矿山压力

矿山压力与岩层控制复习（程志超总结整理）

一、重要概念

矿山压力：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山压力。

矿山压力显现：由于矿山压力作用使巷道周围岩体和支护物产生的种种力学现象，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叫矿山压力控制。

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。

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压力。

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。一般是由砂岩、石灰岩及砂砾岩等岩层组成。

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。

直接顶初次垮落：煤层开采后，将首先引起直接顶的垮落,回采工作面从切眼开始向前推进，直接顶悬露面积增大,当达到其极限垮距时开始垮落。直接顶的第一次大面积垮落称为直接顶初次垮落。

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。

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。

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“稳定一失稳一再稳定”的变化，这种变化将呈现周而复始的过程。出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之为工作面顶板的周期来压。

关键层：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。

沿空留巷：如果通过加强支护或采用其他有效方法，将相邻区段巷道保留下来，供本区段工作面回采时使用的巷道，称为沿空保留(煤体—无煤柱)巷道。

沿空掘巷：巷道一侧为煤体，另一侧为采空区，如果采空区一侧采动影响已经稳定后，沿采空区边缘掘进的巷道称为沿空掘进(煤体—无煤柱)巷道。

锚固力：为锚杆对围岩的约束力。

软岩：分为地质软岩和工程软岩。（本课程主要为工程软岩）

1）地质软岩：指强度低，孔隙度大，胶结程度差，受结构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。2）工程软岩：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总和。工程软岩的定义揭示了软岩的相对性质。

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。

冲击矿压：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，部分巷道垮落破坏等。

冲击能指数：在单轴压缩状态下，煤样全“应力一应变”曲线峰值c前所积聚的变形能Es与峰值后所消耗的变形能Ex之比值。

顶板大面积来压：顶板大面积来压主要是由于坚硬顶板被采空的面积超过一定的极限值，引起大面积冒落而造成的剧烈动压现象。

浅埋煤层：根据实测，浅埋煤层可分为两种类型：典型的浅埋煤层，近浅埋煤层。

1）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。

2）对于基岩厚度较大、松散载荷层厚度较小的浅埋煤层，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。

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。

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。由地心引力引起的应力场称为自重应力场，由于地质构造运动而引起的应力场称为构造应力场，自重应力场和构造应力场是原岩应力场的主要组成部分。

2.原岩应力分布的基本特点。

(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？

煤层底板下方有高应力区和地低应力区，巷道应布置在低应力区。距煤柱水平距离越远，应力越小，距煤柱越近应力越大。在实际工程中很少遇到集中载荷作用的情况，但是通过这个解，可以知道应力在岩体内的传递规则，并且可以用积分的方法解决其他形式载荷条件下的应力分布问题。

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？

岩石的碎胀性是指岩石破碎后散乱后堆积的体积比破碎前整体状态下增大的特性，一般用碎胀系数K P表示。特征：岩石破碎后，杂乱堆积，岩石的总力学特性类似于散体。

对于岩层控制来说，碎胀性有重要作用，当煤层采出形成采空区后，顶板处于悬露状态，就会发生破坏堵蒂，并给工作面顶板管理造成影响以至危害。由于顶板岩石有碎胀性，垮落后体积增大，能充填部分因煤层采出后形成的采空区，其上覆岩层的活动对工作面就没有明显的动压影响了。

5.为什么说锚注支护是软岩巷道支护的新途径？

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。利用锚杆兼做注浆管，实现锚注一体化，是软岩巷道支护的一个新途径。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的着力基础，使锚杆对松碎围岩的锚固作用得以发挥，进一步提高岩体强度。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。

6.分析加快工作面推进速度与改善顶板状况的关系。

（1）加快工作面的推进速度实质上是缩短了落煤和放顶两工序的时间间隔，从理论上说，肯定能减少顶板的下沉量。

（2）由于落煤与放顶所造成的剧烈影响都是在较短时间完成的。加快推进面速度之能消除一部分平时的下沉量，但绝不能消除此工序剧烈影响的下沉量。

（3）当工作面推进速度加快到一定程度后，可能会出现前一工序影响的顶扳下沉还未稳定，后一个工序的影响却已来到。这样，会使工作面顶板始终处于剧烈活动的情况下。这种状况对顶板的维护是非常不利的。

（4）用加快工作面推进速度的方法来减少顶板的下沉量有一定的限度，只有在原来的工作面推进速度较缓慢的情况下加快工作面的推进速度才会对工作面顶板支护有所改善。

7.试分析开采深度对采场矿山压力及其显现的影响。

1）煤层开采深度增加意味着原岩应力的增加。原岩应力的增大直接影响开采后巷道和采场周围岩体中支承压力的大小。所以，开采深度对矿山压力具有绝对的影响。开采深度愈大，采场的矿山压力也愈大。

2）但对矿山压力显现的影响则不尽相同。有的矿山压力显现直接随开采深度的增加而增大，如煤壁的片帮，底板的鼓起，冲击地压等；