矿山压力与岩层控制第10章冲击矿压
矿山压力与岩层控制分析PPT课件
不能对采场上覆岩层的结构状态作出更全面的描述。
18.01.2021
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资源与环境工程学院-资源工程1系
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Ground Pressure and Strata Control
（2）“预生裂隙梁”假说低应力区 高应力区 假塑性变形区
12
3
Ⅱ
Ⅲ
Ⅰ
σ1
σ3
σ3
σ1
优点：煤层超前破坏以及临近采场的部分岩层出露前可能预先产生 裂隙这一点，已经为实践所证实。
②假说没有正确的揭示采场支架与围岩间的力学关系， 无法解释采场支架上显现的压力往往与支架本身力学特性有 关的现象。
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绪论
Ground Pressure and Strata Control
1.3.2掩护“梁”假说 ①采场是在一系列“梁”的掩护之下。这些梁在冒落前能将
人数所占比重超过30%以上，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。
40%
60%
35%
50%
30%
40%
瓦斯 25%
30% 20%
顶板 20%
水
15%
运输
10%
其它 10% 5%
瓦斯 顶板 水 运输 其它
0% 2004
2005
0% 2004
2005
图1.1 中国煤矿安全事故比例
关键层定义：在采场上覆岩层中存在多个岩层时，对 岩体活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层 。
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绪论
矿山压力与岩层控制
矿山压力与岩层控制一．名词解释矿山压力：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。
原岩应力：存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力，也称为岩体初始应力、绝对应力或地应力。
充填开采：就是用充填材料来充填已采空间，借以支撑围岩，防止或减少围岩垮落和变形的顶板管理技术，采用此方法管理顶板的采煤方法称为充填开采。
关键层：对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层。
锚固力：锚杆对围岩所产生的约束力称为锚固力。
根据约束方式分为：托锚力，黏锚力，切向锚固力；根据锚固阶段分为：初锚力，工作锚固力，残余锚固力。
沿空留巷：在上区段工作面采过后，通过加强支护或采用其他有效方法，将上区段工作面运输平巷保留下来，作为下区段工作面的回采时的回风平巷称为沿空留巷。
沿空掘巷：在上一区段工作面运输平巷废弃后，待采空区上覆岩层移动基本稳定后，沿被废弃的巷道边缘，掘进下一工作面的区段回风平巷称为沿空掘巷。
冲击矿压：是压力超过煤岩体强度极限，聚积在采掘工程周围煤岩体之中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，产生的动力将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响，造成煤岩体振动和破坏，支架与设备损坏，人员伤亡，部分巷道垮落破坏等。
充分开采：当采空区尺寸相当大时，地表最大下沉值不再随采空区尺寸增大而增大的开采状态称为充分采动。
二．简答题1.原岩应力概念组成部分以及场规律特点：（☆）答：天然存在于原岩内与人为因素无关的应力场称为原岩应力场。
其主要组成部分是自重应力场和构造应力场。
其规律特点：（1）实测铅直应力基本上等于上覆岩层重量。
（2）水平应力普遍大于铅直应力。
（3）平均水平应力与铅直应力的比随深度增加而减小。
（4）最大水平主应力和最小水平主应力一般相差较大。
2.构造应力场的特点：答：由于地质构造运动而引起的应力场称为构造应力场。
其特点：（1）构造应力以水平应力为主，具有明显的区域性和方向性。
矿山压力与岩层控制复习题及答案
1、直接顶初次跨落的标志是：直接顶跨落高度超过1m_1.5m，范围超过工作面长度的一半。
2、沿空巷道巷旁支护的类型：矸石带木垛密集支柱混凝土砌块、整体浇注巷旁充填技术。
4、采煤工作面矿压观测的核心为“三量”观测：顶板移近量观测、活柱下缩量观测、支柱载荷量观测。
5、浅埋煤层：开采区域大部分集中于埋深在100-150m以内的浅部，煤层的典型赋存特点时埋深浅、基岩顶板较薄、表土覆盖层较厚。
由于此类煤层的矿压显现规律具有明显的特点，为了区别于其他煤层，通常将具有浅埋深、基岩薄、上覆厚松散层赋存特征的煤层称为浅埋煤层。
6、采空区处理方法：充填，垮落，顶板缓慢下沉，刀柱法。
7、简述采区巷道支护的主要形式：棚子支护，巷旁支护，围岩注浆，锚杆支护。
或从基本支护，加强支护，巷旁支护，巷道围岩加固，联合支护角度8、单体工作面的特殊支护方式主要有：密集支柱、滑移支架支柱、从柱、斜撑支架、木垛、液压放顶墩柱等几种。
10、简述采区巷道变形与破坏的影响因素：1自然因素方面答2开采技术答11、煤矿冲击矿压的防治答：1．降低应力集中程度1)开采解放层。
在煤层群条件下，首先开采没有冲击危险或危险性较小的煤层，使构造应力得到解除，并且使岩层经过一次扰动。
在此范围内进行采掘工程，应力集中程度就可能降低。
2)推行无煤往开采，采空区尽量少留煤住；尽量采用跨上山采煤。
从而消除应力在煤往上集中叠加的可能性；3)合理安排采掘程序，避免形成三面采空的“孤旷。
2．改变煤岩的物理力学性质：1)高压注水，人为地在煤岩内部造成一系列弱面，并起软化作用，增加塑性变形量，从而减少弹性能聚积的程度；2)放松动震动炮，释放媒体内部积聚的能量。
3)孔槽卸压，用大直径钻孔或切沟槽使媒体松动，达到御除压力：12、砌体xx：将采场视为一个有机的整体，在围岩运动中起骨架作用的称为砌体梁。
13、根据回采工作面上覆岩层内部的破坏情况，将回采工作面上覆岩层分为三带，沿工作面推进方向划分为三个区。
中国矿业大学(北京)矿山压力及岩层控制真题2022-2022
中国矿业大学（北京）矿山压力及岩层控制真题2022-20222022硕士研究生入学试题科目名称：矿山压力及其控制一、解释下列概念（30分）1、矿山压力2、顶板破碎度3、巷道松动圈围岩压力4、岩石残余碎胀系数5、增载系数6、岩石蠕变7、地表倾斜变形8、井田9、近水平煤层10、长壁工作面二、在均质岩体中开一巷道，已知岩石的内摩擦角Φ=30°，内聚力C=40Mpa，由实测知道巷道围岩所受平均铅直应力不从心，σ1=200Mpa，这种情况下至少应对巷道边帮提供多大的侧向应力（σ3）才能维持巷道边帮的平衡？（10分）三、试述原岩应力的概念、主要组成部分及分部基本特点（5分）四、绘图说明采煤工作面前方支承压力分布的基本规律（10分）五、绘图论述双向等压条件下圆形巷道周边的应力分布规律（20分）六、试述采场矿山压力估算的常用方法（10分）七、试述影响采场矿山压力显现的主要因素（10分）八、试述一般情况下采场支架的工作阻力为什么会小于上覆岩层的重力（5分）九、绘图解释支架工作阻力与顶板下沉量（P—ΔL）是一近似双曲线关系的实际含义（10分）十、试述锚杆支护常用的支护理论及适用条件（15分）十一、试述冲击矿压发生的机理与理论依据（15分）十二、阐述放顶煤工作面矿山压力显现的基本特征（10分）2022硕士研究生入学试题科目名称：矿山压力及其控制一、解释下列概念（30分）1、岩体变性能；2、莫尔库伦强度理论；3、顶板破碎度；4、RQD指标；5、增载系数；6、周期来压；7、非充分采动；8、支架的工作阻力；9、关键层；10、冲击矿压二、经测定，弹性波在某岩体中传播速度v=1750m/，弹性波在该种岩石中传播速度v=2120m/，岩石单向抗压强度Rc=220Mpa，单向抗拉强度Rt=20Mpa，试求该岩体的准岩体强度Rcm及Rtm。
（10分）三、对某矿石灰岩进行抗剪强度测试，测试结果为：当σn=4.8Mpa 时τ=15.8Mpa；当στ=18Mpa。
矿山压力与岩层控制10
பைடு நூலகம்
图10-1 浅埋煤层工作面被压坏的液压支架
一、 工作面矿压显现特征与规律 1 普采工作面矿压显现特征 （1）来压步距不大。 （2）来压明显，动载明显。 （3）来压的主要特征是顶板沿煤壁产生切落，出 现台阶下沉。 2 综采工作面矿压显现规律 （1）初次来压顶板沿煤壁切落，形成台阶下沉。 来压猛烈 (2）周期来压来压历时较短，支架动载明显。 （3）顶板破断运动直接波及地表。 (4）工作面覆岩基本上为冒落带和裂隙带“两
二、 浅埋煤层上覆岩层运动特征及浅埋煤层定义 1 浅埋煤层上覆岩层运动的主要特征 （1） 顶板基岩沿全厚切落，基岩破断角较大，工 作面覆岩基本上分冒落带和裂隙带“两带”。 （2） 浅埋煤层工作面顶板一般为单一主关键层类 型，老顶岩块不易形成稳定的砌体梁结构。基岩 厚度比较大时，会出现两个关键层组，形成大小 周期来压现象。 （3） 基岩与载荷层厚度之比Jz（简称基载比）， 对来压显现有重要影响。当Jz<0.8时工作面都出 现了顶板沿煤壁台阶下沉，而当Jz>0.8时一般不出现
图10-10老顶“台阶岩梁”结构模型
P1 、P2—块体承受的载荷；R2 —N块体的支承反力；θ1 —M块体的 转角；b—接触面高度；QA、QB—A、B接触铰上的剪力；L—岩块长 度
(1)浅埋煤层老顶“短砌体梁”结构的水平力随块 度的增加而减小，随回转角的增大而增大。工作 面上方老顶岩块的载荷基本上全由前支点承担。 浅埋煤层“短砌体梁”结构参数决定了该结构不 易出现回转变形失稳，而具有强滑落失稳特性。 (2)当老顶岩块块度比较大或回转角比较大时都比 较容易出现架后切落，形成“台阶岩梁”结构。 “台阶岩梁”结构的水平力随回转角的增大而减 小，随块度的增大明显下降，随最大回转角（落 差）的增大而增大。工作面上方老顶岩块的载荷 基本上全由前支点承担。“台阶岩梁”结构的失 稳形式为滑落失稳
矿山压力与岩层控制
矿山压力与岩层控制1.名词解释1.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;2.矿山压力显现: 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;4.原岩应力:未受开采影响的岩体内，由于岩体自重和构造运动等原因引起的应力;4.支撑压力:回采空间周围煤岩体内应力增高区的切向应力;5.周期来压: 老顶平衡结构周期性失稳而施加给工作面以大型压力的过程6.初次来压: 老顶平衡结构第一次失稳而施加给工作面以大型压力的过程7.砌体梁: 工作面上下两区破断的岩块咬合形成的外表似梁，实质是拱的平衡结构8.关键层:对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起主要控制作用的岩层9.冲击地压: 聚集在矿井巷道和采场周围岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，产生的动力将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响，造成煤岩体振动和煤岩体破坏，支架与设备损坏，人员伤亡，部分巷道垮落破坏的力学现象。
10.底板比压:底板单位面积所受支架的压力11.回采工作面:在煤层或矿床的开采过程中，直接进行采煤或采有用矿物的工作空间2.简答题1.原岩应力分布规律答：(1)实测铅直应力基本上等于上覆岩层重量；(2)水平应力普遍大于铅直应力；(3)平均水平应力与铅直应力的比值随深度增加而减小；(4)最大水平主应力和最小水平主应力一般相差较大。
2.绘图说明横三区/竖三带三区：A煤壁支撑影响区B离层区：C重新压实区：三带：I垮落带：II裂隙带III弯曲带(硬度越高,三带发育越好)(自下至上)3.绘图说明支柱特性工作支柱力学特性——受顶板压力作用，支柱变形（下缩）性质。
4.关键层具有的特征①几何特征，相对于其他同类岩层单层厚度较厚；②岩性特征，相对于其他岩层较为坚硬，即弹性模量较大，强度较高；③变形特征，关键层下沉变形时，其上覆全部或局部岩层的下沉量同步协调；④破断特征，关键层的破断将导致全部或局部岩层的破断，引起较大范围内的岩层移动⑤支承特征，关键层破坏前以“板”(或简化为“梁”)结构作为全部岩层或局部岩层的承载主体，断裂后则成为砌体梁结构，继续成为承载主体5.影响采场矿山压力显现的因素答：①采高与控顶距的影响；②工作面推进速度的影响；③开采深度的影响；④煤层倾角的影响；⑤分层开采对矿山压力显现的影响；6.采场围岩与支架之间相互作用原理答：支架围岩是相互作用的一对力，支架受力的大小及其在回采工作面分布的规律与支架性能有关，支架结构及尺寸对顶板压力有一定影响。
矿山压力与岩层控制10章
大时都比较容易出现架后切落，形成“台阶岩梁”
（5） 根据浅埋煤层的一般条件，“短砌体梁”结
构和“台阶岩梁”结构都将出现滑落失稳，这就 是工作面周期来压强烈和出现台阶下沉的根本原 （6） 通过顶板结构稳定性分析，必须对顶板施加
一定的支护力才能维持顶板结构的平衡。控制顶
板“台阶岩梁”结构的支护力比“短砌体梁”略
对于基岩厚度较大、松散载荷层厚度 较小的浅埋煤层，其矿压显现规律介于 普通工作面与浅埋煤层工作面之间，顶 板结构呈现两组关键层，存在轻微的台 阶下沉现象，可称为近浅埋煤层。
浅埋煤层工作面的主要矿压特征是老顶破断 运动直接波及地表，顶板不易形成稳定的结构， 来压存在明显动载现象，支架处于给定失稳载荷 状态。浅埋煤层可以采用以下指标判定：埋深不 超过150 m，基载比Jz小于1，顶板体现单一主关 键层结构特征，来压具有明显动载现象。
图10-5周期来压期间工作面压力分布
(2) 推进速度对来压的影响 当工作面推进速度小于15循环/d时，初撑力 平均为额定值的84%；工作阻力为额定值的81%。 当推进速度快时，工作面压力减轻，工作阻力为 额定值的69%。 工作面周期来压步距存在大小周期，小周期 12m，大周期20m。工作面连续快速推进时表现为 大周期，工作面台阶下沉减缓。
图10-2
C202
工作面周期来压显现规律
2)
综采工作面矿压显现规律 1203面开采1—2煤层，地质构造简单。煤层平 均倾角3°，平均厚6m，埋深50～65m。覆岩上部 为15～30m 风积沙松散层，其下为约 3m 风化基岩。 顶板基岩厚 15 ～ 40m。直接顶为粉砂岩、泥岩互 层，裂隙发育。老顶主要为砂岩，岩层完整。 工作面长150m，采高4m，循环进尺0.8m，日 进2.4m。顶板支护采用YZ3500—23/45掩护式液压 支 架 ， 支 架 初 撑 力 2 7 0 0 kN/ 架 ， 工 作 阻 力 3 500kN/架。
矿山压力及岩层控制
（4）以上覆岩层运动为中心的矿压理论主要要点是
什么？
P29
P14
§1.3 矿山压力与岩层控制研究的回顾
①“悬臂梁”假说
模型
P15
§1.3 矿山压力与岩层控制研究的回顾
②“预生裂隙梁”假说
高应力区
假塑性变形区
1
2
Ⅱ Ⅲ
3
Ⅰ
σ1 σ3 σ3 σ1
低应力区
P16
§1.3 矿山压力与岩层控制研究的回顾
⑴掩护“拱”假说 ⑵掩护“梁”假说 ⑶铰接岩块假说 用冒落法管理顶板的采场，
第十一章 崩落采矿法的岩体控制
《矿山压力与岩层控制》之第一章
绪 论
山东科技大学资环学院 资 源 工 程 系
本章提要 本章特点
• 课题研究的主要任务
• 主要的矿山压力假说
• 有较多的基本概念 • 有较多的矿山压力假说
• 几种主要矿山压力假说的区别
学习难点
• 了解本课程矿山压力研究的特点
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。
P8
§1.1 与矿山压力有关的安全事故
§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
§1.4 本课程的主要研究内容与学习方法
P9
§1.3 矿山压力与岩层控制研究的回顾
几种主要矿山压力假说
h d c b b' c
h'
b1 b2 b3
自然平衡拱
工作面推进中的自然平衡拱
P12
§1.3 矿山压力与岩层控制研究的回顾
压力拱假说
主要假设？
1
模 型
S2
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(三） 冲击矿压分类 冲击矿压按其显现强度、释放的能量等进
行分类,根据冲击的显现强度，可分为四类： (1）弹射 （2）矿震
（3）弱冲击 （4）强冲击
根据震级强度和考虑抛出的煤量，可将冲 击矿压分为三级：
（1）轻微冲击(I级)。抛出煤量在10t以下， 震级在1级以下的冲击矿压。
图11-3 冲击能量指 数KE计算图
在单轴压缩状态下，煤样的全“应力—应变”
曲线峰值C前所积聚的变形能ES与峰值后所消耗的 变形能EX之比值
图11-4 弹性能指数WET计算图
WET
sp st
图11-5 动态破坏 时间Dt曲线
煤样在常规单轴压缩试验条件下，从极限 载荷到完全破坏所经历的时间
表11-2 煤的冲击倾向鉴定指标值
苏联阿维尔申教授认为，煤层内的弹性能可由 体变弹性能Uv、形变弹性能Ut和顶板弯曲弹 性能Uw三部分组成，即 U U v Ut U w
q 2 L5 U w 8EJ
由以上两式可以看出，Uw与岩层悬伸长度的五 次方成正比，即L值越大，积聚的能量也越多。 一般，厚度越大的坚硬岩层越不易冒落，形成 的L值也就越大。
（2）中等冲击(II级)。抛出煤量在10~50t， 震级在l~2级的冲击矿压。
（3）强烈冲击(III级)。抛出煤量在50t以上， 震级在2级以上的冲击矿压 。
根据国内外的分类方法，冲击矿压可分为 由采矿活动引起的采矿型冲击矿压和由构造 活动引起的构造型冲击矿压。而采矿型冲击 矿压可分为压力型、冲击型和冲击压力型。 在某种程度上，构造型冲击矿压也可看作为 冲击型。 （四）冲击矿压和矿山震动对环境的影响
第十一章煤矿动压现象及其控制
第一节 冲击矿压现象形成特点及分类 第二节 冲击矿压发生机理 第三节 冲击矿压的预测预报及危险性评定 第四节 冲击矿压的防治 第五节 顶板大面积来压
煤矿开采过程中，在高应力状态下积聚有大 量弹性能的煤或岩体，在一定的条件下突然发 生破坏、冒落或抛出，使能量突然释放，呈现 声响、震动以及气浪等明显的动力效应。这些 现象统称为煤矿动压现象。它具有突然爆发的 特点，有的能形成强烈暴风，危害程度比一般 矿山压力显现程度更为严重 。根据动压现象 的一般成因和机理，可把它归纳为三种形式， 即冲击矿压、顶板大面积来压和煤与瓦斯突出。 前两者完全属于矿山压力的研究范畴。
Байду номын сангаас
矿井
门头沟 天池
抚顺
城子 大台矿 陶庄
房山
唐山
最小采深,/m
200
240
250
370
460
480
520
540
（2）煤岩的力学特征
1. 在一定的围岩与压力条件下，任何煤层中 的巷道或采场可能发生冲击矿压。
2. 煤的强度越高，引发冲击矿压所要求的应 力越小。
3 .煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参 数之一。 对煤的冲击倾向性评价，主要采用煤的冲 击能量指数KE、弹性能量指数WET和动态 破坏时间DT。
第一节 冲击矿压现象形成特点及分类
（一） 冲击矿压现象
冲击矿压造成煤岩体振动和煤岩体破坏，支 架与设备损坏，人员伤亡，部分巷道垮落破坏 ， 还会引发或可能引发其它矿井灾害，尤其是瓦 斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统， 严重时造成地面震动和建筑物破坏等，是煤矿 重大灾害之一。
（二）冲击矿压的特点
弱冲击倾向性 Rc≤16MPa 强冲击倾向性 Rc＞16Mpa
（3）顶板岩层的结构特点
顶板岩层结构，特别是煤层上方坚硬，厚 层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素 之一，其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易 聚积大量的弹性能。在坚硬顶板破断过程中 或滑移过程中，大量的弹性能突然释放，形 成强烈震动，导致顶板煤层型（冲击压力型） 冲击矿压或顶板型（冲击型）冲击矿压。
(1）对井下巷道的影响 （2）对矿工的影响 （3）对地表建筑物的影响
第二节 冲击矿压发生机理
一、冲击矿压影响因素
（一） 冲击矿压影响因素分析 冲击矿压发生的原因是多方面的，但从
总的来说可以分为三类，即 自然地质因素（应力） 开采技术（采动应力集中） 组织管理措施（防治措施） 。
（二）地质条件对冲击矿压的影响
图 11-8 冲击矿压与距断层距离的关系
褶皱是岩层在水平应力挤压下形成的，这种 褶皱大部分在沉积岩层中形成。对于巷道及 采面来说，在皱曲的各个部位，出现的危险 性是不一样的，
图11-9 皱曲部分的受力状态及危险性
（三）开采技术对冲击矿压的影响
冲击矿压大多数发生在巷道(72.6%)，采场则 较少(27.4%)。残采区和停采线对冲击矿压发 生影响较大。从统计结果看，89%的冲击矿 压发生在残采区，停采线，断层区域或煤层 超采的地方。发生冲击矿压的区域见表11-3和 图11-10所示。
图11-7 顶板弯曲弹性能的计算图 a—初次垮落时；b—周期垮落时
煤层厚度对发生冲击矿压也有影响，煤层越厚， 发生冲击矿压越多，越强烈。 煤的湿度也有影响作用。因为煤层含水后，可 使煤层的弹性减小，强度降低，塑性增加，能 减缓发生冲击矿压的危险。
（4） 地质动力因素
实践证明，冲击矿压经常发生在向斜轴部， 特别是构造变化区，断层附近，煤层倾角变 化带，煤层皱曲，构造应力带。 图11-8为冲击矿压次数与巷道距断层距离间的 关系。
（1）开采深度 统计分析表明，开采深度越大，冲击矿压
发生的可能性也越大。开采深度与冲击矿压 发生次数的关系如图11-1、11-2所示
图11-1 波兰采深与 冲击矿压的关系
W-冲击指数(开采百万吨煤 炭冲击矿压次数)
图11-2 天池煤矿采 深与冲击矿压的关系
N为冲击矿压次数
表11-1 中国煤矿条件下发生冲击矿压的最小采深
指标 动态破坏时间 DT/ms 冲击能量指数 KE/kJ
弹性能量指数 WET
强冲击 ≤50 ≥5.0 ≥5.0
强冲击
弱冲击 50~500 5.0~1.5 5.0~2.0 弱冲击
无冲击 ＞500 ＜1.5 ＜2.0
对煤的试样研究表明,煤试块的冲击性在其单向
抗压强度为Rc=16~20MPa时变化较大，当煤的 单向抗压强被小于Rc＜16MPa时,煤试块要发生 冲击,就需要较大的压应力。