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。

（2）由于地壳总的运动趋势是相互挤压，所以水平应力以压应力占绝对优势。

（3）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变化。

（4）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值一般相差较大。

（5）构造应力在坚硬岩层中出现比较普遍，软岩中存储构造应力较少。 3．采场上覆岩层活动规律，以及横三区，竖三带特点：（☆） 答：规律：（1）采场采动后的上覆岩层, 根据其开采厚度与冒落空间的关系可分为垮落带（不规则垮落带与规则垮落带），裂隙带与弯曲下沉带。 与采场顶板管理密切有关的则是垮落带与裂隙带。（2）在特定条件下, 煤层上覆的顶板岩层可能形成缓慢下沉, 即顶板岩层在采空区悬露相当距离并弯曲下沉而后逐渐与底板岩层相接触。（3）开采后的上覆顶板岩层在弯曲变形过程中可能发生“离层”，即层与层之间互相脱开。形成横三区，即煤壁支撑区，离层区，重新压实区。

横三区特点：①煤壁支撑区：水平移动较为剧烈，垂直位移甚微，甚至有时顶板还会上升。②离层区：顶板剧烈下沉破断，垂直位移急剧增加，各层位移速度越往上越缓慢，层与层之间产生离层。③重新压实区：已断裂的岩块重新受到采空区冒落矸石的支撑，由下向上各岩层下沉速度逐渐增大，各岩层进入了相互压实的过程。

竖三带特点：①垮落带：破断后的岩块呈不规则垮落，排列极不整齐，松散系数比较大。②裂隙带：岩层破碎后岩块仍然排列整齐，碎胀系数较小。③弯曲带：岩层在移动过程中具有连续和整体性，在垂直剖面上下各部分下沉差值很小，若有厚硬的关键层，则可能出现离层现象。

4.老顶的失稳形式：（☆）

答：老顶失稳形式：结构的滑落失稳和结构的变形失稳。

（1）当老顶达到极限跨距后，随着回采工作面的继续前进，老顶即发生初次断裂。破断后的岩块相互挤压形成三铰拱式的平衡。此结构的平衡取决于咬合点的挤压力是否超过该咬合点接触处的强度极限。当该处剪切力等于摩擦力时，处于极限平衡状态，若剪切力大于摩擦力时出现滑落失稳。

（2）结构的变形失稳是指在岩块的回转过程中，由于挤压处局部应力集中，导致该处进入塑性状态，甚至局部受拉而使咬合处破坏，造成岩块回转进一步加剧，导致整个结构的失稳。

5.分析采场上覆岩层所形成的结构的平衡条件：（☆）

答：上覆岩层的岩体结构主要由坚硬岩层组成，软岩层只作为载荷，坚硬岩层断裂成岩块后排列整齐并互相咬合，岩体结构的平衡条件为： （1）岩块间应有足够的水平推力，且不可过大。

（2）岩块的下沉量s要小，厚度h较大，且s要远小于h。 （3）岩层的断裂角要小于岩块间的摩擦角。

（4）岩块间的剪切力要小于岩块间的摩擦力，即岩体结构上作用的载荷不易过大。 6. 煤柱下方底板岩层中应力分布特点及其实际意义？

答: 煤层底板下方有高应力区和低应力区，巷道应布置在低应力区。距煤柱水平距离越远，应力越小，距煤柱越近应力越大。在实际工程中很少遇到集中载荷作用的情况，但是通过这个解，可以知道应力在岩体内的传递规则，并且可以用积分的方法解决其他形式载荷条件下应力分布问题。有以下规律：

①一侧采空煤体及两侧采空、宽度较大的煤柱，作用于煤层上的支承压力的影响深度约1.5B—2B；两侧采空、宽度较小的煤柱，作用于煤柱上的支承压力的影响深度约为3B—4B。

②两侧采空、宽度较小的煤柱，底板岩层内同一水平面上σz以煤柱中心线处最大。一侧采空煤体，底板岩层内同一水平面σz最大值在煤体下方，距采空区边缘数米处。两侧已采、宽度较大的煤柱下，底板岩层内同一水平面上σz以煤柱中心线处较小，靠近煤柱边缘出现峰值。

③无论在何种形式煤层载荷作用下，底板岩层内应力分布都呈扩展状态，数值等于自重

00

应力值的等值线与煤柱边缘垂线的夹角，该角为影响角ψ，ψ一般为30—40。 7.绿色开采：（☆）

答：煤矿绿色开采以及相应的绿色开采技术，从广义的资源角度上来认识和对待煤，瓦斯，水等一切可以利用的资源；基本出发点是防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响；目标是取得最佳的经济效益跟社会效益。绿色开采技术包括： （1）水资源的保护——形成“保水开采”技术。（2）土地与建筑物的保护——形成离层注浆，充填与条带开采技术。（3）瓦斯的抽放——形成“煤与瓦斯共采”技术。（4）煤层巷道支护技术与减少矸石排放技术。 （5）地下气化技术。

8.简述岩石破碎后的碎胀特征及其在控制顶板压力中的作用： 答：碎胀特征：岩石的碎胀性是指岩石破碎后散乱后堆积的体积比破碎前整体状态下增大的特性。岩石破碎后，杂乱堆积，岩体的总体力学特性类似于散体，岩石碎胀后体积将产生膨胀，故堆积高度大于岩层原有高度，一般用碎胀系数KP表示。而岩石破碎后块体的大小及排列状态影响碎胀系数Kp 。如，坚硬岩层大块破断且排列整齐，所以Kp较小；岩石破碎后块度较小且排列无章，则Kp较大。岩石破碎后，在其自重及外加载荷的作用下渐趋压实，

，

碎胀系数变小，压实后的高度将取决于岩石的残余碎胀系数KP。

作用：对于岩层控制来说，碎胀性有重要作用，当煤层采出形成采空区后，顶板处于悬露状态，就会发生破坏断裂，并给工作面顶板管理造成影响以至危害。由于顶板岩石有碎胀性，垮落后体积增大，能充填部分因煤层采出后形成的采空区，其上覆岩层的活动对工作面就没有明显的动压影响。因此，碎胀性对工作预顶板管理有重要意义．

若直接顶岩层的垮落厚度为∑h，则垮落后堆积的高度为Kp·∑h它与老顶之间可能留下的空隙△为：△＝∑h＋M－Kp∑h=M-Kp·∑h（Kp-1）

当M＝∑h（Kp-1）时，△=0，即冒落的直接顶将充满采空区。此时下沉量较小，常可忽略不计。因此，形成充满采空区所需直接顶的厚度为：

hMKp19. 分析采场支架工作阻力与顶板下沉量“P-△L”曲线关系（☆） 答：支架工作阻力与顶板下沉量的关系在一定程度上反映了支架与围岩的相互作用关系。工作阻力P与顶板最终下沉量是一近似的双曲线关系。或称为“P－△L”曲线。

①不同的顶板条件，P－△L曲线的斜率不同，但都呈双曲线关系。 ②在一定工作阻力以上，支架工作阻力增加对顶板下沉量影响较小，但低于此值则提高支架工作阻力将减少顶板下沉量。

③支架的工作阻力并不能改变上覆岩层的总体活动规律。

④控制顶板下沉量有一定限度，超过此限度，支架也是无能为力的。

⑤只能在工作阻力偏低的情况下，提高工作阻力才可能对顶板下沉量有显著影响。 回采工作面支架应具备以下两个基本特性：一是必须具备一定的可缩量；二是必须具备有良好的支撑性能，即一定的工作阻力。因而在支架选型与支护设计中，最主要是确定支架的最大可缩量与最大工作阻力。

10.综采工作面支架哪几种及其特性，适用条件：

答：(1)支撑式。在结构上没有掩护梁，对顶板的作用是支撑方式。支撑式支架适应直接顶较完整的条件，若周期来压又较强烈则更适应。不适用于破碎顶板条件，由于支架结构不能抗水平推力，当顶板特别坚硬、破断形成的强大的水平推力会损坏支撑式支架时不适用支撑式支架。

(2)掩护式。在结构上有掩护梁，支柱是通过掩护梁对顶板起支撑作用。掩护式支架适用于直接顶破碎，来压不明显的条件。不适用于直接顶坚硬而老顶周期来压强烈的条件。

(3)支撑掩护式。具有掩护梁结构，支柱大部分或全部是通过顶梁对顶板起支撑作用，也可能有部分支柱是通过掩护梁对顶板起作用。支撑掩护式支架优先适用于直接顶为1、2、3类，老顶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，底板为2类以上的条件。

11.工作面支柱插入底板破坏形式以及特征，如何防止： 答：（1）整体剪切。特点：当载荷达到某一定值后，突然下降，压入深度迅速增大，此突破点称为底板的极限抗压入强度。（2）局部剪切。特点：没有明显的突破点，但随载荷的增加，压入深度的变形率增长较快。（3）其他剪切。特点：破坏形式介于前两者之间，有突破点，但不明显，载荷超过突破点后压入深度明显增大。

为防止支柱插底。提高支护系统的刚度，采取穿柱鞋的措施。当支柱穿上底鞋时，其承受的载荷将随底鞋的特点而明显增加，当底鞋压裂后其承载能力迅速下降，且穿底量明显增长。

12.沿空留巷矿压显现基本特征？与沿空掘巷矿压显现的主要区别？（☆） 答：沿空留巷矿压显现特征：

（1）采动时期：①沿空巷道位于采空区边缘，经历上区段工作面的采动影响，巷道顶板的下沉、破坏必然受到采空区上覆岩层沉降总规律的制约。上区段工作面采过后，老顶发生断裂失稳，然后回转下沉压实采空区。在这个过程中，由于老顶的剧烈活动，沿空巷道煤帮及巷道支护发生剧烈变形。沿空留巷的围岩应力主要取决于规则移动带岩层中块体取得平衡之前引起的附加载荷。②上区段工作面采动影响稳定后，随采空区岩层的沉降和煤帮支承压力衰减，沿空留巷煤帮的承载能力与支承压力很快处于平衡状态，围岩变形显著下降并趋于稳定。③本区段工作面回采时，规则移动带岩层原有的平衡状态将受到强烈影响。在超前支承压力作用下，规则移动带岩层将有一定的回转下沉，造成围岩应力再次重新分布集中，巷道围岩表现出强烈变形。

（2）沿空留巷的顶板下沉规律：回采工作面推进引起的上覆岩层运动，其发展是自下而上的，上部具有明显的滞后现象，沿空留巷的顶板会在较长时间内受到老顶上覆岩层运动的影响。

主要区别：沿空留巷与沿空掘巷最大的区别在于沿空留巷经历两次采动影响，并且留巷需要巷旁支护。

13．为什么说锚喷支护是软岩巷道支护的一个新途径？（☆）

答：利用锚杆兼做注浆管，实现锚注一体化。对于节理裂隙发育的岩体，注浆可以改变围岩的松散结构，提高粘结力和内摩擦角，封闭裂隙，显著提高围岩强度。注浆加固为锚杆提供可靠的着力基础，使得锚杆对松碎围岩的锚固作用得以发挥，进一步提高岩体的强度。但是注浆只能在围岩的一定深度处进行，需要与锚杆支护共同维持巷道周边围岩的稳定。采取锚杆与注浆相结合的方法，使锚杆和注浆的作用在各自适用范围内得到充分发挥。所以锚喷支护是软岩巷道支护的一个新途径。

14.影响顶煤冒放性的主要因素，以及提高顶煤冒放性的主要措施：（☆） 答：主要因素：（1）煤体的强度是影响顶煤冒放性的主要因素。顶煤硬度系数越大，顶煤冒落角越小，冒落性越差。（2）煤体裂隙分布的影响（3）顶煤厚度的影响，合理的顶煤厚度适宜于顶煤的放出。（4）煤层夹矸的影响，小于0.3m影响不大，大于0.4m易于堵塞放煤口。

主要措施：对于裂隙不发育的坚硬厚煤层(f＞3．5)，实施综放开采时，通常需采用顶煤爆破或注水方法改善顶煤的冒落形态和冒落块度。在工作面顶煤中沿顶板掘进两条平行煤巷，在巷内钻进平行于采面的深孔，在工作面支承压力区前方利用深孔实施顶煤预爆破，然后在支承压力作用下，对顶煤进行压裂和破碎，使之具有较好的冒落形态和冒落块度，易于顶煤放出。

在产量较低的工作面，也可在支架间向放顶煤钻空进行爆破，破碎支架上方顶煤。采用住水软化顶煤时，可在顶煤中开掘专用注水施工巷道，向两侧顶煤中钻进注水钻孔，也可利用工作面两巷道施工注水钻孔。