采场围岩支承压力及矿压显现及

1、采场围岩支承压力及矿压显现采场围岩支承压力及矿压显现与上覆岩层运动间的关系与上覆岩层运动间的关系 第四章第四章 4.14.1采场围岩支承压压力分布形态采场围岩支承压压力分布形态 4.2 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 4.3 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 4.44.4采场矿山压力显现与上覆岩层运动间的关系采场矿山压力显现与上覆岩层运动间的关系 4.5 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 第四章第四章 第第1 1页页本章目录本章目录本章特点本章特点学习难点学习难点有

2、较多的基本概念有较多的基本概念支承压力、内外应力场概念支承压力、内外应力场概念 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 采场矿山压力显现和上覆岩层运动之间的关系采场矿山压力显现和上覆岩层运动之间的关系 第四章第四章 第第2 2页页 煤（矿）层采出后，在围岩应力重新分布的范围内，作用在煤（岩）层和矸石上的垂直压力。 高于和低于原岩应力的整个区域高于和低于原岩应力的整个区域 支承压力来源于重量。支承压力来源于重量。在单一自重应力场条件下在单一自重应力场条件下, ,若煤（岩）层水平赋存，则其支若煤（岩）层水平赋存，则其支承压力的分布见图承压力的分布见图4.14.

3、1所示：所示：4.1采场围岩支承压压力分布形态 4.1.1 4.1.1 支承压力及支承压力及基本概念第四章第四章 第第3 3页页特点特点概念概念图图4.1 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第四章第四章 第第4 4页页ss3s2s1L3=L4=.=LnL2L1m4m3m1m2s1(a)(a)图图4.1 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(b)(b)第四章第四章 第第5 5页页s1m2m1m3m4L1L2L3=L4=LnL1s1s2s3s1 1）支承压力大小表达式）支承压力大小表达式 直接覆盖岩梁的单位重量 直接覆盖岩梁悬跨度部

4、分传递至该处的作用力 niniixiiiiiyCLmm11niiim1niiim1第四章第四章 第第6 6页页来源来源2 2）支承压力与支承压力显现的关系）支承压力与支承压力显现的关系 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。 第四章第四章 第第7 7页页思考思考4.1.2 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 回采工作面前后方支承压力的分布可分为四个区域， 即工作面前方的原岩应力区（A ）、应力增高区（B ）、工作面后方的应力降低区（C ）和应力稳定区（D ）。 在工作面中部沿走向作一剖面，（如图

5、4.2所示）。其分布的基本规律：第四章第四章 第第8 8页页 在工作面采空区沿倾斜作一剖面，（如图4.3所示）其分布的基本规律：即在采空区存在应力降低区C ，煤柱上存在高应力区B2 ，以及上一个工作面采空区的压力稳定区D 。影响因素影响因素 原岩应力、采空区的形状和尺寸、采空区上覆岩层的性质及动态、煤柱的强度及其周围采动状况以及煤层的开采厚度等。 图图4.2 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第四章第四章 第第9 9页页ABCDK HHH工作面前方应力变化区；工作面控顶区；垮落岩石松散区； 垮落岩石逐渐压缩区；垮落岩石压实区；A原岩应力区；B应力增高区；C应力降低区；

6、D应力稳定区图图4.3 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第四章第四章 第第1010页页AB1CB2CDHHHK1HK2HA原岩应力区；B1、B2应力增高区；C应力降低区； D应力稳定区4.1.3 关于两个应力场的理论 研究证明，对应不同的开采深度和煤层强度条件，采场 周围煤层上支承压力分布可能有以下三种情况：第四章第四章 第第1111页页单弹一的性分布X0S1出现塑性破坏区的分布S0X0S1出现内应力场的分布图4.4 不同阶段支承压力分布规律2）内应力场的范围及存在条件内应力场的出现是以存在塑性区为前提的，煤层不出现塑性区，自然也就不会出现内应力场。maxKHc

7、HKcmaxmin或 开采深度H及集中系数Kmax越大，则塑性区范围将越大；煤层强度越高（即单轴抗压强度c值越大），在同样深度条件下塑性区的范围将越小；在一定采深和既定煤层条件下，塑性区范围与煤层开采厚度成正比。 第四章第四章 第第1212页页存在条件存在条件满足相应条件的判别式为：结论结论（3 3）内应力场压力的大小及影响因素）内应力场压力的大小及影响因素同时运动的岩层数目及各岩梁的重量。参与运动的岩梁数目越多，各岩梁的厚度及强度越大，则内应力场的压力越大。内应力场中的最大支承压力值与分布范围（S0）大小成反比，由下部岩梁裂断位置所决定的内应力场范围越小，则压力峰值将越高。改变采场支架的阻力

8、，可以改变内应力场应力的大小和分布。第四章第四章 第第1313页页xxxyG支承压力可由下式表达 影响因素：影响因素： 4 4）外应力场应力分布特点及其稳定条件）外应力场应力分布特点及其稳定条件 外应力场应力稳定需要以下两个条件：外应力场应力稳定需要以下两个条件：采场（工作面）停止推进；基本顶运动停止。第四章第四章 第第1414页页 分布特点：分布特点：采深达到一定的界限后 同时存在弹性区和塑性区 基本顶端部裂断前 基本顶端部裂断前范围扩展到最大值 范围收缩到最小 5 5）关于基本顶的作用问题）关于基本顶的作用问题 作为传递上覆岩重的介质，基本顶起着中间垫层和支托层的作用，即上覆岩层压力只有通

9、过它才能传递到煤层的各个部位；基本顶本身就是支承压力来源的一个组成部分。4.2 采场支承压力分布与上覆岩层运动间的关系 4.2.1 采场推进过程中前方支承压力分布与上覆岩层运动间的关系支承压力分布与显现变化划分为三个阶段：支承压力分布与显现变化划分为三个阶段： 第四章第四章 第第1616页页从采场推进开始至煤壁支承能力改变(即煤壁附 近煤体进入塑性状态)之前。煤体没有破坏，弹性压缩；显现分布：显现分布：第一阶段：第一阶段：煤体特点：煤体特点：压力特点：压力特点： 一条高峰在煤壁上的单调下降曲线(如图4.5a)；与压力分布曲线相同。即煤壁没有进入塑性状态，各岩梁的跨度相等，同一位置的传递系数相同

10、。SXLX0S0 x0 3X0 2X0 1C0S0L0(a )( b )(c )(d )SXLX0S0 x0 3X0 2X0 1C0S0L0(a )( b )(c )(d )第四章第四章 第第1717页页图4.5 初次来压阶段支承压力分布SXLX0S0 x0 3X0 2X0 1C0S0L0( a )( b )( c )( d )SXLX0S0 x0 3X0 2X0 1C0S0L0(a )( b )(c )(d )图4.5 初次来压阶段支承压力分布第四章第四章 第第1818页页 总体仍为单调下降曲线，但是具体讲则是 塑性 区内与压力分布相反，弹性区内与压力分布相同。 第四章第四章 第第1919页

11、页第二阶段：第二阶段： 从煤壁支承能力改变到老顶岩梁端部断裂前为止。煤体特点：煤体特点：煤体支承能力降低，随老顶岩梁的离层发展，其作为载荷与传递上部岩重的作用将逐步下降，而作为形成支承压力的“载荷作用”将越来越占据主导地位。 压力特点：压力特点：塑性区（包括煤体已完全破坏部分）压力逐渐上升。 弹性区内则单调下降，其压力高峰在交界处。矿山压力显现特点：矿山压力显现特点： 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（如图4.6所示）。第四章第四章 第第2020页页第三阶段第三阶段: :从老顶岩梁端部断裂到岩梁中部触矸为止。特特 点点: :支承压力分布与

12、显现变化剧烈，压力分布与显现总体一致。压力特点压力特点: : 1 断裂线附近应力集中;2 以断裂线为界分为两个应力场; 3 两个应力场中压力分布背向发展。两个过程：两个过程： 4.6（a）所示状态 4.6（c）中实曲线1所示状态 图4.6（c）曲线1所示状态 基本顶岩梁运动结束 图4.6 正常推进阶段支承压力分布 （a）（b）第四章第四章 第第2121页页第四章第四章 第第2222页页图4.6正常推进阶段支承压力分布 123b（c）21bacc（d）岩梁端部断裂前夕 岩梁断裂结束时 4.2.2 4.2.2 工作面两侧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

13、随采场推进，两侧支承压力分布将经历下列发展阶段:工作面推进到图4.7中3的位置，岩层将深入煤壁内部断裂，支承压力显现分为内、外两个应力场。 第四章第四章 第第2323页页第一阶段：第一阶段：上下两侧煤壁边缘处于弹性状态。关系：关系：两个方向上的压力高峰始终在煤壁上，峰值随推进步距增加而增加。第二阶段：第二阶段： 煤壁边缘破坏，部分进入塑性状态（图中2位置）。煤壁破坏，压力高峰前移，压力分布形成弹性和塑性两个区域关系：关系：第三阶段：第三阶段：关系：关系：压力分布随基本顶运动发展变化而变化。 LLC0C0LC01233 1233S2S3S2S3123a = 1(a )(b )(c )图4.4 采

14、场四周支承压力分布发展过程第四章第四章 第第2424页页4.3 采场支承压力分布与矿山压力显现间的关系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。第四章第四章 第第2525页页支承压力分布与矿山压力显现的变化划分为三个阶段：第一阶段：第一阶段： 从采场推进开始至煤壁支承改变（即煤壁附近煤体进入塑性状态）之前。 关系：关系： 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的单调下降曲线如图4.8所示。第二阶段：第二阶段：在弹性区压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，如图4.9所示。关系：关系：从基本顶岩梁端部断裂起至岩梁中部触矸止。第四章第四章 第第26

15、26页页第三阶段：第三阶段：超前巷道中的压力显现的变化与压力分布的变化趋势相一致 关系：关系： vxh图图4.8 4.8 煤体弹性状态下支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四章第四章 第第2727页页 vx塑性区弹性区h图图4.9 4.9 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第四章第四章 第第2828页页4.4采场矿山压力显现与上覆岩层运动间的关系矿压显现产生的根源在于上覆岩层运动。矿压显现产生的根源在于上覆岩层运动。4.4.1 围岩变形、破坏与跨落采煤工作面开采以来初次断裂，使工作面支架承受较大采煤工作面开采以来初次断裂，使工作

16、面支架承受较大的静载荷或冲击载荷，这种矿山压力显现叫做基本顶初的静载荷或冲击载荷，这种矿山压力显现叫做基本顶初次来压。次来压。 第四章第四章 第第2929页页产生根源产生根源顶板跨落过程顶板跨落过程：直接顶的初次垮落直接顶的初次垮落基本顶初次来压基本顶初次来压基本顶周期来压基本顶周期来压基本顶初次来压概念：基本顶初次来压概念：基本顶周期来压步距概念：基本顶周期来压步距概念：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周期来压步距。平均值叫做基本周期来压步距。 第四章第四章 第第3030页页4.4.2 采场支架上的压力显现

17、与上覆岩层运动间的关系关系关系采场支架受力（支架载荷）是顶板运动的结果，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其值取决于支架对顶板运动控制的方式和抵抗程度 在采场工作过程中，可以用图在采场工作过程中，可以用图4.10的支架模型表示，其受的支架模型表示，其受力值力值RT由下式表达：由下式表达：1）增阻支架：）增阻支架：ERRT0式中式中 RR支架阻力，支架阻力，N N； R0R0支架的始动阻力，支架的始动阻力，N N；EE支架的刚度，支架的刚度，N/mN/m；支架的压缩量，支架的压缩量，m m 支架的压缩量可由下式表示支架的压缩量可由下式表示 )(

18、fdTihhihi采场顶板下沉量，采场顶板下沉量，m m； TT支架钻入顶板的深度，支架钻入顶板的深度，m m；dd支架钻入底板的深度，支架钻入底板的深度，m m；ff辅助性支护结构辅助性支护结构（如戴帽、穿鞋等）的压缩量，（如戴帽、穿鞋等）的压缩量，m m。 式中式中 顶板下沉量顶板下沉量hi可由下式近似表示：可由下式近似表示： iKiLLhAS第四章第四章 第第3131页页mEmzhLzLk hZSAR0ERT图图4.10支架模型及其工作状况支架模型及其工作状况 第四章第四章 第第3232页页 2 2）“给定变形给定变形”状态下支架的压力显现规律支架受力与采场顶状态下支架的压力显现规律支架

19、受力与采场顶 板下沉量的变化规律如图板下沉量的变化规律如图4.114.11所示。所示。图图4.11“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第四章第四章 第第3333页页b0a0bababaRhS0支架阻力顶板下沉量推进步距R0h0恒阻支架上的压力显现规律恒阻支架上的压力显现规律 其中其中 minR=0R maxR0R=TR0R 。支架在下缩过程中，其阻力是。支架在下缩过程中，其阻力是恒定的，即恒定的，即 ，在不破顶、钻底的情况下，与采，在不破顶、钻底的情况下，与采场顶板下沉量无关。场顶板下沉量无关。=恒阻支架恒阻支架支架上的压力显现将周期性的出现稳定的恒阻段，这一显支架上的压力显现将周期性的出现稳定的恒阻段，这一显现规律如图现规律如图4.124.12（a a）所示。）所示。 hh最小和最大顶板下沉量（最小和最大顶板下沉量（，）hbLSLmAK= hbLSLmAK = 来压结束时岩梁的悬跨度，来压结束时岩梁的悬跨度，c c mL第四章第四章 第第3434页页图图4.12 “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第四章第四章 第第3535页页R0推进步距顶板下沉量支架阻力0SRabababb0R0a0h0h分析在给定变形条件和限定变形状