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矿压学习心得

矿山压力与围岩控制学习心得

一、对矿山压力和围岩控制的认识

通过本科四年、研究生三年以及博士一学期的学习，我对矿山压力和围岩控制这门科学有了一些初步的认识与理解，现就我自己的学习和理解浅谈一下对矿山压力与围岩控制的一些相关认识和学习心得。

地下岩体在受到煤矿开采影响以前，由于岩层自重的作用在其内部引起的应力，通常称为原岩应力，由于开采前的岩体是处于静止状态的，所以原岩体是一个处于应力平衡状态的整体，当进行开掘巷道或进行回采工作时，采动影响破坏了原来岩体所处的应力平衡状态，造成岩体内部应力的重新分布，当重新分布的应力超过煤岩体的极限强度时，就会使巷道和回采工作面周围的煤、岩体发生破坏情况，这种情况将持续到煤、岩体内部的应力状态重新达到新的应力平衡为止。

此时，巷道和回采工作面周围的煤、岩体内就会形成一个与原岩应力场显然不同的新的应力场。

这种由于在地下进行采掘活动而在井巷，硐室及回采工作面周围煤、岩体中和支护物上所引起的力，就叫矿山压力，简称矿压，也叫地压。

围岩控制是为了使矿山压力的显现能够不影响正常的开采工作，以及保证生产的安全进行所采取的各种技术措施，加以控制围岩的移动变形。

包括巷道布置、工作面形式、对巷道及采煤工作面空间所采取的支护方式、对软弱的煤岩体进行的加固工艺，采用各种有效的方法使巷道或采煤工作面得到卸压。

而对于采空区，可以进行采空区充填的方式，或者用人工强制房顶等方法使采空区顶板按照预期方案进行冒落的方式，防止采空区大面积悬顶等等一系列的控制技术和方法就称为岩层控制技术。

矿山压力与围岩控制这门科学对于煤矿的实际生产具有非常重要的实际意义，它指导矿山的建设，安全生产等等个方面工作的进行，是采矿行业的基础学科之一，同时作为作为采矿行业的基础理论学科，由于其对采矿行业的重要性，得到了广泛的研究学习，推动了采矿学科的科学健康发展，创造了显着的经济效益和社会效益。

矿山压力理论建立和发展的基础建立在几种矿山压力假说的基础上，矿山压力假说是采矿科学发展的重要形式，是弄清矿山压力及其显现规律的有效途径。

假说的建立包括以下步骤：

1、观察和收集实际资料；2、分析整理所积累的资料，提出假设的基本观点；3、建立分析模型，进行数学力学分析推演，一方面为确定假说中各个基本参数间的关系，另一方面为矿山生产提供指导；4、通过一定方式对建立的假说进行检验。

现代矿压理论的建立是在前人对于矿压的各种假说的基础上进行发展和完善所得出来的。

矿压理论的建立，起初是以经验为基础，较多地偏重于矿山压力显现方面的描述，由于测试手段不完善，所以假说具有片面性和局限性。

现有的矿山压力假说主要有以下几种：

1.压力拱假说；2.双支梁假说；3.悬臂梁（悬板）假说；4.预成（生）裂隙假说；5.铰接岩块假说；6.台阶下沉假说；7.松散介质假说；8.楔形假说；9.砌体梁假说；10.传递岩梁假说；11.弹性基础梁假说；12.板结构假说。

压力拱假说：

压力拱假说，也称自然平衡拱假说，是最早的矿山压力假说，在欧洲国家现在仍有很多的学者拥护此假说。

压力拱假说认为：

开掘在任何岩层中的巷道，由于重力作用，顶板岩层发生破坏变形，形成一稳定的卸载拱。

拱承受拱面以上全部岩石的重量，并将全部载荷经压力拱的拱脚传递到巷道两帮岩石而引起巷道两帮鼓出以及底板隆起等围岩变形，巷道支架所承受的载荷是拱面以下已经破碎的有限断面内的岩石总重量。

底板中也存在着和顶板类似的压力拱。

压力拱的主要内容包括：

1.在工作面及其附近的顶板中存在着压力拱。

2.通常在工作面前方15m的距离内形成拱脚最大压力带，这样在工作面附近压力逐渐减小。

同时，在采空区中，充填体或冒落的矸石开始压缩的15m内形成另一拱脚的最大压力区，在这两个最大压力区的拱中心形成驼峰状的压力分布，两侧高中间低。

3.在压力拱内为卸载区，卸载区也同时能在底板中形成。

4.利用全部垮落法管理顶板时，压力拱陡峭且比较高；用充填法时则拱平缓且拱高小。

5.拱的高度和宽度仅取决于煤层厚度（采高）、顶板管理方法和顶板岩石性质。

6.压力拱是非对称性的，并且沿工作面的长度方向没有表现。

压力拱假说比较简明地阐述了采场围岩卸载的原因，探讨了围岩平衡状态及其范围，对回采工作面前后支承压力的形成及回采工作空间处于卸压区做出了一些解释。

压力拱假说认为：

支架压力源于拱内岩石的重量，与支架特性及采深无关，这显然与实际情况不符。

对坚硬的层状岩石，无论在巷道还是在采场，都不可能形成拱，这对压力拱假说是不适合的。

压力拱在巷道中并不是唯一的表现形式，支架压力取决于一系列的矿山地质条件及技术条件，其中起主要作用的是巷道围岩性质，支架特性及结构形式。

在回采工作面，由于煤层顶底板岩性不同，顶板管理方法，支架形式及特性以及回采工艺的差异，可能形成不同的复杂的力学结构。

这远非压力拱理论所能概括与阐明的。

梁的假说：

梁的假说是近代矿压假说的显着特点。

由于对梁的属性认识不同，有双支梁假说、悬臂梁假说、砌体梁假说、传递岩梁假说及弹性基础梁模型等。

1、双支梁假说。

双支梁假说认为在老顶垮落之前，老顶弯曲下沉量很小，可忽略。

当直接顶垮落高度不充分时，老顶处于悬露状态，由于回采工作面沿倾斜方向长度远大于沿走向的悬露跨度，可将老顶岩层视为一端由工作面煤壁，另一端由区段边界煤柱支撑的“梁”，即所谓双支梁假说。

按梁两端的支撑条件不同，又可分为简支梁和固定梁。

2、悬臂梁假说。

悬臂梁假说认为：

地下岩体是一种层状的连续弹性介质，未采动的岩体所受的力主要是垂直应力。

在煤层开采后，采空区上方悬露的顶板在初次垮落后，可以看成是一端悬伸而另一端固定在工作面前方煤体上面的悬臂梁。

如果顶板为很多岩层组成，则形成彼此相互作用的组合悬臂梁，这种岩梁在采场上下两端的煤柱处也被固定着，因而形成了三面被固定的悬板，即所谓的悬板假说。

由于采场上下两端的镶嵌作用在工作面较长时，对顶板活动所起的作用是很小的，因此，多视顶板为梁。

岩梁在自重和上覆岩层的作用下，逐渐弯曲、下沉以至于断裂垮落。

当顶板岩层坚硬时，悬伸在采空区上方的岩梁可能很长，这时就必须采取人为的措施加以控制，以防止岩梁可能沿煤臂切断造成推掌子事故；若梁由于弯曲下沉时被冒落的矸石或充填体支撑时，也可能仅产生弯曲下沉而不产生折断；当岩梁的悬伸长度达到极限值时，将发生有规律的周期性折断，此时将出现明显的周期性来压。

3、砌体梁假说。

砌体梁假说是中国矿业大学钱鸣高教授在铰接岩块假说的基础上，根据相似模型实验和现场实测，运用结构力学的方法得到了采场上覆岩层的平衡和失稳条件，从而提出了“砌体梁”假说。

砌体梁假说认为：

在老顶岩梁达到断裂步距之后，随着工作面的继续推进，岩梁将会折断，但断裂后的岩块由于排列整齐，在相互回转时能形成挤压，由于岩块间的水平力以及相互间形成的摩擦力的作用，在一定条件下能够形成外表似梁实则为半拱的结构。

这种平衡结构形如砌体，故称之为砌体梁。

经过采动，上覆岩层中的坚硬岩层都已断裂，根据岩层移动特点，可将上覆岩层按坚硬岩层分成若干个岩层组，而每一个岩层组的底板则为坚硬岩层。

采场上覆岩层可沿走向分为三个区：

煤壁支撑影响区；离层区或支架影响区；重新压实区。

该假说在前人研究成果及现场实测的基础上，对开采层采场上覆岩层进行了分析认为：

1.在划分的岩层组中，每组中的软岩层或断裂的岩层可视为坚硬岩层上的载荷，或者传递垂直力的媒介。

2.由于开采的影响，坚硬岩层已经断裂成为排列较整齐的岩块。

由于离层，在离层区域内，上下岩层组之间没有垂直力的传递。

在水平方向由于有水平推力，形成了铰接关系。

铰接点的位置取决于岩层移动曲线的形状，若曲线下凹，则铰接点位于断裂面的下部，反之则在上部，离层区视为无支撑区。

3.由于层间不能阻挡水平错动，因而视软岩层或碎裂岩为支承链杆，即只能传递垂直力，不能阻止水平力。

4.当岩块恢复到水平位置时，破碎岩块间的剪切力为零，故以后的岩块可以用一水平直杆代之。

5.最上岩层组的坚硬岩层，由于其上只是软岩层及冲积层，因此可视为均布载荷作用于最上组的坚硬岩层上，而下面的岩层组则不然。

6.最上的坚硬岩层，随着回采工作面的推进，由于载荷条件一致，因而该岩层断裂后各岩块可视为等长，但下面各组岩层由于相互作用，破碎后的长度未必相等。

4、传递岩梁假说。

传递岩梁假说于1978年由山东科技大学宋振骐教授根据现场实测资料提出的。

该假说首先与众不同地建立了直接顶与老顶两个基本概念。

直接顶：

在采空区已经冒落的岩层总和，由于它们不能长久地保持向煤壁前方传递力的联系，因此其作用力必须由支架全部承担；老顶：

由邻近采场的一部分传递岩梁组成，该部分岩梁的运动对采场矿压显现有明显的影响。

老顶岩梁的结构采用了“传递岩梁”的概念，它包括下列含义：

（1）该岩梁是由同时运动（或近似于同时运动），且对矿压显现同时有明显影响的岩层组合而成。

（2）该岩梁在采场推进过程中，无论是在相对稳定阶段，还是进入显着运动的阶段，都能在工作面推进方向上始终保持传递力的联系，从而能将其作用力传递至煤壁前方和采空区已冒落的矸石之上。

由于采场不断推进，采场矿山压力及其显现总是在不断发展变化之中。

因此，宋振骐教授建议研究的重点不仅是某一时刻瞬间值的大小，而是矿压的发展变化规律及其与上覆岩层运动的关系。

解决了这个问题，则能通过矿压显现推测上覆岩层的运动，预测采场来压的时刻和强度，解决开采设计，生产管理等问题。

5、弹性基础梁模型。

当老顶或直接顶为未断开的岩层时，岩层可视为处于弹性基础（煤层和垮落矸石）上的连续梁，称为无限长弹性基础梁。

弹性基础梁模型引用了地基中的理论，对未断开的采场上覆岩层进行了分析。

但由于所做的假说缺乏事实根据，因此模型的属性，应用范围等尚需由实践进一步检验和修正。

除前述拱形假说及各种梁的假说外，尚有其它的矿压假说。

包括预成裂隙假说、台阶下沉假说、松散介质假说、关键层理论、铰接岩块假说、楔形假说及有关板的假说。

1、预成裂隙假说。

预成裂隙假说认为煤系地层为层状沉积岩，由于地质构造而形成各种层理、节理、裂隙及断层等破坏了岩体的连续性，因而属于非粘结性的不连续体，因此岩体虽然由脆性及刚性岩块组成，但它却象塑性体那样产生很大的变形，称之为“假塑性”体。

这种特性在采空区中表现得更为明显，岩层移动导致围岩变形，岩层压力则引起支架受压。

由于采掘工作的不断进行，在采空区周围岩体中形成破坏区。

此假说认为采场上覆岩层实质上是一种被挤紧的“预应力梁”，它在自重及上部载荷作用下发生显着的假塑性弯曲，使原来被挤压紧的裂隙张开，并且使各岩块间产生相对错动，促使顶板下沉乃至垮落。

裂隙发展的岩层的弯曲变形比裂隙小的刚性（坚硬）岩层要大，因此会产生离层。

此外，这些岩层从很大的载荷作用下解脱出来，存在着体积膨胀，对支架引起了附加载荷。

预成裂隙假说视岩体为层状非连续体，特别提出“假塑性”变形特征是具有独创性的，因此阐明了采场周围岩体内应力分布、变形及破坏等，具有一定的实际意义，比悬臂梁假说和压力拱假说都具有进一步的发展。

但预成裂隙假说并不能概括采场中的所有情况，如完整坚硬岩石往往不能形成预成裂隙梁，而极其破碎的软弱岩层又因过于破碎以至使顶板中难以形成假塑性弯曲的岩梁。

2、铰接岩块假说。

铰接岩块假说是前苏联学者库兹涅佐夫据相似材料模拟实验和现场实测结果，在悬臂梁假说基础上提出的。

库兹涅佐夫认为不能用连续介质力学的方法解决矿压问题。

当工作面从开切眼开始推进，采空区扩大但尚未引起破坏时，逐渐增大的工作空间的支柱压力主要取决于岩层构成及顶板管理方法。

当老顶垮落后，不仅顶板整个岩层的组成起重要作用，而且特别是各种软岩和硬岩的互层顺序起重大的作用。

在顶板垮落后，按岩石的变形特征及破碎特点可将工作面上部岩层分两个带，即直接靠近采空区的不规则垮落带及上面的规则移动带。

不规则垮落带的岩层由于受到各种裂隙的切割而成许多单个岩块，自由地垮落到采空区中，彼此间无多大的力学关系。

由于采空区冒落矸石破碎体积膨胀，使位于不规则垮落带上部的岩层自由空间缩小，形成规则的垮落或下沉。

同时每—层内的岩块之间互相挤压，构成多环节的铰链系统。

铰接岩块假说对围岩移动特别是采空区直接顶垮落的分析，有助于进一步阐明直接顶与老顶间的相互作用，对支架与围岩间的相互作用的力学分析比较切合实际，已初步涉及到支架作用的实质；对近代矿山压力理论有一定的指导作用。

但该假说仅考虑了采场顶板的局部活动，而对岩体中应力重新分布以及对采场的影响等却未加考虑；同时关于岩层铰接关系活动的假说过于理想化了，在计算过程中所做的某些省略或假定并不合理。

如在考虑顶板与煤层的相互作用时，假定直接顶不起实质性作用，工作面支架的作用不计等。

3、有关板的假说。

老顶的断裂问题以往都是用梁的理论解决的。

但事实上，由于边界支承条件不一致，以及工作面长度和来压步距的关系，老顶的来压特征已远非梁理论所能解决，这就有必要引入板的理论，即将采场上覆岩层视为板状的结构。

在我国，板结构首先是由太原理工大学贾喜荣教授提出来的。

他建议把坚硬的顶板视为弹性薄层，根据小挠度理论，用Ritz法对各种不同支承边界条件下的薄板进行求解，分析了在工作面初次放顶，初采工作面与孤岛工作面，一侧邻近采区工作面，无煤柱工作面等四类条件下坚硬顶板的下沉规律，应力分布规律以及断裂规律。

中国矿业大学钱鸣高教授和朱德仁博士也对采场顶板的板结构进行了研究，得到了一些重要结果。

实际老顶岩层是一块处于四周不同支承条件下的板，根据四周的开采情况，板的支承条件也不同，即：

1.四周固定支承的板见；2.三边固支，一边简支的板；3.两边固支，两边简支的板；4.三边简支，一边固支，即孤岛条件下的板。

只有在来压步距远小与工作面长度的情况下，仅工作面中部有可能利用平面应变问题简化为梁加以处理，而且它所反映的问题根本不能代表工作面两端。

而当来压步距接近工作面长度时，即使是工作面中部也不应视为平面应变的梁了。

因此，用板代替更为合理。

应用上述有关板的理论可以解释一些用梁的理论所不能解释的矿压现象，如工作面端头处顶板常常破坏不易维护；坚硬顶板悬露见方时最易采压（即坚硬顶板工作面长度与老顶断裂步距相近）；老顶断裂位置、步距的确定等问题。

无疑比梁有更广的应用前景。

显而易见，将顶板岩层视为板结构是更全面合理的，尤其对坚硬顶板更符合实际。

但板结构的研究还处于初级阶段，在应用板理论解决矿压问题时，不仅要弄清楚板的支承条件，上覆岩层的载荷条件，而且应选择更符合实际顶板结构的板（不限于弹性薄板）。

可以预见，随着固体力学板壳理论的不断发展和完善，各种数值计算方法的广泛应用，用板理论解决坚硬顶板的矿压问题显然有广泛的前景。

今后还应进一步研究老顶岩板的断裂机理，断裂后的板如何运动以及板的平衡与失稳对回采工作面矿压显现的影响。

为合理选择支护参数，安全生产提供更科学的理论依据。

4、关键层理论。

关键层理论认为：

在直接顶上方存在厚度不等、强度不同的多层岩层，其中一层至数层在采场上覆岩层活动中起主要的控制作用。

将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称为关键层。

前者称为亚关键层，后者称为主关键层。

为了弄清岩层移动由下往上传递的动态过程，岩层移动过程中形成的采场矿压显现、煤岩体中水与瓦斯的流动和地表沉陷等状态的变化，关键在于弄清关键层的变形破断及其运动规律。

关键层理论的提出实现了矿山压力、岩层移动与地表沉陷、采动煤岩体中水与瓦斯流动研究的有机统一，为更全面、深入地解释采动岩体活动规律和采动损害显现奠定了基础，为煤矿绿色开采技术研究提供了新的理论平台。

前面所介绍的一些主要的矿压假说都是从经验事实、现场实测以及数学力学的一般原理出发，在假定岩体基本属性的前提下，采用某些分析手段来阐述采场矿压的基本问题，每种假说都有其合理成分，有些观点是基本普遍公认可以肯定的，如：

1.采场支架所受载荷仅是上覆岩层的重量中的一小部分。

根据支架与围岩的作用关系，支架可能处于给定载荷或给定变形工作状态；2.煤层（矿体）开采后，在采场周围的岩（煤）体中将产生应力重新分布、变形乃至破坏，应力重新分布的结果是在邻近采场的岩体内形成卸压区，而在工作面前后方及两侧煤体（或冒落矸石、充填物）上形成应力升高区，远离采场则为未受采动影响的原岩应力区；3.尽管对开采层上覆岩层的认识千差万别，但有一点是共同的，那就是都承认在采场上方岩层中存在某种力的结构（拱、梁，板等），这种结构承担着上覆岩层的重量，使工作面支架仅承受少部分上覆岩层的重量，并且这种结构的平衡与失稳会给采场带来严重影响。

但各种假说对一些基本问题存在很大的分歧，主要表现为：

1.对于岩体尤其是采场附近岩体的基本属性问题；2.所采用的力学观点和方法方面；3.支架对围岩应力分布、变形破坏所起的作用问题。

总之，矿山压力假说是矿山压力理论发展的重要途径。

随着科学技术的进步，各种研究手段的完善，人们将能够弄清矿山压力这个复杂的自然现象，从而使矿压假说不断地完善和发展，形成完整的科学理论。

从自身的学习角度来讨论关于矿山压力的假说，我认为针对不同的问题需要进行不同角度进行力学分析，可以选取适用于所研究问题的相关假说，也可在前人的理论基础上提出自己的力学模型，分析所需解决的问题。

研究生期间我对条带充填的矿压显现规律进行了初步的研究探讨，我认为针对充填开采方法来说，压力拱假说和梁的相关假说对于解决充填开采中遇到的矿压问题并不适用，而板的理论在此情况下就显得更为合理。

针对充填的情况，我采用了太原理工大学贾喜荣教授提出的弹性薄板理论建立了力学模型，分析了充填开采情况下的矿压显现规律和顶板控制情况。

但是在研究过程中也遇到了一些力学问题无法解决，因此对模型中的一些条件做了简化处理，或者忽视次要问题，解决主要问题，大致的得出了我认为比较适用于充填开采方法的力学计算模型。

同时在我的学习过程中，我认识到对于矿压理论的研究方法至关重要，下面我针对自己的学习讨论一下矿山压力与围岩控制的研究与学习方法。

二、矿山压力与围岩控制研究方法

对于矿压的学习和研究，从自身的经验来说，需要根据现场需要解决的问题，首先建立数学模型，进行理论分析，进而对建立的力学模型进行实验验证，验证方法包括数值模拟技术和实验室模拟方法，对于模拟的结果与理论计算的结果进行比较验证，修正并完善数学模型，以实验室研究的成果指导现场施工，最后根据现场的施工反馈的实测数据验证理论计算的结果，对理论研究进行进一步的完善，最后得出研究的成果。

下面就矿山压力与围岩控制的研究方法根据自身的学习经验和认识进行简单的介绍。

1、数学力学分析方法：

数学力学分析方法是针对所需解决的力学问题，对数学方程作简化和数值离散化，编制程序作数值计算，将计算结果与实验结果比较。

将天然岩体进行简化处理，可以假定如下条件：

均质弹性体、塑性体、弹塑粘性体、松散体、块状结构体等，然后采用相关的力学理论及有限元、边界元等解析方法，并借助于计算机进行分析计算。

常用的方法有：

有限差分法、有限元法、有限体积法、边界元法等。

大型工程计算软件已成为研究工程问题的有力武器。

常用的采矿方向的数值模拟软件包括FLCK3D，ANSYS，ADINA，UDEC等等。

数值方法的优点是能计算理论分析方法无法求解的数学方程，比实验方法省时省钱，但毕竟是一种近似解方法，适用范围受数学模型的正确性和计算机的性能所限制。

缺点：

结果远离实际、定性描述、需要提供有关参数、很难考虑复杂多变的因素。

在使用过程中可以发现，任何一个小参数的调整都会对模拟结果产生较大的影响，因此数值模拟软件的结果并不能完全反映真实情况下的结果，但是具有很大的参考价值，特别是在无法进行工程实际验证或者现场试验的情况下，对科研工作有很大的帮助。

2、实验室的试验研究方法：

对于采矿行业，实验室的实验方法主要包括相似模拟实验方法。

在相似理论的指导下建立模拟实验系统，模拟实际中的工序过程，采集、处理和分析实验数据。

采用人工材料代替天然岩体，制成模型后进行可采活动的模拟试验。

模拟试验方法实际上是在某种假定理论指导下进行的，将现场复杂多变的因素简化后在实验室内再现，试验成果达到的正确程度也依赖现场实测资料解释，经过不断反复提高模拟试验技术，使模拟试验更有实际意义。

材料分类：

相似材料、光学材料、可粘材料、石腊材料等模拟试验。

力学边界条件：

可分为平面应力、平面应变及立体模型和离心模型等模拟试验。

存在问题：

模型与现场实际不可能完全相似；模拟试验所得成果，只是定性地反映某个或某几个因素的相对变化关系。

3、现场实际观测方法：

现场实测法是最直接采集现场实际资料的一种实验方法，是验证理论是否可行的必须步骤。

该法是根据地下开采活动引起的矿山压力显现的特征，直接在现场进行观测和记录，利用各种仪器，地表量测支架载荷，岩体变形位移，岩体内应力、岩体力学特性数值大小。

并从中可以分析得到地质、生产技术因素与矿山压力显现的经验函数关系，由此解决实际生产技术问题。

同时，在汇总大量观测数据与调查资料的基础上，将能总结出矿山压力的普通规律，促进矿山压力理论研究的发展。

矿山岩层控制通过对矿山岩层移动特征理论上的分析可以对矿山地质灾害具有防治和指导意义，从这个课程中学到的很多知识可以对煤矿安全开采具有很重要的意义，感谢老师的教导让我获益匪浅，对以后的实际工作具有莫大的帮助。