矿井支护与设计 考试科技大.doc

一、 名词解释（3*7）1：采动、在煤或岩层中开掘巷道和进行回采工作称为对煤或岩层的采动2:采动空间：采动后，在煤或岩层中形成的空间称为采动空间3：围岩：采动空间周围岩体包括顶板，底板及两帮岩层。4：矿山压力：采动后作用于岩层边界上或存在于岩层之中的这种促使围岩向已采空间的运动的力，即促使围岩运动的力。5矿山压力显现：采动后，在矿山压力作用下通过围岩运动与支架受力等形式所表现出来的矿山压力现象，统称为矿山压力显现6：传递岩梁：把每一组同时运动或近乎同时运动的岩层看做一个运动的整体，称为传递力的岩梁，简称为传递岩梁7：直接顶：是指在采空区内已经垮落，在回采工作面内由支架暂时支撑的悬梁臂，其结构特点是在回采工作面推进方向上不能始终保持水平力的传递。 基本顶：运动时对回采工作面矿压显现有明显影响的传递岩梁的总和，在初次来压后，是一组在推进方向上能始终传递水平力的不等高裂隙梁。8初次来压：回采工作面各岩层初次运动在回采工作面的压力显现、9周期性运动阶段：从岩层初次运动结束到工作面采完，顶板岩层按一定周期有规律的断裂运动称为周期性运动阶段。10：回采工作面周期来压：岩层周期性运动在回采工作面的矿压显现称为回采工作面周期来压11：支承压力：煤层采出后，在围岩应力重新分布的范围内，作用在煤层、岩层和矸石上的垂直压力称为支撑压力12控顶距：从煤壁到最后一排支柱的距离叫回采工作面的控顶距，随支柱和回柱工序的进行，控顶距随之发生变化。13冲击地压：冲击地压现象是矿山压力显现的特殊形式。矿山采动（采掘工作面）诱发高强度的煤岩变形能瞬间释放，在相应的采动空间引起强烈围岩震动和挤出的现象。二、 简答题6*8 论述题2个1采动岩体中的关键层特征 （1）几何特征：相对于其他相同岩层而言厚度较大 （2）岩性特征:相对于其他岩层而言较为坚硬，即弹性模量较大、强度较高。 （3）变形特征：在关键层下沉变形时，其上部全部或局部岩层的下沉量是同步协调的 （4）破断特征：关键层的破断将导致全部或局部上部岩层的破断，从而引起较大范围岩层移动（5）支撑特征：关键层破坏前以板结构的形式作为全部岩层或局部岩层的承载主体，断裂后则成为砌体梁结构，继续作为承载主体。2以岩层运动为中心的矿山压力和岩层控制理论核心（仅每段第一句） （1）强调矿山压力及矿山压力显现两个基本概念间的差别和联系。 （2)和其他工程不同，煤矿的回采工作面始终处在不断推进和发展的过程中。 （3）影响回采工作面矿山压力显现的岩层范围是有限的。 （4）研究基本顶来压时刻的支架-围岩关系，包括支架对直接顶的控制方式和对基本顶岩梁的控制方式等两个部分。3矿山压力的来源 采动前，原始岩层中已经存在的应力，是矿山压力产生的根源。采动前的原始应力场的特征，包括原岩中各点主应力的大小、方向及垂直应力与水平应力间的比值等，决定了采动后围岩应力重新分布的规律。 采动前原岩中各点的应力，就其来源主要由以下三个方面 1.覆盖岩层的重力。2构造运动的作用力。3岩体膨胀的作用力。包括岩体因温度升高或遇水膨胀而产生的力等。4矿山压力显现的相对性 矿山压力显现是矿山压力作用下围岩运动的结果。由于围岩运动是由其受力大小、边界约束条件。自身强度极限等因素决定。而且，围岩运动过程中引起支架承受载荷的变化，不仅取决于围岩运动的发展情况，还与支架对围岩运动的抵抗程度密切相关。由此可见，矿山压力显现是相对的。（包括巷道围岩运动的相对性和支架受力的相对性）5矿山压力与矿山压力显现间的辩证关系 研究与实践充分证明，矿山压力的存在是客观的、绝对的，它存在于采动空间的周围岩体中。但矿山压力显现则是相对的、有条件的，它是矿山压力作用的结果。然而，围岩中有矿山压力存在却不一定有明显的显现。因为围岩的明显运动本身就是有条件的，只有当应力达到其强度后才会发生。支架受力也是如此，它不仅取决于围岩的明显运动，而且还取决于支架对围岩运动的抵抗程度。6上覆岩层运动的形式。 有弯拉破坏和剪切破坏弯拉破坏的发展过程：随着回采工作面推进，上覆岩层悬露，在其重力作用下弯曲，岩层悬露达到一定跨度弯曲沉降发展至一定限度后，在伸入煤壁的端部开裂，中部开裂形成假塑性岩梁，当其沉降值超过假塑性岩梁允许沉降值时，悬露岩层自行垮落。剪（切）断破坏的运动形式：岩层悬露后产生很小的弯曲变形，悬露岩层端部开裂-在岩层中部未开裂或开裂很少的情况下，突发性整体切断垮落。悬露岩层剪断的充分必要条件：当回采工作面推进至岩梁端部开裂位置附近，剩余剪切断面上的剪应力超过限度，虽其中部还未开裂，只要岩层下部有少量的运动空间，岩层即被剪断。7岩层破坏形式的转化 岩层破坏的弯拉破坏和剪切破坏两种形式是随地质条件和采动条件的变化而相互转化的 （1 当工作面推至端部开裂位置附近，提高推进速度可能会使原来呈弯拉破坏运动的岩层转变为剪切破坏的运动形式 （2.强制放顶改变坚硬岩层的厚度，可以排除整体切断垮落的威胁，从而使破坏形式转化为弯拉破坏形式。 （3改变开采程序 （4在推进方向遇到岩层，后弯拉破坏的岩层可能向整体切断的运动形式转化，。这是因为断层破坏了岩层的延续性。当工作面推进到断层部位，岩层悬露尚未达到中部断裂所必须的跨度，可能会出现整体切断的危险。8岩层纵向运动发展规律归纳 （1 随回采工作面推进，岩层悬露达到一定跨度弯曲沉降到一定值后，强度低的软弱夹层或接触面在轴向剪应力作用下破坏，发生离层，并为下部岩层的自由沉降和运动向上部岩层发展创造了条件。 （2 岩层的纵向运动总趋势大体上是由下而上逐步发展的。 (3 离层后上下岩层的运动组合情况由岩层的强度（包括岩性、厚度、裂隙等）差别决定。上部岩层强度较下部岩层高，下部岩层先于上部岩层运动，上部岩层运动滞后的时间越长。相反，强度低的上部岩层将随高强度的下部岩层同时运动。 （4岩层的厚度m较之岩性E对岩层的离层和运动组合的影响重要得多。9直接顶和基本顶两部分岩梁转化 对同一回采工作面，当地质条件或采动条件等发生变化，或改变采空区顶板的处理方法时，直接定和基本定之间有可能相互转换。原属于直接顶的岩层可能变为基本顶，同样原属于基本定的岩层也可以转化为直接顶。 （1 地质条件的变化，主要是岩层厚度和断层等构造的影响 （2 采动条件的变化。主要是采高和推进速度的变化 （3改变采空区顶板处理方法（4改变开采程序10、回采工作面推进过程中前方支承压力分布与上覆岩层运动件的关系 从回采工作面推进开始至基本顶各岩梁初次来压结束 期间的支撑压力分布可分为三个阶段：1、从回采工作面推进开始至煤壁支撑能力改变（即煤壁附近媒体进入塑性状态）之前2、从煤壁支撑能力开始改变起，到基本顶岩梁端部断裂前为止。3、从基本顶岩梁端部断裂起至岩梁中部触矸止。11、 工作面两侧支承压力分布与上覆岩层运动件的关系随回采工作面推进，两侧支撑压力分布将经历三个阶段1、上下两侧煤壁边缘处于弹性状态2、煤壁边缘破坏部分进入塑性状态3、岩层将深入煤壁内部断裂，支撑压力显现分为内外两个应力场，两个方向支撑压力分布随围岩的破坏和运动有明显的变化，随着围岩沉降，内应力场压力值向煤壁前方收缩，外应力场压力峰值随着内应力场中煤层的再破坏和水平约束力降低而向深部扩展，直至岩层触矸，压力进入相对稳定的状态为止。此阶段的主要特点是压力分布随基本顶运动发展变化而变化。12、 回采工作面支撑压力的分布和矿山压力的显现间的关系 从回采工作面推进开始至基本顶各岩梁初次来压结束期间，支撑压力分布和矿山压力显现的变化分为三个阶段1、从回采工作面推进开始至煤壁支撑能力改变（即煤壁附近媒体进入塑性状态）之前2、从煤壁支撑能力开始改变起，到基本顶岩梁开始断裂为止。3、从基本顶岩梁端部断裂起至岩梁中部触矸为止。13、 周期性来压分为几个过程基本顶初次垮落后，工作面暂时免除了基本顶下沉的影响，支架受力减轻，基本顶由双支板梁变为悬臂梁。上覆岩层的重量主要由基本老顶悬臂梁直接传给煤壁，部分由垮落的矸石承担。1) 当工作面推进到一定的距离，基本顶悬臂在自重和上覆岩层的作用下，又会产生断裂垮落，这时同样会给工作面带来增压现象。当工作面再继续推进，这部分垮落的基本顶被甩入采空区，工作面又处于基本顶悬梁掩护之下，恢复到前述的状态。继工作面的推进，基本顶的垮落与工作面增压现象重复出现。这种垮落与来压随工作面推进而周期性的出现，称为基本顶周期垮落和周期来压。两次周期来压之间的距离称为周期垮落（来压）步距。周期垮落步距同样与基本顶岩性有关，一般为6m30m，多数为10m15m。 由于周期来压前，基本顶呈悬梁状态，而初次来压前，基本顶呈双支板梁状态。因此，在工作面内，周期来压步距小于初次来压步距，它们的关系大致为：                            L2=（1/21/4）L1 2)  周期来压特点与初次来压类似。 14、 工作面支架对基本顶有哪几种工作方案？各种方案的工作特点？ 基本顶岩梁断裂后，给支架的作用力，由支架对岩梁运动的抵抗程度（或对岩梁位态控制的要求）决定。因此，岩梁运动结束时支架可在给定变形和限定变形两种状态下工作。给定变形工作方案：回采工作面支架对基本顶岩梁的运动处于给定变形工作状态时，岩梁运动稳定时的位置状态由岩梁的强度及两端支撑强度决定。在岩梁由端部断裂到沉降至最位态的整个运动过程中，支架只能在一定的范围内降低岩梁运动速度，但不能对岩梁的运动起到阻止作用。在给定变形工作状态下，岩梁运动全过程中支架作用力与顶板压力之间的关系为Qi>Ri 或 Qi>Pi×Lk 其中： Ri沿倾斜每米支架阻力； Qi沿倾斜每米顶板给支架的作用力；Pi采场支架平均阻力Lk控顶距。限定变形工作方案：指采场支架对岩梁运动进行必要的限制。（即在支架作用下，岩梁不能沉降至最低状态，运动结束时采场顶板下沉量由支架阻力决定。此状态下，采场支架的阻力由岩梁的位置状态（位态）决定，而与支架自身的力学特性无关，且要求控制的岩梁位态愈高（即顶板下沉量愈小），需要的支架阻力越大。PT=f（h）15、 支围关系图15支架的工作特性初撑力：支架支设时，将活柱升起拖住顶梁，利用升柱工具和锁紧装置使支柱对顶板产生一个主动初撑力。这个最初形成的主动初撑力成为支柱的初撑力对于液压支柱即是泵压所形成的支柱对顶板的撑力。始动力:在顶板压力作用下，活柱开始下缩的瞬间，支柱上所反映的始动阻力。这种力是顶板压缩支柱形成的，因此也成为支柱的阻力。初工作阻力：指在支架的性能曲线中，活柱下缩时工作阻力的增长率有急剧增长转为缓慢增长的转折点处的工作阻力。最大工作阻力：支柱所能承受的最大负载能力，又称为额定工作阻力16、 支护强度计算式岩梁厚度mE，初次来压步距C，E重力密度，Kt岩重分配系数，受直接顶厚度和采高之比N的控制直接顶作用力A计算当悬顶距Ls<2m时，A=当Ls2m时，A=17、 支护强度计算可按以下几种情况进行p=A+类拱结构给定结构限定变形 多岩梁结构18、 支架对直接顶的工作状态-给定载荷方案-A=mzzfz （A直接顶给支架的作用力fz直接顶悬顶系数mz直接顶的厚度）位态方程PT控制顶板下沉量在hi时顶板给支架的作用力。A与岩梁位态无关的常数，即直接顶的作用力。控顶末排最大下沉量要控制的顶板下沉量K位态常数，由岩梁参数和控顶距决定。已知岩梁运动参数mE、C等条件下。此表达式称为极限位态方程式，KA称为极限位态常数。表达了岩梁处于最低位态时（或接近最低位态时）给支架的作用力。KT-支架承担岩梁重量的比例系数（或称老顶岩梁作用力传递系数,KT2。10、 综采支架特点及适用条件支撑式：指在结构上没有掩护梁，对顶板的作用是以支撑为主的支架称为支撑式支架。支撑式支架通风断面大、切顶能力好，行人方便、结构简单，在高瓦斯矿井中使用具有较大的优越性。适用于中等稳定以上的顶板条件掩护式：指在结构上有掩护梁，单排立柱连接掩护梁或直接支撑顶梁对顶板起支撑作用的支架。但这种支架顶梁较短掩护梁较长，防矸性好，支撑能力小，工作空间小，因而通风断面小，行人也不方便。适用于顶板破碎或中等稳定一下的顶板条件。支撑掩护式：指具有双排或多排立柱及掩护梁结构的支架，支柱大部或全部通过顶梁对顶板起支撑作用，可能有部分支柱是通过掩护梁对顶板起作用。其顶梁长度一般均较掩护式支架长，增加了支撑力，缩短了掩护梁长度，加大掩护梁的坡度，改善支架底座与底板受力情况，可见支撑掩护式支架支撑能力较强，对顶板的适应性较强。导致控顶距增大，价格较高，重量较大，支架结构较复杂等缺陷。10 放顶煤采煤法按工作面布置方式：根据煤层及围岩的赋存条件（厚度及物理力学性质)，放顶煤采煤法可分一下四中1整层放顶煤采煤法2预采顶分层采煤法3预采中间分层放顶煤采煤法4水平分段放顶煤采煤法按支护方式的放顶煤技术分类；1综采放顶煤2轻型综采放顶煤3悬移支架放顶煤11、 放顶煤回采工作面的顶板结构形式特点和对应的煤-煤结构：再顶煤较厚、煤层结构复杂的情况下，很可能出现支架上方未冒顶煤与采空区以冒顶煤之间的拱式平衡结构，且这个结构不易人为破坏，简称为煤煤结构。容易出现这种结构的回采工作面条件顶煤中存在较厚较硬的夹矸，大块夹矸形成煤煤结构的基底岩层。上部顶煤坚硬，成大块状垮落，或煤中含有粘土成分，成团块状垮落。在这种结构下，由于下部顶煤已在采空区放出，采空区内形成空洞，空洞上方是煤煤结构，尽管在采空区侧用矿灯能照到它，但又很难破坏它，因此在这类回采工作面，除特殊情况外最好不采用放顶煤开采。若采用放顶煤开采，应在开采前用软化（注水松动爆破）对顶没进行预处理。支架围岩关系：PT=(PT2+PT1)t+Pc式中：Pt支护设计时支架的合理支护强度。P状态系数，平时为0来压时1。T1，T2下位和上位顶煤厚度，t顶煤平均重力密度。Pc直接顶和基本顶间的接触应力。岩矸结构。岩矸结构是指未垮落岩层予以垮落矸石挤压而形成的半拱结构。这种结构最为常见。PT=Tt+mzz+Pc其中mz下位直接顶厚度岩梁结构：当煤层上存在大厚度坚硬岩层且直接顶厚度较小、顶煤教薄时，可能存在岩梁结构，且岩梁的断裂长度为周期来压步距。岩梁结构能否存在的近似判断依据M>H+T+Mz（1-KA）-C其中M坚硬岩层厚度。顶煤放出率对直接顶和基本顶的相互转换起控制作用，即顶煤放出率不同，回采工作面支架的载荷也不同。PT=Tt+mzz+Pc其中mz直接顶厚度。11巷道围岩变形的过程及组成沿空留巷的围岩变形 沿空留巷要经历顶板活动和支撑压力作用的全过程，在整个服务期间其围岩变形过程可分为7个阶段。1在煤体内开掘巷道后，破坏了原始应力状态，巷道围岩出现应力集中，在围岩塑性破坏发展过程中，巷道周边发生显著移近，随着掘进时间延长，围岩移动速度将逐渐降低。2掘巷引起的应力重新分布趋向稳定后，由于煤层一般具有流变性质，巷道围岩仍保持一定变形速度3在上区段工作面超前支承压力作用下，围岩塑性区进一步扩大，围岩变形增长较快4在工作面后方岩梁断裂前弯曲下沉及岩梁断裂后显著运动过程中，基本顶岩梁运动迫使巷道顶板快速下沉，将造成很大的下沉量。5在基本顶触矸后，随着采空区矸石压实，巷道围岩移近速度逐渐趋于稳定6回采引起的顶板活动和应力分布趋向稳定后，巷道围岩保持一定的流变速度7 受下区段工作面回采影响时，由于支承压力叠加使煤柱塑性区显著增大，引起巷道围岩变形。留巷在整个服务期间的围岩变形量单位mm为u=U0+U1+U2+U3+U4+U5U0因掘巷破坏了原始平衡状态所产生的变形量，主要与围岩稳定性和采深有关，占总变形量的比例很小U1超前支撑压力作用下的变形量，占总变形量的10%U2工作面后方岩梁弯曲沉降和显著运动过程的变形量，有直接顶厚度、采高和基本顶悬跨度决定，60%-70%，是沿空留巷变形的主要组成部分。u3基本顶显著运动后压实矸石过程中的巷道变形量，可以按碎涨系数1.35压实到1.05左右记，5%-8%u4巷道复用时工作面超前支撑压力作用下的巷道变形量，20%u5巷道存在期间围岩流动变形总和，他与围岩（特别是煤层）的流变特征和围岩应力大小及其变化状况有关。沿空送巷：基本顶触矸后在内应力场中送巷，巷道之受采空区矸石压缩和下区段工作面回采的影响，其变形量u=u0+u3+u4+u512影响巷道围岩变形量的因素，一；地质因素、1顶板条件、基本顶岩梁的运动情况对留巷的顶板下沉量影响很大，基本顶岩梁悬跨度越小，端部断裂线进入煤体内部的距离越大，则沿空留巷的下沉量也越大2地板条件，底板岩性对底鼓量的影响很大，特别是开采深度较大时这种影响更明显。底板岩性越差，底鼓量越大，底鼓量占顶底板移近量的比例最高能达到60%-70% 3开采深度。开采深度越大，支承压力也大，煤体塑性破坏范围就越大。它不仅导致煤帮鼓出，而且支承压力高峰和岩梁端部裂断位置将向煤体内部移动。二、开采因素、1巷道开掘的位置和时间、2支护组阻力的大小3采高3巷道宽度5巷道高度.22113冲击地压共有的显现特性：突发性，瞬时振动性及破坏性突出特点：多类型、复杂条件及随采深增加发展趋势严重。冲击地压发生的地点及其主要特征1冲击地压的发生与地质构造有密切关系，往往发生在褶皱、断层及煤层变异性突出的部位，主要受构造应力的控制。2发生冲击地压的煤层顶板往往具有坚硬的岩层，该岩层聚集高强度的变形能，是冲击地压发生的主要驱动能量3发生在超前巷道的冲击地压，以巷道两帮煤体抛出为主要特征，将巷道堵塞，甚至完全充实巷道空间4 发生在工作面的冲击地压，一般表现为大面积冲击现象，冲击形成的煤体运动和冲击波将支护体推倒、5有留有底煤的回采工作面，冲击地压发生时，以底鼓和煤岩压入回采工作面空间为主要显现特征冲击地压的分类：根据冲击地压的能量特征按照冲击时释放的地震能大小分为微冲击。弱。中等。强烈。灾害性。按参与冲击的煤岩体类型分为煤层冲击、岩层冲击根据冲击力源：重力型，构造性，中间型。按统计方法分类又分1按冲击地压的破坏后果一般冲击地压、破坏性冲击地压、冲击地压事故2按显现强度分级，根据地震仪或微震检测系统记录确定的冲击地压显现强度，按里氏地震计分为6级。