1、礦山壓力與圍巖控制學習心得一、對礦山壓力和圍巖控制的認識通過本科四年、研究生三年以及博士一學期的學習，我對礦山壓力和圍巖控制這門科學有了一些初步的認識與理解，現就我自己的學習和理解淺談一下對礦山壓力與圍巖控制的一些相關認識和學習心得。地下巖體在受到煤礦開采影響以前，由于巖層自重的作用在其內部引起的應力，通常稱為原巖應力，由于開采前的巖體是處于靜止狀態的，所以原巖體是一個處于應力平衡狀態的整體，當進行開掘巷道或進行回采工作時，采動影響破壞了原來巖體所處的應力平衡狀態，造成巖體內部應力的重新分布，當重新分布的應力超過煤巖體的極限強度時，就會使巷道和回采工作面周圍的煤、巖體發生破壞情況，這種情況將持

2、續到煤、巖體內部的應力狀態重新達到新的應力平衡為止。此時，巷道和回采工作面周圍的煤、巖體內就會形成一個與原巖應力場顯然不同的新的應力場。這種由于在地下進行采掘活動而在井巷，硐室及回采工作面周圍煤、巖體中和支護物上所引起的力，就叫礦山壓力，簡稱礦壓，也叫地壓。圍巖控制是為了使礦山壓力的顯現能夠不影響正常的開采工作，以及保證生產的安全進行所采取的各種技術措施，加以控制圍巖的移動變形。包括巷道布置、工作面形式、對巷道及采煤工作面空間所采取的支護方式、對軟弱的煤巖體進行的加固工藝，采用各種有效的方法使巷道或采煤工作面得到卸壓。而對于采空區，可以進行采空區充填的方式，或者用人工強制房頂等方法使采空區頂板

3、按照預期方案進行冒落的方式，防止采空區大面積懸頂等等一系列的控制技術和方法就稱為巖層控制技術。礦山壓力與圍巖控制這門科學對于煤礦的實際生產具有非常重要的實際意義，它指導礦山的建設，安全生產等等個方面工作的進行，是采礦行業的基礎學科之一，同時作為作為采礦行業的基礎理論學科，由于其對采礦行業的重要性，得到了廣泛的研究學習，推動了采礦學科的科學健康發展，創造了顯著的經濟效益和社會效益。礦山壓力理論建立和發展的基礎建立在幾種礦山壓力假說的基礎上，礦山壓力假說是采礦科學發展的重要形式，是弄清礦山壓力及其顯現規律的有效途徑。假說的建立包括以下步驟：1、觀察和收集實際資料；2、分析整理所積累的資料，提出假設

4、的基本觀點；3、建立分析模型，進行數學力學分析推演，一方面為確定假說中各個基本參數間的關系，另一方面為礦山生產提供指導；4、通過一定方式對建立的假說進行檢驗。現代礦壓理論的建立是在前人對于礦壓的各種假說的基礎上進行發展和完善所得出來的。礦壓理論的建立，起初是以經驗為基礎，較多地偏重于礦山壓力顯現方面的描述，由于測試手段不完善，所以假說具有片面性和局限性。現有的礦山壓力假說主要有以下幾種：1.壓力拱假說；2.雙支梁假說；3.懸臂梁（懸板）假說；4.預成（生）裂隙假說；5.鉸接巖塊假說；6.臺階下沉假說；7.松散介質假說；8.楔形假說；9.砌體梁假說；10.傳遞巖梁假說；11.彈性基礎梁假說；12

5、.板結構假說。壓力拱假說：壓力拱假說，也稱自然平衡拱假說，是最早的礦山壓力假說，在歐洲國家現在仍有很多的學者擁護此假說。壓力拱假說認為：開掘在任何巖層中的巷道，由于重力作用，頂板巖層發生破壞變形，形成一穩定的卸載拱。拱承受拱面以上全部巖石的重量，并將全部載荷經壓力拱的拱腳傳遞到巷道兩幫巖石而引起巷道兩幫鼓出以及底板隆起等圍巖變形，巷道支架所承受的載荷是拱面以下已經破碎的有限斷面內的巖石總重量。底板中也存在著和頂板類似的壓力拱。壓力拱的主要內容包括：1.在工作面及其附近的頂板中存在著壓力拱。2.通常在工作面前方15m的距離內形成拱腳最大壓力帶，這樣在工作面附近壓力逐漸減小。同時，在采空區中，充填

6、體或冒落的矸石開始壓縮的15m內形成另一拱腳的最大壓力區，在這兩個最大壓力區的拱中心形成駝峰狀的壓力分布，兩側高中間低。3.在壓力拱內為卸載區，卸載區也同時能在底板中形成。4.利用全部垮落法管理頂板時，壓力拱陡峭且比較高；用充填法時則拱平緩且拱高小。5.拱的高度和寬度僅取決于煤層厚度(采高)、頂板管理方法和頂板巖石性質。6.壓力拱是非對稱性的，并且沿工作面的長度方向沒有表現。壓力拱假說比較簡明地闡述了采場圍巖卸載的原因，探討了圍巖平衡狀態及其范圍，對回采工作面前后支承壓力的形成及回采工作空間處于卸壓區做出了一些解釋。壓力拱假說認為：支架壓力源于拱內巖石的重量，與支架特性及采深無關，這顯然與實際

7、情況不符。對堅硬的層狀巖石，無論在巷道還是在采場，都不 可能形成拱，這對壓力拱假說是不適合的。壓力拱在巷道中并不是唯一的表現形式，支架壓力取決于一系列的礦山地質條件及技術條件，其中起主要作用的是巷道圍巖性質，支架特性及結構形式。在回采工作面，由于煤層頂底板巖性不同，頂板管理方法，支架形式及特性以及回采工藝的差異，可能形成不同的復雜的力學結構。這遠非壓力拱理論所能概括與闡明的。梁的假說：梁的假說是近代礦壓假說的顯著特點。由于對梁的屬性認識不同，有雙支梁假說、懸臂梁假說、砌體梁假說、傳遞巖梁假說及彈性基礎梁模型等。1、雙支梁假說。雙支梁假說認為在老頂垮落之前，老頂彎曲下沉量很小，可忽略。當直接頂垮

8、落高度不充分時，老頂處于懸露狀態，由于回采工作面沿傾斜方向長度遠大于沿走向的懸露跨度，可將老頂巖層視為一端由工作面煤壁，另一端由區段邊界煤柱支撐的“梁”，即所謂雙支梁假說。按梁兩端的支撐條件不同，又可分為簡支梁和固定梁。2、懸臂梁假說。懸臂梁假說認為：地下巖體是一種層狀的連續彈性介質， 未采動的巖體所受的力主要是垂直應力。在煤層開采后，采空區上方懸露的頂板在初次垮落后，可以看成是一端懸伸而另一端固定在工作面前方煤體上面的懸臂梁。如果頂板為很多巖層組成，則形成彼此相互作用的組合懸臂梁，這種巖梁在采場上下兩端的煤柱處也被固定著，因而形成了三面被固定的懸板，即所謂的懸板假說。由于采場上下兩端的鑲嵌作

9、用在工作面較長時，對頂板活動所起的作用是很小的，因此，多視頂板為梁。巖梁在自重和上覆巖層的作用下，逐漸彎曲、下沉 以至于斷裂垮落。當頂板巖層堅硬時，懸伸在采空區上方的巖梁可能很長，這時就必須采取人為的措施加以控制，以防止巖梁可能沿煤臂切斷造成推掌子事故；若梁由于彎曲下沉時被冒落的矸石或充填體支撐時，也可能僅產生彎曲下沉而不產生折斷；當巖梁的懸伸長度達到極限值時，將發生有規律的周期性折斷，此時將出現明顯的周期性來壓。3、砌體梁假說。砌體梁假說是中國礦業大學錢鳴高教授在鉸接巖塊假說的基礎上，根據相似模型實驗和現場實測，運用結構力學的方法得到了采場上覆巖層的平衡和失穩條件，從而提出了“砌體梁”假說。

10、砌體梁假說認為：在老頂巖梁達到斷裂步距之后，隨著工作面的繼續推進，巖梁將會折斷，但斷裂后的巖塊由于排列整齊，在相互回轉時能形成擠壓，由于巖塊間的水平力以及相互間形成的摩擦力的作用，在一定條件下能夠形成外表似梁實則為半拱的結構。這種平衡結構形如砌體，故稱之為砌體梁。經過采動，上覆巖層中的堅硬巖層都已斷裂，根據巖層移動特點，可將上覆巖層按堅硬巖層分成若干個巖層組，而每一個巖層組的底板則為堅硬巖層。采場上覆巖層可沿走向分為三個區：煤壁支撐影響區；離層區或支架影響區；重新壓實區。該假說在前人研究成果及現場實測的基礎上，對開采層采場上覆巖層進行了分析認為：1.在劃分的巖層組中，每組中的軟巖層或斷裂的巖層

11、可視為堅硬巖層上的載荷，或者傳遞垂直力的媒介。2.由于開采的影響，堅硬巖層已經斷裂成為排列較整齊的巖塊。由于離層，在離層區域內，上下巖層組之間沒有垂直力的傳遞。在水平方向由于有水平推力，形成了鉸接關系。鉸接點的位置取決于巖層移動曲線的形狀，若曲線下凹，則鉸接點位于斷裂面的下部，反之則在上部，離層區視為無支撐區。 3.由于層間不能阻擋水平錯動，因而視軟巖層或碎裂巖為支承鏈桿，即只能傳遞垂直力，不能阻止水平力。4.當巖塊恢復到水平位置時，破碎巖塊間的剪切力為零，故以后的巖塊可以用一水平直桿代之。5.最上巖層組的堅硬巖層，由于其上只是軟巖層及沖積層，因此可視為均布載荷作用于最上組的堅硬巖層上，而下面

12、的巖層組則不然。6.最上的堅硬巖層，隨著回采工作面的推進，由于載荷條件一致，因而該巖層斷裂后各巖塊可視為等長，但下面各組巖層由于相互作用，破碎后的長度未必相等。4、傳遞巖梁假說。傳遞巖梁假說于1978年由山東科技大學宋振騏教授根據現場實測資料提出的。該假說首先與眾不同地建立了直接頂與老頂兩個基本概念。 直接頂：在采空區已經冒落的巖層總和，由于它們不能長久地保持向煤壁前方傳遞力的聯系，因此其作用力必須由支架全部承擔；老頂：由鄰近采場的一部分傳遞巖梁組成，該部分巖梁的運動對采場礦壓顯現有明顯的影響。老頂巖梁的結構 采用了“傳遞巖梁” 的概念，它包括下列含義：（1）該巖梁是由同時運動（或近似于同時運

13、動），且對礦壓顯現同時有明顯影響的巖層組合而成。（2）該巖梁在采場推進過程中，無論是在相對穩定階段，還是進入顯著運動的階段，都能在工作面推進方向上始終保持傳遞力的聯系，從而能將其作用力傳遞至煤壁前方和采空區已冒落的矸石之上。由于采場不斷推進，采場礦山壓力及其顯現總是在不 斷發展變化之中。因此，宋振騏教授建議研究的重點不僅是某一時刻瞬間值的大小，而是礦壓的發展變化規律及其與上覆巖層運動的關系。解決了這個問題， 則能通過礦壓顯現推測上覆巖層的運動，預測采場來壓的時刻和強度，解決開采設計，生產管理等問題。5、彈性基礎梁模型。當老頂或直接頂為未斷開的巖層時，巖層可視為處于彈性基礎（煤層和垮落矸石）上的

14、連續梁，稱為無限長彈性基礎梁。彈性基礎梁模型引用了地基中的理論，對未斷開的采場上覆巖層進行了分析。但由于所做的假說缺乏事實根據，因此模型的屬性，應用范圍等尚需由實踐進一步檢驗和修正。除前述拱形假說及各種梁的假說外，尚有其它的礦壓假說。包括預成裂隙假說、臺階下沉假說、松散介質假說、關鍵層理論、鉸接巖塊假說、楔形假說及有關板的假說。1、預成裂隙假說。預成裂隙假說認為煤系地層為層狀沉積巖，由于地質構造而形成各種層理、節理、裂隙及斷層等破壞了巖體的連續性，因而屬于非粘結性的不連續體，因此巖體雖然由脆性及剛性巖塊組成，但它卻象塑性體那樣產生很大的變形，稱之為“假塑性”體。這種特性在采空區中表現得更為明顯

15、，巖層移動導致圍巖變形，巖層壓力則引起支架受壓。由于采掘工作的不斷進行，在采空區周圍巖體中形成破壞區。此假說認為采場上覆巖層實質上是一種被擠緊的“預應力梁”，它在自重及上部載荷作用下發生顯著的假塑性彎曲，使原來被擠壓緊的裂隙張開，并且使各巖塊間產生相對錯動，促使頂板下沉乃至垮落。裂隙發展的巖層的彎曲變形比裂隙小的剛性（堅硬）巖層要大，因此會產生離層。此外，這些巖層從很大的載荷作用下解脫出來，存在著體積膨脹，對支架引起了附加載荷。預成裂隙假說視巖體為層狀非連續體，特別提出“假塑性”變形特征是具有獨創性的，因此闡明了采場周圍巖體內應力分布、變形及破壞等，具有一定的實際意義，比懸臂梁假說和壓力拱假說

16、都具有進一步的發展。但預成裂隙假說并不能概括采場中的所有情況，如完整堅硬巖石往往不能形成預成裂隙梁，而極其破碎的軟弱巖層又因過于破碎以至使頂板中難以形成假塑性彎曲的巖梁。2、鉸接巖塊假說。鉸接巖塊假說是前蘇聯學者庫茲涅佐夫據相似材料模擬實驗和現場實測結果，在懸臂梁假說基礎上提出的。庫茲涅佐夫認為不能用連續介質力學的方法解決礦壓問題。當工作面從開切眼開始推進，采空區擴大但尚未引起破壞時，逐漸增大的工作空間的支柱壓力主要取決于巖層構成及頂板管理方法。當老頂垮落后，不僅頂板整個巖層的組成起重要作用，而且特別是各種軟巖和硬巖的互層順序起重大的作用。在頂板垮落后，按巖石的變形特征及破碎特點可將工作面上部

17、巖層分兩個帶，即直接靠近采空區的不規則垮落帶及上面的規則移動帶。不規則垮落帶的巖層由于受到各種裂隙的切割而成許多單個巖塊，自由地垮落到采空區中，彼此間無多大的力學關系。由于采空區冒落矸石破碎體積膨脹，使位于不規則垮落帶上部的巖層自由空間縮小，形成規則的垮落或下沉。同時每層內的巖塊之間互相擠壓，構成多環節的鉸鏈系統。鉸接巖塊假說對圍巖移動特別是采空區直接頂垮落的分析，有助于進一步闡明直接頂與老頂間的相互作用，對支架與圍巖間的相互作用的力學分析比較切合實際，已初步涉及到支架作用的實質；對近代礦山壓力理論有一定的指導作用。但該假說僅考慮了采場頂板的局部活動，而對巖體中應力重新分布以及對采場的影響等卻

18、未加考慮；同時關于巖層鉸接關系活動的假說過于理想化了，在計算過程中所做的某些省略或假定并不合理。如在考慮頂板與煤層 的相互作用時，假定直接頂不起實質性作用，工作面支架的作用不計等。3、有關板的假說。老頂的斷裂問題以往都是用梁的理論解決的。但事實上， 由于邊界支承條件不一致，以及工作面長度和來壓步距的關系，老頂的來壓特征已遠非梁理論所能解決，這就有必要引入板的理論，即將采場上覆巖層視為板狀的結構。在我國，板結構首先是由太原理工大學賈喜榮教授提出來的。他建議把堅硬的頂板視為彈性薄層，根據小撓度理論，用Ritz法對各種不同支承邊界條件下的薄板進行求解，分析了在工作面初次放頂，初采工作面與孤島工作面，

19、一側 鄰近采區工作面，無煤柱工作面等四類條件下堅硬頂板的下沉規律，應力分布規律以及斷裂規律。中國礦業大學錢鳴高教授和朱德仁博士也對采場頂板的板結構進行了研究，得到了一些重要結果。實際老頂巖層是一塊處于四周不同支承條件下的板，根據四周的開采情況，板的支承條件也不同，即：1.四周固定支承的板見；2.三邊固支，一邊簡支的板；3.兩邊固支，兩邊簡支的板；4.三邊簡支，一邊固支，即孤島條件下的板。只有在來壓步距遠小與工作面長度的情況下，僅工作面中部有可能利用平面應變問題簡化為梁加以處理，而且它所反映的問題根本不能代表工作面兩端。而當來壓步距接近工作面長度時，即使是工作面中部也不應視為平面應變的梁了。因此

20、，用板代替更為合理。應用上述有關板的理論可以解釋一些用梁的理論所不能解釋的礦壓現象，如工作面端頭處頂板常常破壞不易維護；堅硬頂板懸露見方時最易采壓（即堅硬頂板工作面長度與老頂斷裂步距相近）；老頂斷裂位置、步距的確定等問題。無疑比梁有更廣的應用前景。顯而易見，將頂板巖層視為板結構是更全面合理的，尤 其對堅硬頂板更符合實際。但板結構的研究還處于初級階段，在應用板理論解決礦壓問題時，不僅要弄清楚板的支承條件，上覆巖層的載荷條件，而且應選擇更符合實際頂板結構的板（不限于彈性薄板）。可以預見，隨著固體力學板殼理論的不斷發展和完善，各種數值計算方法的廣泛應用，用板理論解決堅硬頂板的礦壓問題顯然有廣泛的前景

21、。今后還應進一步研究老頂巖板的斷裂機理，斷裂后的板如何運動以及板的平衡與失穩對回采工作面礦壓顯現的影響。為合理選擇支護參數，安全生產提供更科學的理論依據。4、關鍵層理論。關鍵層理論認為：在直接頂上方存在厚度不等、強度不同的多層巖層，其中一層至數層在采場上覆巖層活動中起主要的控制作用。將對采場上覆巖層局部或直至地表的全部巖層活動起控制作用的巖層稱為關鍵層。前者稱為亞關鍵層，后者稱為主關鍵層。為了弄清巖層移動由下往上傳遞的動態過程，巖層移動過程中形成的采場礦壓顯現、煤巖體中水與瓦斯的流動和地表沉陷等狀態的變化，關鍵在于弄清關鍵層的變形破斷及其運動規律。關鍵層理論的提出實現了礦山壓力、巖層移動與地表

22、沉陷、采動煤巖體中水與瓦斯流動研究的有機統一，為更全面、深入地解釋采動巖體活動規律和采動損害顯現奠定了基礎，為煤礦綠色開采技術研究提供了新的理論平臺。前面所介紹的一些主要的礦壓假說都是從經驗事實、現場實測以及數學力學的一般原理出發，在假定巖體基本屬性的前提下，采用某些分析手段來闡述采場礦壓的基本問題，每種假說都有其合理成分，有些觀點是基本普遍公認可以肯定的，如：1.采場支架所受載荷僅是上覆巖層的重量中的一小部分。根據支架與圍巖的作用關系，支架可能處于給定載 荷或給定變形工作狀態； 2.煤層（礦體）開采后，在采場周圍的巖（煤）體中將產生應力重新分布、變形乃至破壞，應力重新分布的結果是在鄰近采場的

23、巖體內形成卸壓區，而在工作面前后方及兩側煤體（或冒落矸石、充填物）上形成應力升高區，遠離采場則為未受采動影響的原巖應力區； 3.盡管對開采層上覆巖層的認識千差萬別，但有一點是共同的，那就是都承認在采場上方巖層中存在某種力的結構（拱、梁，板等），這種結構承擔著上覆巖層的重量，使工作面支架僅承受少部分上覆巖層的重量，并且這種結構的平衡與失穩會給采場帶來嚴重影響。但各種假說對一些基本問題存在很大的分歧， 主要表現為：1.對于巖體尤其是采場附近巖體的基本屬性問題；2.所采用的力學觀點和方法方面；3.支架對圍巖應力分布、變形破壞所起的作用問題。 總之，礦山壓力假說是礦山壓力理論發展的重要途徑。隨著科學技

24、術的進步，各種研究手段的完善，人們將能夠弄清礦山壓力這個復雜的自然現象，從而使礦壓假說不斷地完善和發展，形成完整的科學理論。從自身的學習角度來討論關于礦山壓力的假說，我認為針對不同的問題需要進行不同角度進行力學分析，可以選取適用于所研究問題的相關假說，也可在前人的理論基礎上提出自己的力學模型，分析所需解決的問題。研究生期間我對條帶充填的礦壓顯現規律進行了初步的研究探討，我認為針對充填開采方法來說，壓力拱假說和梁的相關假說對于解決充填開采中遇到的礦壓問題并不適用，而板的理論在此情況下就顯得更為合理。針對充填的情況，我采用了太原理工大學賈喜榮教授提出的彈性薄板理論建立了力學模型，分析了充填開采情況

25、下的礦壓顯現規律和頂板控制情況。但是在研究過程中也遇到了一些力學問題無法解決，因此對模型中的一些條件做了簡化處理，或者忽視次要問題，解決主要問題，大致的得出了我認為比較適用于充填開采方法的力學計算模型。同時在我的學習過程中，我認識到對于礦壓理論的研究方法至關重要，下面我針對自己的學習討論一下礦山壓力與圍巖控制的研究與學習方法。二、礦山壓力與圍巖控制研究方法對于礦壓的學習和研究，從自身的經驗來說，需要根據現場需要解決的問題，首先建立數學模型，進行理論分析，進而對建立的力學模型進行實驗驗證，驗證方法包括數值模擬技術和實驗室模擬方法，對于模擬的結果與理論計算的結果進行比較驗證，修正并完善數學模型，以

26、實驗室研究的成果指導現場施工，最后根據現場的施工反饋的實測數據驗證理論計算的結果，對理論研究進行進一步的完善，最后得出研究的成果。下面就礦山壓力與圍巖控制的研究方法根據自身的學習經驗和認識進行簡單的介紹。1、數學力學分析方法：數學力學分析方法是針對所需解決的力學問題，對數學方程作簡化和數值離散化，編制程序作數值計算，將計算結果與實驗結果比較。將天然巖體進行簡化處理，可以假定如下條件：均質彈性體、塑性體、彈塑粘性體、松散體、塊狀結構體等，然后采用相關的力學理論及有限元、邊界元等解析方法，并借助于計算機進行分析計算。常用的方法有：有限差分法、有限元法、有限體積法、邊界元法等。大型工程計算軟件已成為研究工程問題的有力武器。常用的采礦方向的數值模擬軟件包括FLCK3D，ANSYS，ADINA，UDEC等等。數值方法的優