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。
带目录完美版《矿山压力与压力控制》课后习题答案
目录第0章绪论 (1)第1章矿山压力与矿山压力显现 (6)第2章采场上覆岩层运动和发展的基本规律 (7)第3章采场围岩支承压力及矿压显现与上覆岩层运动间的关系 (10)第4章回采工作面顶板控制设计 (14)第5章综采放顶煤采场矿压控制 (16)第6章矿柱支护采矿法的岩体控制 (20)第7章回采巷道矿压理论 (21)第8章冲击地压及其监测 (35)矿山压力与压力控制习题第0章绪论1、顶板事故频繁发生的基本原因是什么?答：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。
2、矿山压力与岩层控制研究的主要任务是什么?答、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。
（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。
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。
矿山压力与岩层控制课后习题
第一章 矿山岩石和岩体的基本性质1、岩石的孔隙性、孔隙度和孔隙比有什么不同？研究它们有何意义？2、岩石受载时会产生哪些类型的变形？岩石的塑性和流变性有什么不同？3、将某矿的页岩岩样做成5cm ×5cm ×5cm 的三块立方体试件，分别作剪切角度为45°、55°和65°的抗剪强度实验，施加的最大载荷相应地为22.4、15.3和12.3KN ，求该页岩的内聚力C 和内摩擦角值，并绘出该页岩的抗剪强度曲线图。
4、对某矿石灰岩进行抗剪强度实验结果，当时，当时。
如果已知该岩石的单向抗压强度,求侧压力时其三轴抗压强度是什么？5、莫尔强度理论和格里菲斯强度理论在本质上有何区别？为什么莫尔强度理论较广泛地用作岩石强度条件？他可用来解释那些问题？6、试叙述单向拉伸、单向压缩、双向拉伸、双向压缩、双向不等拉压、纯剪、三向等拉、三向等压和三向不等压的应力圆（设压应力为正，、、分别为最大、中间和最小应力）。
7、岩石强度的压性能有何意义？如何根据莫尔应力圆和斜直线型强度包络线求解岩石试件在单向受力条件下的压拉比？8、如果某种岩石的强度条件为试求：（1）这种岩石的单轴抗压强度；（2）设压应力为正，单位为MPa ，则下列应力状态的各点是否会产生破坏，（40，30，20）；（53，7，30，6.3）；（53.7，30，1）；（1000，1000，1000）。
9、某种岩石在单轴压缩过程中，其压应力达到28MPa 时即发生破坏，破坏面与最大主平面的夹角为60°，假定抗剪强度随正应力呈线性变化，计算，（1）这种岩石的内摩擦角；（2）在正应力为零的平面上的抗剪强度；（3）上述试验中与最大主平面成30°夹角的平面上的抗剪强度；（4）破坏面上的正应力和剪应力。
10、解释岩体强度变化曲线图的含义，是考虑是否有其他方式能更多的反映岩体ϕMPa n 8.41=σMPa 8.151=τMPa n 2.81=σMPa 181=τMPa R 6.821=MPa 53=σ1σ2σ3σ)MPa (tan 10300+=ατ321σσσ>>强度特征？11、某矿按双千斤顶法对主井井口表土层下基岩中制取的四个试体进行了原地剪切试验，每次先施加法线力N 到一定值且稳定不变后再施加倾斜15°的推力P ，直到试体沿底板岩面发生剪切破坏，试验结果如下：擦角υ值。
矿山压力与岩层控制
象。
•
粘性流动——蠕变后卸载，部分变形不能恢复的现象。
矿山压力与岩层控制
•
•
与岩石类别有关（粘土矿物岩石蠕变显著）
•
岩石蠕变
•
• 段）
与应力大小有关（高应力蠕变明显，超过极限
应力，蠕变进入不稳定阶
•
蠕变试验：时间长；
•
测量要求精度高（用千分表）；
•
载荷恒定。
•
•
研究蠕变的意义：了解岩石的长时强度。
矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。 结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。
(结晶、胶结)
构造: 组成成分的空间分布及其相互间排列关系。
（节理、裂隙、空隙、边界、缺陷）
矿物、结构、构造是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素 。
矿山压力与岩层控制
要确保试验岩样的天然状态。 岩样应具有一定的代表性。 钻孔采样时应尽量垂直于层面打孔，偏斜角不大于0.5°。 采取的岩(煤)块规格大体为长×宽×高=20×20×15cm。 上下端面的不平整度不大于0.1mm，上下端面的直径差不大于0.2mm。 试件端面垂直于试件轴的偏差不大于0.001rad。 圆柱形试件：φ4.8－5.2cm ，高H=（2－2.5)φ 长方体试件：边长L= 4.8－5.2cm , 高H=（2－2.5)L
•理想塑性
•具有应变硬化的塑性
矿山压力与岩层控制
••3、一般岩石的变形： • • 瞬时弹性变形 • • 后效弹性变形 • • 塑性变形
• • 岩石与其它金属及晶体矿物不同，因其有节理、裂隙存在，在应 力不高阶段，内部结构即有破坏，在产生弹性变形的同时，产生塑性 变形。
矿山压力与岩层控制名词解释+简答
矿山压力：由于矿山开采活动的影响，在巷硐周围岩体行程的和作用在巷硐支护物伤的力。
矿山压力显现：由于矿压的影响，而表现出来的一系列有形的变形。
矿山压力控制：所有减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的各种方法。
原岩应力：存在于地层中未受扰动的天然应力。
原岩应力分分布的基本规律：①实测铅直应力基本上等于上覆岩石层重量。
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。
构造应力：是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力。
构造应力的基本特点：构造应力以水平力为主，具有明显的区域性和方向性。
①一般情况下地壳运动以水平运动为主，构造应力主要是水平应力；而且地壳总的运动趋势是相互挤压，所以水平应力占绝对优势。
②构造应力分布不均匀，在地质构造变化比较剧烈的地区，最大主应力的大小和方向往往有很大的变化。
③岩体中的构造应力具有明显的方向性，最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大。
④构造应力在坚硬岩层中出现一般比较普遍，在软岩中存储构造应力很少。
砌体梁结构：在上覆岩层中存在由断裂岩块组成的“砌体梁”，因岩块相互挤压，形成承载结构。
认为：①上覆岩层可以坚硬岩层为底划分若干组，其上软弱岩层为载荷；②随着工作面推进上方坚硬岩层断裂形成岩块，岩块间受水平推力成铰接关系；③铰接岩块在某些条件下可形成平衡体。
弹性应变能：岩体受外力作用而产生弹性变形时，在岩体内部所储存的能量。
极限平衡状态：随着破坏向岩体内部发展，岩块的抗压强度逐渐增加，直到某一半径R处岩块又处于弹性状态，这样，半径R范围内的岩体就处于极限平衡状态。
减压区和增压区（支撑压力区）：比原岩应力晓得压力区是减压区，比原岩应力高的压力区是增压区（即支撑压力区）。
采场：把直接进行采煤或采有用矿物的工作空间称为回采工作面或简称采场。
顶板：赋存在煤层之上的岩层称为顶板或称为上覆岩层。
底板：赋存位于煤层下方的岩层称为底板。
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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。
（1）突发性 （2）瞬时震动性 （3) 巨大破坏性 (4) 复杂性
(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。
(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
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。
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（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。
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。
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。
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。
（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
（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
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。