岩层控制理论与技术作业

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矿山开采及岩层控制习题

名词解释沿空留巷：工作面采煤后沿采空区边缘维护原回采巷道。

沿空掘巷：完全沿采空区边缘或仅留很窄煤柱掘进巷道。

周期来压：基本顶周期破断在采煤工作面引起的矿压显现。

矿山压力显现：影响矿压显现的主要因素有顶板下沉，顶板下沉速度，支柱变形与折损，顶板破碎情况。

老顶初次来压：老顶第一次失稳带来的工作面压力增大的现象。

原岩应力：存在于底层中未受工程扰动的天然应力。

充填开采：用充填材料充填已采空间，这相当于减少了煤层开采厚度，从而减少了采空区上覆岩层变形与破坏。

关键层：对采场上部岩层的局部或直至地表的全部岩层起控制作用的岩层简答题采场老顶失稳条件及失稳形式及岩层结构答：岩层结构：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，一般由砂岩，砂砾岩，石灰岩组成。

失稳形式：1结构滑落失稳2结构变形失稳失稳条件：1老顶岩块的滑落失稳是工作面顶板出现台阶及有时地表下沉出现台阶的现象2煤壁上方老顶剪切力最大是工作面顶板沿煤壁切落的原因3上覆岩层结构的存在是支架受力小于覆盖层重量的原因4采高小，直接顶较厚和用充填法处理采空区是工作面顶板压力比较小的原因。

5工作面形成的支撑压力主要集中于前拱角的原因原岩应力有那几部分组成，每部分的分布特点答：原岩应力有自重应力和构造应力结构应力分布特点：1一般情况下地壳运动以水平运动为主，构造应力主要是水平应力；而且地壳总的运动趋势是相互挤压，所以水平应力以压应力占优势。

2构造应力分布不均匀，在地质变化比较剧烈的区域，最大主应力的大小和方向都有很大变化。

3岩体中构造应力具有明显的方向性，最大水平主应力和最小水平主应力一般相差较大。

4构造应力一般在坚硬岩层中出现比较普遍在软岩中储存构造应力较少。

采场工作面支护与地板下沉量的相互关系答：支架工作阻力与地板下沉量的关系在一定程度上反映了支架与围岩之间的相互作用关系。

及在一点工作阻力以上支架工作阻力增加对顶板下沉量影响较少，但低于此值则影响极大。

煤矿开采的岩层控制方案

采空区处理方法
根据采空区的类型和实际情况，采取相应的处理方法，如封闭采空区、填充采空区、自然垮落采空区等。
采空区监测
通过安装压力传感器、温度传感器等设备，实时监测采空区的压力和温度变化，及时发现异常情况。
03
岩层控制方案制定
方案制定原则
安全第一原则
确保岩层控制方案能够保障矿工的生命安全和健康，防止事故发生。
设备与人员准备
确保具备实施方案所需的设备和人员，并进行必要的培训和演练。
应急预案制定
制定应对可能出现的突发事件的应急预案，确保安全事故得
到及时处理。
实施过程中的注意事项
动态监测
对采掘工作面进行实时监测，及时发现和解决安全隐患。
支护质量保证
确保支护结构的质量和稳定性，防止岩层崩塌。
控制爆破作业
板等。
顶板监测
通过安装顶板压力传感器、位移传感器等设备，实时监测采场顶板的压力和位移变化，及时发现顶板异常。
顶板加固
对于不稳定顶板，采取注浆、锚杆、锚索等加固措施，提高顶板的稳定性，防止冒顶和片帮事故。
巷道支护技术
巷道断面设计
巷道维护
根据巷道的用途、运输量、通风要求等因素，合理设计巷道断面形状和尺寸。
定期检查巷道的支护状况，对损坏的支架进行维修或更换，保证巷道的畅通和安全。
支护方式选择
根据岩层的性质、地压大小、巷道的服务年限等因素，选择合适的支护方式，如木支护、金属支架支护、锚杆支护等。
采空区处理技术
采空区分类
根据采空区的规模、稳定性等特征，将采空区分为不同类型，如大采空区、小采空区、自然发火采空区等。
根据评估结果，提出针对性的改进建议，不断完善岩层控制方案。

煤矿开采的岩层控制方案 (2)

支护方式选择
根据巷道的围岩条件、服务年限、断面大小等因素，选择合适的支护方式，如木支架、金属支架
、锚喷支护等。
锚杆支护设计
锚杆的长度、直径、间排距等参数需要根据实际情况进行设计，以确保锚杆能够有效加固围岩，防止巷道变形和破坏。
监测与维护
对巷道支护进行定期监测和维护，发现异常及时处理，确保巷道安全可靠。
巷道方向
根据矿体走向和开采顺序，合理确定巷道的方向，以减少巷道掘进量和采动影响。
巷道间距
根据矿层厚度和开采工艺，合理确定巷道间距，以确保采掘安全和效率。
采煤工艺选择
落煤方式
根据煤层厚度和硬度，选择合适的落煤方式，如爆破、机械割煤等。
装煤运输
根据运输距离和运输设备，选择合适的装煤和运输方式，以提高运输效率。
采空区处理技术
采空区分类
根据采空区的形态、大小、位置等因素，将其分为不同类型，以
便采取相应的处理措施。
充填处理
采用砂石、尾砂、废石等材料对采空区进行充填，以减小顶板下沉量和下沉速度，防止顶板大面
积冒落。
崩落处理
对于不稳固的围岩，可以采用强制崩落的方法处理采空区，同时对崩落的岩石进行适当处理，以
采空区处理
根据采空区的特点和安全要求，选择合适的处理方式，如自然垮落、人工充填等。
安全措施制定
瓦斯管理
制定瓦斯检测、抽放、利用等安全措施，确保瓦斯浓度在安全范围内。
防尘措施
采取有效的防尘措施，如喷雾降尘、通风除尘等，降低粉尘浓度。
防水措施
制定防水措施，如设置防水闸门、排水沟等，以防止水患对开采的影响。
03
岩层控制方案实施
采场设计

矿山压力与岩层控制实习指导书

矿山压力与岩层控制实习指导书1. 实习目的本次实习的主要目的是让学生们了解矿山压力与岩层控制的基本概念和处理方法，增强对矿山安全的认识和应变能力，提高实践技能。

2. 实习内容本次实习分为三个部分，分别是矿山压力测量、岩层控制技术和矿山安全应急处理。

2.1 矿山压力测量在矿山开采和运输过程中，由于地形、地质、人为因素等影响，会产生各种不同形式和程度的压力。

采用科学、规范的方法进行矿山压力的测量，有助于提早预警并处理潜在的安全隐患。

学生们将掌握以下内容：•矿山压力的来源和影响因素。

•矿山压力测量的基本原理和方法。

•矿山压力数据采集和分析技术。

2.2 岩层控制技术岩层控制技术是指在地下开采中，通过采用加强和限制措施，使矿山岩壁稳定，减少或预防地质灾害的发生。

学生们将学习以下内容：•岩层控制技术的种类和特点。

•岩层控制计划的编制方法和实施步骤。

•岩层控制后效果的评估和监测方法。

2.3 矿山安全应急处理矿山是一个安全事故易发区域，尤其是在地下开采中常见挖斜、边坡坍塌等情况，因此必须建立科学的应急处理机制，提高面对突发事件的能力。

学生们将学习以下内容：•矿山安全应急处理的基本原则和流程。

•矿山事故中的应急战术和技术。

•实际矿山安全应急演练。

3. 实习设施为了确保实习效果和安全，学校将为每组学生配备必要的设备和器材，包括：•矿山压力计、量规、测量仪器等。

•岩层控制装备、安全帽、救生绳等。

•安全检测仪、防毒面罩等。

同时，学校将邀请专业老师进行指导，确保整个实习过程的安全和顺利进行。

4. 实习注意事项•在实习班次开始前，必须认真阅读实习手册，了解实习要求、安全注意事项等内容。

•在实习过程中，必须严格按照安全、规范操作，并做好安全防护工作。

•在进行岩层控制操作时，务必根据地质条件和实际情况选择合适的控制方式。

•在进行矿山安全应急演练时，必须根据现实情况认真实施应急处理措施，并遵守统一指挥原则，充分发挥小组协作作用。

岩层控制中的关键层理论研究

岩层控制中的关键层理论研究一、本文概述《岩层控制中的关键层理论研究》这篇文章旨在深入探讨和分析岩层控制领域中的关键层理论。

关键层理论是地质工程学和岩石力学的重要组成部分，它对于理解岩层的稳定性、预测地质灾害、优化地下工程设计和保障工程安全具有重大意义。

本文首先将对关键层理论的基本概念、研究背景和研究现状进行概述，为后续深入研究和应用提供理论基础。

文章将首先阐述关键层的定义和特性，包括关键层的形成机制、结构特征以及其在岩层中的作用。

接着，将回顾关键层理论的发展历程和研究现状，分析当前研究存在的问题和挑战。

在此基础上，文章将重点探讨关键层理论在岩层控制中的应用，包括其在地质灾害预测、地下工程设计和施工中的实际应用案例。

本文还将对关键层理论的未来发展趋势进行展望，探讨新技术和新方法在关键层理论研究中的应用前景。

文章将总结关键层理论在岩层控制中的重要作用，强调其在保障地下工程安全和促进地质工程学科发展方面的重要价值。

通过本文的研究，将为岩层控制领域提供新的理论支撑和实践指导，推动关键层理论在地质工程学和岩石力学中的广泛应用和发展。

二、关键层理论的基本概念关键层理论是岩层控制领域中的一个重要理论，它主要关注的是在地下工程中，如何通过对岩层的科学分析和合理控制，实现工程安全、高效和经济的目标。

关键层理论的基本概念包括关键层的定义、特性以及其在岩层控制中的作用。

关键层是指在地下工程中，对岩层稳定性起决定性作用的岩层或岩层组合。

这些岩层或岩层组合由于其特殊的物理力学性质、结构特征或空间位置，对周围岩层的稳定性和变形行为具有重要影响。

关键层的存在往往决定了地下工程的稳定性和安全性。

关键层具有一些显著的特性。

例如，关键层往往具有较高的强度和刚度，能够承受较大的载荷和变形；同时，关键层还可能具有特殊的结构特征，如层面、节理、断层等，这些结构特征对岩层的稳定性和变形行为具有重要影响。

关键层在空间位置上往往处于地下工程的关键部位，如巷道顶板、底板、侧帮等，对地下工程的整体稳定性起着至关重要的作用。

岩层控制理论与工程设计详述

普通直面锚具、球形锚具与斜锚索配合受力状况
普通直面锚具、球形锚具与倾斜顶板垂直锚索配合受力状况
锚索偏载拉力实验装置
α=5°～ 20°时，装配普通直面锚具的锚索断裂情况
装配球形锚具的锚索断裂情况
KM18直面锚具不垂直度与锚索
破断力试验数据（Φ17.8锚索）
）
外露段与受拉段间夹角(°)
基本顶承担部分自身荷重，剩余部分通过直接顶传到支架上顶板控制——解决工作面支护强度问题（工作面支架失稳问题）。
矿压理论：
研究基本顶岩层的断裂、垮落及作用到支架上的载荷量值。核心：基本顶岩层的物性、结构、载荷“三大主题”。
库兹涅佐夫铰接岩块矿压假说
(1950～1954 Г.Н.Кузнецов)
岩层控制理论与工程设计详述
2020年4月26日星期日
锚固岩层剪胀平衡力学模型
•1. 锚固岩层剪胀平衡力学系统符合R.E.Goodman 试验曲线； •2. 层面法向应力（锚固应力）σ，随岩层剪切位移量的增加而发生改变； •3. 三铰拱块体的抗剪强度τ，随锚固应力和层面滑移量的不同而发生改变。
锚固岩层剪胀平衡理论
•岩层层面剪力： •层面平均剪应力：
•层面法向锚固应力：
顶板岩层锚固强度计算公式：
•层面剪胀摩擦角 •p=σ+ q
：
•
式中：p——顶板岩层锚固强度；
•
σ——岩层层面锚固应力；
•
q——锚固岩层荷重（锚固岩层容重×厚度=γ ∑h ）。
顶板锚固岩层的预应力与自重应力
•取：
•条件 • 顶板预应力为pA；
采场薄板矿压理论的力学模型
•a— 四边固支板； •c— 一边自由，三边固支板；

煤矿开采的岩层控制

智能化控制
通过智能算法和控制系统，自动调整采煤机、支架等设备的工作参数，实现岩层控制的最优化。
新型支护材料与技术
新型支护材料
研发高强度、轻质、耐腐蚀的支护材料，提高巷道支护效果，降低维护成本。
新型支护技术
推广锚网索支护、注浆加固等先进支护技术，提高巷道稳定性，降低事故风险。
生态友好型采煤技术
岩层破坏机制
研究岩层的破坏机制和演化过程，为制定有效的控制措施提供依据。
岩层控制设计原理
采场设计
根据矿床赋存条件和开采技术条件，合理设计采场结构参数，确保采场稳定。
巷道支护
根据巷道的围岩条件和受力状态，选择合适的支护方式和材料，提高巷道稳定性。
采掘顺序优化
优化采掘顺序，降低对岩层的扰动，减少岩层失稳的风险。
绿色开采
研究开发低污染、低能耗的采煤技术，降低对环境的影响，实现绿色开采。
生态恢复
利用生态工程技术，对采煤破坏的土地进行恢复和治理，实现矿区生态环境的可持续发展。
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04
巷道岩层控制技术
巷道围岩监测
监测目的
实时监测巷道围岩的应力状态、位移变化和潜在破坏区域，为支护设计和施工提供依据。
监测方法
采用应力计、位移计、声发射仪等设备，对围岩进行应力、位移和声发射信号的监测。
数据处理
对监测数据进行整理、分析和处理，绘制围岩应力、位移变化曲线和声发射事件分布图。
岩层控制工程实践
监测预警系统
建立监测预警系统，实时监测岩层的位移、应力和变形等参数，及时发现异常情况。
应急处理措施
制定应急处理措施，一旦发生岩层失稳事故，能够迅速采取有效措施进行处置。

矿山岩层控制新理论

摘要煤炭开采后会引起采空区岩层移动和破坏,并导致地表塌陷、煤岩体中水与瓦斯的流动,从而引发了一系列的环境与安全问题,如顶板冒顶事故、地表建筑物和土地的破坏、地下水资源的破坏和井下突水事故、井下瓦斯事故与瓦斯排放污染大气等。

煤炭开采引起的上述环境与安全问题的发生都与采动岩层移动与控制有关,因此,为了实现煤炭资源的高效、安全和绿色开采,必须建立岩层控制的理论和技术。

然而最切入实际的也被最广泛应用与思考的应当是工程改造补强作用与岩体结构稳定性关联性问题及不同结构类型岩体的工程地质性质及岩基的变形特征与承载能力。

关键词煤炭开采、矿山岩层控制、工程改造补强、岩体结构、岩基的变形特征、承载能力。

矿山岩层控制新理论一、矿山岩层控制的定义 (3)二、矿山岩层控制新理论 (3)三、工程改造补强作用与岩体结构稳定性关联性 (4)（一）工程改造补强作用 (4)（二）与岩体结构稳定性 (4)（三）工程改造补强作用与岩体结构稳定性关联性 (4)四、不同结构类型岩体的工程地质性质及岩基的变形特征与承载能力 (6)（一）不同结构类型岩体的工程地质性质 (6)（二）岩基的变形特征 (7)（三）岩体的稳定性分析 (8)矿山岩层控制新理论一、矿山岩层控制的定义由于矿山开采活动的影响，在硐室周围岩体中形成的和作用在巷硐支护物上的力定义为矿山压力。

在矿山压力的作用下，会引起各种力学现象，从而使岩层发生变化，为使矿山压力显现不影响正常的开采工作和保证生产安全，采取各种技术措施加以控制，称为岩层控制。

岩层控制是采矿学科的核心理论与关键技术之一。

二、矿山岩层控制新理论煤炭开采后会引起采空区岩层移动和破坏,并导致地表塌陷、煤岩体中水与瓦斯的流动,从而引发了一系列的环境与安全问题,如顶板冒顶事故、地表建筑物和土地的破坏、地下水资源的破坏和井下突水事故、井下瓦斯事故与瓦斯排放污染大气等。

《岩层控制技术》试题6

《岩层控制技术》试题六参考答案一、名词解释（每题2分，共20分）1、莫尔强度理论：该理论认为岩石发生破坏主要是由于破坏面上的剪应力达到一定限度，但此剪应力还与破坏面上由于正应力造成的摩擦阻力有关。

2、沿空留巷：就是在上区段工作面采过后，通过加强支护或采用其它有效的方法，将运输平巷保留下来，供下区段工作面开采时作为回风平巷之用。

3、支承压力：巷道两侧改变后的切向应力增高部分。

4、支柱的初工作阻力：指在支架的性能曲线中，活柱下缩时，工作阻力的增长率由急剧增长转为缓慢增长的转折点处的工作阻力。

5、矿山压力显现：由于矿山压力的作用，使围岩、煤体和各种人工支撑物产生的种种力学现象。

6、周期来压：由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象。

7、原岩应力状态：天然存在于原岩内而与任何人为原因无关的应力场。

8、端面破碎度：支架前梁端部到煤壁间顶板破碎的程度。

9、支撑效率：在实际工作中，为了衡量支柱工作阻力P反映到整个支架承受载荷Q的能力，经常以Q/P的百分数表示此支架的支撑效率。

10、裂隙体梁的平衡：工作面上覆岩层中由于岩块之间的咬合，可能形成外表似梁、实质似拱的平衡关系。

二、填空（每题1分，共10分）1、（岩石强度）（承载能力）2、（坚硬）（不均匀）（方向性）3、（2）（无关）4、（5％）（R i=√20r1）5、（一对力）（支架性能）6、（11.2）（能）7、（44）（18）8、（急增阻式）（微增阻式）（恒阻式）9、（围岩的自承能力）（支架）（围岩）10、（分布范围）（分布形式）（峰值大小）三、回答问题（8题任选6题，每题5分，共30分）1、〖答〗初次垮落指无支护的直接顶第一次垮落。

初次来压指老顶的活动。

2、〖答〗顶梁较长；支架的支撑力靠近采空区一侧；框式结构，不能承受水平力；通风断面大、行人方便、结构简单、重量轻。

适用于瓦斯涌出量较大、直接顶比较完整、顶板压力较大的近水平煤层和缓倾斜煤层工作面。

3、〖答〗煤体边缘卸载带：多数情况为1～3m，少数情况可达4～6m。

中国矿业大学采矿专业4岩层控制

4.2.2 工作面支架工作阻力计算依据修正的大采高开采条件下直接顶及基本顶概念，确定支架载荷的计算方法。由于大采高工作面直接顶中可能包括较厚而坚硬的砂岩、石灰岩及砂砾岩层，与中厚煤层工作面比较，矿压显现发生一些变化，工作面支架工作阻力计算也更为复杂。
采高增大，直接顶厚度可能大幅度增加，直接
悬顶情况，悬顶长度为L2。
(2) 直接顶顶板压力及载荷估算如图4.3所示,直接顶关键层以断裂线为支点。直接顶关键层产生旋转运动的外力是直接顶关键层的自重Q0; 悬顶部分承担的上位直接顶载荷Q1 基本顶的附加力P'; 阻止其发生旋转运动的是下位直接顶给予直接顶关键层的阻力P0。
直接顶关键层旋转时，其上层面在点A处向煤壁
工作面推进时老顶板的破断规律（三边固支）
老顶弹性基础梁解：老顶断裂线在煤壁内破断前后位移变化证明有反弹现象利用时间差预报老顶来压。
3）采场“支架-围岩”关系老顶破断后形成的块体结构将成为“支架－围岩”关系的边界条件： “砌体梁基本结构的变形与失稳” 煤柱 “支承压力” 直接顶传递
“支架”
L=12m，B=1.75m，h=4.8m，∑h=12.3m，LK=5.145m， β =600。化简得:
式中:l为周期来压步距。 P0由支架及下位直接顶共同提供，当下位直顶有自承能力时，P=P0-P1，P1为直接顶的自承能力，若直接顶无自承能力，P0要由支架全部承担，同时需要承担下位直接顶的重力q3。
液压支架架型的进一步划分
• 普通支架
大采高支架
两柱掩护式支架
两柱掩护式定型
四柱支撑掩护式（较少用）
高位放顶煤支架（已淘汰）
放顶煤支架
中位放顶煤支架（很少用）
低位放顶煤支架（主要架型）大采高低位放顶煤支架（主要架型）

煤矿开采中的岩层控制

研发新型支护材料和工艺
结合绿色发展理念，研究绿色开采技术，减少对环境的负面影响，实现煤矿开采的可持续发展。
推进绿色开采技术
THANKS
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重要性
岩层控制是煤矿开采中的关键环节，直接关系到采矿作业的安全和效率。有效的岩层控制可以降低事故发生率，提高采矿作业的可持续性和经济效益。
早期的岩层控制技术主要依靠经验，通过观察和简单工具进行判断和操作。
初期阶段
随着科技的不断进步，岩层控制技术逐渐引入了力学、地质学、计算机科学等学科知识，形成了更为科学和系统的理论体系。
煤矿开采中的岩层控制
汇报人：可编辑
2024-01-01
目录
岩层控制技术概述岩层控制技术在煤矿开采中的应用岩层控制技术的发展趋势与挑战案例分析结论
01
CHAPTER
岩层控制技术概述
定义
岩层控制技术是指通过采取一系列措施，对采矿过程中岩层的稳定性进行控制，以减少或避免岩层垮塌、冒顶等事故发生的技术。
详细描述
总结词
冲击地压是一种常见的岩层控制问题，主要涉及应力监测、解压开采和卸压等方面。
详细描述
冲击地压是一种由于地下岩层在高应力状态下突然发生破坏而产生的现象，常常导致巷道变形、破坏和人员伤亡。为了防治冲击地压事故的发生，需要采取一系列措施。首先，对岩层的应力状态进行实时监测，掌握应力变化情况；其次，采取解压开采技术，降低应力集中程度；最后，采取卸压措施，释放岩层中的高应力。同时，还需要加强人员安全培训和应急处置演练，提高应对冲击地压事故的能力。
03
CHAPTER
岩层控制技术的发展趋势与挑战
利用人工智能、大数据和物联网等技术，实现岩层控制过程的自动化和智能化，提高开采效率和安全性。

矿井巷道支护、岩层控制与安全综合技术

矿井巷道支护、岩层控制与安全综合技术矿井巷道支护、岩层控制与安全综合技术应用行业：矿山技术领域：采煤方法主要内容本课题结合实际工程进度，在现场试验的基础上深入探讨该矿岩层移动规律，建立了系统化岩层移动预测预报系统，有效地解决了一号井锚喷支护技术、实验和推广锚杆和组合锚杆支护技术。

提出了现场确定合理支护参数、支护方案、支护形式，以及与采掘作业方式有关的技术问题。

在进行充分的现场实验和数值模拟实验研究的基础上，查明了各种支护方案的支护效果，工作特性、矿压规律以及与支护采掘工程有关的技术和理论难题。

提出了一套实用的支护设计方法、岩层控制、矿压监测、支护工作状态及开采过程中矿压规律的监控和预报技术。

技术要点1.锚杆支护技术及推广应用研究：提出了不同巷道的锚杆支护方案，建立了实用锚杆工作状态、支护效果的检测和长期监测方法。

2.巷道底臌机理及防治技术研究：查明了2号煤层底板岩层性质及导致巷道底臌的各种原因，提出不同的防治技术及其实用效果分析。

3.回采巷道支护技术、矿压规律及岩层控制研究：提出了连续采煤机开采过程的岩层动态矿压规律以及与之相应的支护工作特性。

并在此基础上完成了支护技术、岩层控制，以及合理的采掘作业方式和开采参数理论和实用技术的研究。

4.岩石性态实验及顶底板分类研究：对一号井煤层及顶底板的岩石物理力学参数进行了系统实验室测定。

5.监测及安全预报技术研究：提出了现场有关锚杆支护检测、矿压规律监测以及安全技术预报的具体方法。

运用现代数据处理方法和计算机可视化技术建立了一套完整的锚杆工作特性的测试和监测技术、回采过程中矿山压力及岩层动态的监测技术，和自动监测仪器及数据处理技术。

6.房柱式开采的矿井通风安全防尘综合研究：研制了一种新型高效的快速风墙材料及涂料。

提出了房柱式开采过程中粉尘测定和综合防治技术应用情况及前景黄陵矿区一号井为国内首次引进美国连续采煤机和相应配套设备，采用房柱式开采的大型试点矿井。

矿山岩层控制

成绩评阅人中国矿业大学工程硕士专业课（课外考核）作业封面学号姓名贺军工程领域课程名称矿山岩层控制任课教师邹喜正任课教师规定截止交作业时间：2015年 10 月 8 日工程硕士研究生交作业时间：年月日注意事项如果老师以课外作业形式考核，如写读书报告或小论文，必须严格按照老师规定的时间上交作业，以便老师评定成绩。

作业前面必须订上此封面。

由于工程硕士无论什么原因不按规定时间上交作业，晚交作业不予评阅，作业作废，请随下一年级重修。

研究生院培养管理办公室印制矿山岩层控制矿山岩层控制的理论与技术是煤炭安全高效益开采及其相关环境损害控制的重要基础，是采矿工程学科理论的核心内容，其研究的发展水平和控制设计决策的现代化程度对煤炭生产发展具有重大影响。

由于采矿岩层控制问题的复杂性和多变性，决定了矿山压力和岩层运动是随时间空间而发生动态演化的，是随地质条件的变异和开采方法的改变而呈现明显差异的。

因此，深入开展对岩层控制理论的研究，是实现煤矿安全高效开采，煤炭资源回采和环境损害控制等方面可靠的保证。

随着经济发展，能源需求不断增加，浅部资源正日益减少，国内外矿山相继进入深部开采状态，中国煤矿开采深度以每年8-12m 的速度增加。

采深的增加导致工程灾害日趋增多，如矿井冲击地压、瓦斯爆炸、矿压显现加剧、巷道围岩流变等，对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁。

因此，有必要对深部资源开采过程中所产生的矿山压力和岩层控制问题进行研究。

深部指随着开采深度增加，工程岩体开始出现非线性力学现象的深度及其以下的深度区间，把位于该深度的工程称为深部工程。

深部岩体由于其处于复杂的地球物理环境和应力场中，使得其表现出特有的力学特性，比如脆延转变、强流变性等。

对于深部开采，巷道围岩破坏现象加剧，岩体的流变性随采深的增加越来越明显，因此对深部岩层控制问题的解决迫在眉睫。

目前，已有不少科研工作者在从事相关研究。

鞠杨应用DDA 数值方法模拟分析了深部煤矿开采上覆岩层的应力场变化和变形移动规;王永岩根据深部软岩巷道围岩的蠕变试验数据得到了深部软岩巷道围岩在高应力作用下的蠕变方程，进而对深部软岩巷道进行了变形仿真分析;戴华阳通过相似材料模拟实验，分析了在焦坪矿区地质条件下，隔离煤柱尺寸对地表移动的影响，研究表明深部开采条件下工作面留设一定宽度的隔离煤柱对地表沉陷起到有效的控制作用;徐乃忠研究了深部开采地表沉陷规律及特点，得出：工作面覆岩破坏具有均匀、整体压缩、移动、变形的特点以及地表移动变形连续、缓慢、周期长的特点，提出用参数修正的概率积分预测模型来预测深部开采的地表沉陷;尹光志分析了(急)倾煤层深部开采覆岩变形，将上覆岩层简化为岩板，建立了上覆岩层的变形的力学模型，为(急)倾煤层深部开采覆岩变形计算提供了科学依据;柏建彪研究了深部巷道围岩稳定性，认为深部巷道围岩控制的基本方法是提高围岩强度、转移围岩高应力以及采用合理的支护技术。

岩层控制中的关键层理论结课报告

岩层控制中的关键层理论1、地质资料本次作业选取的是晋煤集团赵庄二号井。

设计生产能力0.9Mt/a，是晋煤集团重点扶持的中型矿井之一。

该矿井位于赵庄煤矿井田范围东部的刀把形区域内；由于该区域受地质构造，赵庄煤矿赵庄坑口电厂工业广场煤柱的影响，与井田北翼盘区形成了相对独立的区域。

且该区域内还受地面村庄、河流、铁路等的影响。

其首采工作面为1305大采高钻式综采工作面，开采工艺为一次采全高后退式综合机械化采煤，主采3#煤层，煤层厚度为4.6一5.5m，平均为5 m；煤层倾角为1~8°，平均为3°，属于近水平煤层。

工作面地面标高为+996 ~ +987m，煤层底板标高+582.4 ~ +586.2m，盖山厚度为404.6 ~ 409.8m；工业储量为193179.87t，可采储量179657.28t，开采面积25381m2；工作面倾斜长85m，工作面走向总长298.6m，机采高度为5m，循环进度为1.2m；作业方式为正规循环作业(三~八制作业)。

1305大采高钻式综采工作面煤层为黑色块状，平坦断口，亮煤为主。

半光亮型,有玻璃光泽、性脆、低硫、发热量高的贫煤。

基本顶为粉砂岩,灰黑色,中厚层状,均匀层理, 厚度为3.6m；直接顶为泥岩,灰黑色,中厚层状, 均匀层理,水平纹理,厚度为1.8m；直接底为泥岩,灰黑色,薄层状,具有植物根化石,厚2.6m;老底为细粒砂岩,灰黑色,中厚层状,均匀层理,厚度为2.1m。

详见工作面煤层综合柱状图1-1，工作面综合柱状图及其物理参数表1-1。

表1-1 1305工作面综合柱状图及其物理参数序号岩性厚度/m 抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa 弹性模量/MPa体积力N/m319 细粒砂岩 3.2 79.3 6.94 64.3 27610 18 粉砂岩 4.2 85.2 6.73 68.5 2759017 中粒砂岩16.0 88.4 6.48 71.5 27570 16 粉砂岩 6.5 85.2 6.73 68.5 27590 15 细粒砂岩 3.2 79.3 6.94 64.3 27610 14 中粒砂岩14.9 88.4 6.48 71.5 27570 13 砂质泥岩 5.4 63.8 5.32 38.7 2711011 砂质泥岩 3.8 63.8 5.32 38.7 27110 10 细粒砂岩8.8 79.3 6.94 64.3 27610 9 粉砂岩 4.4 85.2 6.73 68.5 275790 8 中粒砂岩 2.5 88.4 6.48 71.5 27570 7 粉砂岩 3.6 85.2 6.73 68.5 27590 6 泥岩 1.8 36.4 2.3 16 27220 5 煤 5.0 14 0.56 6.8 14360 4 泥岩 2.6 36.4 2.3 16 27220 3 细粒砂岩 2.1 79.3 6.94 64.3 27610 2 粉砂岩 4.7 85.2 6.73 68.5 27590 1 砂质泥岩 5.8 63.8 5.32 38.7 27110图1 1305工作面煤岩综合柱状图2 岩层控制中的关键层理论2.1 关键层的定义与特征在采场上覆岩层中存在着多层坚硬岩层时，对岩体活动全部或局部起决定作用的岩层称为关键层，前者可称为岩层运动的关键层，后者可称为亚关键层1采场上覆岩层中的关键层有如下特征：（1）几何特征，相对其它相同岩层厚度较厚；（2）岩性特性，相对其它岩层较为坚硬，即弹性模量较大，强度较高；（3）变形特征，在关键层下沉变形时，其上覆全部或局部岩层的下沉量与它是同步协调的；（4）破断特征，关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的破断，引起较大范围内的岩层移动；（5）支承特征，关键层破坏前以板(或简化为梁)的结构形式，作为全部岩层或层部岩层的承载主体,断裂后若满足岩块结构的S-R 稳定，则成为砌体梁结构,继续成为承载主体。

岩层控制实验(考试必备)

第一章：（1）实验报告：科技实验报告是描述、记录某项科研课题实验过程和结果的一种报告。

实验报告有两种：一种是理工科大学生为验证某定理或其结论所进行实验而撰写的实验报告。

另一种是创新型实验报告，它是研究者自己设计，从过程到结果都是新的实验，要求有所发现、发明和创造。

（2）学术论文：某一学术课题在实验性、理论性或观测性上具有新的科学研究成果或创新见解和知识的科学记录；或是某种已知原理应用于实际中取得新进展的科学总结。

（3）科技论文：在科学研究、科学实验的基础上，对自然科学和专业技术领域里的某些现象或问题进行专题研究、分析与阐述，揭示这些问题和现象的本质及其规律而撰写的文章。

第二章：（1）岩层控制：为使矿山压力显现不至于影响正常的开采工作和保证正常的生产安全所采取的的一系列控制技术和方法称作为岩层控制。

（2）岩层控制的研究方法：⑴数学力学分析方法：该方法将天然岩体作某些简化处理，采用相关的力学理论及有限元、边界元等解析方法，并借助计算机分析。

⑵实验室的试验研究方法：采用人工材料代替天然岩体制成模型后进行可采活动模拟实验。

⑶现场实际观测方法：根据矿压显现特征直接进行观测和记录。

（3）岩层控制的实验方法：⑴岩石力学基础性实验和岩体力学的综合研究性实验⑵支护体材料的力学性能测试⑶采场上覆岩层运动及巷道围岩变形的相似物理模拟实验⑷实测仪器仪表的实验室标定和矿山压力测试方法研究。

（4）相似模拟实验：相似模拟试验就是要用和原型力学性质相似的材料,按照一定的几何比例模拟岩体及煤层,并进行开掘,在满足相似的边界及初始条件下,使在相应的时期内造成相似的矿山压力现象。

满足的基本相似条件：1.几何相似2.运动相似3.动力相似4.应力相似5.外力相似（5）模拟试验台：○1平面应力模型：是以沿长度方向力学状态不变的横向剖面作为模拟对象的一种模型。

○2平面应变模型：模型采取三向独立加压方式，一般采用液压加载.其正面及背面的加压值应控制模型在该方向的变形量为零。

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中国矿业大学2015 级硕士研究生课程考试试卷端氏煤矿大巷位置调整及围岩控制考试科目：岩层控制理论与技术考试时间：2016年7月学生姓名：刘强学号：TS15020130P2所在院系：矿业工程学院任课教师：窦林名教授中国矿业大学研究生院培养管理处印制摘要针对沁和能源端氏煤矿该三条设计巷道穿层斜巷段的具体生产地质条件，采用动态系统设计方法确定巷道支护技术及支护参数，具体开展以下研究工作：①根据采掘衔接需要，提前综合考虑地应力、地质构造及巷道围岩等条件，全面分析各种因素对巷道支护的影响；②采用动态系统设计方法，合理确定各条巷道支护参数及支护技术；③与现场生产实际相结合，当地应力、地质构造及巷道围岩等条件发生变化时，对支护参数做出合理调整。

关键词：大巷；穿层；FLAC3D；数值模拟；围岩控制AbstractQinhe energy Duanshi coal mine roadway in the three design for wear layer oblique lane segment specific geological condition, the dynamic system design method is used to determine the roadway supporting technology and supporting parameters and specific research work carried out the following:（1）According to the need of mining and mining, considering the in-situ stress, geological structure and surrounding rock and other conditions, the influence of various factors on roadway support is analyzed;（2）Adopt the method of dynamic system design, reasonably determine the parameters and supporting technology of roadway support;（3）Combined with the production practice, the local stress, geological structure and the surrounding rock and other conditions change, the support parameters to make reasonable adjustments.Key words: large lane; wear layer; FLAC3D; numerical simulation; surrounding rock control1 绪论端氏煤矿大巷层位布置状况如图1-1所示，其中胶带大巷、轨道大巷、回风大巷布置为布置在3#煤层顶板以上5.0m 的岩石中，辅助回风大巷沿3#煤层底板布置。

上区段工作面停采线回风大巷胶带大巷轨道大巷集中回风巷辅助回风大巷停采线下区段工作面606047.344.3图1-1 开拓大巷布置状况图在顶板开拓大巷掘进过程中，存在施工区域防突穿层钻孔排屑、排水困难，层位控制困难，难以保证瓦斯抽采效果，回采工作面顺槽排水也较困难等问题。

为保证防突施工和防突效果，保证施工和生产安全，提出将开拓巷道的轨道、胶带、回风三条大巷布置层位由原3#煤层顶板岩石巷调整布置在3#煤层底板岩石中，辅助回风大巷仍沿3#煤层底板布置在煤层中。

2 穿层大巷围岩变形规律2.1 穿煤层大巷的围岩特点端氏煤矿开拓大巷在层位调整过程中，大巷布置由煤层上方稳定岩层沿一定小倾角向下掘进到达煤层中，沿着煤层顶板掘进一段距离后以原来角度进入到下部较稳定的岩层中，大巷依次穿过较稳定的粉砂质泥岩层到软弱泥岩层而后是更柔软的煤层，穿出煤层后再进入粉砂岩层、泥岩层及石灰岩层等，巷道围岩岩性变化趋势大致由强渐变到弱而后渐变到强。

这时一般仅需要对穿层部位巷道加强支护，不需要单独设计不同于正常巷道支护的支护方案，故针对穿层巷道的围岩控制缺乏较全面、系统、详细的分析。

2.2 围岩岩性变化对穿煤层大巷的影响特征2.2.1 模型的建立本文需要模拟的内容是在三条穿煤层开拓大巷相应的地质条件下，模拟穿煤层开拓大巷巷道变形量与不同围岩岩性强弱的关系，并模拟对比分析不同锚杆支护方案对各个巷道稳定性控制的效果。

鉴于本文模拟的内容和特点，用连续性的FLAC 3D 数值分析软件进行模拟是较好的选择。

如图可知：回风大巷的变形主要受自身开挖及胶带大巷和上区段工作面开挖的影响，胶带大巷的变形主要受自身开挖及回风和轨道大巷开挖的影响，而轨道大巷的变形主要受自身开挖及胶带、辅助回风大巷和下区段工作面开挖的影响。

需要模拟的轨道、胶带、回风三条大巷彼此之间的距离大于30 m ，通过理论经验及数值模拟分析可知，这三条大巷在各自开挖期间彼此基本不会产生影响。

因此胶带大巷变形最小，其次是回风大巷，轨道大巷变形最大(此结论亦通过模拟得证)，故本文把变形最大、最难控制的轨道大巷作为重点研究对象，下文所做模拟的对象也是以端氏煤矿轨道大巷为背景。

轨道大巷的变形主要受临近辅助回风大巷及下区段工作面开挖的影响，所建模拟模型如图2-1所示。

图2-1 整体模型工作面辅助回风大巷轨道大巷根据端氏煤矿生产地质条件，将下区段工作面、辅助回风大巷和轨道大巷建在同一个模型中，模型尺寸(长×宽×高)182×57×54 m ，理论上建立的模型要足够大到“无限远”以真实模拟模型周边存在对要模拟内容的可能影响，模型的运算速度限制了模型的大小，建模要在不影响主要模拟内容的情况下尽可能减小模型大小，此时需要固定模型的边界以减小模型大小及周边对模型的影响。

在本模型中，左右边界固定水平方向以限制水平移动，上边界应力按3#煤层600 m 的埋深载荷计算，下边界固定垂直方向以限制垂直移动。

该数值模拟采用适用于岩体的Mohr-Coulomb 屈服准则模拟围岩变形，Mohr-Coulomb 屈服准则：131sin 21sin s f ϕσσϕ+=-+-式中：1σ——最大主应力； 3σ——最小主应力，c ——内聚力； ϕ——内摩擦角当s f <0时，材料将发生剪切破坏。

2.2.2 数值模拟结果及分析由于轨道大巷是13º倾角的穿煤层巷道，若直接用图2-1中的模型对轨道大巷在穿煤层段的应力及变形进行模拟会出现以下问题：① 用十字布点法对巷道变形进行模拟监测时，不能精确的找到监测点，监测到准确的巷道变形数据，故亦不能用轨道大巷穿煤层段巷道处于煤层和岩层中的监测点监测得到的数据来对比分析围岩岩性对巷道变形的影响。

② 鉴于软件限制不能看到巷道内部的变形，若用其他后处理软件如Tecplot ，只能进行垂直x 或者y 轴切片观察巷道内部变形，故只能看到倾斜巷道的顶底板变形量，另外巷道切面中不能明确区分巷道中某特定位置的围岩岩性，故亦不能作出岩性对巷道变形影响程度的相关结论。

鉴于以上问题，为了更精确清晰的得到巷道变形与围岩岩性的关系，在等同条件下，本文将轨道大巷穿煤层段分成三种情况进行单独模拟，即轨道大巷处于煤层上部的岩层中，如图2-2(a)所示；轨道大巷处于煤层中，如图2-2(b)所示；轨道大巷处于煤层下部岩层中，如图2-2(c)所示。

如此模拟，既得到精确的结果，也简化了模型，使运算速度提升，减少了运算时间，使繁琐隐晦的问题简单明了化，得到的结论更可靠。

(a) 上方岩层中(b) 煤层中(c) 下方岩层中图2-2 轨道大巷布置位置图2.2.3 围岩应力状态对比分析通过模拟得到巷道所处围岩应力状态，可以直观的看出巷道周围的应力环境，巷道围岩应力状态分布情况是判断巷道稳定性的一个重要指标。

图2-3(a)、(b)、(c)分别是轨道大巷处于煤层上方岩层中、处于煤层中、处于煤层下方岩层中的围岩垂直应力效果图。

工作面辅助回风大巷轨道大巷工作面工作面辅助回风大巷辅助回风大巷轨道大巷轨道大巷(a) 上方岩层中(b) 煤层中(c) 下方岩层中图2-3 轨道大巷围岩应力分布图在以上三种不同情况下轨道大巷围岩应力分布图中可以看出，工作面的开挖对相对较远的轨道大巷影响较小。

从图中两巷之间的应力集中区域分布情况可以得到以下结论：①不论轨道大巷处于哪种层位，其围岩垂直应力集中系数皆为1.8-2.0，均不高，处于煤层中时略高。

②轨道大巷位于煤层中时的垂直应力集中区域远大于位于煤层上方或下方岩层中时的垂直应力集中区域，轨道巷道的稳定性相对较差；轨道大巷分别在煤层中、煤层上方岩层中、煤层下方岩层中时，轨道大巷左侧应力集中区域分别在巷道中部、巷道下部、巷道上部。

③两巷道位于同一层位的煤层中时，其开挖引起的应力集中范围相互连通，应力叠加，对巷道稳定性影响较大；辅助回风大巷位于煤层中，轨道大巷分别位于煤层上方或者下方岩层中时，其各自的应力集中范围都有所减小，处于煤层上方岩层中时的应力集中范围最小，而岩层岩性强弱依次为：煤层上方岩层、煤层下方岩层、煤层，可见，岩性强度越高，围岩应力集中程度越小，巷道所处应力环境越好，巷道稳定性也越好。

巷道开挖后，围岩应力重新分布，一般情况下，开挖巷道周边围岩由近及远依次会形成破碎区，塑性区和稳定弹性区。

破碎区一般较小，塑性区的分布范围大小则直接反映巷道的稳定性强弱及所需支护强度高低。

下图2-4(a)、(b)、(c)分别是轨道大巷布置在煤层上方岩层中、煤层中和煤层下方岩层中时的塑性区分布图。

轨道大巷(a) 上方岩层中(b) 煤层中(c) 下方岩层中图2-4 轨道大巷塑性区分布图中三色区域范围即为塑性区，通过对比以上三图中轨道大巷塑性区的分布情况可以得到以下结论：①轨道大巷处于煤层上部岩层中时，此时大巷底板为煤层，两帮为泥岩，顶板为较坚硬岩层，由图2-4(a)可以看出，大巷底板塑性区远大于顶板及两帮，顶板塑性区很小；轨道大巷处于煤层中时，即巷道两帮是煤，顶底是泥岩层，由图2-4(b)可以看出，大巷两帮和顶底板塑性区范围都很大，且两帮大于顶底板；轨道大巷处于煤层下部岩层中时，此时大巷顶板为煤层，两帮为泥岩，顶板为较坚硬岩层，由图2-4(c)可以看出，大巷顶板塑性区范围远大于两帮和底板，底板塑性区较小。

②无论轨道大巷底板、顶板或者两帮接近或者处于煤层中时，其塑性区都较大，由三色网格数可知大约4 m左右；轨道大巷顶板、底板或者两帮接近或者处于岩层中时，塑性区较小，一般为2-4 m。