矿压学习心得

矿山压力与围岩控制学习心得一、对矿山压力和围岩控制的认识通过本科四年、研究生三年以及博士一学期的学习，我对矿山压力和围岩控制这门科学有了一些初步的认识与理解，现就我自己的学习和理解浅谈一下对矿山压力与围岩控制的一些相关认识和学习心得。地下岩体在受到煤矿开采影响以前，由于岩层自重的作用在其内部引起的应力，通常称为原岩应力，由于开采前的岩体是处于静止状态的，所以原岩体是一个处于应力平衡状态的整体，当进行开掘巷道或进行回采工作时，采动影响破坏了原来岩体所处的应力平衡状态，造成岩体内部应力的重新分布，当重新分布的应力超过煤岩体的极限强度时，就会使巷道和回采工作面周围的煤、岩体发生破坏情况，这种情况将持续到煤、岩体内部的应力状态重新达到新的应力平衡为止。此时，巷道和回采工作面周围的煤、岩体内就会形成一个与原岩应力场显然不同的新的应力场。这种由于在地下进行采掘活动而在井巷，硐室及回采工作面周围煤、岩体中和支护物上所引起的力，就叫矿山压力，简称矿压，也叫地压。围岩控制是为了使矿山压力的显现能够不影响正常的开采工作，以及保证生产的安全进行所采取的各种技术措施，加以控制围岩的移动变形。包括巷道布置、工作面形式、对巷道及采煤工作面空间所采取的支护方式、对软弱的煤岩体进行的加固工艺，采用各种有效的方法使巷道或采煤工作面得到卸压。而对于采空区，可以进行采空区充填的方式，或者用人工强制房顶等方法使采空区顶板按照预期方案进行冒落的方式，防止采空区大面积悬顶等等一系列的控制技术和方法就称为岩层控制技术。矿山压力与围岩控制这门科学对于煤矿的实际生产具有非常重要的实际意义，它指导矿山的建设，安全生产等等个方面工作的进行，是采矿行业的基础学科之一，同时作为作为采矿行业的基础理论学科，由于其对采矿行业的重要性，得到了广泛的研究学习，推动了采矿学科的科学健康发展，创造了显著的经济效益和社会效益。矿山压力理论建立和发展的基础建立在几种矿山压力假说的基础上，矿山压力假说是采矿科学发展的重要形式，是弄清矿山压力及其显现规律的有效途径。假说的建立包括以下步骤：1、观察和收集实际资料；2、分析整理所积累的资料，提出假设的基本观点；3、建立分析模型，进行数学力学分析推演，一方面为确定假说中各个基本参数间的关系，另一方面为矿山生产提供指导；4、通过一定方式对建立的假说进行检验。现代矿压理论的建立是在前人对于矿压的各种假说的基础上进行发展和完善所得出来的。矿压理论的建立，起初是以经验为基础，较多地偏重于矿山压力显现方面的描述，由于测试手段不完善，所以假说具有片面性和局限性。现有的矿山压力假说主要有以下几种：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；5.铰接岩块假说；6.台阶下沉假说；7.松散介质假说；8.楔形假说；9.砌体梁假说；10.传递岩梁假说；11.弹性基础梁假说；12.板结构假说。压力拱假说：压力拱假说，也称自然平衡拱假说，是最早的矿山压力假说，在欧洲国家现在仍有很多的学者拥护此假说。压力拱假说认为：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。底板中也存在着和顶板类似的压力拱。压力拱的主要内容包括：1.在工作面及其附近的顶板中存在着压力拱。2.通常在工作面前方15m的距离内形成拱脚最大压力带，这样在工作面附近压力逐渐减小。同时，在采空区中，充填体或冒落的矸石开始压缩的15m内形成另一拱脚的最大压力区，在这两个最大压力区的拱中心形成驼峰状的压力分布，两侧高中间低。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；用充填法时则拱平缓且拱高小。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。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。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。梁的假说：梁的假说是近代矿压假说的显著特点。由于对梁的属性认识不同，有双支梁假说、悬臂梁假说、砌体梁假说、传递岩梁假说及弹性基础梁模型等。1、双支梁假说。双支梁假说认为在老顶垮落之前，老顶弯曲下沉量很小，可忽略。当直接顶垮落高度不充分时，老顶处于悬露状态，由于回采工作面沿倾斜方向长度远大于沿走向的悬露跨度，可将老顶岩层视为一端由工作面煤壁，另一端由区段边界煤柱支撑的“梁”，即所谓双支梁假说。按梁两端的支撑条件不同，又可分为简支梁和固定梁。2、悬臂梁假说。悬臂梁假说认为：地下岩体是一种层状的连续弹性介质，未采动的岩体所受的力主要是垂直应力。在煤层开采后，采空区上方悬露的顶板在初次垮落后，可以看成是一端悬伸而另一端固定在工作面前方煤体上面的悬臂梁。如果顶板为很多岩层组成，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，即所谓的悬板假说。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。3、砌体梁假说。砌体梁假说是中国矿业大学钱鸣高教授在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构。这种平衡结构形如砌体，故称之为砌体梁。经过采动，上覆岩层中的坚硬岩层都已断裂，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。采场上覆岩层可沿走向分为三个区：煤壁支撑影响区；离层区或支架影响区；重新压实区。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。4、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），且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。5、弹性基础梁模型。当老顶或直接顶为未断开的岩层时，岩层可视为处于弹性基础（煤层和垮落矸石）上的连续梁，称为无限长弹性基础梁。弹性基础梁模型引用了地基中的理论，对未断开的采场上覆岩层进行了分析。但由于所做的假说缺乏事实根据，因此模型的属性，应用范围等尚需由实践进一步检验和修正。除前述拱形假说及各种梁的假说外，尚有其它的矿压假说。包括预成裂隙假说、台阶下沉假说、松散介质假说、关键层理论、铰接岩块假说、楔形假说及有关板的假说。1、预成裂隙假说。预成裂隙假说认为煤系地层为层状沉积岩，由于地质构造而形成各种层理、节理、裂隙及断层等破坏了岩体的连续性，因而属于非粘结性的不连续体，因此岩体虽然由脆性及刚性岩块组成，但它却象塑性体那样产生很大的变形，称之为“假塑性”体。这种特性在采空区中表现得更为明显，岩层移动导致围岩变形，岩层压力则引起支架受压。由于采掘工作的不断进行，在采空区周围岩体中形成破坏区。此假说认为采场上覆岩层实质上是一种被挤紧的“预应力梁”，它在自重及上部载荷作用下发生显著的假塑性弯曲，使原来被挤压紧的裂隙张开，并且使各岩块间产生相对错动，促使顶板下沉乃至垮落。裂隙发展的岩层的弯曲变形比裂隙小的刚性（坚硬）岩层要大，因此会产生离层。此外，这些岩层从很大的载荷作用下解脱出来，存在着体积膨胀，对支架引起了附加载荷。预成裂隙假说视岩体为层状非连续体，特别提出“假塑性”变形特征是具有独创性的，因此阐明了采场周围岩体内应力分布、变形及破坏等，具有一定的实际意义，比悬臂梁假说和压力拱假说都具有进一步的发展。但预成裂隙假说并不能概括采场中的所有情况，如完整坚硬岩石往往不能形成预成裂隙梁，而极其破碎的软弱岩层又因过于破碎以至使顶板中难以形成假塑性弯曲的岩梁。2、铰接岩块假说。铰接岩块假说是前苏联学者库兹涅佐夫据相似材料模拟实验和现场实测结果，在悬臂梁假说基础上提出的。库兹涅佐夫认为不能用连续介质力学的方法解决矿压问题。当工作面从开切眼开始推进，采空区扩大但尚未引起破坏时，逐渐增大的工作空间的支柱压力主要取决于岩层构成及顶板管理方法。当老顶垮落后，不仅顶板整个岩层的组成起重要作用，而且特别是各种软岩和硬岩的互层顺序起重大的作用。在顶板垮落后，按岩石的变形特征及破碎特点可将工作面上部岩层分两个带，即直接靠近采空区的不规则垮落带及上面的规则移动带。不规则垮落带的岩层由于受到各种裂隙的切割而成许多单个岩块，自由地垮落到采空区中，彼此间无多大的力学关系。由于采空区冒落矸石破碎体积膨胀，使位于不规则垮落带上部的岩层自由空间缩小，形成规则的垮落或下沉。同时每—层内的岩块之间互相挤压，构成多环节的铰链系统。铰接岩块假说对围岩移动特别是采空区直接顶垮落的分析，有助于进一步阐明直接顶与老顶间的相互作用，对支架