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矿山压力与岩层控制1《矿山压力与岩层控制》是高等院校采矿工程专业四年制本科的必修专业基础课。当我们开始学习这门课程时，不免思考：为什么要学习这门课程？倘若这门课学不好，将会对煤矿安全生产带来怎样的后果？本课程有什么特点以及如何学好该门课程，等等问题。通过本章学习，了解当前与矿山压力有关的安全事故以明确矿山压力与岩层控制的主要研究任务；并通过对目前矿山压力与岩层控制研究理论的回顾，明确本课程主要研究内容及学习方法。绪论§1.1与矿山压力有关的安全事故1.1.1顶板冒顶实例1.1.2冲击地压1.1.3透水事故§1.2矿山压力与岩层控制研究的主要任务§1.3矿山压力与岩层控制研究的回顾1.3.1掩护拱假说1.3.2掩护梁假说1.3.3铰接岩块假说1.3.4砌体梁结构力学模型与关键层理论1.3.5以岩层运动为中心的矿山压力理论§1.4本书的主要研究内容与学习方法§1.1与矿山压力有关的安全事故“十五”时期，工矿商贸企业共发生事故68805起、死亡77158人，其中，煤矿共发生事故18516起、死亡31064人，分别占工矿商贸企业事故起数和死亡人数的26.91%和40.26%。在此期间，全国煤矿共发生一次死亡3~9人重大事故1398起，平均每年发生280起，占全国各类重大事故起数的11%；发生一次死亡10~29人特大事故214起，平均每年发生43起，占全国各类特大事故起数的36%；发生一次死亡30人以上特别重大事故42起，平均每年发生8起，占全国各类特别重大事故起数的58%。在整个煤矿安全事故中，煤矿顶板事故所占比重超过50%以上（如图1.1所示），死亡人数所占比重超过30%以上（如图1.2所示），每年顶板事故影响的产量约占总产量的5%，达到3000万t至4000万t的巨大数字。大量实践也表明：煤矿重大事故的发生及其有效控制，几乎都同时与岩层运动和应力场应力的大小和分布条件有机地联系在一起。其中，与顶板运动破坏直接关联的顶板冒顶事故、顶板透水事故以及与其相关的岩层运动破坏的范围都与采动后应力场重新分布联系在一起。与应力条件直接相关的事故，包括瓦斯事故、冲击地压、底板突水等，其应力条件的实现都是在一定采动条件下岩层运动和破坏的结果（如图1.3所示）。第一章第一章绪论2由于矿山压力及岩层运动情况不清，控制方法不相适应，每年浪费在回采工作面顶板控制和巷道维护上的人力和财力非常巨大。因此，结合我国煤矿特点进行矿山压力及岩层运动控制的研究，是关系到煤矿安全生产及提高经济效益的大事。从如下与矿山压力及岩层运动诱发的事故案例，可以明显地感受到这一点。图1.1中国煤矿安全事故比例图1.2中国煤矿死亡人数比例图1.3与岩层运动相关事故机理1.1.1顶板冒顶实例福建省龙岩市新罗矿区1993年~2002年各种伤亡汇总见表1所列，从表1中可看出，矿山事故的分类严重程度排列，依次为：冒顶、机电、中毒、水害等，从1993年~2002年，因冒顶事故伤亡的人数为138人，占各类事故伤亡人数总数的47.91%，由此可见矿井顶板冒顶是影响矿山安全生产和健康发展的主要原因之一。表1福建省龙岩市新罗矿区1993年~2002年各种伤亡汇总表年份伤亡总起数伤亡总人数其中冒顶运输机电爆破中毒（透水）其他起数人数起数人数起数人数起数人数起数人数起数人数19932530172011111146110%10%20%30%40%50%60%20042005瓦斯顶板水运输其它0%5%10%15%20%25%30%35%40%20042005瓦斯顶板水运输其它矿山压力与岩层控制31994294014232233223555199532361920112211475519962835172211111167231997213191311111151144199817209911221123241999232511111111224446200015183522113466200117255811135855200222286711251315合计229288110138881414121438604754注：其他类别含：窒息，非矿山类。1.1.2冲击地压随着我国对煤炭等资源需求量的不断增大，井下煤矿的开采深度不断增大，承受巨大地压的顶板突然断裂所造成的破坏岩石位能转变为动能而带来的冲击地压危害日益显现，如图1.4所示。图1.4冲击地压破坏图图1.5广东兴宁一煤矿发生透水事故示意图图1.6四川广安矿井透水事故示意图1.1.3透水事故因矿井顶底、板压力过大，致使煤矿在开采过程中地表水、老空水或者是相邻煤矿报废矿井中第一章绪论4的水沿断层破碎带流入井田造成透水事故，也是影响矿山安全生产和健康发展的主要原因之一。例如：广东兴宁市罗岗镇福胜煤矿发生特大透水事故，103人被困井下，其中16人死亡，如图1.5所示。四川省广安市龙滩煤矿发生矿井透水事故，10人遇难，18人下落不明，如图1.6所示。实践证明，顶板事故频繁发生的基本原因是：（1）没有很好地研究和掌握各个具体煤层需要控制的岩层范围及其运动的规律（包括运动发生的时间和条件等），顶板控制设计缺少基础；（2）没有深入地研究和掌握各种类型支架的特性，特别是在生产现场所能达到的实际支撑能力。没有解决好针对具体煤层条件选好和用好支护手段方面的问题；（3）没有更好地揭示支架与顶板运动间的关系，达到正确合理的选择控制方案。研究证明，煤矿冲击地压、煤与瓦斯突出、岩层突水等事故的发生与采场矿山压力分布及岩层运动直接相关。如果能够比较科学地预测预报出采场周围支承压力分布状况（包括压力高峰位置、巷道的低应力区范围等），并在此基础上正确设计开采程序（开采的时空关系），避免在高应力区或岩层运动未稳定的部位开掘和维护巷道，则相应的冲击地压、煤与瓦斯突出等重大事故也就可以减免。§1.2矿山压力与岩层控制研究的主要任务根据国内外采矿工作者长期的理论和实践探索，特别是近五十年来长壁开采的实践表明，矿山压力与岩层控制研究的主要任务为：（1）研究随采场推进在其周围煤层及岩层中重新分布的应力（包括应力大小及方向等）及其发展变化的规律。该应力的存在和变化是煤及岩层变形、破坏和位移的根源，也是采场及周围巷道支架上压力显现的条件。搞清分布在煤层及各个岩层上的应力状况，揭示它们随采场推进及岩层运动而变化的规律，是采场矿山压力研究的重点。（2）研究采场支架上显现的压力及其控制方法。包括压力的来源、压力大小及与上覆岩层运动间的关系、正确的控制设计方法等。（3）研究在采场周围不同部位开掘和维护的巷道的矿山压力显现及其控制办法。包括不同时间开掘的巷道压力的来源、巷道支架上显现的压力大小及其影响因素、以及支架与围岩运动间的关系等。（4）控制采动岩层活动的主要因素分析。从十分复杂的采动岩层活动中建立采动岩层的结构力学模型，从而展开对采场顶板矿压、采场突水、岩层移动及地表沉陷规律等进行系统描述。矿山压力与岩层控制5（5）深部开采时采场支承压力分布、岩层结构及运动特点、围岩大变形的控制机制等。在上述任务中，确定采掘空间的支护型式及所需的支护参数，是矿山压力研究的主要目标；而研究造成已采空间周围岩层运动，特别是产生破坏的力，则是实现上述目标的基础和关键。围绕着上述两个方面问题，国内外采矿工作者，特别是在生产现场进行工程实践的专家，经历了长期的奋斗，已经取得许多重要的成果。§1.3矿山压力与岩层控制研究的回顾为了更深刻的认识矿山压力理论的发展现状，找到适应我国煤矿的研究方向，简单的回顾一下有代表性的矿山压力假设是十分必要的。很早以前，人们已经发现在煤和岩层中开出的巷道，支架上承受的压力远远小于采动空间上覆岩层的自然重量。即使长壁开采，采场支架上的压力显现也仅只有上覆岩层重量的1%~5%。因此人们很自然的联想到已采空间是在某种结构的掩护之下。于是，人们根据自己在不同煤层条件下的开采经验，提出了相应的掩护结构模型，用以解释开采过程中出现的矿山压力现象，设计和选择采掘空间的支护型式及必需的反力，从而形成了各种假说。其中，适应于一般的煤层条件，具有一定历史地位和有代表性的，可以大致归纳为以下五类。1.3.1掩护“拱”假说掩护拱假说的基本观点是：①采动形成的工作空间是在一种“拱”的结构掩护之下；②“拱”结构承担上覆岩层的重量，通过拱脚传递到煤层及岩体上的压力及由此在煤及岩体中形成的应力，是煤及岩层破坏的原因，也是“拱”结构本身向外扩展的条件；③采场空间的支护仅承受拱内已破坏岩层的岩重，支架是在由“拱”的结构尺寸所圈定的破碎岩石荷重下工作—即在一定的载荷条件下工作，支架上显现的压力大小与支架本身的力学特性无关。根据对拱的性质及形成条件的不同解释，这类假说又可分为下列两种：cchh'dbb'AA'图1.7自然平衡拱（1）自然平衡拱假说第一章绪论6自然平衡拱假说是由俄国学者M.M.普罗托吉亚阔诺夫在对大量巷道顶板破坏情况观察的基础上提出来的。该假说认为，巷道开掘后，已采空间上部岩层将逐步冒塌成图1.7所示拱的形状。这个拱是自然形成的，拱的高度h是岩层的岩石强度和巷道宽度b的函数，其间的关系可由下式表示：fbkh（1.1）式中k—常数；f—普氏系数，可由岩石的单向抗压强度R求出：100Rf（1.2）显然，当R和b已知，即可按式（1.1）及（1.2）计算出掩护拱的高度h，从而可以推算出拱所包围的破碎岩石的面积A及相应的岩石重量，据此即可确定巷道支护所需的反力。实践证明，普氏拱假说适用于确定强度不高（f=5~6），开采深度不是很大的巷道支护反力。当开采深度超过一定限度后，通过拱体结构传递至巷道两帮边缘岩体上的压力及由此在岩体内形成的应力将达到该岩石的强度极限，导致两帮边缘的破坏，实际的拱宽和拱高将分别扩展至图1.7中b及h的位置。巷道支护必须的反力应按照已经扩大了的拱面积A进行计算。为此必须确定出扩展后的平衡拱位置，即图1.7中的c值。由于普氏理论没有以岩石破坏和应力重新分布的角度来揭示自然平衡拱形成的机理，没有深入研究围岩中应力分布和稳定的条件，因此不可能正确回答上述问题。这也正是普氏理论广泛应用受到限制的原因。曾经有不少人企图用普氏自然平衡拱的理论来解释采场推进过程中周围岩层中的应力和支架上的压力显现，其力学模型如图1.8所示。利用该模型可以说明采场第一次来压阶段煤壁前方支承压力及采场支架上显现的压力随采场推进而增加的现象，但不能解释采场矿压显现的周期性变化规律。321b3b2b1h1h2h3图1.8工作面推进中的自然平衡拱由图1.8可知，如果工作面继续推进，拱高h将通达地表。显然这是违背客观实际情况的。鉴于这种假说所描绘的岩石运动和破坏规律与客观实际不符，所以不能用以解释回采工作面产生的矿山压力问题。（2）压力拱假说矿山压力与岩层控制7压力拱假说在本世纪50年代前后，曾经得到很多人拥护。比较有影响的是苏联学者、工程师Φ.许普鲁特，由他提出的假说模型如图1.9所示。图中曲线，是压力拱的边界线。该压力拱跨越整个采场（工作空间），前后拱脚分别坐落在未采动的煤层和采空区的矸石上。该曲线把推进方向的岩层压力分为三个部分：即压力拱脚作用的高压区S1及S2；由工作空间上部边界和压力拱边界线所包围的“无应力”（即已破坏）岩石作用的低压区LK；以及曲线进入水平状态的原始压力区域。S1LkS21图1.9Φ.许普鲁特压力拱假说模型压力拱假说的主要假设如下：①压力拱切断了拱内外岩石力的联系，承担了上部岩层的重量，并将其转递至拱脚，从而形成支承压力；②采场支架仅仅承担拱内（即控顶区以上至拱边界处）岩石的重量，支架是在一定的载荷条件下工作，因此，支架上显现的压力大小与本身的承载能力及其力学特性无关。假说较好的解释了采场周围支承压力的存在，较好的说明了支架上的压力远小于上覆岩层重量的原因。由于假说认为“压力拱”是随采场推进而前移，因而避免了原自然平衡拱假说认为平衡拱随采场推进不断扩大的错误。但是假说同样存在着下列缺陷：①没有明确压力拱的性质及其与岩层运动发展情况间的关系。因此，这个压力拱始终是一个边界无法确定的模糊概念，无法解释采场周期