1、绪 论1 矿山压力与岩层控制学科的概念矿山压力：由于矿山开采活动的影响，在巷硐周围岩体中形成的和作用在巷硐支护物上的力定义为矿山压力，在相关学科中也称为二次应力、或工程扰动力。矿山压力显现：在矿山压力作用下，会引起各种力学现象，如岩体的变形、破坏、塌落，支护物的变形、破坏、折损，以及在岩体中产生的动力现象。这些由于矿山压力作用，使巷硐周围岩体和支护物产生的种种力学现象，统称为矿山压力显现。矿山压力控制：所有减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的各种方法，均叫做矿山压力控制。2 采矿工业要求发展矿山压力及岩层控制学科2.1 生态环境保护岩层控制理论为实现保水采煤，完善条带开采和充填技术，进行井下矸
2、石处理和有效抽放瓦斯奠定理论基础。2.2 保证安全和正常生产岩层控制理论和技术为大幅度降低顶板事故做出了突出贡献。边坡稳定性研究使边坡设计既能达到经济上可采纳的陡度，又足以维持安全的缓度。巷道围岩控制理论和技术为合理支护各种巷道成为可能。2.3 减少资源损失矿柱是造成地下资源损失的主要根源。通过对开采引起的围岩应力重新分布规律的研究，推广无煤拄护巷和跨越巷道开采等技术措施，不仅显著减少资源损失，还有利于消除因矿柱存在引起的灾害和对采矿工作的不利影响。2.4 改善开采技术自移式液压支架的应用实现了采煤综合机械化。巷道可缩性金属支架和锚喷支护的应用改变了刚性、被动支护巷道的局面。同时，采场、巷道围
3、岩稳定性分类为合理选择支护型式、支护参数提供科学依据。2.5 提高经济效益围岩结构稳定性分类、稳定性识别、矿压显现预测、支护设计、支护质量与顶板动态监测、信息反馈直至确定最佳设计的一整套理论、方法与技术有助于创造采矿工业的良好的社会效益和经济效益。3 矿山压力与岩层控制学科属性与特色3.1 采矿工程岩体结构的本质与地面工程结构不同，地下工程围岩既是一种载荷，也是一种结构，施载体系和承载体系之间没有明显界限。采场上覆岩层形成结构，结构的形态及稳定性不仅直接影响到采场，也将影响到开采后上覆岩层运动的形态及地表塌陷形状。3.2 采矿工程的移动特性其它地下工程中硐室或隧道基本是固定的永久性的，采矿工程
4、中采场是不断移动的，采场本身是一个依据矿物埋藏规律而不断运动的空间。3.3 采矿工程中围岩的大变形和支护体的可缩特征采矿工程过程中由于采场空间较大，作业地点常在地下几百米至几千米深处，在矿山压力作用下，巷硐围岩处于破坏状态。采矿过程中架设的人工支护着眼于利用围岩的残余强度，促进已破坏的围岩形成自稳结构。软岩矿井中，巷道围岩不可避免地进入塑性状态，巷道支护允许巷道围岩出现稳定的塑性区，严格控制非稳当塑性区的扩展。3.4 采矿工程中的能量原理和动力现象冲击地压、顶板大面积来压、煤与瓦斯突出以及矿震都是采矿工程中的动力现象，其中冲击地压、顶板大面积来压属于压力矿山及其控制学科的研究范畴。冲击地压是岩
5、体突然破坏的动力现象，冲击地压发生机理极为复杂。从能量转化的确角度，导致“矿体围岩”系统非稳定状态突然失稳破坏。冲击地压、顶板大面积来压是矿山压力的一种特殊显现形式。4 矿山压力与岩层控制学科的基本内容和发展阶段4.1 早期认识、研究阶段采矿工业是基础工业，我国是世界上采矿最早的国家之一。明代末年出版的天工开物一书中，已记述了矿山压力的危害性，欧洲国家对矿山压力的认识开始于 15 世纪。19世纪后期到 20 世纪，开始利用比较简单的力学原理解释出现的一些矿山压力现象，有代表性的是提出“压力拱假说”和岩石坚固性系数 f。20 世纪 30 年代至 50 年代，使用弹性理论研究矿山压力问题。4.2
6、近代发展阶段自 50 年代矿山压力与岩层控制学科建立以来，理论研究与工程实践两方面都取得长足进展。4.2.1 采场围岩控制理论与实践的发展（1）采场上覆岩层“砌体梁”结构力学模型及“关键层理论”60 年代初至 70 年代末，提出上覆岩层开采后呈“砌体梁”式平衡的结构力学模型，为采场给出了具体的边界条件，也为论证采场矿山压力控制参数奠定基础。在此基础上，提出岩层断裂前后的弹性基础梁力学模型及各种不同支撑条件下板的力学模型，为老顶来压预报提供理论依据。对坚硬岩层承受载荷及变形规律的分析，导致“关键层”理论的研究，由此可以进一步修正采场来压规律，判断上覆岩层内部裂隙分部、离层区位置和识别对地表破坏起
7、主导作用的岩层。（2）“砌体梁”平衡的关键块研究及“SR”稳定在“砌体梁”结构研究的前题下，重点分析关键块的平衡关系。这项研究主要提出砌体梁关键块的滑落与转动变形失稳条件即“SR”稳定条件。（3）采场支架围岩关系研究及整体力学模型的建立“支架围岩”关系的研究体现在单体支柱工作面顶板事故的防治，液压自移支架的架型、合理支护阻力，防治液压自移支架端面顶板的冒落。在中厚煤层开采的采高条件下，一直视直接顶为“似刚体”，影响支护参数选择的主要观点是“PL”类双曲线关系，即支架工作阻力与顶板下沉量的关系曲线。（4）采场矿山压力与支护质量监测采矿工程环境恶劣，地质条件复杂多变，及时地进行监测是采场进行安全生
8、产的根本保证。4.2.2 巷道围岩控制理论与实践的发展（1）巷道布置改革及无煤柱护巷技术我国在采准巷道矿压理论指导下，形成了完善的巷道合理布置系统。在分析开采引起的围岩应力重新分部规律的基础上，研究沿空巷道一侧煤柱边缘带的应力重新分部和支架与围岩关系，掌握无煤柱护巷机理，推进无煤柱护巷技术。同时，发展整体浇注式巷旁充填技术，为沿空留巷的扩大应用开辟了广阔前景。（2）研究巷道支架与围岩关系采用先进支护技术研究巷道支架的合理性能和结构形式，既能有效地抑制围岩变形，又能与围岩变形相互协调，减少支架损坏和改善巷道维护。为此，研制了适用于不同条件的 U 型钢、工字钢结构可缩性支架，完善了辅助配套设施，发
9、展了支架壁后充填。（3）软岩巷道围岩控制理论与实践的发展自 70 年代以来，有计划地开展软岩巷道支护技术科技攻关。对软岩巷道围岩控制的基础理论、软岩的岩性分析及工程地质条件、围岩变形力学机制、巷道支护设计、施工工艺及监测进行全面系统研究。针对软岩的类别和变形力学机制，发展了锚喷网支护技术、U型钢支护壁后充填技术、防治底臌封闭支护技术、围岩爆破卸压和注浆加固技术。（4）巷道围岩控制设计决策及支护质量与顶板动态监测依据巷道围岩稳定性分类及巷道支护形式与合理支护参数选择专家系数，预测巷道围岩稳定性类别、预计围岩移近量、选择支护型式、确定支护参数。实行巷道支护质量与顶板动态全过程监测，通过施工过程中的
10、现场监测、信息反馈、不断修正支护设计和调整支护参数。使巷道围岩控制逐步由经验判断和定性评估向定量分析和科学管理转化。5 矿山压力与岩层控制学科研究方法5.1 理论研究（1）解析分析方法通过力学模型，利用平衡条件、本构方程、变形条件、破坏判据和边界条件求解其应力、变形和破坏条件。（2）数值分析方法包括有限元法、差分法、边界元法、结构单元法等，这类分析主要给出应力和应变分布，以及应力、位移、速度等特征值。（3）模糊分析、概率分析、随机分析、灵敏度分析、趋势分析等方法（4）近代数学、力学和计算机科学方法。近年来，许多学科如断裂力学、损伤力学、分形几何、分叉、混沌、突变理论等，渗透到矿业科学领域，推动
11、矿山压力与岩层控制学科的发展。5.2 实验室试验（1）岩石物理力学性质研究，包括岩石抗压、抗拉、抗剪变形性质试验；岩石流变试验、三轴试验和利用刚性压力机进行岩石变形破坏全过程的试验。(2) 利用相似材料模型进行模拟研究，在平面模拟实验装置基础上，进一步发展立 体模拟实验台。也可利用光弹性模型进行模拟研究。(3) 在实验室条件下研究支架的整体性能和有关参数，建成具有先进水平的大型自移式液压支架试验装置，卧式和立式，单架及多框架多功能巷道支架试验台。5.3 现场监测采场主要监测顶底板移近量、支架阻力、活柱下缩量和顶板破碎度；巷道主要监测顶底板移近量、支架变形、围岩应力分布和岩层内部移动规律。采用微
12、震仪、地质雷达、电磁幅射监测仪、可弯曲光导纤维岩层窥视仪、红外线钻孔探测摄像仪等观测仪表。6 矿山压力与岩层控制学科研究和发展方向(1) 采场矿压理论与控制体系，包括岩层控制的关键层理论、放顶煤高产高效开采技术和高产高效开采故障诊断技术与保障系统；(2) 巷道矿压理论与控制技术，包括采动影响巷道矿压理论、煤巷锚杆支护技术、围岩注浆加固及充填技术和巷道底臌控制技术；(3) 开采新方法、新工艺和新技术，包括煤炭地下气化、“三下”环保开采、地热的开发利用等；(4) 矿井深部开采和高地应力引起的冲击地压的预测和预报。矿山压力及岩层控制学科有自己专门研究的课题，有自己专门的技术和方法，有自己的理论，已经
13、形成为矿业科学中一门独立的分支学科。矿山压力与岩层控制学科将紧密结合煤炭工业可持续发展中所面临的重大科学技术问题，形成矿井高产高效开采综合监测与保障系统、矿山开采新理论与新方法以及在深井、高应力等复杂地质条件下的矿山开采和围岩控制理论与技术新体系，以确保实现矿井持续高产高效开采和安全生产以及煤矿的绿色开采，为逐步形成完整的适合我国采矿工业实际情况的矿业科学体系做出贡献。第一节 岩石的基本物理性质一、岩石的基本概念岩石是组成地壳的基本物质,由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律组合而成。岩石是指从岩体中取出的，但其尺寸却不大，有时称为岩块。岩石按不同的标准可分为不同类型，常见的分类有：（1
14、）按岩石成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。（2）按岩石固体矿物颗粒间的结合特征，可分为固结性、粘结性、散粒状和流动性岩石四大类。（3）按岩石的构成特征，可以区分岩石的结构和岩石的构造。岩石的结构是决定岩石组织的各种特征（如矿物颗粒的组成成分、结晶程度、形状和大小以及它们之间的连接状况等）的总合；而岩石的构造则指岩石中组成成分的空间分布以及他们相互间的排列关系，如整体构造，多孔状构造和层状构造。（4）按岩石的力学强度和坚实性，可分为坚硬岩石和松软岩石。工程中常把饱水状态下单压强度大于 10MPa 的岩石称为坚硬岩石；而把低于该值的岩石称为松软岩石。二、岩石的质量指标（一）岩石的比重岩石的比
15、重是指岩石固体部分的实体积（不包括空隙体积）重量与 4时同体积水重量和岩石固体部分实体积的比值。其表达式为 wcdVG（1-1）式中 岩石的比重；Gd绝对干燥时岩石固体实体积的重量， kN；Vc 岩石固体部分实体积，m 3；w水的容重，4时等于 10（kN/m 3） ；岩石比重取决于组成岩石的矿物比重，与岩石的空隙和吸水多少无关，且随岩石中重矿物含量的增多而增大。煤矿中常见的岩石比重见表 1-1。（二）岩石的密度和容重岩石的密度是指单位体积的岩石（包括空隙体积）质量，表达式为 VM（1-2）式中 岩石的密度，kg/m 3；M 岩石的质量，kg ；V 岩石的体积，m 3。岩石的密度与组成岩石矿物
16、密度、空隙和吸水多少有关。根据岩石试样含水状态不同，岩石的密度可分为天然密度、饱和密度和干密度三种，前两种一般称为岩石的湿密度。天然密度是指岩石在天然含水状态下的密度；饱和密度（s）是指岩石在吸水饱和状态下的密度；干密度（d）是指在 105110下干燥 24h 后的密度。煤矿中常见的岩石密度见表 1-1。岩石的容重是指单位体积（包括空隙体积）内岩石的质量所受的重力（kN/m 3） 。为便于计算，工程实践中,可根据岩石的密度换算出岩石的容重，其公式为 g(1-3) 式中 岩石的容重，kN/m 3；重力加速度，kN / kg；岩石的密度，kg/m 3。三、岩石的体积指标（一）岩石的孔隙性岩石的孔隙
17、度指岩石中各种孔洞、裂隙体积的总和与岩石总体积之比，也称孔隙率 %10Vn（1-4）式中 n岩石的孔隙率，%；V0 岩石中孔隙的总体积，m 3；V岩石的总体积，m 3。岩石的孔隙比指岩石中各种孔洞和裂隙体积的总和与岩石内固体部分实体积之比，可表示为 ce0（1-5）式中 岩石的孔隙比；0V岩石内各种孔洞和裂隙体积的总和，m 3；c岩石内固体部分实体积，m 3。孔隙比与孔隙度之间的关系为 ne1（1-6）一般孔隙率愈大，岩石中孔隙和裂隙就愈多，岩石的密度和强度愈低，同时使塑性变形和渗透性增大。煤矿中常见岩石的孔隙率和孔隙比见表 1-1。表 1-1 煤矿中常见岩石的比重、密度、孔隙率以及孔隙比岩石
18、种类 砂 岩 页 岩 石 灰 岩 板 岩 煤比重 2.602.75 2.572.77 2.482.85 密度（kg/m 3） （22.6）10 3 （22.4）10 3（2.22.6）103（1.21.4）103一般（1.31.35）103孔隙率（%） 330 1035 520 0.11.0 孔隙比 0.0310.429 0.1110.538 0.0530.25 0.0010.0101 （二）岩石的碎胀性和压实性岩石的碎胀性指岩石破碎以后的体积比之前体积增大的性质。常用岩石的碎胀系数来表示，即岩石破碎后处于松散状态下的体积与岩石破碎前处于整体状态下的体积之比，其表达式为 VKp（1-7）式中
19、K P岩石的碎胀系数；V 岩石破碎膨胀后的体积，m 3；V 岩石处于整体状态下的体积，m 3。煤矿中常见的岩石的碎胀系数见表 1-2。表 1-2 煤矿中常见岩石的碎胀系数和残余碎胀系数岩石种类 碎胀系数 残余碎胀系数砂 1.061.15 1.011.03粘 土 10-3致密的石灰岩 10-10有裂隙的石灰岩 24（二）岩石的软化性岩石的软化性是指岩石浸水后其强度降低的性质，通常用软化系数表示水对岩石强度的影响程度，即水饱和岩石试件的单轴抗压强度与干燥岩石试件单轴抗压强度之比 10cwR（1-9）式中 岩石的软化系数；c水饱和岩石试件的单轴抗压强度，MPa；干燥岩石试件的单轴抗压强度，MPa。煤
20、矿中常见岩石的软化系数见表 1-4。表 1-4 煤矿中常见岩石的软化系数岩石种类 干试件抗压强度（MPa） 水饱和试件抗压强度（MPa) 软化系数粘 土 岩 20.357.8 2.3531.2 0.080.87页 岩 55.8133.3 13.473.6 0.240.55砂 岩 17.1245.8 5.6240.6 0.440.97石 灰 岩 13.1202.6 7.6185.4 0.580.94（三）岩石的膨胀性和崩解性岩石的膨胀性是指软岩浸水后体积增大和相应地引起压力增大的性质。岩石遇水膨胀的特性可用膨胀应力和膨胀率这两个指标来表示。岩石的崩解性是指软岩浸水后发生的解体现象，用耐崩解性指数
21、表示，即岩样在承受干燥和湿润两个标准循环之后，岩样对软化和崩解作用所表现出的抵抗能力。它直接反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗水侵蚀作用的能力。（四）岩石的吸水性和抗冻性岩石的自然吸水率是试件在常温常压下吸入水分的质量与试件的干质量之比，如不专门指明，岩石的吸水率即指自然吸水率，其表达式为 %10dwM（1-10）式中 岩石的（自然）吸水率Mw 岩石试件在大气压力下吸入水分的质量，kg；Md 岩石试件干燥时的质量， kg。岩石的饱和吸水率是试件在真空、加压（一般为 15MPa）条件下吸入水分的质量与试件的干质量之比，简称饱水率，即 %10dsws（1-11）式中 s岩石的饱和吸水率；w岩石
22、试件的饱和吸水后的质量，kg。饱水系数则是指岩石的吸水率与饱水率之比，即为 sJ/ （1-12）式中 J饱水系数，一般（0.50.8） 。岩石的吸水率见表 1-5。表 1-5 几种岩石的吸水率岩石种类 花岗岩 砂岩 页岩 石灰岩 板岩吸 水 率 0.10.92 0.2012.19 1.83.0 0.104.45 0.100.95岩石的抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的能力，常用的评价指标有岩石的抗冻系数和质量损失率。岩石的抗冻系数是指岩石冻融试验后的干抗压强度与之前的干抗压强度之比，即 %10crpPR（1-13）式中 岩石的抗冻系数；cr冻融前岩石干抗压强度，MPa；冻融后岩石干抗压强度，MPa。
23、岩石冻融前后干试件的质量差与冻融前干试件的质量之比，称为岩石的质量损失率，即%1021WKm（1-14）式中 岩石的质量损失率；1岩石试件冻融前的质量，kg；2岩石试件冻融后的质量，kg。五、岩石的热性和电磁性（一）岩石的容热性岩石的容热性指岩石进行热交换时所吸收热量的能力，用岩石的比热（ C）和容积热容（ CV）表示。 （二）岩石的电磁特性岩石的导电性是指岩石介质传导电流的能力，常用电阻率或电导率来表示。岩石的磁性包括感应磁性及剩余磁性，前者指岩石被现代地磁场磁化而产生的磁性，后者则指岩石形成过程中被当时地磁场磁化所保留下的磁性。感应磁化强度和剩余磁化强度是表征这两种磁性强弱的常用指标，其二
24、者之和可反映岩石所具有的总磁性，称为总磁化强度。第二节 岩石的强度和变形特性一、岩石变形性质的类别及其指标（一）岩石变形性质的类别岩石的变分为弹性变形、塑性变形和粘性变形三种。岩石的弹性是指岩石在外力作用下产生变形，当撤去外力后岩石变形能完全恢复到其原始状态的性质，随岩石性质的不同可分为三种不同的弹性特征（见图 1-1）线弹性 应力-应变关系呈直线关系；完全弹性应力-应变关系不是直线关系，卸载时应力应变沿原来曲线返回原点；滞弹性应力-应变关系为曲线关系、无残余变形，但卸载时应力应变沿另一条曲线返回原点。理想的岩石塑性变形应力-应变关系曲线如图 1-2a 所示。应变硬化（图 1-2b） 。图 1
25、-1 岩石的不同弹性类型a线弹性；b完全弹性； c滞弹性1加载过程；2卸载过程图 1-2 塑性变形应力应变关系曲线图 1-3 为一般岩石的变形曲线，从中可看出，在外力达到屈服应力时，开始卸载初期，应力-应变曲线比较陡，但当卸载接近结束时则较平缓，甚至当完全除去应力后，还有部分变形恢复，此即弹性后效现象。（二）岩石变形指标泊松比是指岩石在单轴压缩条件下横向应变和轴向应变的比值，也称横向变形系数，其表达式为 ac（1-16）式中 岩石的泊松比；c、 a岩石试件的横向应变和轴向应变。（1）当岩石在单向受压条件下，其轴向应力-应变曲线呈直线时（见图 1-4） ，其弹性模量的表达式为 E（1-17）式中
26、 岩石的弹性模量，kPa；轴向应力-应变曲线上任一点的轴向应力， kPa；对应于 的轴向应变。（2）当其轴向应力-应变曲线为非线性关系时，则有三种弹性模量的定义（如图 1-5） ，即图 1-4 轴向的应力-应变为直线时岩石的弹性模量图 1-3 一般岩石变形曲线图 1-5 岩石的各种模量的确定初始模量：曲线过原点的切线斜率，即 0dE（1-18）切线模量：曲线上某一点 M 的切线斜率，即（1-19）割线模量：曲线上某一点 M 的纵横坐标之比，即pE（1-20）（3）当岩石在受力后既有弹性又有塑性变形时（如图 1-3） ，用岩石的变形模量来表征其总变形， pre（1-21）式中 E岩石的变形模量；
27、应力；erp分别为岩石的瞬时弹性、后效弹性、塑性应变。通常用体积应变 V即体积改变量 V 与原体积 V 的比值，又称为体积改变率来表征体积的变化 )(21321321 EV（1-22）容变弹性模量，其表达式为： )21(3V（1-23）煤矿中常见岩石变形指标值如表 1-6 所示。表 1-6 煤矿中常见岩石的变形指标弹性模量 E（MPa）压缩 拉伸 泊松比 岩石种类平行层理 垂直层理 平行层理 平行层理 垂直层理花 岗 岩石 灰 岩砂 岩砂质页岩泥质页岩粘 土煤58.810326.310336.710335.610324.51030.3103(9.819.6)10 358.810328.4103
28、3910323.710314.710321.610325.510336.310312.710310.81030.050.250.160.270.120.250.150.390.10.50.050.250.190.390.140.200.160.10.480.10.5二、岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度是指岩石抵抗剪切破坏的极限强度（剪切面上的切向应力） ，它是岩石力学性质中最重要的指标之一。根据剪切试验时加载方式的不同，可分为抗切强度、抗剪强度和摩擦强度三种。岩石的抗切强度是指剪切面上不加法向载荷，而只在水平方向施加剪切力直到岩石剪断为止（如图 1-6a 所示） 。此时，抗切强度（纯剪强度）等于剪切破坏面上岩石的粘结力C。
