矿山压力与矿山压力显现

1、Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-2712.1 矿山压力及其在围岩中的分布矿山压力及其在围岩中的分布 2.2 矿山压力显现矿山压力显现 2.3 矿山压力与矿山压力显现间的关系矿山压力与矿山压力显现间的关系 Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-2722.1 矿山压力及其在围岩中的分布矿山压力及其在围岩中的分布 矿压与矿压显现矿压与矿压显现2.1.1 矿山压力的概念矿山压力的概念ABBTD图图2.1 采动空间与围岩采动空间与围岩 围岩：采动空

2、间周围岩体，包括图围岩：采动空间周围岩体，包括图2.1中所示的中所示的顶板（顶板（T），底板（），底板（D）及两帮（）及两帮（B）岩层，统称为）岩层，统称为“围岩围岩”。 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）层的的“采动采动”。 采动空间：采动后，在煤（或岩）层中形成的采动空间：采动后，在煤（或岩）层中形成的空间称为空间称为“采动空间采动空间”。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-273矿压与矿压显现矿压与矿压显现q= Habc311133

3、311313Hq= Habc311133311313H（a）开采前）开采前 （b）开采后）开采后 图图2.2 开采前后应力分布开采前后应力分布 煤及岩层采动前，一般在覆盖层重力、构造运动作用力等地质力的作用煤及岩层采动前，一般在覆盖层重力、构造运动作用力等地质力的作用之下，处于三向受力的原始平衡状态。煤及岩层采动后，由于支承条件的改之下，处于三向受力的原始平衡状态。煤及岩层采动后，由于支承条件的改变，其原始平衡状态遭到破坏，边界上的作用力、分布在各点的应力（包括变，其原始平衡状态遭到破坏，边界上的作用力、分布在各点的应力（包括大小及方向）随之改变。大小及方向）随之改变。 矿山压力矿山压力：采动

4、：采动后作用于岩层边界后作用于岩层边界上或存在于岩层之上或存在于岩层之中，促使围岩向已中，促使围岩向已采空间的运动的力。采空间的运动的力。 （即采动后促使围（即采动后促使围岩运动的力）岩运动的力）Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-274矿压与矿压显现矿压与矿压显现2.1.2 矿山压力的来源矿山压力的来源 采动前原岩中各点的应力，就其来源主要有以下三个方面：采动前原岩中各点的应力，就其来源主要有以下三个方面：覆盖岩层的重力；覆盖岩层的重力；构造运动的作用力；构造运动的作用力；岩体膨胀的作用力，包括岩体因温度升高或遇水

5、膨胀而产生的力等。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。（1）重力）重力 在未受构造运动影响的地区，处于某一深度的岩层中，覆盖岩层重量所引在未受构造运动影响的地区，处于某一深度的岩层中，覆盖岩层重量所引起的垂直压应力可表示为：起的垂直压应力可表示为： Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-275Hxyz=1y1=2z1=3=1=2=3x1x1y1z1图图2.3 单元体受力状态单元体受力状态Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-

6、4-276矿压与矿压显现矿压与矿压显现单元体受力平衡条件为：单元体受力平衡条件为：0)( 0)(11x1111111zyzyxxzxEEE即 可得出该点在垂直压力的作用下可得出该点在垂直压力的作用下产生的水平压应力为：产生的水平压应力为： Hyzx1111Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-277矿压与矿压显现矿压与矿压显现 垂直应力、水平应力都是压应力，且水平应力由垂直应力引起。垂直应力、水平应力都是压应力，且水平应力由垂直应力引起。重力原始应力场的特点：重力原始应力场的特点： 应力场中各点最大、最小主应力的方向基

7、本不变，同一深度水平、同一应力场中各点最大、最小主应力的方向基本不变，同一深度水平、同一岩层中的应力值基本上相同，且与时间无关。岩层中的应力值基本上相同，且与时间无关。 垂直压应力随深度的增加呈正比例的增加。但水平压应力在深度超过某垂直压应力随深度的增加呈正比例的增加。但水平压应力在深度超过某数值后，随深度增加是非线性的，增加的比例随围岩性质的不同而不同。因数值后，随深度增加是非线性的，增加的比例随围岩性质的不同而不同。因此，矿山压力随采深增加而成比例增加的说法是不确切的。此，矿山压力随采深增加而成比例增加的说法是不确切的。 采动前，岩层中任何点的垂直平面和水平面上不存在剪应力分量。采动前，岩

8、层中任何点的垂直平面和水平面上不存在剪应力分量。（两平面上的应力都是主应力）。（两平面上的应力都是主应力）。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-278矿压与矿压显现矿压与矿压显现（2）构造应力）构造应力 深部岩层中各点的深部岩层中各点的应力将是自重应力场和应力将是自重应力场和构造应力场在该点应力构造应力场在该点应力的叠加，其最大主应力的叠加，其最大主应力的大小和方向，多数情的大小和方向，多数情况下是由构造运动形成况下是由构造运动形成的应力所决定的。的应力所决定的。（a）垂直成因构造）垂直成因构造 （b）水平成因构造）

9、水平成因构造 图图 2.4 构造应力构造应力 在受构造运动作用力影响强烈的地区，特别是临近背斜轴、向斜轴等构在受构造运动作用力影响强烈的地区，特别是临近背斜轴、向斜轴等构造线的部位，构造运动形成的应力场往往是重要的。造线的部位，构造运动形成的应力场往往是重要的。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-279矿压与矿压显现矿压与矿压显现（3）膨胀应力）膨胀应力 泥质岩石特别是含有蒙脱石等吸水很强的成分情况下，遇水膨胀可以泥质岩石特别是含有蒙脱石等吸水很强的成分情况下，遇水膨胀可以产生很高的膨胀应力，是巷道矿山压力的一个重要

10、来源。龙口矿区、吉林产生很高的膨胀应力，是巷道矿山压力的一个重要来源。龙口矿区、吉林省梅河、舒兰等矿务局的一些矿井中，在软岩中开掘和维护巷道遇到较大省梅河、舒兰等矿务局的一些矿井中，在软岩中开掘和维护巷道遇到较大的困难，主要是膨胀压力作用的结果。的困难，主要是膨胀压力作用的结果。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-2710矿压与矿压显现矿压与矿压显现2.2 矿山压力显现矿山压力显现 煤及岩层采动后，应力重新分布，处于采动边界的部位承受较高压力煤及岩层采动后，应力重新分布，处于采动边界的部位承受较高压力作用，约束条件、

11、受力状况都发生明显改变。当该部位承受的压力值没有作用，约束条件、受力状况都发生明显改变。当该部位承受的压力值没有超出其允许的限度时，围岩处于稳定状态。当采动边界部位的煤（岩）体超出其允许的限度时，围岩处于稳定状态。当采动边界部位的煤（岩）体所承受的压力值超出其允许极限后，围岩运动将明显表现出来，即产生煤所承受的压力值超出其允许极限后，围岩运动将明显表现出来，即产生煤（岩）体扩容后的塑性破坏、煤（岩）帮片塌、顶板下沉与底板鼓起等一（岩）体扩容后的塑性破坏、煤（岩）帮片塌、顶板下沉与底板鼓起等一系列矿压现象。系列矿压现象。 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采动后，在矿山压

12、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，称为出来的矿山压力现象，称为“矿山压力显现矿山压力显现”。矿山压力显现的基本形式包括矿山压力显现的基本形式包括围岩的明显运动围岩的明显运动与与支架受力支架受力等两个方面。等两个方面。 2.2.1基本概念基本概念Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-2711矿压与矿压显现矿压与矿压显现（1）围岩运动）围岩运动（d）顶板下沉与支架承载）顶板下沉与支架承载图图2.14 矿山压力显现的基本形式矿山压力显现的基本形式两帮运动：巷道两帮的弹性变形、裂隙扩展、两帮岩体扩容

13、后产生的塑性破两帮运动：巷道两帮的弹性变形、裂隙扩展、两帮岩体扩容后产生的塑性破坏与塑性流动，两帮岩体向着采动空间内的移动坏与塑性流动，两帮岩体向着采动空间内的移动顶板运动：指巷道及工作面顶板的弯曲下沉、裂断破坏及破碎岩石冒落。顶板运动：指巷道及工作面顶板的弯曲下沉、裂断破坏及破碎岩石冒落。底板运动：指巷道及工作面底板岩层的鼓起、隆起及裂断破坏等。底板运动：指巷道及工作面底板岩层的鼓起、隆起及裂断破坏等。（a）冒落、片帮）冒落、片帮（b）两帮鼓出）两帮鼓出（c）顶底板移近）顶底板移近Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4

14、-2712矿压与矿压显现矿压与矿压显现 反映围岩运动的动态信息：顶底板、两帮的移近量、移近速度，以及顶反映围岩运动的动态信息：顶底板、两帮的移近量、移近速度，以及顶板压力（顶底板岩层相对移动过程中的压力显现）等。板压力（顶底板岩层相对移动过程中的压力显现）等。（2）支架受力）支架受力 支架承受载荷的增减、支架变形（活柱支架承受载荷的增减、支架变形（活柱下缩）以及支架压折等现象。下缩）以及支架压折等现象。2.2.2 矿山压力显现的条件矿山压力显现的条件 矿山压力显现是矿山压力作用下围岩运动的具体表现。由于围岩的明矿山压力显现是矿山压力作用下围岩运动的具体表现。由于围岩的明显运动是在满足一定力学条

15、件后才会发生，所以矿山压力显现是有条件限显运动是在满足一定力学条件后才会发生，所以矿山压力显现是有条件限制的。制的。 顶板下沉与支架承载顶板下沉与支架承载Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-2713矿压与矿压显现矿压与矿压显现（1）两帮岩体破坏条件）两帮岩体破坏条件 采动后围岩应力重新分布，两帮采动后围岩应力重新分布，两帮岩体承受较高应力作用。根据莫尔岩体承受较高应力作用。根据莫尔-库仑准则可得两帮岩体不发生剪切破库仑准则可得两帮岩体不发生剪切破坏的条件：坏的条件：q= Habc311133311313Hsin1co

16、s21C两帮岩体破坏前承受的垂直应力：两帮岩体破坏前承受的垂直应力： HK1可得两帮岩体稳定状态时的关系式：可得两帮岩体稳定状态时的关系式：)sin1 (cos2KCHGround Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-2714矿压与矿压显现矿压与矿压显现（2）顶板岩层破坏条件）顶板岩层破坏条件yH=KxmaxAABBCDlABNN( a ) 巷 道 结 构 示 意 图( b ) 顶 板 简 化 模 型yH=KxmaxAABBCDlABNN( a ) 巷道结构示意图( b ) 顶板简化模型2121qlMMBAGround Press

17、ure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-2715矿压与矿压显现矿压与矿压显现受拉破坏受拉破坏 顶板岩层两端嵌固，自重作用下两嵌固端所受弯矩超顶板岩层两端嵌固，自重作用下两嵌固端所受弯矩超出允许限度而产生拉破坏：出允许限度而产生拉破坏：拉AAWM化简后得到：化简后得到：拉21ml Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-2716矿压与矿压显现矿压与矿压显现2.2.3 矿山压力显现的相对性矿山压力显现的相对性（1）巷道围岩运动的相对性）巷道围岩运动的相对性 采动过程中，围岩要

18、向着采动空间运动。由于围岩承受的压力大小、自身采动过程中，围岩要向着采动空间运动。由于围岩承受的压力大小、自身强度、受力状况等不同，运动的发展程度也不相同。强度、受力状况等不同，运动的发展程度也不相同。 如果顶底板是低强度、分层厚度小的粉砂岩、页岩、泥岩时，则在自重如果顶底板是低强度、分层厚度小的粉砂岩、页岩、泥岩时，则在自重及轴向力等的作用下，顶板很容易弯曲下沉，底板鼓起，造成顶底板移近及轴向力等的作用下，顶板很容易弯曲下沉，底板鼓起，造成顶底板移近量增大。如果顶底板为高强度厚分层的砂岩、砂质页岩等组成时，顶底板量增大。如果顶底板为高强度厚分层的砂岩、砂质页岩等组成时，顶底板移近量就要小得多

19、。移近量就要小得多。 围岩变形能力不仅取决于所承受的压力大小，还与围岩强度有关。低围岩变形能力不仅取决于所承受的压力大小，还与围岩强度有关。低强度岩体的变形能力要高于高强度岩体。强度岩体的变形能力要高于高强度岩体。大同、通化、北京等局的巷道顶底板是坚硬砂岩，采用无支护就属此例。大同、通化、北京等局的巷道顶底板是坚硬砂岩，采用无支护就属此例。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-2717矿压与矿压显现矿压与矿压显现1113311（a） （b） （c） 图图2.21 巷道围岩稳定与破坏巷道围岩稳定与破坏 巷道掘进后及时架设

20、支架，给两帮岩体提供侧向力巷道掘进后及时架设支架，给两帮岩体提供侧向力3（图（图c），使其转），使其转为三向应力状态，阻止破坏的继续发展，可以维持围岩的稳定，矿压显现程为三向应力状态，阻止破坏的继续发展，可以维持围岩的稳定，矿压显现程度就可得到明显控制。度就可得到明显控制。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-2718矿压与矿压显现矿压与矿压显现（2）支架受力的相对性）支架受力的相对性支架上的压力显现大小主要取决于三方面因素：支架上的压力显现大小主要取决于三方面因素：支架对围岩运动的抵抗程度支架对围岩运动的抵抗程度 支

21、架对围岩抵抗程度越高，承受的荷载越大，围岩变形越小。相反，如果支架对围岩抵抗程度越高，承受的荷载越大，围岩变形越小。相反，如果支架不能对围岩的运动进行抵抗，而是在运动过程中逐步支架不能对围岩的运动进行抵抗，而是在运动过程中逐步“退让退让”，则压力，则压力显现不明显，而围岩变形则相应增大显现不明显，而围岩变形则相应增大 。 同一种巷道，是采用砌碹支护，还是采用可缩性支架支护，巷道变形及同一种巷道，是采用砌碹支护，还是采用可缩性支架支护，巷道变形及支架上受力大小截然相反：前者碹体受力大，巷道变形小（因为支架对围岩支架上受力大小截然相反：前者碹体受力大，巷道变形小（因为支架对围岩运动起到了限制作用）

22、，后者则支架受力相对减小、巷道变形相应增加。运动起到了限制作用），后者则支架受力相对减小、巷道变形相应增加。 Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-2719矿压与矿压显现矿压与矿压显现 对于回采工作面来说，当支架对顶板处于对于回采工作面来说，当支架对顶板处于 “非让压非让压”（“限定变形限定变形”）工作状态时，支架抵抗程度越高（即老）工作状态时，支架抵抗程度越高（即老顶岩梁下沉量越小），对增阻支柱来说，顶板下沉量越小，顶岩梁下沉量越小），对增阻支柱来说，顶板下沉量越小，支架上显现的压力也越小。若对岩梁位态限制程度越低，

23、支架上显现的压力也越小。若对岩梁位态限制程度越低，处于处于“让压让压” （“给定变形给定变形”）工作状态，则老顶岩梁运）工作状态，则老顶岩梁运动结束时的顶板下沉量越大，采用增阻支柱时显现的压力动结束时的顶板下沉量越大，采用增阻支柱时显现的压力相对减小。相对减小。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-2720矿压与矿压显现矿压与矿压显现2.3 矿山压力与矿山压力显现间的关系矿山压力与矿山压力显现间的关系 矿山压力与矿山压力显现间的辩证关系矿山压力与矿山压力显现间的辩证关系 矿山压力的存在是客观的、绝对的，它存在于采动空间

24、的周围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。用的结果。 围岩中有矿山压力存在却不一定有明显的显现。围岩的明显运围岩中有矿山压力存在却不一定有明显的显现。围岩的明显运动本身就是有条件的，只有当应力达到围岩强度后才会发生。支架动本身就是有条件的，只有当应力达到围岩强度后才会发生。支架受力也是如此，不仅取决于围岩的明显运动，还取决于支架对围岩受力也是如此，不仅取决于围岩的明显运动，还取决于支架对围岩运动的抵抗程度。运动的抵抗程度。Ground Pressure

25、 and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-2721矿压与矿压显现矿压与矿压显现 压力显现强烈的部位不一定是压力高峰的位置。如图中所示，在压力显现强烈的部位不一定是压力高峰的位置。如图中所示，在A处顶处顶板下沉量比板下沉量比B处大，但支承压力高峰却是在处大，但支承压力高峰却是在B处。处。ABABCABCD12KHmax( a )( b )( c ) 在岩层运动发展过程中，矿山压力与矿山压力显现之间存在一定的对应在岩层运动发展过程中，矿山压力与矿山压力显现之间存在一定的对应关系，根据两者之间的关系，可以通过矿山压力的显现来推断压力高峰的关系，根据两者之间的关系，可以通过矿山压力的显现来推断压力高峰的位置，为巷道布置提供依据。位置，为巷道布置提供依据。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-4-2722矿压与矿压显现矿压与矿压显现关于支护的作用问题关于支护的作用问题 Ground Pr