矿山压力理论

1研究生课程论文2一、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3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4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5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6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：7(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8tan2ab式中，——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。岩层运动的几何形状过分绝对化，也未能考虑到支架与围岩以及下沉条带间的相互作用。8.锲形假说前苏联学者鲁宾涅依特总结了前人有关走向长壁开采回采工作面的各种矿压假说，吸取了其中某些较合理的部分，于1955年提出楔形假说，其实质如下：从采空区起，采场顶板岩层可以分为三个区域，即完全破坏区，半破坏区和未破坏区。如图所示：由于工作面前方支承压力作用，煤体将产生一预先下沉值0U。岩层在高应力的作用下则呈半破坏状态而失去了抗拉能力，但仍未丧失连续性，且有抗压能力，半破坏区的岩石由极限平衡状态向弹性状态过渡。再深入岩体则是未破坏的弹性状态区。9鲁宾涅依特的理论在很多方面与实际不符，许多假说与计算明显地缺乏可信的基础。9.松散介质假说荷兰学者伊尔切松和佐利登拉特提出的松散介质假说，要点如下：将岩体看作松散体，其力学性质基本上可用内摩擦角表示。根据含煤地层的岩石由于古代构造力作用的结果，已被许多裂隙切割破坏了。假说认为煤及岩体如同松散介质受载向自由空间移动—样也向采空区移动，个别岩块可能很大，但仍能按松散体的应力分布规律取得平衡，因此可用松散静力学方法研究它。前面所介绍的一些主要的矿压假说都是从经验事实、现场实测以及数学力学的一般原理出发，在假定岩体基本属性的前提下，采用某些分析手段来阐述采场矿压的基本问题，每种假说都有其合理成分，有些观点是基本普遍公认可以肯定的，如：1)采场支架所受载荷仅是