矿山压力理论
学 院： 能 源 与 安 全 学
专业班级：2013级采矿硕士研究生
学生姓名： 闫 化 晴
学 号：
任课老师： 高 明 中（教 授）
2014年1月3号
1 展望深部开采采场与巷道矿山压力理论的研究方向和发展趋势。
答： 国内外众多科研工作者和工程技术人员围绕地下开采围岩应力分布、支承压力计算、采动裂隙演化特征等矿山压力理论方面开展了许多研究，取得了一系列成果，对推动煤矿安全高效开采起到积极重要作用。但地下开采是围岩应力场、破坏场、变形场和裂隙场不断演化的过程，采场矿山压力客观上是一个三维问题，开采引起的围岩压力重新分布、围岩变形移动破坏及煤岩动力灾害等根本上是采场围岩三维矿山压力演化所决定的，故深部煤炭资源的安全高效开采急需矿山压力理论方面的基础理论和相关研究支持，以便更好地指导高强度开采技术的推广与应用，更大限度地提高资源采出率，实现安全高效生产。因此，在掌握地质条件、开采技术条件的基础上，以大范围围岩为研究对象，注重三维矿山压力基础理论研究的同时，更应注重深部开采围岩支承压力演化及其对采动裂隙的动态效应和应力场、裂隙场与渗流场的耦合理论研究。
1)开展深部开采三维矿山压力基础理论和现场试验研究。传统的采场矿压理论所研究的范围多为6～8倍采高以内的基本顶范围，开采沉陷研究多研究地表的下沉变形参数与形态。对于地表以下6～8倍采高以上的基本顶上覆岩层，开展的研究不多。而这部分岩层对深部采场来说厚度很大，无论对采场矿压还是对覆岩与地表沉陷控制研究，都是不应逾越的研究主体。因此，以采场大范围三维围岩为研究对象，进行煤岩体应力场、裂隙场和渗流场的测试方法和技术研究，系统开展深部采场矿山压力基础理论研究。
2）开展深部开采采动应力演化特征和岩体结构失稳机制研究。随着开采深度的增大，基岩厚度和原岩应力尤其是水平应力均增大，导致采动应力在覆岩和底板岩层中演化的非线性特征更加明显，其演化特征和演化形态将影响到开采后岩层运动的形式及地表坍陷形态的描述。因此，研究深部条件下采动应力演化特征和岩体结构失稳机制，建立深部开采条件下采动应力演化分析模型，揭示采动应力演化与岩体结构失稳之间的关系。
3)开展深部开采采动应力与采动裂隙的动态效应研究。采动裂隙的演化是一贯穿开采始末的动态过程，是应力重新分布的主导因素。采动裂隙的演化势必影响到采动应力的形成、发展、演化和失稳过程，而采动应力演化又影响采动裂隙的演化过程，二者在演化过程中的相互作用机理仍不清楚。因此，开展深部开采条件下，煤岩层的垮落与破坏机制及煤岩体裂隙时空演化与分布规律，建立煤岩层垮落、裂隙、变形与相关参数的关系，阐明裂隙发育与分布特征，揭示采动应力与采动裂隙演化的关系研究。
4)开展深部开采应力场、裂隙场与渗流场的耦合理论研究。根据深部煤岩体结构特征、原岩应力特征和采动应力与采动裂隙演化特征，建立裂隙岩体弹塑性损伤断裂演化模型，建立围岩应力场、裂隙场与渗流场耦合数学模型，揭示应力场、裂隙场与瓦斯流动场相互作用机理。
2 绿色开采关键技术有哪些？试论述矿压理论对指导绿色开采关键技术的作用。
答： 煤矿绿色开采的关键技术主要包括煤与瓦斯共采技术、充填与条带开采和离层注浆减
沉技术、保水开采技术、煤炭的地下气化技术以及煤巷支护和矸石井下处理技术等，这些技术构成了煤矿绿色框架的关键部分。
钱鸣高院士编写的矿压从资源与技术的角度阐述了煤炭绿色开采的定义，即是从广义资源的角度认识和对待煤、瓦斯、水、土地等一切可以利用的资源；基本出发点是从开采的角度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、环境效益和社会效益。绿色开采的概念体现了煤矿开采在现有基础理论、方法和技术上应遵循安全、经济和环保的原则，以人为本，创建资源节约、环境友好、低碳生活以及节能减排的新理念。煤矿的地下采掘活动造成的安全和环境问题源于采矿活动造成的岩层移动以及破坏，从而引起岩体周围的应力场、地压、节理裂隙场以及瓦斯水体运移场等的相关变化，因此，煤矿的绿色开采必须以先进的科学理论为基础进行研究。目前，绿色开采理论依据主要有:关键层理论，采掘活动对岩层移动的影响及移动规律，开采后岩层节理裂隙分布发育规律，水与瓦斯在裂岩体中的渗流规律，岩体应力场分布规律及岩层控制技术等。
3 试从“梁”和“拱”两大体系的思路，论述砌体梁理论、关键层理论和传递岩梁理论。这些理论有无实质性的区别？若有，区别在哪里？若无，请详细说明。
答： 砌体梁理论----采场上覆岩层可分为“纵三带”和“横三区”，砌体梁结构为梁-拱式结构，运动特征为分组一致下沉,且受支配层制约，力的传递关系为垂直力传向水平力，结构特征为半拱式结构和关键块，平衡条件为S-R平衡,滑落失稳显现为台阶,回转失稳显现为顶板下沉量增大)。
传递岩梁理论----一组同时运动的岩层看作一个整体,传递力的岩梁；老顶是由对采场矿压显现有明显影响的一组或几组“岩梁”组成，对于老顶中的每一岩梁,由于裂断岩块之间的相互咬合,始终能向煤壁前方和采空区矸石上传递作用力；岩梁运动时的作用力无需由支架全部承担，支架承担作用力的大小,由对其运动的控制要求决定；内应力场由运动岩梁决定，以塑性区存在为前提，改变支架工作阻力可以改变内应力场的大小和分布；外应力场由上覆岩层决定,稳定与否取决于基本顶的运动状态和工作面的推进；支架对直接顶的作用是给定荷载；支架对基本顶的作用是给定变形和限定变形。
两种理论无实质性的区别，都是采用梁假说，均认为岩梁可以传递水平力，考虑成层性,假定分组一致下沉。
4 巷道矿山压力有哪些理论，各种理论的主要观点如何？可以解释哪些现象？试论述各理论间有何联系与区别？你认为往什么方向发展，才能取得较大的进展。
答： 巷道围岩应力及变形规律；相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定；构造应力对巷道稳定性的影响；受采动影响巷道的围岩变形；巷道围岩控制原理；巷道的布置；巷道的保护及支护。回采巷道的矿压理论：煤层巷道开掘的位置和时间；回采巷道围岩变形量预计方法；
回采巷道围岩稳定性分类方法；回采巷道支护设计方法；沿空留巷理论；沿空掘巷理论，外层自稳三角板大结构：基本顶破断、回转运动，形成稳定的三角板结构，其结构稳定主要受直接顶的厚度和岩性影响，与是否留巷关系不大，内层围岩支护小结构：巷内支护、巷旁充填墙体、巷内辅助加强支护构成沿空留巷围岩支护小结构，其稳定性取决于外层结构产生的力学环境和巷道支护结构的适应性，大结构具有决定性作用，小结构稳定对大结构也有影响。
这些理论可以解释巷道变形、底鼓、沿空留巷沿空掘巷的支护、巷道围岩的卸压、支架和围岩的相互关系、巷道锚杆锚索支护、锚梁网联合支护技术等。
就目前煤矿发展趋势，巷道逐步向深部，高温和复杂环境下发展，所以巷道的这些理论应该往深部巷道、高温环境下巷道、复杂环境下巷道的矿压理论方向发展，才能取得较大的进展。
5 采场矿山压力有哪些假说，各假说的主要观点如何？可以解释哪些现象？试论述各假说间有何联系与区别？你认为往什么方向发展，才能取得较大的进展。
答: 1．压力拱悬臂梁铰结岩块及预成裂隙假说压力拱假说：由德国人哈克和吉里策尔于1928年提出。此假说认为，在回采工作空间上方，由于岩层自然平衡的结果而形成了一个“压力拱”。此假说对凹采T作面的后支承压力及凹采丁作空间处于减压范围做出了粗略而经典的解释，但对岩层变形、移动和破坏的发展过程以及支架与围岩的相互作用，层状岩体如何分布。拱内岩层如何运动，拱的几何特征如何，后拱脚是否存在，并没有做任何分析。 悬臂梁假说：由德国施托克于1916年提出，后得到英国弗里德、前苏联格尔曼等人的支持。此假说可以解释周期来压与来压步距关系、顶板下沉与支架受力关系、以及工作面前方出现的支承压力及工作区出现的周期来压现象。但存在假设的弹性梁过于简化(弱面等)，未查明覆岩活动规律，计算顶板下沉量与支架荷载与实际相差甚远等问题。
铰接岩块假说：由前苏联库兹涅佐夫于1950．1954年提出。此假说对支架和围岩的相互作用做了较详细的分析。假说能正确地阐明工作面上覆岩层的分带情况，并初步及到岩层内部的力学关系及其可能形成的“结构”。但未能对岩块间的力学关系及平衡机理做进一步的探讨。
预成裂隙假说：由比利时学者A．拉巴斯于20世纪50年代初几乎与铰接岩块假说在同一时期提出，假塑性梁是此假说中的主要组成部分。但此假说对岩块之间的平衡以及支架受力关系没有明确介绍。
2．砌体梁传递岩梁假说及关键层理论
“砌体粱”假说：是由钱鸣高院士对采动岩体移动的特征、基于铰接岩块学说和预成裂隙梁假说的基础上而提出的，它主要研究了裂隙带岩层形成结构的可能性和结构的平衡条件，提出了上覆岩层开采后呈砌体梁式平衡的结构力学模型。但是对顶板下沉量的估计、支架与围岩的相互作用关系没有深入的研究。
“传递岩梁”假说：是宋振骐院士在20世纪80年代提出．该假说基于老顶传递力的概念。但并没有对此结构的平衡条件做出推导与评论。
关键层理论：是钱鸣高院士领导的课题组根据多年对顶板岩层控制的研究与实践，提出了岩层控制中的关键层理论，将对上覆岩层活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层。 砌体梁与传递岩梁的相同点和不同点。
相同点：考虑成层性，假定分组一致下沉；垮落步距采用梁假说；认为岩梁可以传递水平力。
不同点：对砌体梁来说，岩块的受力与平衡(推断)；给定荷载与给定变形工作状态；顶板压力估算应防止台阶下沉；对传递梁来说，梁的几何特征(双曲线关系，实测)；给定变形与限定变形工作状态；顶板压力取决于岩梁的位态(控制)。
发展趋势：
(1)精确化现有的采场矿压理论。上述介绍的理论都是从经验事实、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巷道压力的基本问题，每种假说都有其合理成分，都可以在一定的条件下解决实际问题。但是它们目前还只能够定性的来解释问题，不能定量，不够精确，在未来的发展中，这些理
论必然会逐步精确化。
(2)因地制宜，发展针对特定条件的矿压理论。煤矿地质条件千变万化．尤其是进入深井开采后，应该结合现有的巷道压力理论。予以改进、结合，以便能对安全生产起到指导作用。
(3)与弹塑性介质学说紧密结合。在今后的发展过程中，笔者认为松动罔理论为巷道压力理论提供了方向。注重研究巷道围岩松动罔的形成与范围，进而需要研究巷道围岩的弹性与塑性变形破坏计算的耦合。弹甥性介质学说是综合了弹性介质学说和理性介质学说的发展。它能够较为准确的概括巷道嗣岩支护的特点，因此应该大力发展。同时要与顶板矿山压力理论相结合。不能孤立的看待这个问题。
(4)与绿色开采方向相结合。未来的煤矿，将继续向深井发展，同时，国家也在大力提倡绿色开采，所以未来的采场矿山压力理论应该要向着如何应对新的深井条件和减少对环境的破坏的方向发展。
矿山压力理论
学 院： 能 源 与 安 全 学
专业班级：2013级采矿硕士研究生
学生姓名： 闫 化 晴
学 号：
任课老师： 高 明 中（教 授）
2014年1月3号
1 展望深部开采采场与巷道矿山压力理论的研究方向和发展趋势。
答： 国内外众多科研工作者和工程技术人员围绕地下开采围岩应力分布、支承压力计算、采动裂隙演化特征等矿山压力理论方面开展了许多研究，取得了一系列成果，对推动煤矿安全高效开采起到积极重要作用。但地下开采是围岩应力场、破坏场、变形场和裂隙场不断演化的过程，采场矿山压力客观上是一个三维问题，开采引起的围岩压力重新分布、围岩变形移动破坏及煤岩动力灾害等根本上是采场围岩三维矿山压力演化所决定的，故深部煤炭资源的安全高效开采急需矿山压力理论方面的基础理论和相关研究支持，以便更好地指导高强度开采技术的推广与应用，更大限度地提高资源采出率，实现安全高效生产。因此，在掌握地质条件、开采技术条件的基础上，以大范围围岩为研究对象，注重三维矿山压力基础理论研究的同时，更应注重深部开采围岩支承压力演化及其对采动裂隙的动态效应和应力场、裂隙场与渗流场的耦合理论研究。
1)开展深部开采三维矿山压力基础理论和现场试验研究。传统的采场矿压理论所研究的范围多为6～8倍采高以内的基本顶范围，开采沉陷研究多研究地表的下沉变形参数与形态。对于地表以下6～8倍采高以上的基本顶上覆岩层，开展的研究不多。而这部分岩层对深部采场来说厚度很大，无论对采场矿压还是对覆岩与地表沉陷控制研究，都是不应逾越的研究主体。因此，以采场大范围三维围岩为研究对象，进行煤岩体应力场、裂隙场和渗流场的测试方法和技术研究，系统开展深部采场矿山压力基础理论研究。
2）开展深部开采采动应力演化特征和岩体结构失稳机制研究。随着开采深度的增大，基岩厚度和原岩应力尤其是水平应力均增大，导致采动应力在覆岩和底板岩层中演化的非线性特征更加明显，其演化特征和演化形态将影响到开采后岩层运动的形式及地表坍陷形态的描述。因此，研究深部条件下采动应力演化特征和岩体结构失稳机制，建立深部开采条件下采动应力演化分析模型，揭示采动应力演化与岩体结构失稳之间的关系。
3)开展深部开采采动应力与采动裂隙的动态效应研究。采动裂隙的演化是一贯穿开采始末的动态过程，是应力重新分布的主导因素。采动裂隙的演化势必影响到采动应力的形成、发展、演化和失稳过程，而采动应力演化又影响采动裂隙的演化过程，二者在演化过程中的相互作用机理仍不清楚。因此，开展深部开采条件下，煤岩层的垮落与破坏机制及煤岩体裂隙时空演化与分布规律，建立煤岩层垮落、裂隙、变形与相关参数的关系，阐明裂隙发育与分布特征，揭示采动应力与采动裂隙演化的关系研究。
4)开展深部开采应力场、裂隙场与渗流场的耦合理论研究。根据深部煤岩体结构特征、原岩应力特征和采动应力与采动裂隙演化特征，建立裂隙岩体弹塑性损伤断裂演化模型，建立围岩应力场、裂隙场与渗流场耦合数学模型，揭示应力场、裂隙场与瓦斯流动场相互作用机理。
2 绿色开采关键技术有哪些？试论述矿压理论对指导绿色开采关键技术的作用。
答： 煤矿绿色开采的关键技术主要包括煤与瓦斯共采技术、充填与条带开采和离层注浆减
沉技术、保水开采技术、煤炭的地下气化技术以及煤巷支护和矸石井下处理技术等，这些技术构成了煤矿绿色框架的关键部分。
钱鸣高院士编写的矿压从资源与技术的角度阐述了煤炭绿色开采的定义，即是从广义资源的角度认识和对待煤、瓦斯、水、土地等一切可以利用的资源；基本出发点是从开采的角度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、环境效益和社会效益。绿色开采的概念体现了煤矿开采在现有基础理论、方法和技术上应遵循安全、经济和环保的原则，以人为本，创建资源节约、环境友好、低碳生活以及节能减排的新理念。煤矿的地下采掘活动造成的安全和环境问题源于采矿活动造成的岩层移动以及破坏，从而引起岩体周围的应力场、地压、节理裂隙场以及瓦斯水体运移场等的相关变化，因此，煤矿的绿色开采必须以先进的科学理论为基础进行研究。目前，绿色开采理论依据主要有:关键层理论，采掘活动对岩层移动的影响及移动规律，开采后岩层节理裂隙分布发育规律，水与瓦斯在裂岩体中的渗流规律，岩体应力场分布规律及岩层控制技术等。
3 试从“梁”和“拱”两大体系的思路，论述砌体梁理论、关键层理论和传递岩梁理论。这些理论有无实质性的区别？若有，区别在哪里？若无，请详细说明。
答： 砌体梁理论----采场上覆岩层可分为“纵三带”和“横三区”，砌体梁结构为梁-拱式结构，运动特征为分组一致下沉,且受支配层制约，力的传递关系为垂直力传向水平力，结构特征为半拱式结构和关键块，平衡条件为S-R平衡,滑落失稳显现为台阶,回转失稳显现为顶板下沉量增大)。
传递岩梁理论----一组同时运动的岩层看作一个整体,传递力的岩梁；老顶是由对采场矿压显现有明显影响的一组或几组“岩梁”组成，对于老顶中的每一岩梁,由于裂断岩块之间的相互咬合,始终能向煤壁前方和采空区矸石上传递作用力；岩梁运动时的作用力无需由支架全部承担，支架承担作用力的大小,由对其运动的控制要求决定；内应力场由运动岩梁决定，以塑性区存在为前提，改变支架工作阻力可以改变内应力场的大小和分布；外应力场由上覆岩层决定,稳定与否取决于基本顶的运动状态和工作面的推进；支架对直接顶的作用是给定荷载；支架对基本顶的作用是给定变形和限定变形。
两种理论无实质性的区别，都是采用梁假说，均认为岩梁可以传递水平力，考虑成层性,假定分组一致下沉。
4 巷道矿山压力有哪些理论，各种理论的主要观点如何？可以解释哪些现象？试论述各理论间有何联系与区别？你认为往什么方向发展，才能取得较大的进展。
答： 巷道围岩应力及变形规律；相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定；构造应力对巷道稳定性的影响；受采动影响巷道的围岩变形；巷道围岩控制原理；巷道的布置；巷道的保护及支护。回采巷道的矿压理论：煤层巷道开掘的位置和时间；回采巷道围岩变形量预计方法；
回采巷道围岩稳定性分类方法；回采巷道支护设计方法；沿空留巷理论；沿空掘巷理论，外层自稳三角板大结构：基本顶破断、回转运动，形成稳定的三角板结构，其结构稳定主要受直接顶的厚度和岩性影响，与是否留巷关系不大，内层围岩支护小结构：巷内支护、巷旁充填墙体、巷内辅助加强支护构成沿空留巷围岩支护小结构，其稳定性取决于外层结构产生的力学环境和巷道支护结构的适应性，大结构具有决定性作用，小结构稳定对大结构也有影响。
这些理论可以解释巷道变形、底鼓、沿空留巷沿空掘巷的支护、巷道围岩的卸压、支架和围岩的相互关系、巷道锚杆锚索支护、锚梁网联合支护技术等。
就目前煤矿发展趋势，巷道逐步向深部，高温和复杂环境下发展，所以巷道的这些理论应该往深部巷道、高温环境下巷道、复杂环境下巷道的矿压理论方向发展，才能取得较大的进展。
5 采场矿山压力有哪些假说，各假说的主要观点如何？可以解释哪些现象？试论述各假说间有何联系与区别？你认为往什么方向发展，才能取得较大的进展。
答: 1．压力拱悬臂梁铰结岩块及预成裂隙假说压力拱假说：由德国人哈克和吉里策尔于1928年提出。此假说认为，在回采工作空间上方，由于岩层自然平衡的结果而形成了一个“压力拱”。此假说对凹采T作面的后支承压力及凹采丁作空间处于减压范围做出了粗略而经典的解释，但对岩层变形、移动和破坏的发展过程以及支架与围岩的相互作用，层状岩体如何分布。拱内岩层如何运动，拱的几何特征如何，后拱脚是否存在，并没有做任何分析。 悬臂梁假说：由德国施托克于1916年提出，后得到英国弗里德、前苏联格尔曼等人的支持。此假说可以解释周期来压与来压步距关系、顶板下沉与支架受力关系、以及工作面前方出现的支承压力及工作区出现的周期来压现象。但存在假设的弹性梁过于简化(弱面等)，未查明覆岩活动规律，计算顶板下沉量与支架荷载与实际相差甚远等问题。
铰接岩块假说：由前苏联库兹涅佐夫于1950．1954年提出。此假说对支架和围岩的相互作用做了较详细的分析。假说能正确地阐明工作面上覆岩层的分带情况，并初步及到岩层内部的力学关系及其可能形成的“结构”。但未能对岩块间的力学关系及平衡机理做进一步的探讨。
预成裂隙假说：由比利时学者A．拉巴斯于20世纪50年代初几乎与铰接岩块假说在同一时期提出，假塑性梁是此假说中的主要组成部分。但此假说对岩块之间的平衡以及支架受力关系没有明确介绍。
2．砌体梁传递岩梁假说及关键层理论
“砌体粱”假说：是由钱鸣高院士对采动岩体移动的特征、基于铰接岩块学说和预成裂隙梁假说的基础上而提出的，它主要研究了裂隙带岩层形成结构的可能性和结构的平衡条件，提出了上覆岩层开采后呈砌体梁式平衡的结构力学模型。但是对顶板下沉量的估计、支架与围岩的相互作用关系没有深入的研究。
“传递岩梁”假说：是宋振骐院士在20世纪80年代提出．该假说基于老顶传递力的概念。但并没有对此结构的平衡条件做出推导与评论。
关键层理论：是钱鸣高院士领导的课题组根据多年对顶板岩层控制的研究与实践，提出了岩层控制中的关键层理论，将对上覆岩层活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层。 砌体梁与传递岩梁的相同点和不同点。
相同点：考虑成层性，假定分组一致下沉；垮落步距采用梁假说；认为岩梁可以传递水平力。
不同点：对砌体梁来说，岩块的受力与平衡(推断)；给定荷载与给定变形工作状态；顶板压力估算应防止台阶下沉；对传递梁来说，梁的几何特征(双曲线关系，实测)；给定变形与限定变形工作状态；顶板压力取决于岩梁的位态(控制)。
发展趋势：
(1)精确化现有的采场矿压理论。上述介绍的理论都是从经验事实、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巷道压力的基本问题，每种假说都有其合理成分，都可以在一定的条件下解决实际问题。但是它们目前还只能够定性的来解释问题，不能定量，不够精确，在未来的发展中，这些理
论必然会逐步精确化。
(2)因地制宜，发展针对特定条件的矿压理论。煤矿地质条件千变万化．尤其是进入深井开采后，应该结合现有的巷道压力理论。予以改进、结合，以便能对安全生产起到指导作用。
(3)与弹塑性介质学说紧密结合。在今后的发展过程中，笔者认为松动罔理论为巷道压力理论提供了方向。注重研究巷道围岩松动罔的形成与范围，进而需要研究巷道围岩的弹性与塑性变形破坏计算的耦合。弹甥性介质学说是综合了弹性介质学说和理性介质学说的发展。它能够较为准确的概括巷道嗣岩支护的特点，因此应该大力发展。同时要与顶板矿山压力理论相结合。不能孤立的看待这个问题。
(4)与绿色开采方向相结合。未来的煤矿，将继续向深井发展，同时，国家也在大力提倡绿色开采，所以未来的采场矿山压力理论应该要向着如何应对新的深井条件和减少对环境的破坏的方向发展。