采场围岩支承压力及矿压显现与上覆岩层运动间的关系

1、Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 1 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 4.1 采场围岩支承压力分布形态采场围岩支承压力分布形态 4.1.1 支承压力基本概念支承压力基本概念 支承压力支承压力：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：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。和矸石上的垂直压力。 s s3s2s 1 L3 =L4 = . . . =Ln L2 L1 m4 m3 m1 m2 s1 s s3s2 s1 L

2、3=L4=.=Ln L2 L1 m4 m3 m1 m2 s1 图图4.1 上覆岩层运动状态与支承压力分布上覆岩层运动状态与支承压力分布 支承压力分布范围将包括支承压力分布范围将包括高于和低于原岩应力高于和低于原岩应力的整个区域。的整个区域。 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 2 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 在单一自重应力场条件下，采场周围岩体上的支承压力来源于上覆岩层在单一自重应力场条件下，采场周围岩体上的支承压力来源于上覆岩层 的重量。的重量。 n i ixii

3、i n i iiy CLmm 11 （4.1） Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 3 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 煤壁前方各处的支承压力都可以看成由两部分组成：煤壁前方各处的支承压力都可以看成由两部分组成： 在支承压力作用下发生煤层压缩和破坏，相应部位的顶底板相对移动以在支承压力作用下发生煤层压缩和破坏，相应部位的顶底板相对移动以 及支架受力变形等现象统称为及支架受力变形等现象统称为支承压力的显现支承压力的显现。 支承压力的存在是绝对的。支承压力的显现是支承压力作

4、用的结果，就其支承压力的存在是绝对的。支承压力的显现是支承压力作用的结果，就其 显现的形式和程度而言，则是相对的，有条件的。显现的形式和程度而言，则是相对的，有条件的。 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 4 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 4.1.2 采场支承压力分布的基本规律采场支承压力分布的基本规律 H H KH III DCBA 图图4.2 采煤工作面前后方的应力分布采煤工作面前后方的应力分布 工作面前方应力变化区；工作面前方应力变化区； 工作面控顶区；工作面控

5、顶区； 垮落岩石松散区；垮落岩石松散区； 垮落岩石逐渐压缩区；垮落岩石逐渐压缩区； 垮落岩石压实区；垮落岩石压实区； A原岩应力区；原岩应力区； B应力增高区；应力增高区； C应力降低区；应力降低区； D应力稳定区应力稳定区 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 5 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 在工作面在工作面 采空区沿倾斜采空区沿倾斜 作一剖面，如作一剖面，如 图图4.3所示。工所示。工 作面一侧为实作面一侧为实 体煤，煤体上体煤，煤体上 支承压力的分支承压力的分

6、布规律如图布规律如图4.3 所示的所示的A和和B区。区。 另一侧为煤柱另一侧为煤柱 和上一个工作和上一个工作 面的采空区。面的采空区。 AB1CB2CD H H H K1H K2H 图图4.3 已采区及其两侧煤柱的应力分布已采区及其两侧煤柱的应力分布 A原岩应力区；原岩应力区；B1、B2应力增高区；应力增高区；C应力降低区；应力降低区；D应力稳定区应力稳定区 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 6 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 4.1.3 关于两个应力场的理论关于两个

7、应力场的理论 煤层上支承压力分布及内外应力场煤层上支承压力分布及内外应力场 单一弹性分布单一弹性分布 压力高峰在煤层边缘，随与煤壁距离增加压力高峰在煤层边缘，随与煤壁距离增加 按负指数曲线规律递减。在从煤壁开始的整按负指数曲线规律递减。在从煤壁开始的整 个分布范围内，煤层都处于弹性压缩状态。个分布范围内，煤层都处于弹性压缩状态。 该范围内煤层处于弹性变形阶段，所承担的该范围内煤层处于弹性变形阶段，所承担的 压力与其弹性压缩变形量呈正比。压力与其弹性压缩变形量呈正比。 A B C D E 图图4.5 无冲击倾向煤的全应力应变曲线无冲击倾向煤的全应力应变曲线 Ground Pressure and

8、 Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 7 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 出现塑性破坏区的分布出现塑性破坏区的分布 该分布由塑性区该分布由塑性区(X0)及弹性区（及弹性区（S1） 两个部分构成。两个部分构成。 煤壁边缘里侧的弹性区煤层处于弹性煤壁边缘里侧的弹性区煤层处于弹性 变形状态，其压力分布是一个高峰在弹变形状态，其压力分布是一个高峰在弹 塑性交界处并向内发展逐渐下降至原始塑性交界处并向内发展逐渐下降至原始 应力值的曲线，各部位压力与该处煤层应力值的曲线，各部位压力与该处煤层 的压缩成正比。的压缩成正比。

9、 塑性区塑性区范围内煤层承载能力已大幅下降，且处于极不稳定状态，当上覆岩范围内煤层承载能力已大幅下降，且处于极不稳定状态，当上覆岩 梁自承能力一旦消失，相应部位的煤体压缩将加剧。在工作面及相邻的巷道梁自承能力一旦消失，相应部位的煤体压缩将加剧。在工作面及相邻的巷道 中，中，煤壁片帮、顶底板移近加速等压力显现煤壁片帮、顶底板移近加速等压力显现都会明显地表现出来。都会明显地表现出来。 煤壁边缘附近的塑性区煤层已遭破坏，处于全应力应变曲线中的煤壁边缘附近的塑性区煤层已遭破坏，处于全应力应变曲线中的CDE 段（即段（即塑性流变塑性流变阶段）。阶段）。 Ground Pressure and Strat

10、a Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 8 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 出现内应力场的分布出现内应力场的分布 三种类型各有其存在的条件。不同煤三种类型各有其存在的条件。不同煤 层在相同的开采条件下，可能有不同的分层在相同的开采条件下，可能有不同的分 布形式。即使煤层条件和开采技术条件相布形式。即使煤层条件和开采技术条件相 同，但开采深度不同，工作面推进到不同同，但开采深度不同，工作面推进到不同 部位，其分布构成往往也不一样。部位，其分布构成往往也不一样。 Ground Pressure and Strata Contr

11、ol 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 9 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 4.2 采场支承压力分布与上覆岩层运动间的关系采场支承压力分布与上覆岩层运动间的关系 4.2.1 采场推进前方支承压力与上覆岩层运动间的关系采场推进前方支承压力与上覆岩层运动间的关系 从采场推进开始至基本顶各岩梁初次来压结束期间的支承压力分布可以从采场推进开始至基本顶各岩梁初次来压结束期间的支承压力分布可以 划分为三个阶段：划分为三个阶段： 第一阶段：从采场推进开始至煤壁支承能力改变（即煤壁附近煤体进第一阶段：从采场推进开始至煤壁支承能力改变（即煤壁附近煤体进

12、入塑性状态）之前。入塑性状态）之前。 y=KzHy0=KmaxH =H S XL Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 10 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 随采场推进，通过处于相对稳定状态的基本顶岩梁传递至煤层上的压力将随采场推进，通过处于相对稳定状态的基本顶岩梁传递至煤层上的压力将 逐渐增加。各点的应力没有达到煤体的破坏极限，包括煤壁在内整个煤层都处逐渐增加。各点的应力没有达到煤体的破坏极限，包括煤壁在内整个煤层都处 于弹性压缩状态，支承压力分布是一条高峰在煤壁处的单

13、调下降曲线。于弹性压缩状态，支承压力分布是一条高峰在煤壁处的单调下降曲线。 第二阶段：从煤壁支承能力开始改变起，到基本顶岩梁端部断裂前为止。第二阶段：从煤壁支承能力开始改变起，到基本顶岩梁端部断裂前为止。 X0 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 11 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 岩梁端部断裂前夕，在断裂线附近将伴有压力的集中，图中曲线岩梁端部断裂前夕，在断裂线附近将伴有压力的集中，图中曲线 1所示。所示。 岩梁断裂结束时，以断裂线为界将支承压力分布明显地分为两个部

14、分，即岩梁断裂结束时，以断裂线为界将支承压力分布明显地分为两个部分，即 在断裂线与煤壁之间（图中在断裂线与煤壁之间（图中S0范围）由已断裂岩梁自重所决定的范围）由已断裂岩梁自重所决定的“内应力内应力 场场”，以及在断裂线外（图中，以及在断裂线外（图中S0远处）由上覆岩层整体重量所决定的远处）由上覆岩层整体重量所决定的“外外 应力场应力场”，两应力场中的压力分布没有密切的联系。在岩梁断裂结束时，两，两应力场中的压力分布没有密切的联系。在岩梁断裂结束时，两 应力场中的压力分布如图中曲线应力场中的压力分布如图中曲线2所示。所示。 第三阶段：从基本顶岩梁端部断裂起至岩梁中部触矸止。第三阶段：从基本顶岩

15、梁端部断裂起至岩梁中部触矸止。 支承压力分布随基支承压力分布随基 本顶岩梁本顶岩梁“显著运动显著运动” 的发展而明显变化。的发展而明显变化。 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 12 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 随工作面推进，各自的应力高峰以断裂线为界向相反的方向发展。内应力场随工作面推进，各自的应力高峰以断裂线为界向相反的方向发展。内应力场 中的支承压力随工作面的推进，岩梁再次断裂，压力高峰逐渐增加，峰值位置中的支承压力随工作面的推进，岩梁再次断裂，压力高峰逐渐增

16、加，峰值位置 逐渐转移向煤壁，形成逐渐转移向煤壁，形成压力的压力的“收缩收缩”，直至岩梁中部触矸，压力峰值降低到，直至岩梁中部触矸，压力峰值降低到 最低值为止。最低值为止。 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 13 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 采场进入正常推进阶段后，支承压力分布的主要特点是伴随着上覆岩层的采场进入正常推进阶段后，支承压力分布的主要特点是伴随着上覆岩层的 周期性运动而呈周期性变化，其变化的一般规律周期性运动而呈周期性变化，其变化的一般规律如下图所示如

17、下图所示。 (a) (b) Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 14 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 1 2 3 b ba c c 2 1 c a (c) (d) (e) Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 15 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 在采场推进过程中，伴随着岩梁每一次周期性运动，支承压力分布的发在采场推进过程中，伴随着岩梁每一次周期性

18、运动，支承压力分布的发 展，包括了以下两个过程：展，包括了以下两个过程： 相对稳定的发展过程相对稳定的发展过程 此时，随工作面推进内应力场范围不断缩小。由于岩梁周期性运动已经此时，随工作面推进内应力场范围不断缩小。由于岩梁周期性运动已经 结束触矸，内应力场中煤层上所承受的压力将很小。在该发展过程中，对于结束触矸，内应力场中煤层上所承受的压力将很小。在该发展过程中，对于 随工作面推进而前移的外应力场，其支承压力分布的范围将因内应力场范围随工作面推进而前移的外应力场，其支承压力分布的范围将因内应力场范围 的缩小而逐渐扩大，直到该岩梁再次断裂前夕达最大值为止。的缩小而逐渐扩大，直到该岩梁再次断裂前夕

19、达最大值为止。 该过程从上一次岩梁运动结束，即图（该过程从上一次岩梁运动结束，即图（a）所示状态开始，到工作面推进）所示状态开始，到工作面推进 至该岩梁处再次断裂的前夕，即图（至该岩梁处再次断裂的前夕，即图（c）中实曲线）中实曲线1所示状态为止。所示状态为止。 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 16 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 显著变化的发展过程显著变化的发展过程 从岩梁断裂前夕从岩梁断裂前夕,即图（即图（c）曲线）曲线1所示状态开始，至基本顶岩梁运动结束，所示状

20、态开始，至基本顶岩梁运动结束， 即图即图4.8（d）曲线）曲线2所示状态为止。在此过程中，随岩梁运动状态的明显改变，所示状态为止。在此过程中，随岩梁运动状态的明显改变， 支承压力分布将剧烈变化。支承压力分布将剧烈变化。 支承压力分布的变化主要包括：岩梁断裂时，在断裂部位应力集中（图（支承压力分布的变化主要包括：岩梁断裂时，在断裂部位应力集中（图（c） 中曲线中曲线2所示）；断裂结束时，断裂线附近应力下降和迅速向两侧转移，支承所示）；断裂结束时，断裂线附近应力下降和迅速向两侧转移，支承 压力分布明显的分为内、外两个应力场（如图（压力分布明显的分为内、外两个应力场（如图（c）中曲线）中曲线3所示）

21、；随工作所示）；随工作 面推进和岩梁回转运动加速内应力场中的压力高峰向煤壁方向转移以及外应面推进和岩梁回转运动加速内应力场中的压力高峰向煤壁方向转移以及外应 力场中应力向纵深扩展（如图（力场中应力向纵深扩展（如图（d）中曲线）中曲线1所示状态），直到岩梁触矸压力所示状态），直到岩梁触矸压力 降低到最小值即图（降低到最小值即图（d）中曲线）中曲线2所示状态为止。所示状态为止。 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 17 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 4.2.2 工作面两侧

22、支承压力分布与上覆岩层运动间的关系工作面两侧支承压力分布与上覆岩层运动间的关系 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 18 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 4.3 采场支承压力分布与矿山压力显现间的关系采场支承压力分布与矿山压力显现间的关系 从采场推进开始至基本顶各岩梁初次来压结束期间，支承压力分布与矿山从采场推进开始至基本顶各岩梁初次来压结束期间，支承压力分布与矿山 压力显现的变化划分为三个阶段。压力显现的变化划分为三个阶段。 v x h 图图4.11 煤体弹性状态下支

23、承压力与显现分布规律煤体弹性状态下支承压力与显现分布规律 第一阶段：从采场推进开始至煤壁支承改变（煤壁附近煤体进入塑性状态）第一阶段：从采场推进开始至煤壁支承改变（煤壁附近煤体进入塑性状态） 之前。之前。 超前巷道中观测到的顶底板移近量超前巷道中观测到的顶底板移近量 （h）等压力显现，其分布规律与支承）等压力显现，其分布规律与支承 压力分布规律相同，为一条高峰在煤壁处压力分布规律相同，为一条高峰在煤壁处 的单调下降曲线如图的单调下降曲线如图4.11所示。所示。 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 19 矿压、矿

24、压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 第二阶段：从煤壁支承能力开始改变起，到基本顶岩梁开始断裂前为止。第二阶段：从煤壁支承能力开始改变起，到基本顶岩梁开始断裂前为止。 v x 塑性区 弹性区 h 图图4.12 煤体塑性破坏后支承压力及其显现分布规律煤体塑性破坏后支承压力及其显现分布规律 压力显现分布规律与压力的分布规律不尽相同，压力显现总体上仍是一条压力显现分布规律与压力的分布规律不尽相同，压力显现总体上仍是一条 高峰在煤壁处的单调下降曲线，但与压力分布相对照可以看出：在弹性区压高峰在煤壁处的单调下降曲线，但与压力分布相对照可以看出：在弹性区压 力显现与压力分布相一

25、致；在塑性区两者分布的变化趋势则完全相反，力显现与压力分布相一致；在塑性区两者分布的变化趋势则完全相反， Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 20 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 第三阶段：从基本顶岩梁端部断裂起至岩梁中部触矸止。第三阶段：从基本顶岩梁端部断裂起至岩梁中部触矸止。 （1）岩梁断裂时，伴随着压力在断裂线附近的集中，该部位顶底板移近）岩梁断裂时，伴随着压力在断裂线附近的集中，该部位顶底板移近 速度将突然增大；速度将突然增大； （3）岩梁断裂结束后，随工作面继

26、续推进，内外应力场中的压力显现将）岩梁断裂结束后，随工作面继续推进，内外应力场中的压力显现将 以断裂线为界呈背向转移变化。以断裂线为界呈背向转移变化。 （2）随岩梁断裂扩展或显著沉降，煤层顶底板的移近出现停滞甚至产生）随岩梁断裂扩展或显著沉降，煤层顶底板的移近出现停滞甚至产生 “反弹反弹”现象（即观测位移值出现负值），相应部位支架载荷也将明显降低；现象（即观测位移值出现负值），相应部位支架载荷也将明显降低； Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 21 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运

27、动间的关系 4.4 采场矿压显现与上覆岩层运动间的关系采场矿压显现与上覆岩层运动间的关系 4.4.1 围岩变形、破坏与跨落围岩变形、破坏与跨落 （1）直接顶的初次垮落）直接顶的初次垮落 图图4.13 直接顶初次垮落直接顶初次垮落 长壁工作面从开切眼开始采煤后，直接顶跨度不断增加，其弯曲下沉也不断长壁工作面从开切眼开始采煤后，直接顶跨度不断增加，其弯曲下沉也不断 增加。一般在直接顶跨距达增加。一般在直接顶跨距达6m20m后，直接顶初次跨落。后，直接顶初次跨落。 当直接顶跨落高度达到当直接顶跨落高度达到1m以上、以上、 跨落长度达工作面长度一半以上时，跨落长度达工作面长度一半以上时， 就叫做就叫做

28、直接顶初次垮落直接顶初次垮落。直接顶初次。直接顶初次 垮落时自开切眼到支架后排放顶线的垮落时自开切眼到支架后排放顶线的 距离叫做距离叫做初次垮落步距初次垮落步距。 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 22 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 （2）基本顶初次来压）基本顶初次来压 （a） （b） 图图4.14 基本顶初次来压基本顶初次来压 随着采煤工作面的推进，随着采煤工作面的推进，基本顶基本顶就逐渐就逐渐 弯曲下沉弯曲下沉，当达到，当达到极限跨距极限跨距断裂下沉。这时断裂下

29、沉。这时 工作面顶板下沉加快，煤壁片帮严重，支柱工作面顶板下沉加快，煤壁片帮严重，支柱 受力增大，甚至发生受力增大，甚至发生顶板的台阶下沉顶板的台阶下沉。采煤。采煤 工作面开采以来初次断裂，使工作面支架承工作面开采以来初次断裂，使工作面支架承 受较大的静载荷或冲击载荷，这种矿山压力受较大的静载荷或冲击载荷，这种矿山压力 显现叫做显现叫做基本顶初次来压基本顶初次来压，如图，如图4.14所示。所示。 基本顶初次来压时，由开切眼到工作面煤壁基本顶初次来压时，由开切眼到工作面煤壁 的距离叫做基本顶的的距离叫做基本顶的初次来压步距初次来压步距，一般为，一般为 20m50m。 如果直接顶跨落后不能填满采空

30、区空间，基本顶把自身及上位岩层的重如果直接顶跨落后不能填满采空区空间，基本顶把自身及上位岩层的重 量都加到工作面周围的煤柱上。量都加到工作面周围的煤柱上。 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 23 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 （3）基本顶周期来压）基本顶周期来压 基本顶初次来压后，随着工作面的继续推进，基本顶初次来压后，随着工作面的继续推进，基本顶呈周期性折断下基本顶呈周期性折断下 沉沉，工作面周期性出现顶板下沉加快、煤壁严重片帮、支柱受力增大以及，工作面周期性出现

31、顶板下沉加快、煤壁严重片帮、支柱受力增大以及 顶板台阶下沉等。这种由于基本顶周期性断裂引起的矿山压力显现叫做顶板台阶下沉等。这种由于基本顶周期性断裂引起的矿山压力显现叫做基基 本顶周期来压本顶周期来压，如图，如图4.15所示。相邻两次基本顶周期来压的平均距离，即所示。相邻两次基本顶周期来压的平均距离，即 基本顶周期折断的平均值叫做基本顶周期折断的平均值叫做基本顶周期来压步距基本顶周期来压步距。一般为基本顶初次来。一般为基本顶初次来 压步距的压步距的1/21/4。 图图4.15 基本顶周期来压基本顶周期来压 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院

32、-资源工程1系2021-7-5 24 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 4.4.2 采场支架压力显现与上覆岩层运动间的关系采场支架压力显现与上覆岩层运动间的关系 采场支架受力（支架载荷）是顶板运动的结果，其值取决于支架对顶板运动采场支架受力（支架载荷）是顶板运动的结果，其值取决于支架对顶板运动 控制的方式和抵抗程度。控制的方式和抵抗程度。当支架对顶板的运动不加限制时当支架对顶板的运动不加限制时，其最终受力值由支架，其最终受力值由支架 的力学特性和顶板最终沉降值（的力学特性和顶板最终沉降值（hA）决定；相反，）决定；相反，当支架对顶板运动进行限制当支架对顶

33、板运动进行限制 时时，其受力的大小取决于对岩梁位态的控制程度。，其受力的大小取决于对岩梁位态的控制程度。 对于增阻支架来说，对于增阻支架来说， 在采场工作过程中，在采场工作过程中， 可以用图可以用图4.16的支架的支架 模型表示。模型表示。 图图4.16支架模型及其工作状况支架模型及其工作状况 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 25 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 0T RRE (4.8) 支架的压缩量可由下式表示： )( fdTi h (4.9) Ground Pr

34、essure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 26 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 （1）“给定变形给定变形”状态下支架的压力显现规律状态下支架的压力显现规律 增阻支架增阻支架 采用始动阻力为零的增阻支架，例如不发生破顶钻底等情况，其缩量由顶板采用始动阻力为零的增阻支架，例如不发生破顶钻底等情况，其缩量由顶板 下沉量下沉量hi决定，即决定，即=hi。根据式（。根据式（4.8）和（）和（4.9），支架受力值），支架受力值RT： i AK iT L SL EhER 支架上的压力大小与采场顶板下沉量支架

35、上的压力大小与采场顶板下沉量hi成正比，与岩梁的悬跨度成正比，与岩梁的悬跨度Li成反比。成反比。 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 27 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 minmin max RhE L SL ER AK T (4.12) min RHER AT (4.13) Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 28 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的

36、关系 在在“给定变形给定变形”条件下工作的增阻支架，在采场推进过程中，其压力显现条件下工作的增阻支架，在采场推进过程中，其压力显现 规律与采场顶板下沉量的变化规律相同，如图规律与采场顶板下沉量的变化规律相同，如图4.17所示。所示。 b0a0bababa R h S 0 支架阻力 顶板下沉量 推进步距 R0 h0 图图4.17 “给定变形给定变形”条件下增阻支架压力显现规律条件下增阻支架压力显现规律 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 29 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关

37、系 恒阻支架恒阻支架 R0 推进步距 顶板下沉量 支架阻力 0 S R abababb0 R0 a0 h0 h 图图4.18 “给定变形给定变形”条件下恒阻支架压力显现规律条件下恒阻支架压力显现规律 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 30 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 （2）“限定变形限定变形”状态下支架的压力显现规律状态下支架的压力显现规律 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 31

38、 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 增阻支架增阻支架 增阻支架在增阻支架在“限定变形限定变形”状态下工作时，其受力大小完全由采场顶板下沉量决状态下工作时，其受力大小完全由采场顶板下沉量决 定。定。 h顶板下沉量 a b a ba b ah 2 1 2 1 h Rr2 Rr1 推进步距 R支架阻力 hr1 hr2 0 图图4.19“限定变形限定变形”条件下增阻支架压力显现规律条件下增阻支架压力显现规律 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 32 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间

39、的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 恒阻支架恒阻支架 图图4.20 “限定变形限定变形”条件下恒阻支架压力显现规律条件下恒阻支架压力显现规律 0 aba b a b a h R R a h顶 板 下 沉 量 支 架 阻 力 推 进 步 距 abab a b a h2 h1 0 R2 R1 R 支 架 阻 力 推 进 步 距 h顶 板 下 沉 量 （b） （a） Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 33 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 （3）不同类型顶板条件下支架

40、压力显现特征）不同类型顶板条件下支架压力显现特征 对于对于强度高、厚度大的顶板强度高、厚度大的顶板，有可能发生整体跨落。在顶板跨落前，岩层，有可能发生整体跨落。在顶板跨落前，岩层 大面积悬露，且无明显沉降，则支架上显现的压力将会很小，一旦切落，支大面积悬露，且无明显沉降，则支架上显现的压力将会很小，一旦切落，支 架受力将迅速上升，甚至会切垮工作面。对于强度高的基本顶板岩梁，当其架受力将迅速上升，甚至会切垮工作面。对于强度高的基本顶板岩梁，当其 下部直接顶跨落，不足以充填采空区时，由于岩梁显著沉降的空间较大，则下部直接顶跨落，不足以充填采空区时，由于岩梁显著沉降的空间较大，则 在来压时刻，往往伴

41、有动压冲击，支架受力会明显上升。在来压时刻，往往伴有动压冲击，支架受力会明显上升。 对于对于强度低的软岩顶板强度低的软岩顶板，岩梁的自稳性能低，当下部岩梁沉降时，上部，岩梁的自稳性能低，当下部岩梁沉降时，上部 岩梁会在不太长的时间内追随下部岩梁的沉降。因此，采场顶板下沉量即基岩梁会在不太长的时间内追随下部岩梁的沉降。因此，采场顶板下沉量即基 本顶的厚度均随时间增加而增加，致使在采场推进过程中，支架受力一直十本顶的厚度均随时间增加而增加，致使在采场推进过程中，支架受力一直十 分明显。分明显。 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2

42、021-7-5 34 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 7#6# 5# 4# 3# 2#1# 顶底板移近速度 v 1 2 3 4 5 6 7 相对稳定 裂隙完成 显著运动覆岩运动（压实矸石） 7#6# 5# 4# 3# 2# 1# 顶底板移近速度 v 1 2 3 4 5 6 7 相对稳定 裂隙完成 显著运动覆岩运动（压实矸石） 图图4.21 侧向支承压力显现规律侧向支承压力显现规律 1、2、3、7分别为对应动态仪的动态曲线分别为对应动态仪的动态曲线 4.5 采场支承压力分布监测方法采场支承压力分布监测方法 Ground Pressure and Stra

43、ta Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 35 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 支承压力现场测定主要是确定其分布特征，如分布范围、高峰位置、低应支承压力现场测定主要是确定其分布特征，如分布范围、高峰位置、低应 力区范围等重要的特征参数力区范围等重要的特征参数 （1）钻孔液压枕法）钻孔液压枕法 该方法是利用钻孔液压枕该方法是利用钻孔液压枕 （油枕应力计）测量煤体的相（油枕应力计）测量煤体的相 对应力变化。采用钻孔测力计对应力变化。采用钻孔测力计 测定支承压力分布特征的关键测定支承压力分布特征的关键 是测力计的预紧，否则只能给

44、是测力计的预紧，否则只能给 出很低的压力变化或根本测不出很低的压力变化或根本测不 出压力。测力计的预紧一般通出压力。测力计的预紧一般通 过楔体结构实现，过楔体结构实现， Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 36 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 油枕应力计的测点布置：在开采前，从距切眼油枕应力计的测点布置：在开采前，从距切眼50m100m开始，每开始，每 隔隔10m20m由两顺槽巷道向煤体钻水平孔。孔深一般由两顺槽巷道向煤体钻水平孔。孔深一般5m10m。每个。每个 观测阶

45、段每侧巷道内的钻孔数不应少于观测阶段每侧巷道内的钻孔数不应少于3个个5个。钻孔的方向也可根据个。钻孔的方向也可根据 观测需要确定。观测需要确定。 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 37 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 （2）钻屑法）钻屑法 根据钻孔过程中单位孔深排出煤屑的重量、体积和粒度组成等来判根据钻孔过程中单位孔深排出煤屑的重量、体积和粒度组成等来判 断采煤工作面煤体应力是一种简便方法。排出煤屑的状况，一方面与钻孔断采煤工作面煤体应力是一种简便方法。排出煤屑的状况

46、，一方面与钻孔 的几何尺寸有关，另一方面与煤体内应力状况有关，在应力作用下钻孔发的几何尺寸有关，另一方面与煤体内应力状况有关，在应力作用下钻孔发 生收缩变形，使钻孔的煤屑量和粒度组成发生改变。生收缩变形，使钻孔的煤屑量和粒度组成发生改变。 用手持式电钻垂直煤壁打眼，钻孔深用手持式电钻垂直煤壁打眼，钻孔深5m8m，在钻孔过程中，收集钻，在钻孔过程中，收集钻 出的煤屑，每钻进一米测量一次煤屑重量和体积及用出的煤屑，每钻进一米测量一次煤屑重量和体积及用3mm筛子测粒度组成。筛子测粒度组成。 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021

47、-7-5 38 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 阜新矿院在抚顺煤矿测得结果如图所示，图中钻孔排出的煤屑重量与煤阜新矿院在抚顺煤矿测得结果如图所示，图中钻孔排出的煤屑重量与煤 壁内应力增高有明显变化关系。同时，钻孔排出的煤屑体积和煤屑粒度大于壁内应力增高有明显变化关系。同时，钻孔排出的煤屑体积和煤屑粒度大于 3mm组成百分数也有相同的变化规律。组成百分数也有相同的变化规律。 煤屑重量与钻孔深度得实测曲线煤屑重量与钻孔深度得实测曲线 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 39

48、 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 （3）钻孔钢弦测力计法）钻孔钢弦测力计法 钢弦式测力计结构钢弦式测力计结构 1支撑；支撑；2，6导轨；导轨；3楔块；楔块； 4金属弹性筒；金属弹性筒；5振弦；单位振弦；单位mm 钻孔钢弦测钻孔钢弦测 力计方法同钻孔力计方法同钻孔 液压枕监测支承液压枕监测支承 压力分布特征的压力分布特征的 原理相同，主要原理相同，主要 差异在于传感原差异在于传感原 理不同。理不同。 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 40 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间

49、的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 （4）超前巷道位移法）超前巷道位移法 支承压力的存在是绝对的。支承压力显现是支承压力的作用结果，其形支承压力的存在是绝对的。支承压力显现是支承压力的作用结果，其形 式和程度是相对的。只有当煤体进入塑料破坏状态后才会发生明显的显现，式和程度是相对的。只有当煤体进入塑料破坏状态后才会发生明显的显现， 支承压力显示的基本规律如图支承压力显示的基本规律如图4.27所示。所示。 煤壁不出现非弹性区煤壁不出现非弹性区，压力分布，压力分布 呈高峰在煤壁的负指数曲线，相应的呈高峰在煤壁的负指数曲线，相应的 支承压力显现按同样的趋势分布，支支承压力显现按同样的趋势分布

50、，支 承压力与显现成正比关系；承压力与显现成正比关系；煤壁出现煤壁出现 非弹性区后非弹性区后，显现与压力的分布规律，显现与压力的分布规律 不尽相同，显现仍是一条高峰在煤壁不尽相同，显现仍是一条高峰在煤壁 单调下降曲线，弹性区内显现与压力单调下降曲线，弹性区内显现与压力 成对应关系，非弹性区，显现与压力成对应关系，非弹性区，显现与压力 变化趋势相反。变化趋势相反。 Ground Pressure and Strata Control 资源与环境工程学院-资源工程1系2021-7-5 41 矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 测区布置与监测方法测区布置与监测方法 超前巷道位移监测支承压力分布特征，在超前巷道位移监测支承压力分布特征，在采场前方布置仪器采场前方布置仪器观观 测位移信息的变化过程，实现支承压力显现分布特征的测定。测位移信息的变化过程，实现支承压力显现分