矿山压力与岩层控制

矿山压力与岩层控制一、概念题1、矿山压力采动后作用于岩层边界或存在于岩层之中使围岩向已采空间运动的力，即采动后促使围岩向已采空间运动的力，称为矿山压力。2、岩层控制把矿山压力显现控制在不影响或尽量少影响正常的安全采掘工作而进行的开拓部署和支护控制措施。3、矿山压力显现采动后，在矿山压力作用下通过围岩运动与支架受力等形式所表现出来的矿山压力现象，其基本表现形式为围岩运动与支架受力。4、直接顶在采空区内已跨落、在采煤工作面内由支架暂时支撑的悬臂梁，其结构特点是在采煤工作面推进方向上不能始终保持水平力的传递。5、基本顶指运动时对采煤工作面矿压显现有明显影响的传递岩梁的总和，在初次来压后，是一组在推进方向上能够始终保持传递水平力的不等高裂隙梁。6、传递岩梁每一组同时运动或近乎同时运动的基本顶岩层可以看成一个运动的整体，称为“传递力的岩梁”，简称“传递岩梁”。7、支承压力煤炭采出后，在围岩应力重新分布的范围内，作用在煤层、岩层和矸石上的垂直压力，属于矿山压力的范畴。8、内外应力场基本顶岩梁断裂结束时，以断裂线为界将支承压力明显地分为两个部分：断裂线与工作面煤壁之间的应力场为“内应力场”；断裂线外（至不受采动影响的原岩应力之间）的应力场为“外应力场”。9、初次来压采煤工作面从切眼开采至基本顶首次断裂，使工作面发生明显的顶板下沉和支架承受较大的静载荷或冲击载荷，这种矿山压力显现叫做基本顶初次来压。10、周期来压基本顶周期性裂断及回转下沉引起的明显矿山压力显现。11、直接顶初次垮落步距直接顶初次垮落时自开切眼到支架后排放顶线的距离。12、底板比压在单位面积底板上所造成的压力称为底板载荷集度，即底板比压。13、给定变形在岩梁由端部断裂到沉降至最终位态的整个运动过程中，支架只能在一定范围内降低岩梁的运动速度，但不能对岩梁运动的最终位态起到限制作用，岩梁运动稳定时的位置状态由岩梁的强度及两端支承情况决定。14、限定变形是指采场支架对岩梁运动进行必要的限制，即在支架阻力的作用下，岩梁不能沉降至最低位态。岩梁进入稳定时的位态（岩梁运动稳定时采场的顶板下沉量）由采场支架的阻抗力所限定。15、支护强度单位面积上支架给予顶板的支撑力。16、初撑力支架架设或单体支柱升起时，最初形成的对顶板的主动支撑力。17、支架（支柱）性能（特性）支架（支柱）的支撑力与支架可缩量之间的关系，常用R-ε曲线表示。18、工作阻力支架（支柱）受顶板压力作用而反映出来的力。19、支架（支柱）实际支撑能力支架（单体支柱）在井下具体地质技术条件下实际发挥的承载能力。20、控顶距从煤壁到最后一排支柱或放顶柱的距离。随支柱和回柱工序的进行，控顶距随之变化。21、沿空留巷工作面回采后沿采空区边缘维护的为下一个工作面使用的原回采巷道。上工作面回采后，采用一定的技术手段将上一区段的运输（下）顺槽重新支护留给下一个工作面的回风（上）顺槽使用。22、沿空掘（送）巷沿已采（上）工作面的采空区边缘或仅留很窄的小煤柱掘进的为下一个工作面使用回采巷道。利用采空区边缘处于支承压力降低区的特点，沿着基本顶已垮落稳定的采空区边缘或仅留很窄的小煤柱掘巷。23、巷道围岩松动圈巷道开挖引起围岩内部应力的重新分布，破坏了原来的应力平衡状态，并产生应力集中。若围岩集中应力大于下降后的围岩强度，则围岩将发生破坏，这种破坏逐渐向深部扩展，直至达到新的三向应力平衡状态，此时围岩中出现的松弛破裂带称为围岩松动圈。24、锚杆支护是指以锚杆作为巷道支护主要形式的支护。除锚杆外，还包括锚杆同其它构件的各种组合支护。25、冲击地压由矿山采动（采掘工作面）诱发高强度煤（岩）体变形能的瞬间释放，在相应采动空间引起强烈围岩震动和挤出的动力现象。二、简答题1、以上覆岩层运动为中心的矿山压力理论体系的主要要点？（1）强调“矿山压力”及“矿山压力显现”两个基本概念间的差别和联系。矿山压力的存在是绝对的，在任何已采空间的周围岩体中都存在着。但是矿山压力的显现则是相对的，有条件的，因而也是可以控制的。（2）煤矿的采场始终是处在不断推进和发展的过程中，无论是存在于围岩中的“矿山压力”，还是由矿山压力作用而引起的“矿山压力显现”，都不是静止的。它们都随采场推进而处于不断的发展和变化过程中。（3）对采场矿山压力显现有明显的上覆岩层范围是有限的、可知的和可以变化的。（4）研究老顶来压时刻的“支架—围岩”关系，包括支架对直接顶的控制方式和对老顶岩梁的控制方式等两个部分。控制直接顶板，只能采取“给定载荷”的工作方式，即必须考虑直接顶的作用力，全部由支架承担。基本顶岩梁的控制，可以采取两种工作方式：①“给定变形”工作方式；②“限定变形”工作方式。（5）通过理论研究和实践，提出并建立了“两个应力场”（即“内、外应力场”）的理论，为在生产现场通过观测支承压力显现发展变化规律，预测预报采场顶板运动（来压），推断支承压力大小分布以及正确建立采场矿压（包括工作面及巷道矿压）控制设计结构力学模型提供了基础，特别是为进行沿空掘巷合理位置及时间选择提供了理论基础。2、如何理解矿山压力与矿山压力显现的相互关系？所谓矿山压力是指采动后作用于岩层边界上或存在于岩层之中促使围岩向已采空间运动的力。而矿山压力显现是指采动后，在矿山压力作用下通过围岩变形与支架受力等形式所表现出来的矿山压力现象。矿山压力的存在是绝对的、客观的，它存在于采动空间的周围岩体中，而矿山压力显现则是相对的、有条件的，它不仅是矿山压力作用的结果，同时它还与围岩的条件有关，围岩中有矿山压力存在不一定有明显的矿压显现，压力显现强烈的部位也不一定是压力高峰的位置。3、简述上覆岩层由弯曲发展至破坏的力学过程下图为工作面上覆岩层岩梁的支撑条件和弯矩。（a)嵌固状态（b）简支状态岩梁的支承条件与弯矩工作面回采后，悬露岩层由弯曲发展至破坏的力学过程和条件，可归纳为：①
作面推进至岩梁悬跨度达极限值L0时，梁端弯矩MA为：②
当梁端部的拉应力为：岩梁端部开裂。②在梁端开裂发展的过程中，随着端部弯矩的变小，梁中部弯矩将逐渐增大；随着支承条件由嵌固梁向简支梁的转化，中部弯矩将向接近的数值发展。③在嵌固梁向简支梁转化的过程中，当岩梁中部拉应力达到时，中部必然拉开，岩梁发展至垮落或保持“假塑性岩梁”状态。④岩梁端部和中部开裂的力学条件为为了便于应用，其力学条件可用岩梁悬露的极限跨度L0表示。即当，即单一岩层弯曲破坏时，L0的表达式为：4、简述采场上覆岩层沿纵向运动发展运动的特点？（1）随采场推进，岩层悬露达一定跨度、弯曲沉降到一定值，强度低的软弱夹层或接触面在轴向剪应力作用下破坏，发生离层，并为下部岩层的自由沉降和运动向上部岩层发展创造了条件；122021LqqMAAtAAmLqqmLqqWM22021220212612t'0A10niimtmL20（2）岩层的纵向运动总趋势大体上是由下而上发展的；（3）离层后上下岩层的运动组合情况由岩层的强度（包括岩性、厚度、裂隙等）差别决定，上部岩层强度较下部岩层越高，下部岩层越先于上部岩层运动，上部岩层运动滞后的时间越长。相反，则同时运动；（4）岩层的厚度较之岩性对岩层的离层和运动组合的影响重要的多。5、简述影响直接顶厚度的主要因素。直接顶厚度的计算公式为：因此，直接顶厚度的主要影响因素为：（1）采高h如果上覆岩层厚度都不大，强度和变形能力基本相同，则可以得出直接顶厚度与采高近似成正比的结论。（2）岩梁的允许沉降值S0和实际沉降值SA（3）岩梁触矸处已冒岩层碎胀系数KA（4）采空区顶板处理方法的影响（5）开采程序的影响6、直接顶和基本顶的概念及其控制要求。直接顶是指在采空区内已跨落、在采煤工作面内由支架暂时支撑的悬臂梁。其结构特点是在采煤工作面推进方向上不能始终保持水平力的传递。对直接顶控制的基本要求是当其运动时，支架应能承担其全部岩重。基本顶是指运动时对采煤工作面矿压显现有明显影响的传递岩梁的总和。在初次来压后，是一组在推进方向上能够始终传递水平力的不等高裂隙梁。对于基本顶岩梁的控制要求是防止由于基本顶运动对采煤工作面产生动压冲击和大面积切顶事故的发生，把基本顶岩梁运动结束时在采煤工作面形成的顶板下沉量控制在要求的范围内。7、哪些因素可导致岩层弯拉破坏和剪切破坏两种形式的相互转化？（1）当工作面推至端部开裂位置附近，提高推进速度可能会使原来呈弯拉破坏运动的岩层转变为剪断破坏。这就是在日常来压较均匀的采场，高产后往往出现切顶事故的原因。（2）改变开采程序。坚硬岩层覆盖的厚煤层，下行式开采时，顶分层的坚硬顶板可能整体切断，威胁生产。同时，跨落的大块造成中底分层假顶管理困难。为此可采用上行式开采程序。（3）强制放顶改变坚硬岩层的厚度，可以排除整体切断跨落的威胁，从而使破坏形式转化为弯拉破坏形式。（4）当工作面推进到断层部位，岩层悬露尚未达到中部裂断所必需的跨度，可能出现整体切断的危险。8、回采工作面顶板处理方式有哪些？1AAZKShm采煤工作面顶板处理方式的选择，既要考虑地表和岩层的保护要求，又要考虑对工作面矿压显现有明显影响的上覆岩层范围及其组成岩层的变形能力、运动方式和对工作面可能造成的威胁程度。通常的顶板处理方法有：煤柱支撑法（如房柱、刀柱等）、缓慢下沉法、自然垮落法、厚层坚硬顶板特殊处理法和充填法。9、回采工作面的顶板控制设计包括哪些内容？回采工作面顶板控制设计包括选择工作面后方采空区顶板处理方式预计顶板运动规律、确定支护参数、制定工作面日常顶板管理措施。对某一具体工作面而言，一是确定需控岩层范围，确定其类别，预计其运动规律；二是了解所用支护装备及其在井下的实际工作特性和支撑能力；三是确定回采工作面支架-围岩关系，确定合理的支护强度；四是进行支护形式、支护参数的选择与计算；五是进行具体工作面地质技术条件下常见顶板事故的预防控制。10、简述综采支架的基本类型、特点及其适用条件？综采液压支架的基本类型有支撑式、支撑掩护式、掩护式液压支架。支撑式：具有较大的支撑能力，靠立柱和顶梁直接支撑顶板维护工作空间，顶板岩层在顶梁后部切断冒落。这种支架一般适用于稳定和坚硬的顶板。支撑掩护式：对顶板兼有支撑和掩护两种作用，支撑部分大于掩护部分。适合于中等稳定的顶板条件。掩护式：在结构上有掩护梁，支架顶梁较短，支撑能力较弱，顶梁上支撑力集中在靠煤壁附近，主要靠掩护作用维护工作空间。适用于松软破碎顶板条件。11、工作面支架对基本顶有哪两种工作方案？简述这两种工作方案对基本顶各自的控制要求。采场支架对基本顶有两种工作方案：“给定变形”工作方案和“限定变形”工作方案。“给定变形”工作方案对基本顶的控制要求：岩梁运动稳定时的位态由岩梁的强度及两端支承情况决定。在岩梁由端部断裂到沉降至最终位态的整个运动过程中，支架只能在一定范围内降低岩梁的运动速度，但不能对岩梁运动的最终位态起到限制作用。“限定变形”工作方案对基本顶的控制要求：采场支架对岩梁运动进行必要的限制，即在支架阻力的作用下，岩梁不能沉降至最低位态（无阻碍最终沉降位态）。岩梁运动稳定时的位态（岩梁运动稳定时采场的顶板下沉量）由采场支架的阻抗力所限定。12、给出位态方程的表达式，并解释其含义。位态方程的表达式：iAThhKAPA—直接顶的作用力；—控顶末排最大顶板下沉量；—要控制的顶板下沉量；K—位态常数，由岩梁参数和控顶距决定。位态方程主要有以下三方面的含义：（1）支架在“限定变形”状态下工作时，支架工作阻力与取得平衡的基本顶岩梁位态之间存在着相应的力学平衡关系，理论上可以建立两者之间的力学方程。（2）因直接顶在采空区内已经垮落，顶板控制设计必须按直接顶沿煤壁处切断的最危险状态考虑，因此，支架必须承担起全部直接顶的作用力。位态方程表明，任何小于直接顶作用力的支护强度都是不安全的（即“非法”的）。（3）阐述了支架-围岩之间的双曲线关系，即需要控制的顶板位态越高（越小），需要的支护强度越大；反之，需要控制的顶板位态越低（越大），需要的支护强度越小。当需要控制的顶板位态=时，即为“给定变