《礦山壓力與巖層控制》教案

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1、緒論1礦山壓力與巖層控制學(xué)科的概念礦山壓力：由于礦山開采活動的影響，在巷硐周圍巖體中形成的和作用在巷硐支護(hù)物上的力定義為礦山壓力，在相關(guān)學(xué)科中也稱為二次應(yīng)力、或工程擾動力。礦山壓力顯現(xiàn)：在礦山壓力作用下，會引起各種力學(xué)現(xiàn)象，如巖體的變形、破壞、塌落，支護(hù)物的變形、破壞、折損，以及在巖體中產(chǎn)生的動力現(xiàn)象。這些由于礦山壓力作用，使巷硐周圍巖體和支護(hù)物產(chǎn)生的種種力學(xué)現(xiàn)象，統(tǒng)稱為礦山壓力顯現(xiàn)。礦山壓力控制：所有減輕、調(diào)節(jié)、改變和利用礦山壓力作用的各種方法，均叫做礦山壓力控制。2采礦工業(yè)要求發(fā)展礦山壓力及巖層控制學(xué)科2.1生態(tài)環(huán)境保護(hù)巖層

2、控制理論為實現(xiàn)保水采煤，完善條帶開采和充填技術(shù)，進(jìn)行井下矸石處理和有效抽放瓦斯奠定理論基礎(chǔ)。2.2保證安全和正常生產(chǎn)巖層控制理論和技術(shù)為大幅度降低頂板事故做出了突出貢獻(xiàn)。邊坡穩(wěn)定性研究使邊坡設(shè)計既能達(dá)到經(jīng)濟(jì)上可采納的陡度，又足以維持安全的緩度。巷道圍巖控制理論和技術(shù)為合理支護(hù)各種巷道成為可能。2.3減少資源損失礦柱是造成地下資源損失的主要根源。通過對開采引起的圍巖應(yīng)力重新分布規(guī)律的研究，推廣無煤拄護(hù)巷和跨越巷道開采等技術(shù)措施，不僅顯著減少資源損失，還有利于消除因礦柱存在引起的災(zāi)害和對采礦工作的不利影響。2.4改善開采技術(shù)自移式液

3、壓支架的應(yīng)用實現(xiàn)了采煤綜合機(jī)械化。巷道可縮性金屬支架和錨噴支護(hù)的應(yīng)用改變了剛性、被動支護(hù)巷道的局面。同時，采場、巷道圍巖穩(wěn)定性分類為合理選擇支護(hù)型式、支護(hù)參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)。2.5提高經(jīng)濟(jì)效益圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分類、穩(wěn)定性識別、礦壓顯現(xiàn)預(yù)測、支護(hù)設(shè)計、支護(hù)質(zhì)量與頂板動態(tài)監(jiān)測、信息反饋直至確定最佳設(shè)計的一整套理論、方法與技術(shù)有助于創(chuàng)造采礦工業(yè)的良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。3礦山壓力與巖層控制學(xué)科屬性與特色3.1采礦工程巖體結(jié)構(gòu)的本質(zhì)與地面工程結(jié)構(gòu)不同，地下工程圍巖既是一種載荷，也是一種結(jié)構(gòu)，施載體系和承載體系之間沒有明顯界限。采場上覆巖層

4、形成結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的形態(tài)及穩(wěn)定性不僅直接影響到采場，也將影響到開采后上覆巖層運(yùn)動的形態(tài)及地表塌陷形狀。3.2采礦工程的移動特性其它地下工程中硐室或隧道基本是固定的永久性的，采礦工程中采場是不斷移動的，采場本身是一個依據(jù)礦物埋藏規(guī)律而不斷運(yùn)動的空間。3.3采礦工程中圍巖的大變形和支護(hù)體的可縮特征采礦工程過程中由于采場空間較大，作業(yè)地點(diǎn)常在地下幾百米至幾千米深處，在礦山壓力作用下，巷硐圍巖處于破壞狀態(tài)。采礦過程中架設(shè)的人工支護(hù)著眼于利用圍巖的殘余強(qiáng)度，促進(jìn)已破壞的圍巖形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)。軟巖礦井中，巷道圍巖不可避免地進(jìn)入塑性狀態(tài)，巷道支護(hù)允許

5、巷道圍巖出現(xiàn)穩(wěn)定的塑性區(qū)，嚴(yán)格控制非穩(wěn)當(dāng)塑性區(qū)的擴(kuò)展。3.4采礦工程中的能量原理和動力現(xiàn)象沖擊地壓、頂板大面積來壓、煤與瓦斯突出以及礦震都是采礦工程中的動力現(xiàn)象，其中沖擊地壓、頂板大面積來壓屬于壓力礦山及其控制學(xué)科的研究范疇。沖擊地壓是巖體突然破壞的動力現(xiàn)象，沖擊地壓發(fā)生機(jī)理極為復(fù)雜。從能量轉(zhuǎn)化的確角度，導(dǎo)致“礦體—圍巖”系統(tǒng)非穩(wěn)定狀態(tài)突然失穩(wěn)破壞。沖擊地壓、頂板大面積來壓是礦山壓力的一種特殊顯現(xiàn)形式。4礦山壓力與巖層控制學(xué)科的基本內(nèi)容和發(fā)展階段4.1早期認(rèn)識、研究階段采礦工業(yè)是基礎(chǔ)工業(yè)，我國是世界上采礦最早的國家之一。明代末年

6、出版的《天工開物》一書中，已記述了礦山壓力的危害性，歐洲國家對礦山壓力的認(rèn)識開始于15世紀(jì)。19世紀(jì)后期到20世紀(jì)，開始利用比較簡單的力學(xué)原理解釋出現(xiàn)的一些礦山壓力現(xiàn)象，有代表性的是提出“壓力拱假說”和巖石堅固性系數(shù)f。20世紀(jì)30年代至50年代，使用彈性理論研究礦山壓力問題。4.2近代發(fā)展階段自50年代礦山壓力與巖層控制學(xué)科建立以來，理論研究與工程實踐兩方面都取得長足進(jìn)展。4.2.1采場圍巖控制理論與實踐的發(fā)展（1）采場上覆巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型及“關(guān)鍵層理論”60年代初至70年代末，提出上覆巖層開采后呈“砌體梁”式平衡的

7、結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，為采場給出了具體的邊界條件，也為論證采場礦山壓力控制參數(shù)奠定基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，提出巖層斷裂前后的彈性基礎(chǔ)梁力學(xué)模型及各種不同支撐條件下板的力學(xué)模型，為老頂來壓預(yù)報提供理論依據(jù)。對堅硬巖層承受載荷及變形規(guī)律的分析，導(dǎo)致“關(guān)鍵層”理論的研究，由此可以進(jìn)一步修正采場來壓規(guī)律，判斷上覆巖層內(nèi)部裂隙分部、離層區(qū)位置和識別對地表破壞起主導(dǎo)作用的巖層。（2）“砌體梁”平衡的關(guān)鍵塊研究及“S—R”穩(wěn)定在“砌體梁”結(jié)構(gòu)研究的前題下，重點(diǎn)分析關(guān)鍵塊的平衡關(guān)系。這項研究主要提出砌體梁關(guān)鍵塊的滑落與轉(zhuǎn)動變形失穩(wěn)條件即“S—R”穩(wěn)定條件。（

8、3）采場支架—圍巖關(guān)系研究及整體力學(xué)模型的建立“支架—圍巖”關(guān)系的研究體現(xiàn)在單體支柱工作面頂板事故的防治，液壓自移支架的架型、合理支護(hù)阻力，防治液壓自移支架端面頂板的冒落。在中厚煤層開采的采高條件下，一直視直接頂為“似剛體”，影響支護(hù)參數(shù)選擇的主要觀點(diǎn)是“P—△