《矿山压力与岩层控制》教案

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1、绪论1矿山压力与岩层控制学科的概念矿山压力：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。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。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，均叫做矿山压力控制。2采矿工业要求发展矿山压力及岩层控制学科2.1生态环境保护岩层控制理论为实现保水采

2、煤，完善条带开采和充填技术，进行井下矸石处理和有效抽放瓦斯奠定理论基础。2.2保证安全和正常生产岩层控制理论和技术为大幅度降低顶板事故做出了突出贡献。边坡稳定性研究使边坡设计既能达到经济上可采纳的陡度，又足以维持安全的缓度。巷道围岩控制理论和技术为合理支护各种巷道成为可能。2.3减少资源损失矿柱是造成地下资源损失的主要根源。通过对开采引起的围岩应力重新分布规律的研究，推广无煤拄护巷和跨越巷道开采等技术措施，不仅显著减少资源损失，还有利于消除因矿柱存在引起的灾害和对采矿工作的不利影响。2.4改善开采技术自移式液压支架的应用实现了采煤综合机械化。巷道可

3、缩性金属支架和锚喷支护的应用改变了刚性、被动支护巷道的局面。同时，采场、巷道围岩稳定性分类为合理选择支护型式、支护参数提供科学依据。2.5提高经济效益围岩结构稳定性分类、稳定性识别、矿压显现预测、支护设计、支护质量与顶板动态监测、信息反馈直至确定最佳设计的一整套理论、方法与技术有助于创造采矿工业的良好的社会效益和经济效益。3矿山压力与岩层控制学科属性与特色3.1采矿工程岩体结构的本质与地面工程结构不同，地下工程围岩既是一种载荷，也是一种结构，施载体系和承载体系之间没有明显界限。采场上覆岩层形成结构，结构的形态及稳定性不仅直接影响到采场，也将影响到开

4、采后上覆岩层运动的形态及地表塌陷形状。3.2采矿工程的移动特性其它地下工程中硐室或隧道基本是固定的永久性的，采矿工程中采场是不断移动的，采场本身是一个依据矿物埋藏规律而不断运动的空间。3.3采矿工程中围岩的大变形和支护体的可缩特征采矿工程过程中由于采场空间较大，作业地点常在地下几百米至几千米深处，在矿山压力作用下，巷硐围岩处于破坏状态。采矿过程中架设的人工支护着眼于利用围岩的残余强度，促进已破坏的围岩形成自稳结构。软岩矿井中，巷道围岩不可避免地进入塑性状态，巷道支护允许巷道围岩出现稳定的塑性区，严格控制非稳当塑性区的扩展。3.4采矿工程中的能量原理

5、和动力现象冲击地压、顶板大面积来压、煤与瓦斯突出以及矿震都是采矿工程中的动力现象，其中冲击地压、顶板大面积来压属于压力矿山及其控制学科的研究范畴。冲击地压是岩体突然破坏的动力现象，冲击地压发生机理极为复杂。从能量转化的确角度，导致“矿体—围岩”系统非稳定状态突然失稳破坏。冲击地压、顶板大面积来压是矿山压力的一种特殊显现形式。4矿山压力与岩层控制学科的基本内容和发展阶段4.1早期认识、研究阶段采矿工业是基础工业，我国是世界上采矿最早的国家之一。明代末年出版的《天工开物》一书中，已记述了矿山压力的危害性，欧洲国家对矿山压力的认识开始于15世纪。19世纪

6、后期到20世纪，开始利用比较简单的力学原理解释出现的一些矿山压力现象，有代表性的是提出“压力拱假说”和岩石坚固性系数f。20世纪30年代至50年代，使用弹性理论研究矿山压力问题。4.2近代发展阶段自50年代矿山压力与岩层控制学科建立以来，理论研究与工程实践两方面都取得长足进展。4.2.1采场围岩控制理论与实践的发展（1）采场上覆岩层“砌体梁”结构力学模型及“关键层理论”60年代初至70年代末，提出上覆岩层开采后呈“砌体梁”式平衡的结构力学模型，为采场给出了具体的边界条件，也为论证采场矿山压力控制参数奠定基础。在此基础上，提出岩层断裂前后的弹性基础梁

7、力学模型及各种不同支撑条件下板的力学模型，为老顶来压预报提供理论依据。对坚硬岩层承受载荷及变形规律的分析，导致“关键层”理论的研究，由此可以进一步修正采场来压规律，判断上覆岩层内部裂隙分部、离层区位置和识别对地表破坏起主导作用的岩层。（2）“砌体梁”平衡的关键块研究及“S—R”稳定在“砌体梁”结构研究的前题下，重点分析关键块的平衡关系。这项研究主要提出砌体梁关键块的滑落与转动变形失稳条件即“S—R”稳定条件。（3）采场支架—围岩关系研究及整体力学模型的建立“支架—围岩”关系的研究体现在单体支柱工作面顶板事故的防治，液压自移支架的架型、合理支护阻力，

8、防治液压自移支架端面顶板的冒落。在中厚煤层开采的采高条件下，一直视直接顶为“似刚体”，影响支护参数选择的主要观点是“P—△