1.矿山压力及其控制(第一章)

矿山压力及其控制主讲：王家臣第一章绪论1.1矿山压力的基本概念我们所说的采矿通常是指固体矿床地下开采，即：地下开采和露天开采。在煤矿行业，地下开采又常称为“井工开采”或标准采矿等，由于露天开采对地表破坏、环境污染较严重，也称为非标准采矿。采矿分类地下采矿露天采矿海洋采矿特殊采矿金属矿地下开采地下开采非金属矿地下开采砂矿床露天开采固体矿床露天开采海底砂矿开采海底热液砂床开采海底锰结核开采海水化学元素提取海底基岩矿床开采热液采矿容浸采矿水溶采矿盐湖矿床开采饰面石材开采机械开采水力机械采砂采砂船开采固体矿床开采抚顺西露天煤矿采场煤矿露天开采河南义马北露天煤矿采场内部排土场煤矿露天开采厚煤层地下开采无论是地下开采还是露天开采都可抽象为对原有地壳的一种人为破坏活动，或称是一种人为的有目的在地壳岩体中的大规模开挖活动。这种开挖活动破坏了岩体原有应力平衡状态，引起了岩体内部应力重新分布，其结果表现为开掘的井、巷、硐、工作面、露天矿采场边坡等的周围岩体变形、移动、甚至破坏，直到岩体内部重新形成一个新的应力平衡状态为止，见下图。矿体矿体井筒与巷道矿山压力：严格的讲，矿山压力应包括地采和露采两部分内容，但由于传统的观念和习惯，矿山压力通常指与地采有关的内容，即概念如下。矿山压力（i.e.矿压）：这种由于在地下煤炭中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其中的支护物上所引起的力，就叫矿山压力。矿山压力显现：在矿山压力作用下，会引起各种力学现象，如顶板下沉、底板臌起、巷道断面缩小、岩体破坏脱落母体甚至大面积冒落，煤被压松产生片帮或突然抛出，支架严重变形或损坏，以及大面积岩层移动，地表发生塌陷等等，这些由于矿山压力作用，使围岩、煤体和各种人工支撑物产生的种种力学现象，通称为“矿山压力显现”.i.e.”矿压显现”。矿山压力控制：随着大规模开采活动及矿压显现给工作带来严重危害，为使矿压显现不致影响采矿工作正常进行和保障安全生产，必须采取各种技术措施把矿山压力显现控制在一定的范围内，对有利于采矿生产的矿山压力显现也要合理的利用。所有减轻、调解、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。矿山压力及岩层控制：矿山压力、矿山压力显现、矿山压力控制是矿山压力与岩层控制研究的主要内容。随着大规模开采活动及矿压显现给工作带来严重危害，人们迫切需要一种理论来解释和研究有关的矿压现象，并用以指导工程设计和安全生产，这就使于60年代形成了一门新的学科分支——矿山压力及岩层控制。1.1.2矿山压力及岩层控制对采矿工程的作用（1）生态环境保护：地下水破坏、地表沉降、矸石山占地、瓦斯抽放等。（2）保证安全和正常生产：顶板事故、巷道稳定、边坡控制等，掌握矿山压力活动的基本规律，用以指导采矿生产的设计，生产组织，保障安全生产，设备正常运行。（3）减少地下资源损失：通过研究和实测矿压活动规律，减少顶板等事故，选择合理煤柱尺寸，甚至某些情况下取消煤柱，减少煤炭资源损失量。（4）改善地下开采技术：地下开采技术的进步与对矿压显现规律的深刻认识和矿压控制手段的改善有密切关系。（5）提高开采经济效果：矿压显现预测、支护质量与顶板动态监测、信息反馈、确定优化的矿山与开采设计等，提高开采效益。综上所述，掌握矿压显现规律，研究矿压控制的有效方法，对煤矿生产有十分重要意义。1.1.3采矿工程的力学特点（1）采矿工程岩体结构的本质与地面工程结构不同，地下工程围岩即是载荷，也是一种承载结构。（2）采矿工程的移动特性（3）采矿工程中围岩的大变形和支护体的可缩特性（4）采矿工程中的能量原理和动力现象1.2矿山压力及控制的发展简况1.2.1对矿压的早期认识阶段我国是世界上采矿最早的国家之一，中国采矿有文字可考的历史始于商代，但实际的采矿活动还要早很多。春秋至南北朝（公元前770年至前200年），采矿技术已有全面发展。随着采矿规模日益扩大，经常出现矿井内顶板冒落，巷道堵塞或地表塌陷，迫使人们重视和研究矿压问题。1.2.2建立矿压早期假说阶段19世纪后期到20世纪初，是矿压研究的第二个阶段。利用一些简单的力学原理解释实践中出现的一些矿压现象，并提出了一些初步的矿压假说，具有代表性的是“压力拱假说”，即认为巷道上方能形成自然平衡拱及有关分析计算。同时提出了以岩石坚固性系数f（普氏系数）作为定量指标的岩石分类方法，曾获得广泛应用至今。在这个阶段中，对巷道围岩破坏机理和支架所受的岩石压力大小开始了初步的理论研究。在研究岩层和地表移动等方面，进行了地面及井下观测，研究到地表建筑物的损坏不仅由于地表下沉，还由于水平移动的结果。1.2.3以连续介质力学为理论基础的研究阶段20世纪30年代至50年代：将整个岩体作为连续的，各向同性的弹性体来考虑，即用弹性理论研究矿山压力问题，这一阶段的典型成果：（1）用虎克定律推导出了自重作用下原岩应力的计算公式；（2）用弹性理论解决了圆形巷道的应力分布问题。后来又研究了岩体非均质和各向异性对理想弹性体的影响，以及把岩层看作具有不同变形特征的弹性介质，进一步研究岩体层理性的影响，此外还用连续介质力学方法研究了岩层移动问题。在进行理论研究的同时，研究矿压的实验手段也获得了发展，其中较为应用的是利用相似材料进行的相似模型研究方法和利用光敏感材料进行的光弹性模拟方法。1.2.4矿压研究的近代发展阶段（60年代至今）这个时期的科技发展特点：（1）矿山开采规模增大；（2）计算机技术飞速发展；（3）相关学科进步明显。与此相类似，矿压研究取得了一些新进展：（1）理论方面将传统的连续、弹性、各向同性的岩体→岩体是有各种弱面切割的裂隙体，具有与一般固体所不同的特征。从这个观点出发引用相关学科中现代研究成果，出现了一系列边缘学科分支和方法，如岩石断裂力学，岩石块体力学，岩石流变学等。在研究方法方方面，在现代计算技术基础上发展起来的一些新的数值分析方法：有限元，边界元，离散元法等。这些方法可以考虑岩体复杂的力学属性，进行巷道和硐室围岩体中的应力变化和位移分布，确定其稳定性等，使矿压理论研究有可能获得更符合实际的数值解答。在地表岩层移动研究方面，在进行大量现场观测和掌握了不同条件下岩层移动基本规律的基础上，建立了更为完美的因开采造成的地表移动和变形值的计算和预测方法，以及开展了开采工作引起的煤层上覆岩层运动机理及其有关规律的研究。（2）应用研究方面配合地下开采技术和支护技术的发展，进行了不同煤层条件下采用不同支护类型的回采工作面中矿压显现规律的研究，开展了采用煤柱护巷和无煤柱护巷的各类巷道中的矿压显现规律的研究，以及进行了为解决有冲击矿压、煤和瓦斯突出危险煤层开采的有关研究，从而为改善回采工作面矿压控制，合理布置和维护巷道，以及保证安全生产，提供了科学依据。（3）实验研究方面结合各类研究课题的进行，逐步应用和改善了现场与室内观测和实验的各种仪器和设备，有代表性是井下钻孔电视应用和真三轴岩石试验机以及刚性试验机，为矿山压力的进一步研究和完善提供了必要的原始数据和资料。大型模拟试验台、先进的多点数据采集仪器等。（4）矿压现场控制方面进一步改善了巷道支护技术，如大断面、大缩量和高支撑力的可缩性金属支架，广泛应用锚杆支护，开发了各种类型的锚杆，注浆加固不稳定煤层和围岩，回采工作面中使用自移式液压支架，架型增多，适用范围扩大等。对难以控制的坚硬顶板，通过高压注水，超前爆破等手段，比较有效地避免了在采控区突然大面积冒落造成的危害。对井下冲击矿压的预测和控制效果大为提高。1.2.5我国在矿山压力研究方面的主要工作与成就为了配合全国有序地开展矿压研究及推动煤矿科技进步。1979年4月26日煤炭部批准在中国矿业大学建立煤炭工业部矿山压力情况报中心站，作为全国矿压研究与实践方面的重要学术组织，到目前为止已经组织召开了11届全国性矿山压力理论与实践研讨会。下设八个分站：钱鸣高、牛锡倬、平寿康、刘天泉、宋振骐等学者对推动我国矿压理论研究与工程应用作出了突出贡献，如著名的砌体梁理论等。我国煤矿事故中顶煤事故由45％下降到15％，目前一批中青年学者、专家迅速成长。砌体梁理论、关键层理论、锚杆支护技术等。1.3矿山压力与岩石力学的关系1.3.1矿山压力与岩石力学的关系随着采矿深度何规模增大，矿山压力的研究不断深入和发展，人们越来越来多地认识了岩石的力学性质和开采过程中岩体内所发生的自然力现象和规律，在此基础上产生了一个新的学科分支—矿山岩体力学。即：矿山岩体力学是研究自然和采动影响所造成的矿山应力场中，有关矿山岩体和矿山工程结构的强度、稳定性和变形的科学，它既是固体力学的一个应用分支，也是采矿科学的一个组成部分。严格地说，矿山压力是矿山岩石力学的一个应用部分，但由于我国煤矿系统的习惯，将矿压作为一个独立的课程。岩石力学最初产生于采矿工程，其服务对象也主要是采矿工程，但其研究方法和理论并非为采矿工程所独有。奥地利学派对岩石力学的发展起到了巨大作用。该学派地代表人物是L.Muller主要观点有三个：（1）就大多数工程问题而言，岩体工程性质取决于岩体内部地质断裂系统的强度要比取决于岩石本身强度的大得多，所以岩石力学是一种不连续体力学，即裂隙介质力学；（2）岩体强度是一种残余强度，其受到岩体中所含弱面强度的制约；（3）岩体的变形和它的各向异性主要由弱面位移所产生。上述这三个观点为岩石力学的发展起到了引导和促进作用，尤其是在工程地质、水电、冶金等岩石力学研究中受到格外重视，而煤炭行业由于煤田成因及研究问题的特殊性，没有充分重视和发展上述观点，但从长远看煤炭行业的岩石力学有关问题研究必须与国际接轨，矿山压力研究应纳入到矿山岩石力学的一个应用分支，必须重尊岩石力学研究的一般准则。1.3.2矿山压力研究的主要内容地下采矿中常见的岩石开挖工程有：井硐、室巷道和工作面，其中以巷道和回采工作面最为常见，所以矿山研究以巷道回采工作面为核心进行研究。主要研究内容如下：（一）支承压力（二）回采工作面上覆岩层活动规律及其分析1.老顶稳定及初次极限跨距2.裂隙体梁及结构分析（三）回采工作面矿山压力显现基本规律1.初次来压分析2.周期来压分析3.顶板压力估算（四）回采工作面顶板控制与支护方法1.支架围岩相互作用原理2.支架选型（五）采区巷道矿压显现与控制1.巷道矿压显现的基本规律2.巷道矿压控制原理3.采区巷道支护（六）动压现象及控制1.冲击矿压（冲击矿压煤、及瓦斯的突然喷出）2.顶板大面积来压1.3.3矿山压力研究的基本方法（1）现场观测与统计方法现场观测与研究是矿山压力研究中必须不可少的基础工作。我国早在50年代中期就开始进行回采工作面顶底板移近量和支柱受载观测。目前矿压现场观测的方法和手段都有了很大发展。观测仪器已由过去单一的机械扩大到利用电、声、光、磁等多科学技术的综合应用，观测方式也正在从人工就地读数逐步向遥控和自动监测过渡，并且已广泛利用计算机进行观测数据的处理和分析。（2）室内试验方法由于采矿工程规模大、时间、复杂、以及受生产影响大等，现场观测由于费用等原因受到一定的限制，所以逐渐借助室内试验进行研究，目前仍以模拟试验为主。（3）理论分析结构力学、岩石力学、弹性力学为主要分析工具（4）数值计算方法FEM、BEM、DEM1.3.4目前矿压研究中的某些不足（1）过于依赖确定性力学理论，对岩体介质的认识与实际不符合。（2）理论研究的可用性（3）现场应用的方便性与观测的简洁性（4）对工程实践的指导性