)范圍決定，送巷的時(shí)間由老頂運(yùn)動(dòng)的發(fā)展過程決定。四、計(jì)算題某普采工作面煤層傾角為 13°，采高為 2.4m，控頂距為 4.0m，直接頂厚度為 4.8m，初次垮落步距為 13m，懸頂距為 1.0m，基本頂厚度為 6.4m，初次來壓步距為 25m，周期來壓步距為 10m，工作面支護(hù)為單體支柱加鉸接頂梁支護(hù)，支柱實(shí)際支撐能力為