矿山压力及岩层控制知识点

矿山压力与岩层控制知识点
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。

（101）
老顶周期来压：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。

由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。

（104）
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。

（177）
原岩应力：存在于地层中未受到工程扰动的天然应力称为原岩应力，也称为岩体初始应力、绝对应力或地应力。

（41）
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，在相关学科中也称为二次应力或工程扰动力。

（1）
矿山压力显现：在矿山压力作用下，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。

（1）
充填开采：用充填材料来充填已采空间，相当于减小了煤层开采厚度，从而减少采空区上覆岩层的变形与破坏。

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。

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。

放顶煤开采：放顶煤采煤法的实质，就是在厚煤层沿底部布置一个采高2~3m的长壁工作面，用常规方法进行回采，并利用矿山压力的作用或辅以松动爆破等方法，使支架上方的顶煤破碎成散体后，由支架上方的放煤窗口放出，经由刮板输送机运出工作面。

1.采场老顶岩层结构、失稳形式、失稳条件？
上覆岩层的岩体结构主要由坚硬岩层组成，软岩层只作为载荷，坚硬岩层断裂成岩块后排列鳖齐并互相咬合，形成三绞拱式的平衡结构。

（1）结构的滑落失：稳咬合点处的摩擦力，等于水平挤压力与摩擦因数的乘积，防止岩块间相互滑落的作用。

当剪切力与摩擦力相等时，呈极限平衡状态。

如果剪切力大于摩擦力，此结构将出现滑落失稳。

要此结构不产生滑落失稳，必须满足：
三铰拱岩块结构是否产生滑落失稳主要取决于老顶破断岩块的高长比。

一般情况下，φ=38～45°,tanφ=0.8～1。

因此，要防止老顶初次破断后“砌体梁”结构产生滑落失稳，岩块的高长比要小于0.4～0.5，即岩块长度要大于2～2.5倍岩块厚度。

(2) 结构的变形失稳：在岩块的回转过程中，由于挤压处局部应力集中，致使该处进入塑性状态，甚至局部受拉
而使咬合处破坏造成岩块回转进一步加剧，从而导致整个结构失稳。

回转岩块的分析可求得△值 式中 n —岩石中抗拉强度σt 与抗压强度［σc ］的比值K — 根据梁的固支或简支等状态而定，一般 为
1/2～1/3
—岩块间的挤压强度σp 与抗压强度［σc ］的比值。

由此可以求得在岩梁破断后互相咬合中间下沉量达Δ时，即形成了岩块结构的变形失稳。

2.原岩应力场的组成，各组成部分的特点？
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，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
自重应力：岩体的自重应力随着深度成线性增长，在一定深度范围内，岩体基本上处于弹性状态。

当埋深超过一定深度时，自重应力大于岩体的弹性强度，岩体将转化为处于潜塑性状态或塑性状态。

构造应力以水平力为主，具有明显的区域性和方向性。

有以下基本特点：
①一般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绝对优势。

②构造应力分布不均匀，在地质构造变化比较剧烈的地区，最大主应力的大小和方向往往有很大变化。

③岩体中的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之值一般相差较大。

④构造在坚硬岩层中出现一般比较普遍，在软岩中贮存构造应力较少。

3.煤柱下方应力分布特点，在煤柱下方布置底板巷道的实际意义？ 在集中力P 作用下，沿水平面及深度方向，将岩体内的铅直应力σz 相等的线连接起来，形成类似卵形的压力泡。

上述是在集中力p 作用下形成的空间σz 应力分布情况。

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。

前西德学者雅可毕将煤层开采条件理想化，即将岩体视为均质的弹性体，对煤柱和媒体下方底板岩层中的应力分布进行了模拟计算。

得到了σz 应力线的分布图如图所示。

其假设的条件是；采深为800m ，上覆岩层体积力为25kN ／m3。

图中的单位是10MPa ，因此图中的等应力线2即相当于原岩应力。

在煤柱或煤体下方的一侧为增压区，而在采空区下方一侧为减压区。

当多煤层开采时，岩体内的σz 应力线将更为复杂。

经历保护煤柱两侧回采工作面的超前采动。

保护煤柱形成后，一直受保护煤柱支承压力的影响。

当保护煤柱足够宽或者巷道与保护煤柱的间距足够大时，巷道可以避开采动影响，处于原岩应力场内。

4、工作面采动应力在底板分布特征，采空区下方、煤柱下方采动应力分布？
（1）一侧采空煤体及两侧采空、宽度较大的煤柱，作用于煤层上的支撑压力的影响深度约为1.5B~2B ；两侧采空、宽度较小的煤柱，作用于煤柱上的支撑压力的影响深度约为3B~4B 。

B 一般等于工作面超前支撑压力影响范围。

（2）两侧采空、宽度较小的煤柱，底板岩层内同一水平面上σz 以煤柱中心线处最大。

一侧采空煤体，底板岩层内同一水平面上σz 最大值在煤体下方，据采空区边缘数米。

两侧已采、宽度较大的煤柱，底板岩层内同一水平面上σz 以煤柱中心线处较小，靠近煤柱边缘出现峰值。

（3）无论何种形式煤层载荷的作用下，底板岩层内应力分布都呈扩展状态，数
值等于自重应力值的等值线与煤柱边缘垂线的夹角，该角为影响角ψ，ψ一般为
30°~40°。

5.分析采场支架工作阻力与顶板下沉量的“P-△L ”曲线关系（151）
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⋅⋅-
⋅=∆K K n h 311
支架工作阻力与顶板下沉量的关系在一定程度上反映了支架与围岩的相互作用关系。

从P －△L 曲线可以得出以下结论：
①不同的顶板条件，P －△L 曲线的斜率不同，但都呈双曲线关系。

②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，但低于此值则提高支架工作阻力将减少顶板下沉量。

③支架的工作阻力并不能改变上覆岩层“大结构”的总体活动规律。

④回采工作面支架应具备以下两个基本特性：一是必须具备一定的可缩量；二是必须具备有良好的支撑性能，即一定的工作阻力。

因而在支架选型与支护设计中，最主要是确定支架的最大可缩量与最大工作阻力。

6.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？计算。

(72)
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KP 表示。

影响碎胀系数KP 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且排列较乱，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KP ，。

若直接顶岩层的垮落厚度为∑h ，则垮落后堆积的高度为Kp ·∑h ，它与老顶之间可能留下的空隙△为：
△＝∑h ＋M －Kp*∑h=M-∑h*（Kp-1）
当M ＝∑h （Kp-1）时，△=0，即冒落的直接顶将充满采空区。

此时下沉量较小，常可忽略不计。

因此，形成充满
采空区所需直接顶的厚度为： 随着老顶初次断裂，老顶破断岩块的变形迫使直接顶变形而向支架方向加载荷，此时直接顶就不再可能形成初次放顶时可能发生的离层状态。

但是老顶破断岩块形成的变形失稳与滑落失稳将对直接顶的稳定性产生影响。

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。

因此，碎胀性对工作面顶板管理有重要意义．
7.采场支架分类，每类适用特点？
根据支柱与顶梁的配合关系，将采场支架分为两大类：
单体支柱：支柱与顶梁是分开的，分为木支柱、金属摩擦支柱、液压支柱
木支柱：受材质影响很大，各支柱承载不均衡；回柱困难，效率低，冒顶事故多，不安全，但质量轻，适应性强。

金属摩擦支柱：利用摩擦力产生支护力，结构简单、重量轻，重量轻，造价低，但初撑力小且不均匀，支撑力受温度和湿度影响大，易造成顶板不均匀下沉和破碎，影响安全生产。

液压支柱：有内注式及外注式两种，包括升柱、承载、卸载回柱三个过程。

液压支架：顶梁、支柱、底座联合为一个整体 。

分为三类：
⒈支撑式：结构上没有掩护梁，适用于采高1.5米以下，直接顶3、4类，底板Ⅲ类以上煤层倾角20o 以内的长壁工作面。

2.掩护式：结构上有掩护梁，支柱在掩护梁上，适用于直接顶破碎，来压不明显的条件。

不适用于直接顶坚硬而老顶周期来压强烈的条件。

1
K M h -=
∑p
3.支撑掩护式：结构上有掩护梁，支柱在顶梁上，有时在顶梁和掩护梁上都有支柱。

支撑掩护式支架支撑能力较强，对顶板的适应性较强。

8.单体支柱工作面支柱端底插入底板的形式及破坏特征？
整体剪切、局部剪切和其他剪切。

整体剪切的特征：当载荷达到某一定值后，突然下降，压入深度迅速增大，此突破点称为底板的极限抗压强度。

局部剪切的特征是：没有明显的突破点，但随载荷的增加，压入深度的变形率增长较快。

其他剪切的破坏形式介于前两者之间，有突破点，但不明显，载荷超过突破点后，压入深度明显增大。

9.锚杆支护理论？为什么说锚注支护是软岩巷道支护的新途径？（245）
锚杆支护：促使围岩由载荷体转化为承载体。

尽管锚杆在不同的地质条件下作用机理有所不同，但都是在巷道周边围岩内部对围岩加固，形成围岩承载体，有利于围岩的稳定。

锚杆支护与棚式支架支护的一个重要区别是：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。

但注浆只能在围岩的一定深处进行，需要与锚喷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。

10.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。

主要因素：煤体强度、煤体裂隙分布影响、顶煤厚度、夹矸影响
主要措施：对于裂隙不发育的坚硬厚煤层(f＞3．5)，实施综放开采时，通常需采用顶煤爆破或注水方法改善顶煤的冒落形态和冒落块度。

在工作面顶煤中沿顶板掘进两条平行煤巷，在巷内钻进平行于采面的深孔，在工作面支承压力区前方利用深孔实施顶煤预爆破，在顶煤中形成爆破裂隙和扩展煤体中的原有裂隙，增大裂隙密度，从而在整体上改变了顶煤的性质，衰减了顶煤整体强度，然后在支承压力作用下，对顶煤进行压裂和破碎，使之具有较好的冒落形态和冒落块度，易于顶煤放出。

在产量较低的工作面，也可在支架间向放顶煤钻空进行爆破，破碎支架上方顶煤。

采用注水软化顶煤时，可在顶煤中开掘专用注水施工巷道，向两侧顶煤中钻进注水钻孔，也可利用工作面两巷道施工注水钻孔。

11.跨巷回采卸压的基本原理？
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，可在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，巷道与上部回采煤层煤柱(体)边缘的水平距离x。

12.简述开采后引起的上覆岩层的破坏方式及其分区。

（179）
当煤层开采以后，由于直接顶下部形成较大的空间，直接顶破断后，岩块呈不规则垮落，排列极不整齐，其松散系数较大。

一般将具有这种破坏方式的岩层称为冒落带。

冒落带以上的顶板岩层由于其下部自由空间较小，岩层断裂后，其向下移动时受到相互牵制，岩层只是断裂下沉而无翻转，通常将这个区域叫做裂隙带。

再向上直至地表的岩层只有弯曲下沉而无断裂，这一带常称为弯曲下沉带。

根据裂隙带内岩层的移动特点，沿工作面推进方向可将其分为以下几个区域：
1.A区域，即煤壁支撑影响区，这个区域在煤壁前方30~40m的范围内。

该区域内岩层有较明显的水平位移，而垂直移动甚小，有事岩层还可能出现上升现象。

2.B区域，也称为离层区。

这个区域是在回采工作面推过以后的采空区上方。

这个区的岩层移动特点是：破断岩层的垂直位移急剧增大，其下部岩层的垂直移动速度大于上部岩层的垂直移动速度，因而下部岩层和上部岩层发生离层。

3.C区域，称为重新压实区。

这个区域内裂隙带的岩层重新受到已冒落矸石的支撑，垂直移动减缓，其下部岩层的垂直移动速度下雨上部岩层，因而使岩层离层时出现的层间空隙又重新闭合。