矿山压力理论..
矿压课件1矿山压力与矿山压力显现山科2.ppt
Ground Pressure and Strata Control
采动前原始岩层中已经存在的应力是矿山压力产生的根源。
原岩中的应力来源于以下三个方面： ①覆盖岩层的重力； ②构造运动的作用力； ③岩体膨胀的作用力，包括温度升高或遇水膨胀产生的力
2024/11/22
矿业与安全工程学院-资源工程1系
5
1
σ1 σ1
σ
1
σ 3
σ 3
（a）
2024/11/22
（b） 图 巷道围岩稳定与破坏
（c）
矿业与安全工程学院-资源工程1系
26
矿山压力与矿山压力显现
Ground Pressure and Strata Control
1.3 矿山压力与矿山压力显现间的关系
矿山压力与矿山压力显现间的辩证关系
矿山压力的存在是客观的、绝对的，它存在于采动空间 的周围岩体中。矿山压力显现则是相对的、有条件的，它 是矿山压力作用的结果。
（a）垂直成因构造
（b）水平成因构造
图 构造应力
2024/11/22
矿业与安全工程学院-资源工程1系
9
矿山压力与矿山压力显现
Ground Pressure and Strata Control
在受构造运动作用力影响强烈的地区，深部岩层中 各点的应力将是自重应力场和构造应力场在该点应力的 叠加，其最大主应力的大小和方向，多数情况下是由构 造运动形成的应力所决定的。
矿业与安全工程学院-资源工程1系
30
矿山压力与矿山压力显现
Ground Pressure and Strata Control
2024/11/22
砌碹支护
矿业与安全工程学院-资源工程1系
浅析矿山压力与控制
浅析矿山压力与岩层控制0 引言由于在地下煤岩中进行采掘活动而在井巷、硐室及回采工作面周围煤、岩体中和其中的支护物上所引起的力，就叫做“矿山压力”。
在矿山压力的作用下，会引起各种力学现象，如顶板下沉，底板鼓起，巷道变形后断面缩小，岩体破坏散离甚至大面积冒落，煤被压松产生片帮或突然抛出，支架严重变形或损坏，充填物受压缩，以及大量岩层移动地表发生塌陷等等，这些矿山压力显现都将严重影响矿山企业的采掘活动和经济效益。
如今我国煤矿的平均开采深度已经接近千米，个别矿区开采深度达到1300 多米。
随着开采日益向深部延深，矿山压力显现更加频繁。
如果矿山作业人员能够准确预测矿压显现的预兆，做出合理的判断及采取正确的预防措施，将会对井下人员的安全和减少矿山经济损失方面起到积极作用。
下面仅就矿山压力的理论发展作简要的介绍。
1 矿山压力理论发展压力拱假说，又名自然平衡拱，是在1908 年由M·M·普洛托雅柯诺夫提出的，它是一种岩石移动拱形说。
拱形假说适用于不稳定岩体，它将岩体视为松散岩体，以散体力学为理论依据，认为如无支护，则在上部覆岩的压力下，松散的岩石将从开采空间的两帮和顶部向下冒落，两帮塌落成斜面，顶部冒落成自然平衡拱。
如有支护，则作用在支护上的载荷仅只是冒落范围内的岩块重量，而与开采空间的埋藏深度无关。
铰接岩块假说，是苏联库兹涅佐夫于1950～1954 年提出，认为工作面上覆岩层的破坏可分两带，即不规则垮落带和其上的规则移动带。
假说认为工作面支架存在两种不同的工作状态：当规则移动带（相当于老顶）下部岩层变形小而不发生折断时，不规则垮落带岩层（相当于直接顶）和老顶间就可能发生离层，支架最多只承受直接顶折断岩层的全部重量，故称支架处于“给定载荷状态”；当直接顶受老顶移动影响折断时，支架所受载荷和变形取决于规则移动带下部岩块的相互作用，载荷和变形将随岩块的下沉不断增加，直到岩块受已垮落岩石的支承达到平衡为止，这种情况称为支架的“给定变形状态。
矿山压力及其控制
1.2.5 我国在矿山压力研究方面的主要工作与成就
为了配合全国有序地开展矿压研究及推动煤 矿科技进步。1979年4月26日煤炭部批准在中国 矿业大学建立煤炭工业部矿山压力情况报中心站， 作为全国矿压研究与理论方面的重要学术组织， 到目前为止已经组织召开了11届全国性矿山压力 理论与理论研讨会。
下设八个分站：钱鸣高、牛锡倬、平寿康、 刘天泉、宋振骐等学者对推动我国矿压理论研究 与工程应用作出了突出奉献，如著名的砌体梁理 论等。我国煤矿事故中顶煤事故由45％下降到15 ％，目前一批中青年学者、专家迅速成长。
内部排土场
厚煤层地下开采
无论是地下开采还是露天开采都可抽象为对原
有地壳的一种人为破坏活动，或称是一种人为的有
目的在地壳岩体中的大规模开挖活动。这种开挖活
动破坏了岩体原有应力平衡状态，引起了岩体内部
应力重新分布，其结果表现为开掘的井、巷、硐、
工作面、露天矿采场边坡等的周围岩体变形、挪动、
甚至破坏，直到岩体内部重新形成一个新的应力平
〔2〕室内试验方法 由于采矿工程规模大、时间、复杂、以及受消
费影响大等，现场观测由于费用等原因受到一定的 限制，所以逐渐借助室内试验进展研究，目前仍以 模拟试验为主。 〔3〕理论分析
构造力学、岩石力学、弹性力学为主要分析工具 〔4〕数值计算方法
FEM、BEM、DEM
1.3.4 目前矿压研究中的某些缺乏 〔1〕过于依赖确定性力学理论，对岩体介质的 认识与实际不符合。 〔2〕理论研究的可用性 〔3〕现场应用的方便性与观测的简洁性 〔4〕对工程理论的指导性
矿山压力、矿山压力显现、矿山压力控制是矿山压力与岩层控制 研究的主要内容。
随着大规模开采活动及矿压显现给工作带来严重危害，人们迫切 需要一种理论来解释和研究有关的矿压现象，并用以指导工程设计和 平安消费，这就使于60年代形成了一门新的学科分支——矿山压力及 岩层控制。
第三章---矿山压力基本知识
二、直接顶的压力由于直接顶的岩性不同，以及开采技术条件的关系，直接顶对工作面支架的压力特性基本有三种情况：1.悬梁式的直接顶压力悬臂的岩梁在自重和上覆岩层的作用下，逐渐产生离层、下沉、弯曲、断裂，直至随支架前移而自行垮落。
这些现象随着顶板暴露面积和暴露时间的增加，表现得更为明显。
如图3-5在这种情况下，支架的作用就是限制直接顶产生过多的下沉，以免沿ab线切断，保证工作面的安全。
支架所受的力，主要是直接顶的重量。
基本顶下沉也会对支架施加一定的压力。
2.破碎直接顶的压力由于直接顶是脆性和较松软的岩层，回采时，在工作面前方的支承压力作用下，直接顶产生裂隙、断裂，失去了连续性，形成破碎顶板（图3-6）。
这时，工作面上部悬露的直接顶的重量，全由支架承担。
3.台阶下沉式直接顶的压力当直接顶既不很松软，也不很坚硬，介于上述二者之间。
回采时，工作面直接顶出现台阶下沉（图3-7），有时靠近煤壁的直接顶，也可能出现较短的悬梁。
这种形式的顶板，好像砌体墙结构，各台阶侧面上，彼此之间存在摩擦力，阻止台阶下沉。
所以工作面支架，只是支撑下沉台阶的部分重量，通常采用单体支柱。
由于直接顶的岩性、结构、地质构造不同，以及开采方法和基本顶的活动情况不同，直接顶的压力显现，也是千差万别的。
在生产实践中，应根据直接顶压力的基本特征，结合煤层的具体情况，进行观测分析，才能比较正确地反映出直接顶的压力。
三、基本顶的压力1.工作面初次来压当工作面从开切眼向前推进，顶板悬露面积随之扩大，直接顶垮落充填采空区，基本顶仍完整地支承板梁构件。
当板梁跨度随着工作面推进增大到一定的范围，如图3-8所示的L1时，由于基本顶的自重和上覆岩层的作用下，使基本顶断裂垮落。
这时，工作面已不再处于基本顶梁掩护之下，顶板迅速下沉而破碎，通常把采空区基本顶第一次大面积垮落称为初次垮落。
由于基本顶初次垮落，使工作面压力增大，故称为初次来压。
初次来压对工作面影响一般持续2~3天。
第五讲 矿山压力基本知识
集支护区，加打斜撑。
（三）工作面老顶的初次来压及来压时的安全措施 1）工作面老顶的初次来压 随着工作面推进还可能形成四、五……不同数量岩块的咬合
平衡，直到岩块间的咬合关系不能满足平衡关系为止。此时，老顶 的失稳将对工作面带来严重的矿山压力显现，甚至危及生产和人身 安全，形成老顶的初次来压。见图
图1-2 老顶断裂成岩块后的转动
初次来压是工作面矿山压力显现的重要现象，衡量其指标是来 压强度和初次来压步距，顶板坚硬、直接顶薄的工作面初次来压强 度大、来压步距大。
初次来压特征：老顶初次来压比较突然。来压前回采工作空间 上方的顶板压力比较小。因而往往容易使人疏忽大意。初次来压时， 老顶垮距比较大，影响的范围也比较广，工作面易出现事故。
置，做好预测预报工作。 (2）做好来压前的支护工作，保证支架的规格质量，
保证一定的支护密度和支架稳定性。 （3）合理缩小控顶距，以利于工作面维护。 （4）保证直接顶垮落的质量。采空区冒落的矸石可
以减轻老顶的来压强度。 （5）加强正规循环，保持工作面推进速度。
十一、顶板事故分类
一、大型冒顶: 是指范围较大，伤亡人数较多（每次死亡3人以上）
《规程》规定： 采煤工作面必须按作业规程的规定及时支护，严禁空顶作业。
直接顶不能任其自然垮落。当工作面推进距离达到初次垮落距时， 要进行初次放顶。采煤工作面初次放顶时必须制定安全措施，采煤 区（队）长要亲临现场进行指挥。
（二）直接顶初次放顶的安全措施 对于单体支柱支护工作面，制定初次放顶安全措施时，应该遵
老顶初次来压对工作面的影响较大，因此必须掌握初次来压步 距的大小，以便及时采取对策。在来压期间，必须加强支架的支撑 力，尤其要加强支架的稳定性。一般可以采用木垛、斜撑等特种支 架加强回采工作空间的支护。
矿山压力
1.矿山压力：由于矿山开采活动影响，在巷硐周围岩体中形成和作用在巷硐支护物上的力。
意义（生态环境保护，保证安全生产，减少资源浪费，改善开采技术，提高经济效益）2.矿压显现：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。
指标（顶板下沉，顶板下沉速度，支柱变形和折损，顶板破碎情况，局部冒顶，大面积冒顶）。
影响因素（采高和控顶距，工作面推进速度，开采深度，煤层倾角，分层开采）3.矿压控制：所有减轻，调节，改变和利用矿山压力的各种方法。
矿压控制的意义:（生态环境保护，保证安全和正常生产，减少资源损失，改善开采技术，提高经济效益）途径（抵抗，避开，移走，释放）高压4.岩石是组成地壳的基本物质，它由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律组合而成。
岩石的孔隙性是岩石中孔隙和裂隙的发育程度，岩石中各种孔洞和裂隙体积和总体积之比就是裂隙度，岩石中各种孔洞和裂隙体积和固体岩石体积之比是孔隙比5.岩石的变形分为弹性，塑性，黏性，变形规律是弹性，塑性，流变和破坏6.应力应变曲线为：反映岩石加载后变形和破坏全过程的试验曲线。
压密压实，线弹性，弹塑性，破坏阶段7.与时间有关的应力应变现象统称为流变，完全弹性体，完全黏性体，刚一塑体8.应力不变条件下，应变随时间延长而增加的现象就是蠕变，（初始，等速，加速）蠕变9.影响岩石变形强度因素：岩石（性质，生成条件，构造特征，风化，水和温度，试件的形状和尺寸，加载速率和次数，受载状态）10.岩石破坏形式:拉断和剪切，强度理论分为:莫尔和格里菲斯强度理论（区别是莫尔主要是剪切破坏，格里菲斯是拉断。
单轴抗压强度R c=2C（1+sin&/1-sin&开根号）11.岩体由一定地质环境中各种岩性和结构特征岩石组成的集合体，由结构面和结构体组成12.岩体特征：岩体（非均质性，各向异性，非连续性）类型(整体，块状，层状，碎裂，松散)结构。
影响岩体变形因素：岩体结构，岩体结构面，实验条件。
“实用矿山压力控制”的理论和模型
（ 山东科技 大学 矿 山灾害预防控制 国家重点实验室 ， 山东 青岛 ２ ６ ６ ５ ９ ０ ）
摘 要： 当前发展和完善“ 实用矿 山压力控制” 理论和相关决策模 型的建设， 以此为基础充分利 用现代化信息技术发展 的成就。 实现煤矿安全高效生产、 控制相关环境灾害的决策和实施监控 的信 息化、 智能化和可视化。把主要依靠统计经验决策条例监控的传统管理模式， 推进到针对 具体煤层条件科学定量 即智能化管理 的发展阶段意义重大。论文介绍 了我 国采矿科技工作者
２ ０ １ ７年第 ２ 期
Ｎｏ ．２ ２ ０１ ７
煤
炭
科
技
ＣＯＡＬ ＳＣＩ ＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＭＡＧＡＺＩ ＮＥ 文章 编号 ２ １ ０ ０ ８ — ３ ７ ３ １ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ２ — ０ ０ ０ １ — １ ０
‘ ‘ 实用矿 山压力控制” 的理论和模型
（ Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ ｍｉ ｎ ｅ ｄ ｉ ｓ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｐ ｒ ｅ ｖ ｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，
和生产现场 同志． 在近十年来研 究实践基础上发展和不断完善的“ 实用矿 山压力控制” 理论要 点和相应决策模型． 包括描述采场推进覆岩运动和 围岩应力分布的时空状态的“ 动态结构力学
模型” 和 以此为基础 以及 当前在“ 使用 矿 山压力控制” 理论发展的应用成就基础上推动的“ 无煤柱开采技术” 突破的要点。 关键词 ： 矿 山压力； 现代化； 力学模型 ； 无煤柱开采 中圈分类号： Ｔ Ｄ ３ ２ ３ 文献标识码 ： Ａ
矿山压力原理与计算
矿山压力原理与计算一、矿山压力的基本概念矿山压力就像是矿山里的一个调皮小怪兽。
咱们想象一下，在矿山这个大环境里，各种岩石、地层之类的东西相互挤压、相互作用，然后就产生了一种力量，这个力量就是矿山压力啦。
它可不是个简单的东西哦，就像一个隐藏在矿山深处的小秘密，我们要去一点点揭开它的神秘面纱。
比如说，当我们在矿山里开采矿石的时候，就会对周围的岩石结构产生影响，这时候矿山压力就会开始发挥它的影响力，可能会让岩石变形呀，或者产生一些其他的变化呢。
二、矿山压力的原理1. 重力作用这是矿山压力产生的一个很重要的因素哦。
矿山里的岩石、矿石都是有重量的呀，就像我们背着沉甸甸的书包一样，它们的重量会对周围产生压力。
这些岩石层层叠叠地堆在一起，上面的岩石重量就会压在下面的岩石上，这种因为重力而产生的压力就会在矿山里形成一种基本的压力状态。
2. 构造应力矿山的地质构造也会产生应力呢。
就好比我们折一个纸飞机，如果把纸张折出一些褶皱来，纸张内部就会产生一些应力，矿山的岩石层也类似。
当岩石层因为地壳运动等原因发生了弯曲、断裂等构造变化时，就会产生构造应力，这个应力也是矿山压力的一部分。
三、矿山压力的计算1. 原岩应力计算这是计算矿山压力的一个基础部分。
原岩应力主要考虑的是岩石在未被开采之前的应力状态。
一般来说，我们可以根据岩石的密度、重力加速度以及矿山的深度等因素来计算。
比如说，原岩应力的计算公式可能是类似于这样的：原岩应力 = 岩石密度×重力加速度×矿山深度。
不过这只是一个简单的例子，实际情况中还会有很多其他因素需要考虑进去呢。
2. 采动应力计算当我们开始在矿山开采矿石的时候，采动应力就出现了。
这个计算可就复杂多啦。
我们要考虑开采的方式、开采的范围、采空区的形状等等因素。
比如说，如果我们采用的是分层开采的方式，那么每一层开采对周围岩石应力的影响都是不一样的，我们就需要根据不同的开采层的参数来计算采动应力。
矿山压力
1.矿山压力：由于开采影响，作用在开采空间煤岩体内或者支护物的力。
2.矿山压力显现：在矿压的作用下，开采空间煤岩体内和支护物上产生的各种力学现象。
3.构造应力：由于构造运动在岩体中引起的应力。
4.支承压力：指在岩体中开掘巷道、在煤层内进行采煤时巷道两侧或回采工作面周围煤壁上形成的高于软岩应力的垂直集中应力。
（应力重新分布后，巷道两侧改变后的切向应力增高的部分）5.支撑压力的分区问题：常将采场前方或巷道两侧的切向应力分布按大小进行区分。
⑴根据切向应力的大小，可分为增压区和减压区。
比原岩应力小的压力区是减压区，比原岩应力高的压力区是增压区。
增压区即通常说的支承压力区。
支承压力区的边界一般可以取高于原岩应力的5%处作为分界处。
再向内部发展即处于稳压状态的原岩应力区。
⑵另一种分类方法是将其分为极限平衡区和弹性区。
6.老顶初次来压：老顶平衡结构第一次失稳而施加给工作面以大型压力的过程。
7.老顶的周期来压：由于裂隙带周期性失稳而引起的顶板来压现象。
8.直接顶初次垮落：直接顶第一次大面积垮落。
9.老顶初次来压步距：第一次来压工作面至开切眼的距离。
10.周期来压：由于老顶平衡结构周期性失稳而施加给工作面以大型压力的过程。
11.周期来压步距：两次来压期间工作面的推进距离。
12.老顶的梁式破断：最大剪力发生在固定梁的两端：Qmax=R1=R2=qL/2最大弯矩发生在梁中间：Mmax=qL2/8固定梁：按最大剪应力得出的极限跨距为：L2s=4hRs/3q按最大弯矩得出的极限跨距为：L2T=h2RT/q简支梁：按最大剪应力得出的极限跨距为：L2s=4hRs/3q按最大弯矩得出的极限跨距为：L2T=2h RT/3q老顶的板破断：分为，①四边固支②三边固支，一边简支③两边固支，两边简支④一边固支三边简支弯矩分布，固定端边界大。
转换时，煤壁处弯矩大，煤壁中段弯矩最大。
破裂过程，长边→短边→沟通→中间13.直接顶，⑴影响直接顶好坏的原因：①岩性；②裂隙切割；③老顶压力；④支护压力⑵直接顶岩层破坏离层原因：①节理裂隙切割②岩层松软变形量大（离层）③落煤之后顶板支护不及时或初撑压力过小（离层）④老顶岩层平衡结构失稳，岩块回转⑤支护力不均衡或支架反复支撑⑥放顶撤柱过快，产生动压冲击14.横三区竖三带，⑴按层面垂直方向移动状况划分竖三带：Ⅰ冒落带（垮落带）—分为规则、不规则垮落带：Ⅱ裂隙带，位于冒落带以上，岩层间产生离层，形成拉伸裂隙，整体间联系比较好，相对位移小；Ⅲ弯曲下沉带：岩层基本上不产生离层，也不产生断裂，岩层会大面积缓慢下沉。
矿山压力
24.支撑式掩护支架优点：①缩小控顶距，减小托梁与顶板之间反复支撑的次数，提高了支架对顶板的支撑力②在顶板局部冒顶情况下，可以考虑不勾顶。（3）支架的结构可以承受一定水平推力，可实现承载移动（4）挡矸性能良好。缺点：（1）重量大（2）工作空间小，因而通风面小，行人不方便。
25.支撑效率：衡量工作阻力P反应到整个支架承受载荷Q的能力，以Q/P的百分比表示。
22.初撑力〖P_0〗^'：支柱刚架设起来时对顶板的主动作用力；始动阻力P_0:在顶板压力作用下，活柱开始下缩的瞬间指挥组上所反应的力；初工作阻力P_1：工作阻力的增长由急速增长向缓慢增长的转折点；最大工作阻力P_2：支柱所能承受的最大负载能力。
目前使用的支柱的工作特性：急增阻式（可缩量小），微增阻式（可缩量大），恒阻式（性能好）
27工作面压力的分布：1超前支撑压力峰值位置距煤壁4-8m，相当于2-3.5位采高，k为2.5-3.影响范围40-60m，少数可达60-80m。2固定支撑压力峰值位置距煤壁15-20m，k为2-3；影响范围15-30m，少数可达35-40m。3采空区支撑压力k通常小于1，个别可达1.3。4叠合支撑压力，可达5-7，甚至更高。
18.顶板压力的估算：P=（4~8）M (M为采高)，周期来压不明显时采用低倍数，周期来压叫剧烈时采用高倍数
19.影响矿压显现的因素：①围岩性质及赋存环境②采高与控顶距；S_L=nmL，即顶板下沉量与采高，控顶距成正比关系③工作面的推进速度；不能减轻顶板下沉，采煤与放顶使顶板下沉剧烈④开采深度；开采深度 ，原言应力↑，矿山压力↑。但矿压显现是不一定的⑤煤层倾角增大，顶板下沉量S_L 减小⑥分层开采时的影响；下分层与上分层比较1.老顶来压步距小，强度低2.支架载荷变小3.顶板下沉量变大
(ppt版)矿山压力理论
矿压理论的建立，起初是以经验为根底 ，较多地偏重于矿山压力显现方面 (fāngmiàn)的描述，由于测试手段不完善， 所以假说具有片面性和局限性。
第八页，共一百三十二页。
缓倾斜煤层(méicéng)工作面矿压理论假说
〔1〕压力拱假说
〔2〕双支梁假说
〔3〕悬臂梁〔悬板〕假说 〔4〕预成〔生〕裂隙假说
第十五页，共一百三十二页。
✓ 〔3) 在压力拱内为卸载区，卸载区也同时能在底板中形成。
✓ 〔4) 利用全部垮落法管理顶板时，压力拱陡峭且比较高 ；用充填法时那么拱平缓且拱高小。
✓ 〔5) 拱的高度和宽度仅取决于煤层厚度(采高)、顶板管理 方法(fāngfǎ)和顶板岩石性质。
✓ 〔6) 压力拱是非对称性的，并且沿工作面的长度方向没有表 现。
第十八页，共一百三十二页。
第3局部(júbù)
梁的假说
第十九页，共一百三十二页。
本局部主要内容： 双支梁假说 悬臂梁假说
砌体梁假说
传递岩梁假说 弹性(tánxìng)根底梁模型
第二十页，共一百三十二页。
➢ 梁的假说是近代矿压假说的显著特点。
由于对属性的梁的认识不同，有双支梁假说、悬臂梁假说、砌体(qì tǐ)梁假说、传递岩梁假说等多种。
第三十六页，共一百三十二页。
•
由于采场上下Байду номын сангаас端的镶嵌作用在工作面较长时，对顶板活动所
起的作用是很小的，因此(yīncǐ)，多视顶板为梁。
• 岩梁在自重和上覆岩层的作用下，逐渐弯曲、下沉以至于断
裂垮落。当顶板岩层坚硬时，悬伸在采空区上方的岩梁可能很
长，这时就必须采取人为的措施加以控制，以防止岩梁可能沿
矿山压力基础知识
第一部分基础理论知识一、有关矿山压力的基础知识(一) 岩石的物理力学性质1、岩石的物理性质（1）岩石的重力密度γ（容重）：岩石所受的重力与包括空隙在内的岩石总体积之比。
如砂岩的重力密度（容重）为：γ=19.6KN/m³-27.5KN/m³（2）岩石的孔隙率(n):岩石的孔隙体积与其总体积之比。
沉积岩的孔隙率一般小于10%，但部分砾岩和胶结性较差的砂岩孔隙率可达标10%~20%。
（3）岩石的碎胀性:岩石破碎后体积增大的性质。
残余碎胀性系数( kp。
)：破碎岩石在矿山压力作用下，压实后的体积与破碎前的体积之比。
2、岩石的变形性质岩石单轴压缩，应力（σ）─应变（ε）曲线。
（见图1）应力σ：单位面积上的力；应变=（L–L′）⁄ L（1）压缩阶段；（2）弹性变形阶段；（3）塑性变形阶段，直至破坏。
岩石性质不同，应力─应变曲线各不相同。
3、岩石强度性质（1）强度概念：抵抗外力(应力)而不破坏的能力。
根据应力状态，强度有：抗压强度，抗拉强度，抗剪强度,抗弯强度；抗压强度：单向抗压强度，双向抗压强度，三向抗压强度。
（2）强度的特征抗压>抗剪>抗弯>抗拉三向抗压>双向抗压>单向抗压；三向抗压强度，侧压力愈大强度愈大：（3）岩石强度的指标: f称为普氏系数硬石灰岩、硬砂岩，f=8；普通砂岩，f=6；砂质页岩，f=5；砾岩，f=4；普通页岩，f=3；软页岩、无烟煤，f=2；煤，f=1-1.5。
4、岩体的变形与强度特性岩体与岩块特性的差别：（1）构造上的差别：岩体充满裂隙、层理等弱面；（2）受力状态差别：岩体受三向应力；（3）岩块尺寸不同，强度也不同；岩块尺寸愈大，强度愈小。
岩体被许多裂缝切割，但块度也很大。
（二）矿山岩体内原始应力分布规律1、自重力地下岩体处于三向应力状态。
2、构造应力（见图2）原因：构造应力。
地壳运动使岩体变形，岩体内储存弹性变形能。
当应力超过岩体强度时，岩体破坏，能量全部或部分释放。
矿山压力
矿山压力：由于矿山开采活动影响，在巷硐周围岩体中形成的和作用在巷硐支护物上的力。
矿山压力显现：由于矿山压力的作用使巷硐周围岩体和支护物产生的种种力学现象。
矿山压力控制：所有减轻、调节、改变和利用矿山压力左右的各种方法。
原岩应力：存在于地层中未受扰动的天然应力。
(自由重应力和构造应力组成)原岩应力分布规律：1实测铅直应力基本等于上覆岩层重量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采场覆岩结构假说：1压力拱假说2悬臂梁假说3铰接岩块假说4 预成裂隙假说5砌体梁假说老顶的断裂形式：老顶梁式破断老顶板式破断老顶初次断裂步距：老顶达到初次断裂时的跨距成为极限跨距，也成为初次断裂步距老顶失稳形式：结构滑落失稳结构变形失稳矿压显现指标：回采工作面——系列矿山压力现象包括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落。
老顶初次来压：当老大达到极限跨距时，工作面支架呈现受力普遍加大现象老顶周期来压：由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象采场周围支承压力分布及各自名称：应力降低区（减压区）应力增高区(增压区)应力不变区（稳压区）影响矿山压力显现的因素:1、采高和放顶距2、工作面推进速度的影响3、开采深度影响4、煤层倾角影响5、分层开采时矿山压力显现采场支架类型：单体支架液压支架关键层：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。
关键层特征：①几何特征：相对其他同类岩层单层厚度较厚。
②岩性特征：相对其他岩层较为坚硬即弹性模量较大强度较高。
③变性特征：关键层下沉变形时其上覆全部或局部岩层下沉量同步协调。
④破断特征：关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层同步破断，引起较大范围内岩层的移动。
⑤承载特征：关键层破断前以“板”（或简化为梁）的结构形式作为全部岩层或局部岩层的承载主体，破断后则成为砌体梁结构继续成为承载主体。
矿山压力基础知识
工作面矿山压力的形成:在矿体没有开采之前，岩体处于平衡状态。
当矿体开采后，形成了地下空间，破坏了岩体的原始应力，引起岩体应力重新分布，并一直延续到岩体内形成新的平衡为止。
在应力重新分布过程中，使围岩产生变形、移动、破坏，从而对工作面、巷道及围岩产生压力。
通常把由开采过程而引起的岩移运动对支架围岩所产生的作用力，称为矿山压力。
围岩:采动影响范围以内的岩石；原岩:采动影响范围以外的岩石。
在矿山压力作用下所引起的一系列力学现象，如顶板下沉和垮落、底板鼓起、片帮、支架变形和损坏、充填物下沉压缩、煤岩层和地表移动、露天矿边坡滑移、冲击地压、煤与瓦斯突出等现象，均称之为矿山压力显现。
因此，矿山压力显现是矿山压力作用的结果和外部表现。
一般规律：矿山压力显现：矿山压力作用下，在采掘空间周围岩体和支护物产生的种种力学现象。
老顶的初次来压：老顶的周期来压：影响采场矿山压力显现的主要因素：液压支架的结构分析：1、支架工必须了解支架各元件的性能和作用，熟练准确地按操作规程进行各种操作。
2、移架前，必须检查煤壁顶底板有无异常情况，支架阀组、管路、立柱密封是否完好，推移千斤顶与刮板输送机联接是否牢靠，有无咬架、挤架现象，尾梁插板是否落在后部刮板输送机上，同时清净架前杂物和浮煤，其他人员不得在架前下方停留，确认无问题后方可移架。
3、移架时，移架工必须站在所移支架架箱内，面向煤壁操作，严禁身体探入支架前立柱与前溜电缆槽（挡煤板）之间、脚蹬在液压支架底座前方或站在相邻支架下操作。
4、移架时利用拉线，使移后的支架成一条直线。
移架时带压擦顶少降快移，并利用好侧板、防倒、防滑装置，防止出现倒、挤、咬架现象，并观察架间管线，防止受挤、受拉。
5、支架出现窜、漏液时，应及时处理，严禁带病操作，禁止单腿销、铁丝销和无销现象。
6、移架要移够规定的步距，保证支架齐、直，受力方向垂直顶底板。
7、移架时及时调整支架，防止歪斜，架间距不超过规定(﹤200mm)。
矿山压力
1、冲击地压：积累在矿井巷道和菜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，造成煤岩体振动和破坏，支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道垮落破坏等。
2、原岩应力：未受开采影响的岩体内，由于岩体自重和构造运动等原因引起的应力。
主要包括自重应力、构造应力、地温应力、膨胀（收缩）应力、流体压应力3、底板比压：将支架底座对单位面积底板上所造成的压力。
4、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。
5、关键层、主关键层、次关键层：对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起主要控制作用的岩层。
6、围岩稳定性系数：7、支撑压力：回采空间周围煤岩体内应力增高区的切向应力，分为固定支承压力、移动支承压力。
8、砌体梁：在一定条件下，能够形成外表似梁实则为半拱的结构，这种平衡结构形如砌体，故称为砌体梁。
9、矿山压力显现：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。
1、采空区处理的几种方法及实质。
采空区处理方式可分为刀柱式、顶板缓慢下沉法、全部充填或局部充填法、全部垮落法。
2、影响采煤工作面矿山压力显现的主要因素。
1、采高与控顶距。
采高及控顶距越大，老顶越不稳定，矿山压力显现越明显。
2、工作面推进的速度。
在s-t图中可以发现顶板下沉量是时间的函数，但并不一定提高推进速度可减小下沉量，因为提高了推进速度就增加了工序影响的次数，也会加剧顶板的下沉速度。
3、开采深度的影响。
开采深度直接影响原岩应力大小，在软岩中开掘时，随着深度的增加，矿山压力显现将越严重。
但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。
4、煤层倾角的影响：随煤层倾角的增加，顶板下沉量将逐渐减小。
3、沿空留巷矿压显现的基本规律。
回采工作面推进引起的上覆岩层运动，其发展是自下而上的，上部具有明显的滞后现象，沿空留巷的顶板会在较长时间内受到老顶上覆岩层运动的影响。
第二章 矿山压力及其基本规律
第二章矿山压力分析方法及其基本理论第一节岩石的基本物理性质一、岩石的基本概念岩石是组成地壳的基本物质。
由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律组合而成。
为与自然状态下的岩体有所区别，多数岩石力学文献中，岩石是指从岩体中取出的、尺寸不大的块体物质，有时又称岩块。
岩石按不同的标准可分为不同类型，常见的分类有:(1)按岩石成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。
煤田是地质历史上沉积运动形成的，煤矿绝大多数遇到的是沉积岩。
（2)按岩石固体矿物颗粒间的结合特征，可分为固结性、粘结性、散粒状和流动性岩石匹大类。
煤矿中多遇到固结性岩石，即造岩矿物的固体颗粒间为刚性连接，破碎后仍可保持一定形状的岩石，常见的有砂岩、砂质泥岩、砂质页岩、石灰岩、泥岩等。
（3)按岩石力学强度和坚实性，可分为坚硬岩石和松软岩石。
二、岩石的质量指标2.1岩石的密度和体积岩石的密度ρ（kg/3m)是指单位体积(3m)岩石(包括空隙体积)的质量((kg）。
岩石的密度与组成岩石矿物密度、空隙和吸水有关。
根据岩石试样含水状态不同，可分为天然密度、饱和密度和干密度三种，前两种称为岩石的湿密度。
夭ρ)指岩石在吸水饱和状态然密度是指岩石在天然含水状态下的密度;饱和密度(，sρ)是在105 C︒---11C︒下干燥24h后的密度。
下的密度;干密度(，d当岩石中能进水的空隙不多时，岩石的三种密度间差值很小。
实验室测试一般只提供于密度指标，且通常所说的岩石密度即指干密度。
但对于遇水易膨胀的软岩，其干密度和湿密度的值有很大不同，应严加区分。
煤矿中常见的岩石密度见表1-1。
表1—1 煤矿中常见岩石的相对密度、密度、孔隙率以及孔隙比岩石的体积力γ(kN/3m )是指单位体积(包括空隙体积)内岩石的质量所受的重力(kN/3m ）。
为便于计算，工程实践中，可根据岩石的密度ρ换算出岩石的体积力。
2.2.、岩石的相对密度岩石的相对密度Δ是指岩石固体部分实体积c V (不包括空隙休积)的重量与相同体积的4 ℃水的重量之比。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
研究生课程论文一、采场矿山压力有哪些假说，各假说的主要观点如何？可以解释哪些现象？试论述各假说间有何联系与区别？你认为往什么方向发展，才能取得较大的进展?答：1.压力拱假说压力拱（也称自然平衡拱)假说，是最早的矿压假说，德国人哈克(W.Hack)和吉利策尔(G.Gillitzer)于1928年提出。
压力拱假说认为：在回采工作空间上方，由于岩层自然平衡的结果而形成了一个压力拱，拱的一个支撑点是在工作面前方的煤体内，形成了前拱角，而另一个支撑点是在采空区的充填体上，形成了后拱角，随着工作面的推进，前后拱角也将向前移动；开掘在任何岩层中的巷道，由于重力作用，顶板岩层发生破坏变形,形成一稳定的卸载拱。
拱承受拱面以上全部岩石的重量,并将全部载荷经压力拱的拱脚传递到巷道两帮岩石而引起巷道两帮鼓出以及底板隆起等围岩变形，巷道支架所承受的载荷是拱面以下已经破碎的有限断面内的岩石总重量。
压力拱假说比较简明地阐述了采场围岩卸载的原因，探讨了围岩平衡状态及其范围，对回采工作面前后支承压力的形成及回采工作空间处于卸压区做出了一些解释。
压力拱在巷道中并不是唯一的表现形式，支架压力取决于一系列的矿山地质条件及技术条件，其中起主要作用的是巷道围岩性质，支架特性及结构形式。
在回采工作面，由于煤层顶底板岩性不同，顶板管理方法,支架形式及特性以及回采工艺的差异,可能形成不同的复杂的力学结构。
这远非压力拱理论所能概括与阐明的。
压力拱假说认为：支架压力源于拱内岩石的重量,与支架特性及采深无关,这显然与实际情况不符。
对坚硬的层状岩石，无论在巷道还是在采场，都不可能形成拱，这对压力拱假说是不适合的。
我认为此假说以后在拱的特性、岩层变形、移动和破坏的发展过程以及支架与围岩的相互作用方面能取得较大的发展。
2．悬臂梁假说悬臂梁假说是由德国施撬克于1916年提出的，后得到英国的费里德，前苏联的格尔曼等的支持。
此假说认为:工作面和采空区上方的顶板可视为梁，它一端固定于岩体中，一端处于悬伸状态，在悬臂梁弯曲下沉后，受到已垮落的岩石支撑，当悬伸长度很大时，发生有规律的周期性折断，从而引起周期来压，而我们知道地下岩体是一种层状的连续弹性介质,未受扰动的岩体所受的力主要是垂直应力则形成彼此相互作用的组合悬臂梁,这种岩梁在采场上下两端的煤柱处也被固定着,因而形成了三面被固定的悬板,即所谓的悬臂梁假说。
由于采场上下两端的镶嵌作用在工作面较长时,对顶板活动所起的作用是很小的,因此多视顶板为梁。
岩梁在自重和上覆岩层的作用下，逐渐弯曲、下沉以至于断裂与垮落，当顶板岩层坚硬时，悬伸在采空区上方的岩梁可能很长，这时就必须采取人为的措施加以控制，以防止岩梁可能沿煤臂切断造成推掌子事故。
若梁由于弯曲下沉时被冒落的矸石或充填体支撑时，也可能仅产生弯曲下沉而不产生折断。
当岩梁的悬伸长度达到极限值时，将发生有规律的周期性折断，此时将出现明显的周期性来压。
用悬臂梁理论可以解释，在靠近工作面煤壁的地方，顶板下沉量最小，因而压力最小，由工作面煤壁向采空区。
顶板下沉量和压力则逐渐增加。
顶板下沉量和工作面支架载荷的最大值通常总是在沿采场倾斜方向的中部，这和现场实际是吻合。
悬臂梁假说还可以解释工作面前方煤体中存在支承压力，能说明煤层和顶板岩层的物理力学性质对煤体中支承压力分布范围和应力集中程度的影响以及解释老顶的二次垮落现象等。
悬臂梁假说在一定条件下能对许多矿山压力现象进行解释．并可以采用材料力学的方法进行粗略的计算．但不难看出，该假说仍存在严重缺点，表现在：1)直接顶岩层由于地质构造和采动的影响，通常被许多裂隙切割破坏丧失了连续性，因此不能视其为弹性的连续岩梁． 2)利用材料力学公式计算岩梁时，通常把问题过于简化而使计算结果与实际情况相差甚远。
与一些实际情况的对比表明，采场顶板实际下沉量比按悬臂梁或悬板公式计算出来的弯曲挠度要大几倍。
3)悬臂梁假说同压力拱假说一样，未能考虑顶板岩层与采场支架间的作用关系，只是孤立地研究岩梁的变形状态，不可能反映出采场上覆岩层运动的真实规律，从而降低了假说的实用价值。
4)悬臂梁假说不可能从数量上对矿山压力进行计算，这是因为该假说脱离了整个岩体而只研究了个别岩层的运动规律。
此假说以后可以往开采后上覆岩层活动规律方面发展，会取得较大成就。
3.铰接岩块假说该假说认为，工作面上覆岩层的破坏可分为跨落带和其上的规则移动带。
跨落带分上下两部分，下部跨落时，岩块杂乱无章；上部垮落时，则呈规则的排列，但与规则移动带的差别在于无水平方向有规律的水平挤压力的联系。
规则移动带的岩块间可以相互铰合而形成一条多环节的铰链，并规则地在采空区上方下沉，还对支架和围岩的相互作用做了分析“给定载荷状态”和“给定变形状态”。
此假说对支架和围岩的相互作用作了较详细的分析。
假说认为，工作面支架存在两种不同的工作状态。
当规则移动带（相当于老顶）下部岩层变形小而不发生折断时，跨落带岩层（相当于直接顶）和老顶之间就可能发生离层，支架最多只承受直接顶折断岩层的全部重量，这种情况称为支架处于给定载荷状态。
当直接顶受老顶影响折断时，支架所承受的载荷和变形取决于规则移动带下部岩块的相互作用，载荷和变形将随岩块的下沉不断增加，直到岩块受已垮落岩石的支撑达到平衡为止，这种情况称为支架的给定变形状态。
铰接岩块间的平衡关系为三角拱式的平衡。
铰接岩块假说正确地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。
4.预成裂隙假说预成裂隙假说认为，由于开采的影响，回采工作面上覆岩层的连续性遭到破坏，从而成为非连续体。
在回采工作面周围存在着应力降低区、应力增高区和采动影响区。
随工作面的推进，三个区域同时相应地向前移动。
由于开采后上覆岩层中存在各种裂隙，这些裂隙有可能是由于支承压力作用而形成的，它可能是平行于正应力的张开裂隙，也可能是与正压力成一定交角的剪切裂隙，从而使掩体发生很大的类似塑性体的变形，因而可将其视为假塑性体。
这种被各种裂隙破坏了的假塑性体处于一种彼此被挤紧的状态时，可以类似梁的平衡；在自重及上覆岩层的作用下，将发生明显的假塑性弯曲；当下部岩层的下沉量大于上部岩层时，就会产生离层。
此假说还认为，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，使各岩层及岩块之间保持挤紧状态，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。
该假说应该往岩块之间的平衡、支架受力关系的方向发展，才会取得较大的进展。
5. 砌体梁假说砌体梁假说是中国矿业大学钱鸣高教授在前苏联学者库兹涅佐夫教授的铰接岩块假说的基础上根据相似模型实验和现场实测，运用结构力学的方法得到了采场上覆岩层的平衡和失稳条件，从而提出了“砌体梁”假说。
砌体梁假说认为，在老顶岩梁达到断裂步距之后，随着工作面的继续推进，岩梁将会折断，但断裂后的岩块由于排列整齐．在相互回转时能形成挤压，由于岩块间的水平力以及相互间形成的摩擦力的作用，在一定条件下能够形成外表似梁实则为半拱的结。
这种平衡结构形如砌体，故称之为砌体梁。
经过采动此上覆岩层中的坚硬岩层都巳根据岩层移动特点，可将上覆岩层按坚硬岩层分成若干个岩层组，而每一个岩层组的底板则为坚硬岩层。
由测定可知断裂成为岩块，岩块间相互咬台则可能形成图示的结构。
该结构为“煤壁——已冒落矸石”及“煤壁——支架——已冒落矸石”两种支撑体系所支撑。
采场上覆岩层可沿走向分为三个区，A——煤壁支撑影响区：B——离层区或支架影响区；C——已冒落矸石的支撑区。
该假说在前人研究成果及现场实测的基础上，对开采层采场上覆岩层进行了分析认为：1)在划分的岩层组中，每组中的软岩层或断裂的岩层可视为坚硬岩层上的载荷，或者传递垂直力的媒介。
2)由于开采的影响，坚硬岩层已经断裂成为排列较整齐的岩块。
由于离层，在离层区域内，上下岩层组之间没有垂直力的传递。
在水平方向由于有水平推力，形成了铰接关系。
铰接点的位置取决于岩层移动曲线的形状，若曲线下凹，则铰接点位于断裂面的下部，反之则在上部，离层区视为无支撑区。
3)由于层间不能阻挡水平错动，因而视软岩层或碎裂岩层为支承链杆，即只能传递垂直力，不能阻止水平力。
4)当岩块恢复到水平位置时，破碎岩块间的剪切力为零，故以后的岩块可以用一水平直杆代之。
5)最上岩层组的坚硬岩层，由于其上只是软岩层及冲积层；因此可视为均布载荷作用于最上组的坚硬岩层上，而下面的岩层组则不然。
6)最上的坚硬岩层，随着回采工作面的推进。
由于载荷条件一致，因而该岩层断裂后各岩块可视为等长。
但下面各组岩层由于相互作用，破碎后的长度未必相等。
6. 传递岩梁假说传递岩梁假说于1978年由山东科技大学宋振骐教授根据现场实测资料提出的。
该假说首先与众不同地建立了直接顶与老顶两个基本概念。
直接顶：在采空区已经冒落的岩层总和，由于它们不能长久地保持向煤壁前方传递力的联系，因此其作用力必须由支架全部承担。
老顶：由邻近采场的一部分传递岩梁组成，该部分岩梁的运动对采场矿压显现有明显的影响。
老顶岩梁的结构采用了“传递岩梁”的概念，它包括下列含义：(1)该岩梁是由同时运动(或近似于同时运动)因而对矿压显现同时有明显影响的岩层组合而成。
(2)该岩梁在采场推进过程中，无论是在相对稳定阶段，还是进入显著运动的阶段，都能在工作面推进方向上始终保持传递力的联系，从而能将其作用力传递至煤壁前方和采空区已冒落的矸石之上。
由于采场不断推进，采场矿山压力及其显现总是在不断发展变化之中。
因此宋振骐教授建议研究的重点不仅是某一时刻瞬间值的大小，而是矿压的发展变化规律及其与上覆岩层运动的关系。
解决了这个问题，则能通过矿压显现推测上覆岩层的运动，预测采场来压的时刻和强度，解决开采设计，生产管理等问题。
该假说尚存在一些不足之处：(1)假说中提出的岩体结构模型的属性比较笼统，不够明确，是否具有普遍性尚待进一步证实。
(2)假说中有许多地方是根据现场观测到的现象去推测，需要进一步研究。
7.台阶下沉假说台阶下沉假说是由前苏联学者秦巴列维奇提出的，研究对象只是埋藏较浅的水平及缓倾斜薄及中厚煤层的矿压问题。
它与预成裂隙假说有许多共同特点。
假说从巷道周围存在低应力区出发，认为在采场顶板内也存在着三角形的低应力区，且工作面推进，其范围也不断地扩大，如图所示：当工作面不断推进时，由于三角棱柱体还来不及形成，因此在任一时刻其高度b总小于计算值，但为简化可以认为这三棱柱的高度低于计算值，即θtan 2a =b 式中，θ——顶板岩石的内摩擦角；a ——工作面煤壁至开切眼的距离。
随着工作面的不断推进，低应力区将通达地表，采空区上方的悬露岩体m 由于受到裂隙切割将与两侧岩体失去联系。
台阶下沉假说缺乏充分的依据。