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1 主讲人：张国华 教授 电 话：0451-88036483 E-mail：zgh710828131@163.com
安全工程 矿井围岩控制 灾害防治 与 第24讲 矿井围岩控制方法 主讲人：张国华 教授 电 话：

2 一、采煤工作面和巷道矿压观测 观测工作面矿压显现的指标 控顶区围岩变形量和支架承载变形特征（三量）
“三量”观测方法是在二次世界大战后，苏联和东西欧的一些采煤国家广泛发展和应用的观测方法。 控顶区围岩破坏特征(统计观测) “统计观测”是联邦德国埃森岩石力学矿山支护研究所O.雅可毕博士在20世纪60年代创立的，并在欧共体采煤国得到广泛应用。

3 一、采煤工作面和巷道矿压观测 1、采煤工作面“三量”观测 1）“三量”及其测试方法 （1）顶底板移近量
该量是指煤炭采出后，同一测点随开采在控顶区范围顶底板移近值。 顶板移近量观测示意图 （a）量测方法 （b）ADL-2.5测杆 1-活柱；2-标尺；3-读数口；4-卡环； 5-弹簧；6-套管；7-固定螺钉 （2）支架载荷 支架载荷是指实测的支架所承受的载荷，包括实测的初撑力和当时支架载荷。

4 一、采煤工作面和巷道矿压观测 1）“三量”及其测试方法 （1）顶底板移近量
液压支架一般采用圆图压力自记仪观测，可实现24h连续自动记录支柱内压力；单体液压支柱除可采用圆图压力自记仪观测外，也可采用各类测压压力表，由观测工人按照规定的时间读表。 圆图压力自记仪 1-调零螺钉；2-滚花螺母；3-圆盘形记录纸 测压表

5 一、采煤工作面和巷道矿压观测 （3）活柱下缩量
活柱下缩量是反映矿压显现的一个重要的参照指标，特别是它与顶底板的比值，是反映支护质量的一个重要指标。一般先在支柱的活柱上刻上标记，每次用钢尺量测其与底柱上端的间距，间距的变化量即是活柱下缩量。也可安置自记仪自动记录。 2）工作面测站布置 工作面测站布置普遍采用沿工作面长度方向设上、中、下三个测站。 3）观测方法

6 一、采煤工作面和巷道矿压观测 2、采煤工作面控顶区围岩破坏状态观测 1）控顶区围岩破坏状态的主要指标及测试方法 （1）端面顶板破碎
指在工作面前方无支护空间悬露顶板中，发生冒落的部分占整个悬露顶板的比例。 （2）台阶数目和高度 台阶是指在工作面前方无支护空间由于顶板切落形成的顶板错落 （3）片帮深度

7 二、巷道矿山压力理论研究方法 1、理论研究 1）连续介质力学研究
弹、塑、粘性力学是研究物体在外力作用下的应力和变形的科学。根据研究对象在外力作用下呈现的变形性质或所处的变形阶段，可划分为弹性力学、塑性力学、粘性力学以及它们组合成的弹塑性力学和流变学等。 2）弹、塑、粘性力学的研究 （1）弹、塑、粘性力学研究的基本假设 ① 连续性假设：认为整个物体内部都为固体物质所填满，没有空隙。

8 二、巷道矿山压力理论研究方法 ② 均质性和各向同性假设：认为整个物体内各质点和各个方向上的性质都完全相同。
③ 小变形假设：假定物体受力后的变形与原型物体尺寸相比甚小。 ④ 关于本构关系的假设 即弹、塑、粘性力学对于物体的本构关系分别采用了一些理想化假设。 （2）岩体力学中应用基本假设的根据 ① 连续性问题。岩石和岩体都是由颗粒组成的，其间存在空隙和裂隙，多被各种各样结构面所切割。

9 二、巷道矿山压力理论研究方法 ② 均质性和各向同性问题。岩石和岩体大都是非均质的，它们由各种不同的矿物或岩石颗粒组成，矿物或岩石颗粒的排列和取向，形成了岩石和岩体的各向异性。 ③ 本构关系问题。岩石和岩体是多属性介质，所具有的弹性、塑性或粘性都是相对的。同一岩石在特定条件下呈现弹性，在另一些条件下就出现塑性，甚至粘性。 3）非连续介质力学研究 当受力超过一定限度后，大多数材料都起于断裂。这一事实已被早期材料学研究人员所熟知，他们认为岩石的（断裂）强度是材料的一种固有性质，这似乎是完全合情合理的。

10 二、巷道矿山压力理论研究方法 2、数值分析方法
数值分析方法是在计算机日新月异发展的背景下，不断发展的力学计算方法，且已被证明在解决复杂的岩体力学课题中是一种十分有效的手段。 矿山普遍采用的梯形巷道断面最大主应力分布图

11 二、巷道矿山压力理论研究方法 常用数值分析方法
（1）有限差分法（FDM，Finite Diference Method）。有限差分法是从物理现象出发引出相应的微分方程，经离散化而得到差分方程，再行求解的方法。 （2）有限单元法（FEM，Finite Element Method）。有限单元法的实质是把一个实际的结构物（如某种开采装备）或力学模型（如根据研究原型建立的采场某一时刻的连续体整体力学模型），用一种多个彼此相联系的单元体所组成的近似等价物理模型来代替。 （3）离散元方法。离散元法是康德尔（Cundall）1971年以刚性离散单元为基本单元，根据牛顿第二定律提出的一种动态分析方法，随后又将其发展为变形离散单元，使其既能模拟块体受力后的运动，又能模拟块体受力后的变形。

12 三、相似材料模拟实验研究方法 相似材料模拟研究方法的目的就是借助实验室材料，即采用与被模拟岩层的真实岩层相当的，其力学特性在所采用的模拟比例中能满足条件的材料，代替真实的矿山岩石，从而对实际工程状况进行直观上的规律和特性研究。 模拟研究按一定研究阶段顺序 第一阶段，提出准备在模型上解决的问题，确定应在模型复制的岩石地质剖面可能简化的程度，决定所提出问题的原始条件和边界条件，在模型上满足这些条件的可能性和程度。 第二个阶段是选择相似材料。

13 三、相似材料模拟实验研究方法 第三阶段，模型本身的制作及测试元件安装。对所有被模拟的岩层选定和查明了相似材料的配比以后，就开始进行模型本身的制作。 模型制好以后，在拟定的分层中安装测标和传感器，以便在试验期间记录应力场、变形和移动的情况，以及在模型中嵌入模拟支架工作的仪器。为了确定应力状态及其变化，在模型试验时应用炭质微型测力计。 为了模拟支架的工作，对于小比例模型采用压电式的和杠杆式的仪器，而对大比例模型采用杠杆-摆针式和液压式的仪器。 第四阶段，实验模拟研究的阶段，也就是按一定的时间比例模拟工作面的推进过程，以及记录平时应力场的变化、并记录所出现的断裂、变形和移动。

14 三、相似材料模拟实验研究方法 模拟实验的总体设计图 1-煤层；2-砂质页岩；3-砂岩；4-页岩； 5-砾岩；6-页岩砂质页岩互层 模拟实验加载方式示意图 第五阶段，实验后续工作。实验结束后，通常从试验时模型未受变形的部分切出相似材料的试样，并对其性质进行检查性测定。同时，根据研究的内容对实验结果进行分析。

15 急倾斜相似材料模拟实验

16 近水平煤层开采相似材料模拟实验

17 三、相似材料模拟实验研究方法 研究意义 相似材料模拟研究法可以很详细地研究工作面推进时岩层中所发生的现象及机理，特别是岩石出现断裂的变形现象，这在采用其它模拟方法时常常是不可能的。 通过相似材料模拟研究法可以按比例推断出工作面顶板下沉量、下沉速度等顶板活动规律，对现场具有一定借鉴意义，尤其对新工作面得初次来压确定有着重要的意义。