矿山压力及其控制课件

礦山壓力及其控制

第一章緒論

1.1礦山壓力的基本概念

我們所說的採礦通常是指固體礦床地下開採，即：地下開採和露天開採。在煤礦行業，地下開採又常稱為“井工開採”或標準採礦等，由於露天開採對地表破壞、環境污染較嚴重，也稱為非標準採礦。採礦分類地下採礦露天採礦海洋採礦特殊採礦金屬礦地下開採地下開採非金屬礦地下開採砂礦床露天開採固體礦床露天開採海底砂礦開採海底熱液砂床開採海底錳結核開採海水化學元素提取海底基岩礦床開採熱液採礦容浸採礦水溶採礦鹽湖礦床開採飾面石材開採機械開採水力機械采砂采砂船開採固體礦床開採撫順西露天煤礦采場煤礦露天開採河南義馬北露天煤礦采場內部排土場煤礦露天開採厚煤層地下開採

無論是地下開採還是露天開採都可抽象為對原有地殼的一種人為破壞活動，或稱是一種人為的有目的在地殼岩體中的大規模開挖活動。這種開挖活動破壞了岩體原有應力平衡狀態，引起了岩體內部應力重新分佈，其結果表現為開掘的井、巷、硐、工作面、露天礦采場邊坡等的周圍岩體變形、移動、甚至破壞，直到岩體內部重新形成一個新的應力平衡狀態為止，見下圖。

礦體礦體井筒與巷道

礦山壓力：

嚴格的講，礦山壓力應包括地采和露采兩部分內容，但由於傳統的觀念和習慣，礦山壓力通常指與地采有關的內容，即概念如下。礦山壓力（i.e.礦壓）：這種由於在地下煤炭中進行採掘活動而在井巷、硐室、及回採工作面周圍煤岩體中和其中的支護物上所引起的力，就叫礦山壓力。

礦山壓力顯現：

在礦山壓力作用下，會引起各種力學現象，如頂板下沉、底板臌起、巷道斷面縮小、岩體破壞脫落母體甚至大面積冒落，煤被壓松產生片幫或突然拋出，支架嚴重變形或損壞，以及大面積岩層移動，地表發生塌陷等等，這些由於礦山壓力作用，使圍岩、煤體和各種人工支撐物產生的種種力學現象，通稱為“礦山壓力顯現”.i.e.”礦壓顯現”。

礦山壓力控制：隨著大規模開採活動及礦壓顯現給工作帶來嚴重危害，為使礦壓顯現不致影響採礦工作正常進行和保障安全生產，必須採取各種技術措施把礦山壓力顯現控制在一定的範圍內，對有利於採礦生產的礦山壓力顯現也要合理的利用。所有減輕、調解、改變和利用礦山壓力作用的各種方法，均叫做礦山壓力控制。

礦山壓力及岩層控制：

礦山壓力、礦山壓力顯現、礦山壓力控制是礦山壓力與岩層控制研究的主要內容。隨著大規模開採活動及礦壓顯現給工作帶來嚴重危害，人們迫切需要一種理論來解釋和研究有關的礦壓現象，並用以指導工程設計和安全生產，這就使於60年代形成了一門新的學科分支——礦山壓力及岩層控制。1.1.2礦山壓力及岩層控制對採礦工程的作用

（1）生態環境保護：地下水破壞、地表沉降、矸石山占地、瓦斯抽放等。（2）保證安全和正常生產：頂板事故、巷道穩定、邊坡控制等，掌握礦山壓力活動的基本規律，用以指導採礦生產的設計，生產組織，保障安全生產，設備正常運行。（3）減少地下資源損失：通過研究和實測礦壓活動規律，減少頂板等事故，選擇合理煤柱尺寸，甚至某些情況下取消煤柱，減少煤炭資源損失量。（4）改善地下開採技術：地下開採技術的進步與對礦壓顯現規律的深刻認識和礦壓控制手段的改善有密切關係。（5）提高開採經濟效果：礦壓顯現預測、支護品質與頂板動態監測、資訊回饋、確定優化的礦山與開採設計等，提高開採效益。綜上所述，掌握礦壓顯現規律，研究礦壓控制的有效方法，對煤礦生產有十分重要意義。1.1.3採礦工程的力學特點（1）採礦工程岩體結構的本質

與地面工程結構不同，地下工程圍岩即是載荷，也是一種承載結構。（2）採礦工程的移動特性（3）採礦工程中圍岩的大變形和支護體的可縮特性（4）採礦工程中的能量原理和動力現象1.2礦山壓力及控制的發展簡況

1.2.1對礦壓的早期認識階段

我國是世界上採礦最早的國家之一，中國採礦有文字可考的歷史始於商代，但實際的採礦活動還要早很多。

春秋至南北朝（西元前770年至前200年），採礦技術已有全面發展。隨著採礦規模日益擴大，經常出現礦井內頂板冒落，巷道堵塞或地表塌陷，迫使人們重視和研究礦壓問題。

1.2.2建立礦壓早期假說階段

19世紀後期到20世紀初，是礦壓研究的第二個階段。利用一些簡單的力學原理解釋實踐中出現的一些礦壓現象，並提出了一些初步的礦壓假說，具有代表性的是“壓力拱假說”，即認為巷道上方能形成自然平衡拱及有關分析計算。同時提出了以岩石堅固性係數f（普氏係數）作為定量指標的岩石分類方法，曾獲得廣泛應用至今。

在這個階段中，對巷道圍岩破壞機理和支架所受的岩石壓力大小開始了初步的理論研究。在研究岩層和地表移動等方面，進行了地面及井下觀測，研究到地表建築物的損壞不僅由於地表下沉，還由於水準移動的結果。1.2.3以連續介質力學為理論基礎的研究階段

20世紀30年代至50年代：將整個岩體作為連續的，各向同性的彈性體來考慮，即用彈性理論研究礦山壓力問題，這一階段的典型成果：（1）用虎克定律推導出了自重作用下原岩應力的計算公式；（2）用彈性理論解決了圓形巷道的應力分佈問題。

後來又研究了岩體非均質和各向異性對理想彈性體的影響，以及把岩層看作具有不同變形特徵的彈性介質，進一步研究岩體層理性的影響，此外還用連續介質力學方法研究了岩層移動問題。在進行理論研究的同時，研究礦壓的實驗手段也獲得了發展，其中較為應用的是利用相似材料進行的相似模型研究方法和利用光敏感材料進行的光彈性模擬方法。

1.2.4礦壓研究的近代發展階段（60年代至今）

這個時期的科技發展特點：（1）礦山開採規模增大；（2）電腦技術飛速發展；（3）相關學科進步明顯。與此相類似，礦壓研究取得了一些新進展：

（1）理論方面

將傳統的連續、彈性、各向同性的岩體→岩體是有各種弱面切割的裂隙體，具有與一般固體所不同的特徵。從這個觀點出發引用相關學科中現代研究成果，出現了一系列邊緣學科分支和方法，如岩石斷裂力學，岩石塊體力學，岩石流變學等。

在研究方法方方面，在現代計算技術基礎上發展起來的一些新的數值分析方法：有限元，邊界元，離散元法等。這些方法可以考慮岩體複雜的力學屬性，進行巷道和硐室圍岩體中的應力變化和位移分佈，確定其穩定性等，使礦壓理論研究有可能獲得更符合實際的數值解答。

在地表岩層移動研究方面，在進行大量現場觀測和掌握了不同條件下岩層移動基本規律的基礎上，建立了更為完美的因開採造成的地表移動和變形值的計算和預測方法，以及開展了開採工作引起的煤層上覆岩層運動機理及其有關規律的研究。

（2）應用研究方面

配合地下開採技術和支護技術的發展，進行了不同煤層條件下採用不同支護類型的回採工作面中礦壓顯現規律的研究，開展了採用煤柱護巷和無煤柱護巷的各類巷道中的礦壓顯現規律的研究，以及進行了為解決有衝擊礦壓、煤和瓦斯突出危險煤層開採的有關研究，從而為改善回採工作面礦壓控制，合理佈置和維護巷道，以及保證安全生產，提供了科學依據。

（3）實驗研究方面

結合各類研究課題的進行，逐步應用和改善了現場與室內觀測和實驗的各種儀器和設備，有代表性是井下鑽孔電視應用和真三軸岩石試驗機以及剛性試驗機，為礦山壓力的進一步研究和完善提供了必要的原始數據和資料。大型模擬試驗台、先進的多點數據採集儀器等。

（4）礦壓現場控制方面

進一步改善了巷道支護技術，如大斷面、大縮量和高支撐力的可縮性金屬支架，廣泛應用錨杆支護，開發了各種類型的錨杆，注漿加固不穩定煤層和圍岩，回採工作面中使用自移式液壓支架，架型增多，適用範圍擴大等。對難以控制的堅硬頂板，通過高壓注水，超前爆破等手段，比較有效地避免了在采控區突然大面積冒落造成的危害。對井下衝擊礦壓的預測和控制效果大為提高。1.2.5我國在礦山壓力研究方面的主要工作與成就

為了配合全國有序地開展礦壓研究及推動煤礦科技進步。1979年4月26日煤炭部批准在中國礦業大學建立煤炭工業部礦山壓力情況報中心站，作為全國礦壓研究與實踐方面的重要學術組織，到目前為止已經組織召開了11屆全國性礦山壓力理論與實踐研討會。

下設八個分站：錢鳴高、牛錫倬、平壽康、劉天泉、宋振騏等學者對推動我國礦壓理論研究與工程應用作出了突出貢獻，如著名的砌體梁理論等。我國煤礦事故中頂煤事故由45％下降到15％，目前一批中青年學者、專家迅速成長。砌體梁理論、關鍵層理論、錨杆支護技術等。

1.3礦山壓力與岩石力學的關係

1.3.1礦山壓力與岩石力學的關係

隨著採礦深度何規模增大，礦山壓力的研究不斷深入和發展，人們越來越來多地認識了岩石的力學性質和開採過程中岩體內所發生的自然力現象和規律，在此基礎上產生了一個新的學科分支—礦山岩體力學。

即：礦山岩體力學是研究自然和采動影響所造成的礦山應力場中，有關礦山岩體和礦山工程結構的強度、穩定性和變形的科學，它既是固體力學的一個應用分支，也是採礦科學的一個組成部分。嚴格地說，礦山壓力是礦山岩石力學的一個應用部分，但由於我國煤礦系統的習慣，將礦壓作為一個獨立的課程。岩石力學最初產生於採礦工程，其服務對象也主要是採礦工程，但其研究方法和理論並非為採礦工程所獨有。

奧地利學派對岩石力學的發展起到了巨大作用。該學派地代表人物是L.Muller主要觀點有三個：（1）就大多數工程問題而言，岩體工程性質取決於岩體內部地質斷裂系統的強度要比取決於岩石本身強度的大得多，所以岩石力學是一種不連續體力學，即裂隙介質力學；（2）岩體強度是一種殘餘強度，其受到岩體中所含弱面強度的制約；（3）岩體的變形和它的各向異性主要由弱面位移所產生。

上述這三個觀點為岩石力學的發展起到了引導和促進作用，尤其是在工程地質、水電、冶金等岩石力學研究中受到格外重視，而煤炭行業由於煤田成因及研究問題的特殊性，沒有充分重視和發展上述觀點，但從長遠看煤炭行業的岩石力學有關問題研究必須與國際接軌，礦山壓力研究應納入到礦山岩石力學的一個應用分支，必須重尊岩石力學研究的一般準則。

1.3.2礦山壓力研究的主要內容地下採礦中常見的岩石開挖工程有：井硐、室巷道和工作面，其中以巷道和回採工作面最為常見，所以礦山研究以巷道回採工作面為核心進行研究。主要研究內容如下：（一）支承壓力（二）回採工作面上覆岩層活動規律及其分析

1.老頂穩定及初次極限跨距

2.裂隙體梁及結構分析

（三）回採工作面礦山壓力顯現基本規律

1.初次來壓分析

2.週期來壓分析

3.頂板壓力估算（四）回採工作面頂板控制與支護方法

1.支架圍岩相互作用原理

2.支架選型（五）采區巷道礦壓顯現與控制

1.巷道礦壓顯現的基本規律

2.巷道礦壓控制原理

3.采區巷道支護（六）動壓現象及控制

1.衝擊礦壓（衝擊礦壓煤、及瓦斯的突然噴出）

2.頂板大面積來壓

1.3.3礦山壓力研究的基本方法（1）現場觀測與統計方法現場觀測與研究是礦山壓力研究中必須不可少的基礎工作。我國早在50年代中期就開始進行回採工作面頂底板移近量和支柱受載觀測。目前礦壓現場觀測的方法和手段都有了很大發展。

觀測儀器已由過去單一的機械擴大到利用電、聲、光、磁等多科學技術的綜合應用，觀測方式也正在從人工就地讀數逐步向遙控和自動監測過渡，並且已廣泛利用電腦進行觀測數據的處理和分析。

（2）室內試驗方法由於採礦工程規模大、時間、複雜、以及受生產影響大等，現場觀測由於費用等原因受到一定的限制，所以逐漸借助室內試驗進行研究，目前仍以模擬試驗為主。（3）理論分析結構力學、岩石力學、彈性力學為主要分析工具（4）數值計算方法

FEM、BEM、DEMεεpεeOA·BCDστOA段：原始岩石內的空隙壓密階段；AB段：線彈性變形階段，B點為彈性極限；BC段：裂隙產生和擴展階段，呈現彈塑性變形，C點為強度極限，用Rc表示；CD段：殘餘承載階段，即岩石受載雖然已過強度極限，但仍具有部分承載能力，到達D點岩石完全破壞。

一般實驗機很難獲得上述全過程曲線，而只有C段以前的曲線，見右圖。原因：普通實驗機的剛性較小。對試件加載過程中，自身變形較大，積蓄了大量的變形能，當試件達到強度極限後，承載能力下降，壓力機內的變性能突然釋放，施加於試件上，導致試件突然破裂，常伴有炸裂響聲和碎塊飛出。CBAOστ（2）岩石強度特徵三向抗壓>雙向抗壓>單向抗壓>抗剪>抗拉（3）岩石破壞機理

岩石在外力作用下，首先產生不同形式的變形，繼而產生微裂隙和破裂，裂隙擴展到一定階段，岩石破壞。岩石破壞的基本形式如下：壓剪破壞有側向約束塑性流動破壞強的側向約束壓裂破壞無約束

1）壓裂破壞：加壓板與試件端面間摩擦阻力小時，試件橫向變形，變形量達到變形極限時，試件拉裂，形成平行於加壓方向的拉裂縫，試件破壞原因為拉裂破壞。

2）剪破壞：加壓板與試件端面有摩擦力較大時，產生剪切破壞（一組或幾組剪切面）。

3）塑性流動破壞：加壓板與試件端面有很大摩擦力時，試件二端面變形受到強阻礙時，出現了多組剪切面，試件會逐漸緩慢地膨脹成桶形。最後因塑性流動而導致破壞。該破壞形式是岩石顆粒產生微小剪切滑移的結果，仍是一種剪應力造成的剪切錯動。

2.1.2岩石的強度理論

岩石的強度理論：研究岩石在複雜應力作用下破壞的原因、規律及建立破壞的判據。目前已提出了很多種強度理論，但在目前岩石工程中常用的有兩種：莫爾－庫侖強度理論和格裏菲斯強度理論。（1）莫爾－庫侖強度理論

莫爾（Mohr）強度理論認為（1900）：固體材料發生破壞的主要原因是由於破壞面上的剪力達到一定限度。這個剪力除了與材料本身的性質有關外，還與破壞面上的正應力造成的摩擦阻力有關。例如，某一點材料發生破壞，不僅取決於該點的剪應力，同時也取決於該點的正應力。因此，岩石沿某一個面剪斷時所需要的剪應力與該面上的正應力存在某種函數關係：

該式為莫爾提出的一般形式，也稱為莫爾強度理論的普遍形式。具體應用中，要通過試驗確定其具體形式。一般的試驗方法就是做大量的單向拉、單向壓，不同圍壓下的三軸壓試驗，得到不同的莫爾圓，然後給出莫爾應力圓的包絡線。στσ1σ1σ3σ3σ1σ3極限莫爾圓τ=f（σ）

強度曲線的作用：（1）判斷岩石試件是否發生剪切破壞，由某一面上的做出應力圓可判斷試件發生破壞否。（2）判斷破壞面方向：通常（後面解釋）（3）（抗拉強度小於抗壓強度）

在岩石力學和工程設計中，為了計算岩石強度，必須給出相應的關係式，莫爾沒有給出的具體關係式，有人提出二次曲線或擺線等。但為了便於計算，當正壓力加大時（）通常採用斜直線作為強度曲線，即：、－分別為破壞面上的剪應力和正應力、－岩石的內聚力和內摩擦角

這一公式是由庫侖（Coulomb）1773年提出的，後由莫爾用新的理論加以解釋，故上式稱為莫爾－庫侖強度理論。由上式可得出如下關係：CctanφODNN1φMτσσ3σ1σ3σ3σ1σ1σαταC(σ1+σ3)/2(σ1-σ3)/22αSs=σtanφ+Cnα45°-α/2試件

由上圖：（1）（2）

這就是用極限主應力表示的莫爾－庫侖強度條件。做有限元計算時通常用這一公式作為Mohr-Coulomb強度理論的使用式。

上式中若，則就是岩石試件的單向抗壓強度（3）岩石的單向抗拉強度

由於岩石的抗拉強度不易試驗求得，通過上式可由獲得。

莫爾－庫侖強度理論目前在岩石力學領域中應用最廣

它能較全面地反映岩石的強度特性，如抗拉強度遠小於抗壓強度，能很好地解釋岩石在三軸受拉時會破壞（因強度包絡線在受拉區閉合）和三軸等壓壓縮時不會破壞（包絡線在受壓區不閉合）的現象。它不僅適用於塑性材料，還適用於脆性材料的破壞，所以廣泛用來解釋岩石的破壞現象。其中不足之處在於：只適用於剪切和塑性流動兩種破壞形式，不適用於拉斷破壞；其次莫爾－庫侖強度理論只考慮了最大主應力和最小主應力，與中間主應力無關，而一些試驗已經證明了對岩石破壞有影響。

（2）格裏菲斯強度理論（Griffith，1921）

格裏菲斯強度理論認為：任何固體內部都存在窄狹的微裂隙。無論材料的受力狀態如何（壓或拉），最終都會在裂隙尖端產生拉應力集中。當拉應力大於材料的抗拉強度時，裂隙擴展，直至材料破壞。由此可見，Griffith理論認為材料破壞是由於拉應力造成的這一理論適用於玻璃、陶瓷、岩石等脆性材料。

Griffith在進行理論準則推導時，認為材料內的裂隙可用橢圓代替。如，Griffith橢圓裂隙。然後將模型簡化為半無限介質中單個橢圓孔洞的平面應力問題處理。引用彈性力學關於半無限大介質橢圓孔周邊受力分析結果，得出雙向應力狀態下裂隙開始擴展的條件：

上式就是Griffith強度理論的破壞準則，也稱為拉應力準則。單向受壓時，。為了與莫爾－庫侖強度理論相比較，經過一定換算後，有：－橢圓裂隙周邊上的剪應力和正應力－岩石的單向抗拉強度στσyxyσxτxyσ1σ3

以上強度條件是建立在裂隙張開假設上，實際上，岩石在大多數情況下承受壓應力，裂隙閉合，這樣作用在裂隙面上的正應力將使裂隙上產生摩擦阻力，由於摩擦也能承受剪應力，所以岩石強度有所增加。據此有人提出了修正的格裏菲斯強度準則。

注：是裂隙面的法線方向與應力軸的夾角。

2.2岩體及其品質評價

2.2.1岩體的基本類型和特性

（1）岩體的基本特性岩石和岩體是兩個不同的概念，岩石是指小的岩石試件（試塊），而岩體是指岩石集合體，或指大範圍內的工程地質體。一般說來，岩體內可能含有不同種類的岩石，含有各種天然弱面，受到天然環境及力場作用等，沒有特定的自然邊界，我們工程中實際所遇到的都是岩體，與岩石相比，岩體具有如下力學屬性。1）非均質性對於由多種岩石組成的岩體，由於在自然條件下組成岩石的物質成分、組織結構及其組合狀況經常變化，所以一般認為岩體是非均質的。例如，對於層壯岩體，無論在層面上還是在垂直面上都具有明顯的非均質性。岩體除了因物質成分不同造成的非均質性外，由於各種非均質結構面切割的結果也呈現出明顯得結構非均質性。

2）各向異性各向異性是指岩體的全部或部分物理力學特性隨方向不同而表現出一定差異的性質。岩體的學多物理力學性質，如彈模、抗壓、抗拉強度，聲波的傳播速度等，就隨加載或測試方向不同而有顯著差別。見圖，x，y，z三個方向的力學指標明顯有差異。

岩體的各向異性也和非均質類似，不僅由於物質成分、結構緻密程度不同而造成，而且也受到各種結構面的影響。由於結構面的方位不同，數量不等，規模不一，性質各異，會造成岩體各向異性。當結果面組數少且各自發育程度不同的岩體，其各向異性會表現得明顯；反之，結構面組數多，各自都很發育，方向十分複雜的岩體，其各向異性表現的不明顯。組數多，各向異性弱，認為各向同性。組數少，各向異性大。

XYZ

3）非連續性由於岩體被各種結構面所切割，因此從原則上說，岩體屬於非連續體。但隨著被切割的岩塊大小、形態和性質不同，岩塊的排列和互相接觸狀態的差異，及其不連續程度都會有所不同。因此，在研究工程問題時，尤其是進行岩體穩定分析時，往往根據岩體的不同結構類型把岩體分別看作是非連續體，似連續體或連續體。

A、非連續體：受結構面影響明顯的層狀、塊狀結構岩體和碎裂結構岩體；

B、似連續體：結構面發育密集、雜亂無章的散體結構岩體；

C、連續體：整體結構岩體，部分原層狀岩體。

2.2.2岩體強度特徵

（1）岩體強度的基本概念對於岩石而言，其抗拉強度與其它強度相比最小，通常只有抗壓強度的幾分之一到幾十分之一。對於岩體而言，這個特徵就更加突出。因為岩體中含有各種結構弱面，而結構面的粘結力都是十分微弱的，甚至不存在，由於岩體強度主要取決於結構弱面的強度，因此岩體是一種不能承受拉應力的材料。工程分析中，一旦某處岩體出現了拉應力，即認為該處已破壞，這就是通常所說的岩體無拉力準則。岩石強度曲線結構面強度曲線岩體強度區

岩體中的弱面結構雖然不能抗拉，但仍能承受一定的剪應力和壓應力。其剪切強度在受壓區仍符合“莫爾－庫侖”準則。可以認為：弱面強度≤含有弱結構面的岩體總強度≤岩石強度結構面強度≤岩體強度≤岩石強度發育結構面發育程度不發育

（2）結構面對岩體強度的影響結構面是區別岩體與岩石的重要特徵之一。它的種類很多，如層理、節理、斷層、軟弱夾層等。許多的岩體工程失穩都是由結構面所控制。在研究礦山岩石力學問題時，有代表性的結構面就是層理和節理。層理面是沉積岩的主要弱面之一，有些情況下它對沉積岩岩體的變形和破壞起主導作用。如煤礦中頂板離層，分層冒落和底板沿層面滑動等。而節理對所有岩體來說都更具普遍性。它主要是由構造力而形成的有規則的小的裂隙總稱。

結構面對岩體強度的影響主要表現為使岩體強度降低和各向異性。見下圖所示。半徑方向的長度表示單軸抗壓強度大小。為結構面與水平面的夾角。現有三種主要情況：結構面方位對岩體強度的影響θ=450+φ/2θθ=00θ=900θ1θ2σminσmax

1）岩體強度與結構面無關，岩體強度＝岩塊強度。例如，單向拉強度。這時岩體沿新的面AB破壞。

2）岩體沿結構面產生剪切破壞。例如，剪切面正好與結構面重合，岩體強度＝結構面強度＝。

3）岩體強度介於和之間。相當於平行於結構面而受載荷時的強度。在區間，岩體強度值的強度值。在區間，岩體強度值的強度值。在區間，岩體強度受結構面的影響較大。

上圖說明岩體中有一組結構面時，由於結構面與加載方向原因，岩體強度有時有明顯的各向異性，當岩體中有多組結構面時，由於各組結構面的影響交叉重疊，反而會使岩體強度的各向異性減弱，但會隨結構面組數增多，而降低岩體強度，而最終趨近於值。

2.2.3岩體質量評價

由於岩體特徵的複雜性，借助於一、二個參數很難反映出岩體的工程特性，因此人們試圖通過各種影響岩體工程性的因素來對岩體質量進行分類和綜合評價。其中比尼奧斯基（Z.T.Bieniawski）1973提出的RMR分類法（RockMassRating）受到重視。其一般原理時，某種岩體的RMR值由下式計算：

Rs——

岩體的單軸抗壓強度的分值；

RRQD——岩體的RQD指標的分值；

Rsd

——結構面間距的分值，如粗糙度、風化度、連續性、充填情況、開度等；

Rw

——地下水條件的分值，如水壓、水量、貫通性等；

Rod——結構面方位的分值。根據對深部地帶進行地震研究而得到的現代概念，地球可分為地殼、上地幔、下地幔、外地核和內地核。莫霍面（彈性縱波波速從地殼的6~7km/s迅速增加到8km/s）郭裏采層（導電率和地震波速迅速增加的分界層）地殼上地幔下地幔外地核內地核0km400km1000km3000km5000km6000km地球內部結構示意圖地殼的平均厚度為32km，而且在大陸上的變化範圍是20～70km，在海洋中其變化為5～15km。地殼是以莫霍面為分界面，是1909年由南斯拉夫的莫霍洛維奇契首先發現了M面。在該面以下，彈性縱波的速度突然增長，達到8km/s，而在地殼中通常是6～7km/s（最大值為7.4km/s）。上部地幔物質密度：33～37kN/m3；地殼物質密度：27～30kN/m3。在地殼範圍內，可按地震波特徵分為三個主要分層：沉積岩假定的花崗岩層玄武岩層岩彈性縱波速度＝2.0~5.0km/s，厚度10～15km彈性縱波速度＝5.5~6.0km/s，最大厚度30～40km彈性縱波速度＝6.5~7.4km/s，其厚度為10～20km康拉德面它是兩個分層之間彈性波速度變化的地震分界面現在，採礦工作主要是在小於1000~1800m的深度內進行。在歐洲，有些礦井的開採深度約達2000m；在南非及印度，個別金屬礦井的開採深度已超過3000～3500m。開採石油和天然氣的深度達到6000~7000m。最深的構造鑽孔和勘探鑽孔已超過12000m，並開始實現鑽孔深度達15000m的計畫。

上述數字提供了有關地球開發深度的概念及其人類當今已經直接達到和可能近期達到的深度。顯然這些深度屬於地殼上部的範圍內，其厚度與地球直徑相比微不足道。然而淺部地殼的組成結構及其應力狀態是礦山岩石力學和礦壓理論關注的重點問題之一。3.2原岩應力天然狀態下地殼中存在地應力，通常在地學中稱之為地應力。其主要包括由岩體重量引起的自重應力和地質構造作用引起的構造應力等。地應力這個概念是由瑞士地質學者Haim在1905～1912年間首次提出來的。地應力是在歷史地質作用下發展變化而形成的。它與岩體自重、構造、運動、地下水及溫差等有關，同時又是隨時間、空間變化的應力場。但在工程年代，應力場受這種地質作用時間的影響可以忽略。在採礦工程中，把這種未受採掘擾動影響的岩體原始應力，又稱為原岩應力。採礦工程中，地下採掘空間對周圍岩體內的原岩應力場產生擾動，使得原岩應力重新分佈，並且在井巷和采場的圍岩中產生幾倍於原岩應力的高值應力（所謂的二次應力）。圍岩隨之變形，隨著時間的延長，圍岩變形繼續擴大，甚至引起圍岩破壞或支護物破壞，這就是我們常說的礦山壓力顯現。由此可見，礦山壓力的來源與原岩應力密切相關，圍岩穩定性顯然是以原岩應力場為前提條件的。在計算任何人工開挖的岩體周圍的應力分佈以前，必須測量或估算開挖前的應力狀態。3.2.1地殼淺部原岩應力實測結果地殼內部的原岩應力場是一個頗為複雜的問題，人們獲得原岩應力狀態的途徑，主要是通過現場實測來實現。雖然各個國家和地區對原岩應力測量做了大量工作。但是關於完整應力狀態的資料卻獲得很少，且測量深度也都在3000m之內，故屬地殼淺部。

1953年瑞典H.Hast在斯堪的納維亞半島首先進行了原岩應力實測工作。此後，歐、美、澳大利亞和我國都先後開展了大規模原岩應力實測工作。E.T.Brown和E.Hoek（1978）研究了遍及世界不同地區的原岩應力測量，並進行了匯總。在進行資料選擇時，對於那些特別反常的地質條件（如近期仍出現構造活動的地區）的實測結果均略去，只選用了可靠的結果。統計結果表明，鉛直應力與深度的關係為：

這是一個重要的鉛垂應力估算公式。值得注意的是上式的比例係數與地殼淺部岩石的容重相吻合，通常：

即實測結果說明，鉛直應力與上覆岩層的重力相一致。平均水準應力：平均水準應力與鉛垂應力σz之比K，隨埋藏深度Z的變化關係。通過分析發現K值通常取值為：深度小於500米時，水準應力σh.av明顯大於垂直應力σz；當深度＞1000米，水準應力與垂直應力趨於相等，處於靜水壓力狀態。這是因為三個主應力差值很大時，岩石不可能承受很高應力，否則必然發生破壞，達到新的平衡。3.2.2原岩應力中各應力分量之間的比(1)平均水準應力σh.av與垂直應力σz的比較從上面兩個圖的統計結果看，一般情況下，σz相當於上覆岩層的自重，而水準應力的波動範圍就比較大。且一般大於鉛垂應力，其產生原因。一般歸結為地殼的構造運動。據國內外實測資料統計，平均水準應力σh.av與σz的比值大部分在0.8～1.5之間;(2)水準應力σy與σx間的比較地殼內水準應力中的兩個主應力σx與σy在數值上一般不相等，這一統計結果反映出了水準應力具有較強的方向性；(3)鉛垂應力σz與自重應力Pz之間的比較岩體上覆岩層的重量是形成岩體初始應力的基本因素之一。一般認為岩體的鉛垂應力大體上相當於上覆岩層的重力Pz，但並非所有實測結果都如此，從我國的實測結果表明，鉛垂應力σz與單位面積上的上覆岩層重力Pz的比例在0.43～19.8之間變化。3.2.3自重應力自重應力：由於岩石自重引起的應力稱為自重應力(1)Haim法則（1878年，譯為海姆）瑞士地質學家Haim在觀察了大型越嶺隧道圍岩工作狀態之後，認為原岩體鉛垂應力為上覆岩體自重。水準應力與鉛垂應力趨於均衡的靜水壓力狀態。σxσzσy(2)金尼克解（蘇·A·H·Duhhuk，1925）金尼克認為地下岩體為線彈性體，其鉛垂應力等於上覆岩體自重：σz=Pz。在水準方向，岩層內的側向應力σx與σy相等，且水準方向的應變為零。由廣義虎克定律可解出：

令λ=μ/(1-μ)為側向壓力係數，一般岩石的泊松比μ=0.15～0.35，所以λ=0.18～0.54。當μ=0.5時，λ=1，則金尼克公式與Haim法則一致。3.2.4構造應力構造應力是由於地質構造作用引起的應力。地質構造運動（含地震）歸根到底是一個岩層變形與破壞的力學過程，與之對應的應力場叫構造應力場。在構造應力場研究中，我們只能知道構造運動結果，而要尋找的是造成這些結果的力源，這是一個反序的問題。在構造力場求解中，通常無法知道初始應力狀態，不易弄清楚深部構造的情況和深部地質體的力學性能。只能進行模擬或假想研究。下麵是Vening－Meinez構造應力場力學模型。

Vening－Meinez模型為了分析地殼上部任何一點應力的作用方式，Vening－Meinez採用了一種簡便方法。在地球中，採用球體座標，從地殼上層取一單元體，以地心為原點，設所取的單元體的六個面均為主平面。

dRAA’BB’CC’DD’ABB’A’BB’DD’該推導結果說明，平行於水平面的各個應力分量總和的絕對值與垂直方向應力分量絕對值之比，等於地球半徑與受應力作用岩層的深度d之比。如若受構造應力作用影響的地殼深度為2km的話，地球半徑以6000km計算，則垂直應力分量約占水準應力分量總和的1/3000。若受構造應力影響的地殼深度為10km，則垂直應力分量約占水準應力分量總和的1/600，從此可以看出：水準應力分量的重要性遠遠超過垂直應力分量。3.3開挖空間周圍應力分佈的理論解由於開採後的巷道和回採空間具有複雜的幾何形狀，以及開挖空間周圍岩體也是屬於非均質、各向異性的一種複雜介質。到目前為止，對於岩體的力學性質、原岩應力場等尚未完全掌握，所以還無法用數學的方法精確地求出開挖周圍岩體內的應力分佈狀態。為了說明問題，可借助於有關理論先進行必要的簡化理論分析。

3.3.1雙向作用應力場內的圓形孔

σ2=λσ1σ1Pθr1rσ2=λσ1σ1圓孔半徑為，由彈性力學可求得孔周圍任一點P（距孔心距為r，與軸長夾角為）的應力值。徑向應力為：切向應力為：--++周邊應力分佈σt=-σ1σr=0σt=3σ1σr=0σ12σ1σtσrr1O（3）實際在只考慮自重情況:λ介於0～1之間，此時可適用前述理論分式進行圓孔周圍圍岩體內任一點的徑向應力σr和切向應力σt的分析及給出分佈規律。因為採礦工程有些開採後形成的空間形狀類似於橢圓形孔，所以有必要討論橢圓孔周邊的應力分佈，尤其是切向應力的分佈。這對分析開採後形成的礦壓是有益的。令橢圓孔的長軸為2a，短軸為2b，雙向應力場分別為σ1，σ2。根據彈性理論，橢圓孔周邊上任意點的切向應力σt為：σ1σ2=λσ1θabσt3.3.2橢圓形孔周邊的應力分佈拉應力區σ1σ1σ2σ2好的佈置不好的佈置3.3.3多孔存在時，周圍應力分佈的狀況以上所述為單一孔周圍的應力重新分佈情況，實際上在採礦工程中還經常會遇到多條巷道之間或回採空間對巷道的影響等問題。這些情況可簡化為多孔的相互影響問題。一般相鄰兩孔的影響程度及多孔周圍的應力分佈受到下列一些因素的影響：①孔斷面的形狀及其尺寸大小；②相鄰兩孔相隔的距離；③同一水準內兩鄰孔的數目；④原岩應力場的性質及有關參數。（1）斷面相同的兩個鄰孔(雙向等壓)（2）大小不等的相鄰兩孔的應力分佈RR3R3.28

H4.26

H2.75

H2.49

H大小不等的相鄰兩孔的應力分佈圖3.3.4回採空間周圍應力重新分佈西德埃森採礦研究中心曾將開採煤岩體作為彈性體，利用有限元法進行應力分佈的模擬研究。主要研究了開挖空間周邊的環向應力分佈。模擬的開採條件為：開採深度1000m，原岩垂直應力σz=25MPa。從圖中可看出，中部拐角處的應力值高達170MPa是原岩應力25MPa的近7倍。有時甚至更大。

工作面工作面90MPa170MPa170MPa50MPa50MPa35MPa35MPa50MPa采空區250m250m回採空間周圍應力重新分佈圖矩形孔周圍的應力計算十分複雜，目前為止，還不能運用精確的理論進行求解，一般只能借助數值計算。其一般規律是，矩形孔的拐角處一般產生剪應力集中，而長直邊處容易產生抗應力。矩形的長軸平行於最大來壓方向有利，具體與有關參數有關。

3.3.5矩形孔周邊的應力分佈σ2σ1σ2σ1綜上所述，假設孔周圍處於彈性狀態的條件下，應力重新分佈有以下一些特點可循。（1）空周圍形成了切向應力集中現象，最大切向應力發生在孔的周邊。對圓形和橢圓形孔，最大切向應力發生在孔的兩幫中點和頂底的中部。對矩形孔，則最大切向應力發生在四角處，但在長直邊處容易產生拉應力。（2）應力集中係數的大小，對於單一空來說，圓形孔僅與側壓係數λ有關，其值k=2~3。對橢圓孔，則不僅與λ有關，還與孔的軸長比有關。一般當a/b=2，λ=0~1時，k=4~5。對多孔來說，k值升高是由於單孔應力分佈迭加作用結果，其值視孔的大小和間距以及原岩應力的側壓係數λ值而定。在前後兩個回採空間的影響條件下，中間巷道所在地點的應力集中係數可達7，有時可能更大。（3）不論何種形狀的孔，它周圍應力重新分佈（主要指切向應力）從理論上說影響是無限的，但從影響的劇烈程度來看，都有一定的影響半徑。通常可取切向應力值超過原岩垂直應力5％處做為邊界線。（4）孔的影響範圍與孔的斷面大小有關。3.4圍岩的極限平衡與支承壓力分佈岩體內開掘巷道後，巷道圍岩必然出現應力重新分佈，一般將巷道兩側改變後的切向應力增高部分稱為支承壓力。支承壓力是礦山壓力的重要組成部分。現有一圓形巷道，處於雙向等壓狀態，λ=1。其周邊的應力分佈見圖中虛線所示。但實際上，巷道周圍一定範圍內（R以內）的岩體會發生破壞。其原因就是σt超過了煤岩地抗壓強度。隨著向內發展，岩體逐漸過渡到三向受壓狀態，強度逐漸增加，且σt逐漸下降。直到某一半徑R處，岩塊又處於彈性狀態這樣半徑R範圍內的岩體處於極限平衡狀態，即此範圍內岩塊所處的應力圓與其強度包絡線相切，這個範圍稱為極限。平衡區。σ12σ1σtσrr1ORR圍岩的極限平衡區見下圖，極座標。給出極限平衡區內一點的平衡方程。r－極限平衡區內半徑為r的一點。σr+dσrσrdθσtσt+dσtr對於回採工作面前方的支承壓力分析，可按下圖建立極限平衡方程。取一小單元體。f－層面間的摩擦係數，m－采高。由平衡方程求得σy

，其中N0為煤幫的支承能力。σydxmdxfσydxfσydxmσxm(σx+dσx)在極限平衡邊界以外的切向應力，仍符合彈性狀態解。據此可將回採工作面前方的支承壓力分佈繪成下圖。γHKγHEDABCσtσrK—支承壓力峰值係數（2）偽頂（falseroof）：直接頂與煤層間厚度小於0.5m極易垮落的軟弱岩層，它隨采隨冒。（3）老頂（基本頂，mainroof）：直接頂上方（有時直接位於煤層之上）的厚而堅硬的岩層。一般由砂岩、石灰岩、砂礫岩等岩層組成。也有人認為冒落帶以上的裂隙帶岩層統屬老頂。底板：位於煤層以下的岩層。直接底：直接位於煤層之下的岩層。

工作面回採過程中，必須對回採工作面進行支護，保證工作面有足夠的作用空間和形態。同時對采空區要進行處理，目前對采空區的處理方法主要有以下幾種。

其中全部垮落法具有回採率高、成本低、簡單的優點，在條件適宜時，儘量採用這種方法。採用全部垮落法時，隨著工作面推進，回採工作面空間形狀變化見下圖。

在煤體內形成回採空間，其上方的岩體部分重量則有支架承擔，同時前方煤壁和采空區冒落的矸石也要承擔部分壓力。有時由於上位岩層的變化對支架也會產生壓力。將這些原因對支架產生的壓力常稱為頂板壓力或礦山壓力。回採空間或巷道上方岩層中未破壞部分或未產生劇烈變形部分，或雖然岩層已破斷但仍能整齊排列的部分，有時能形成岩體內的大“結構”。這種大結構能夠承擔上覆岩層重量，從而對巷道及回採空間起保護作用。根據實際測定，回採工作面支架所承受的力僅為上覆岩層的百分之幾。但當工作空間維護的時間較長時，圍岩不易形成穩定性結構。這種現象在巷道中極易出現，從而導致巷道圍岩的“擠、壓、臌”現象。對於回採工作空間，尤其是工作面推進較快時，這種時間影響因素就會變得次要，上覆岩層極易形成大“結構”。4.2老頂岩層的穩定性

4.2.1老頂岩層的梁式平衡

當工作面自開切眼推進一段距離後，直接頂懸露達到一定跨度，采空區進行初次放頂，直接頂開始垮落，此時直接頂的跨距稱為初次垮落距，初次垮落距的大小與直接頂岩層強度、分層厚度、直接頂內節理裂隙的發育程度有關。

岩層破碎後，體積將產生膨脹，破碎膨脹後的體積與破碎前的體積之比稱為碎脹係數。岩石破碎後，在其自重及外載作用下，漸趨壓實，碎脹係數變小，壓實後的體積與原體積之比稱為殘餘碎脹係數Kp′。

假设Δ>0，則老頂呈懸露狀態。類似板狀結構，它的一邊由工作面煤壁支承，另外三邊則由煤柱支撐。當工作面傾斜長一般>>老頂沿走向的懸露長，所以可將老頂視為一端由工作面煤壁，另一端由邊界煤柱支撐的兩端固定的“梁”，即所謂梁的假說。此時若老頂之上的岩層強度較低，則上覆岩層的重量將通過老頂“梁”傳遞至兩端的支點上，即煤壁和煤柱上。見下圖分析。

上面是按固定梁的计算结果，实际上两端的支承条件也有差异。如一侧的采空区已采完时，见下图，隔离煤柱上方的顶板已处于自由状态。因而更接近于简支梁支座。有些国家已将浅部矿井老顶按简支梁计算，认为浅部矿井岩层顶板由于两端煤体上集中压力较小，因而可视为简支梁支座，但在深部应视为固定梁。若为简支梁时，梁内的剪力分布与固定梁同，但弯距则不同。

隔離煤柱4.2.2老頂岩層的板式結構分析隨著回採工作面自開切眼開始推進，根據已采空面積的情況，如華北地區的一般條件，回採工作面長150～200m，推進30m左右，老頂岩層初次斷裂。一般老頂岩層厚2～4m。按照薄板的假設，其厚度（h）與寬度（a）的比值h/a=1/7~1/15。因此，可視老頂岩層為薄板，當老頂與上部岩層離層時更是如此。根據開採條件及邊界煤柱大小，又可將老頂岩層假設為四種情況：（a）四周固支：（b）三邊固支一邊簡支；（c）兩邊固支兩邊簡支；（d）一邊固支及三邊簡支。通過近似解法，可獲得岩層板破斷地一般規律。

以四周邊固支的板為例，在長邊的中心部位，彎距的絕對值最大。隨著工作面推進，當達到一定值時，首先在此形成斷裂，而後在外邊的中央形成裂縫，待四周裂縫貫通後，板中央的彎距又達到最大值，超過強度極限而形成裂縫，最後形成X形破壞，見下圖。對於其他支承條件時，其破裂過程與上述相近。4.3老頂初次破斷時的極限跨距(梁式分析)

老頂岩梁達到斷裂時的跨距稱為極限跨距，可由材料力學方法求得。

顯然，在同樣條件下，由簡支梁計算所得的極限跨距LlT要比固定梁計算所得的小。在一般情況下，由於彎距形成的極限跨距LlT要比剪切應力形成的極限跨距Lls小，因此常常按彎距來計算極限跨距。在什麼條件下應按簡支梁計算或按固定梁計算，需根據煤層賦存深度及邊界煤柱兩側采空的情況來定。在採用刀柱法或房柱法開採時，為了保證工作空間頂板的完整性，刀柱或煤柱的間距應採用岩層梁的安全距Ls，此時，取岩層趨向斷裂的安全係數為n，以頂板岩層的安全跨距Ls為：固定梁時簡支梁時一般取

n=6。上述計算中，RT可由試驗確定，h可由鑽孔資料獲得。關鍵是如何確定岩梁所受載荷q，一般煤層上方的岩層是由好幾層岩層組成。因此，第一層岩層的極限跨距所應考慮載荷的大小，鬚根據各層之間的相互影響來定。下式表示n層岩層對第一層（最下麵的岩層）影響所形成的載荷（qn）。4.4裂隙體梁的平衡

當老頂達到極限跨距後，隨著回採工作面繼續推進，老頂即發生斷裂，斷裂後的一般狀態見下圖。

整個頂板的破斷方式可分為三個明顯的區域，上、下區為圓弧形破壞，岩塊間呈立體咬合關係。中部呈似梁的咬合關係，見A-A斷面。但由於破斷的岩塊相互擠壓，產生了水準力，這使中部又呈現出能傳遞水準力的拱的關係。這種表面似梁，實質是拱的裂隙體梁的平衡關係結構，稱為“砌體梁”。

由於岩層的抗拉強度很小，老頂岩梁很可能先在兩側支座的上端裂開，而後在梁的中間底部開裂，隨著岩塊轉動形成強大的水準擠壓力，使岩塊間形成了三鉸拱式的平衡。見下圖。

根據實驗及力學分析，若破斷岩塊較多，則成拱的條件主要取決於原岩應力及岩塊轉動過程中所形成的水準擠壓力的大小。水準擠壓力較大時，仍然能使多個岩塊擠壓在一起，呈懸露狀態。因此，並不是老頂岩梁剛達到斷裂極限跨距，即發生垮落，它還決定於以下平衡條件。

（1）結構的滑落失穩咬合處摩擦力的大小，即水準擠壓力與該處摩擦係數的乘積，此力的作用方向與岩塊滑落的方向相反，因而起防止岩塊間相互滑落的作用。若考慮到老頂岩層斷裂時，斷裂面與垂直面成一斷裂角θ，則咬合點的關係見下圖。（2）結構的變形失穩

這是指在岩塊的回轉過程中，由於擠壓處局部應力集中，致使該處進入塑性狀態，甚至局部受拉而使咬合處破壞造成岩塊回轉進一步加劇，從而導致整個結構失穩。見下圖表示的岩塊回轉狀態。

由此可求得在岩梁破斷後互相咬合中間下沉量達時，即形成了岩塊結構的變形失穩。由上述分析可知，岩梁在破斷成岩塊後，只要有一定的條件，它仍能形成外形如梁，實質是拱的平衡結構，保持著回採空間，使其不受上覆岩層的全部載荷。4.5直接頂的穩定性

直接頂是工作面直接維護的對象，直接頂經常處於破斷狀態，且無水準力的擠壓作用，因而它難以形成結構，它的重量全由工作面支架來承擔。從岩體形成結構的觀點來分析，對於老頂形成的大結構，支架是通過直接頂對其起支撐作用。因此，直接頂的完整情況，將首先影響到工作面生產的安全，同時也是保證支護能否全部發揮其性能的重要保證。從頂板事故的現場統計看，許多頂板事故是由於直接頂與老頂產生離層，然後由直接頂引起推垮型事故（單體柱），因此應研究直接頂與老頂間形成離層的條件。4.5.1直接頂岩塊離層原因分析

（1）節理、裂隙的切割：一旦支護工作出現疏忽，均可導致直接頂局部冒落。（2）岩性原因：初次放頂前，由於直接頂的撓度大於老頂,此時老頂處於板的懸露狀態。直接頂強度較弱，岩層較薄，而產生二者離層。（3）採用單體支護時，第一排支柱剛支設時，初撐力較低，液壓支架時，由於無支護空間較寬，又由於前梁的支撐力較小，因而常常形成機道上方頂板離層。（4）工作面較短時，老頂常處於懸露狀態，撓度甚小，直接頂的撓度常大於老頂而形成離層。類似於初次放頂前。（5）分層開採工作面，第一分層采出後，冒落的頂板將重新壓實。根據采空區內垂直應力重新分佈的規律，在采空區四周將形成減壓區，從而在采下分層時，此減壓區內將形成直接頂岩層的離散狀態。4.5.2初次放頂前直接頂的離層與斷裂

粗略地講，當直接頂厚度小於老頂厚度，均易形成這種離層。當然這種離層分析的條件：直接頂必須有一定強度，並不是隨開切眼推進而冒落，其次是冒落後的直接頂不能填滿采空區。這樣直接頂岩塊間無水準力聯繫，從而形不成結構。這些均是形成直接頂初次放頂時失穩的條件。考慮到初次放頂前支架支撐力的作用，則不致於形成離層的條件改為：

式中p為支架單位面積的支撐力。通過類似前述的推導，有：即支架支撐力達到上述條件可保證直接頂與老頂不離層4.6回採工作面上覆岩層移動概況

老頂垮落後，采空區上方的岩層一般都要產生移動,見下圖為典型的地表岩層移動圖。

認為，斷裂面上任意一點C所處的應力狀態均為極限應力狀態。岩層移動主要是研究開採後引起的地表變形與破壞規律。由於煤層開採後形成的采空區大多數為長方形，而老頂岩層的破壞因長方形的角效應影響而呈橢圓形，因而地表移動盆地均為橢圓形，且比采空區面積要大。

地下采空區地表移動邊界線

‘開採水準或近水準煤層時，移動盆地位於采空區正上方，而且盆地中心對應著采空區中心，即中心點是垂直下落的。對於傾斜煤層，見下圖。最大下沉點有下滑落趨勢。

地表移動曲線采空區β0λ0

采空區面積相當大時，盆地形成平底“盆狀”，盆地內最大下沉處不是一條線而是一個面。當采空區寬度導致地表最大下沉處由線變為面的臨界值稱為開採的臨界寬度，此時地表得到了充分采動。反之，如果開採面積不夠大，盆地呈尖底“碗狀”。此時說明地表沒有得到充分采動。隨著開採寬度增加，地表下沉值還將繼續增加。隨著開採寬度增加，地表下沉值會相應增加。見下圖。1231’2’3’

回採工作面礦山壓力顯現主要研究開採後煤層上方頂板的活動規律。通過鑽孔觀測，可瞭解到回採工作面上覆岩層的破壞與移動情況。通常將上覆岩層按破壞和移動的情況分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。見下圖所示。

冒落帶：破斷後的岩塊呈不規則垮落，排列極不整齊，鬆散係數比較大，一般可達1.3～1.5。但經重新壓實後，碎脹係數可降到1.03左右，很多情況下為直接頂岩層冒落後形成。

裂隙帶：岩層破斷後，岩塊仍然排列整齊的區域。它位於冒落帶之上，由於其排列比較整齊，因此碎脹係數比較小。為了研究上覆岩層情況，尤其是在煤層開採後裂隙帶岩層的運動規律，在我國陽泉、開灤範各莊及大屯孔莊等礦進行了深基點觀測，所得結果大同小異。右圖是推測圖。

彎曲下沉帶：位於裂隙帶之上，一般主要是由彎曲變形而形成。對於埋深較淺煤層而言，可延伸到地表。

為了研究上覆岩層情況，尤其是在煤層開採後裂隙帶岩層的運動規律，在我國陽泉、開灤範各莊及大屯孔莊等礦進行了深基點觀測，所得結果大同小異。右圖是推測圖。

（1）頂板下沉量：一般指煤壁到采空區邊緣裸露的頂底板移近量Δ=H0-H1

有時為了對比，又將頂底板移近量Δ換算成每米采高每米推進度的頂底板移近量，即Δ/L/M（L為控頂距，M為采高）。由於底臌量較小，通常將Δ稱為頂板下沉量。H0原頂板變形後的頂板變形後的底板H1控頂距5.1礦山壓力顯現程度的常見指標

（2）頂板下沉速度：指單位時間內的頂底板移近量，以㎜/h計算。表示頂板活動的劇烈程度。

（3）支柱變形與折損：隨著頂板下沉，回採工作面支柱受載也逐漸增加，一般可以用肉眼觀察到柱帽的變形，劇烈時可以觀察到支柱的折損。

（4）頂板破碎情況：常常以單位面積中冒落面積所占的百分數來表示，是衡量頂板管理好壞的品質標準。

（5）局部冒頂：回採工作面頂板形成局部塌落，它影響回採工作面正常進行。5.1礦山壓力顯現程度的常見指標

（6）工作面頂板沿煤壁切落，或稱大面積冒頂：指回採工作面由於頂板來壓導致頂板沿工作面切落，常常對工作面產生嚴重影響。

其他還有：煤壁片幫、支柱插底、底板臌起等一系列礦山壓力現象。回採工作空間是一個小結構，它處於圍岩形成的大結構之中。因此，大結構的變形、失穩將直接影響到小結構的狀態。同時大結構周圍的支承壓力分佈情況也將直接影響到煤壁及底板岩層的穩定性。5.1礦山壓力顯現程度的常見指標

（1）三鉸拱的概念三鉸拱是結構力學中的概念，其基本力學模型是兩個曲杆以鉸接相聯，每個曲杆和支座之間也用鉸相聯而成的結構，稱三鉸拱。只要三個鉸不在同一直線上，這三鉸拱就是幾何不變的。見下圖。q5.2老頂的初次來壓5.2老頂的初次來壓

當老頂岩層達到極限跨距而且斷裂時形成三鉸拱式平衡,隨著工作面推進，將導致新岩塊A的斷裂，見上圖，形成三塊的咬合平衡。隨著工作面推進還可能形成四、五……不同數量岩塊的咬合平衡，直至岩塊間的咬合關係不能滿足平衡關係為止。此時，老頂的失穩將對工作面帶來嚴重壓力，甚至危及生產及人身安全。

老頂的初次來壓：由於老頂的第一次失穩而產生的工作面頂板來壓。

老頂的初次來壓步距：由開切眼到老頂初次來壓時工作面的推進距離。5.2老頂的初次來壓

老頂初次來壓時對工作面支架受力的影響，可以用下圖表示。P為支架反力，Q1和Q2分別為直接頂和老頂的載荷。老頂初次來壓時，三鉸拱平衡已破壞，因此可簡化為上圖模型。其中Rr是冒落矸石的支承反力。在三鉸拱失去平衡後，老頂必然會回轉至冒落矸石上方才能借助Rr力阻止老頂岩塊回轉。但這過程中，工作面頂板必然下沉，且支架的工作阻力應等於Q1與Q2之和。5.2老頂的初次來壓

初次來壓前，由於上覆岩層結構中有“梁”或“拱”式結構存在，因此整個采空區周圍岩體可視為一個結構系統。這個系統的頂部是老頂，四周則是直接頂加煤柱。回採工作面就處在這樣的結構系統保護之下，其周圍的應力同樣可分為減壓區B、增壓區A和穩壓區C。

5.2老頂的初次來壓

回採工作面煤壁上所承受的支承壓力將隨著老頂跨度的加大而增加，即剛從開切眼推進時最小。在初次來壓前達到最大，並常伴有煤壁的片幫與漏頂等。初次來壓比較突然，且對工作面危害較大。我國一些煤礦的初次來壓步距一般為20～35m，個別達50～70m。5.2老頂的初次來壓

老頂初次來壓後，隨著回採工作面的繼續推進，老頂岩塊所形成的裂隙體梁將發生一系列變化：A岩塊由穩定→斷裂→失穩→O岩塊穩定→斷裂→失穩。這樣隨著工作面向前推進，上覆岩層的結構由穩定→失穩→再穩定，周而復始，其穩定的結構可以稱之為裂隙體梁結構的穩定。5.3老頂的週期來壓5.3.1回採工作面推進對岩體結構的影響

隨著工作面推進，老頂岩層由穩定結構→不穩定結構→穩定結構。在這種周而復始的工程中，失穩時對工作面就產生了週期性的壓力。由此，由於裂隙帶岩層週期性失穩而引起的頂板來壓現象稱為工作面頂板的週期來壓。在失穩過程中，由裂隙體梁的平衡，沿a-a面力平衡，有：5.3老頂的週期來壓

5.3.2采場的週期來壓5.3老頂的週期來壓

5.3老頂的週期來壓

由於上覆岩層是由幾層岩層組成，工作面的週期來壓也是由幾層岩層共同作用的結果，每次週期來壓的步距和強度都有一定差別。在週期來壓期間，老頂的作用力通過直接頂作用到支架上，支架的支撐力也是通過直接頂對老頂進行控制。因此直接頂的完整性對控制老頂平衡起重要作用。若采空區冒落的矸石充滿采空區，則可緩解老頂對支架的壓力。5.3老頂的週期來壓

頂板壓力確定是支架選型等重要參數。目前有兩種方法，一是估算法，另一種是實測法。5.4.1估算法

設回採工作面的頂板壓力可用如下模型估算。Q1、Q2分別為直接頂和老頂載荷。

5.4頂板壓力估算5.4頂板壓力估算

5.4頂板壓力估算

5.4頂板壓力估算5.4頂板壓力估算

上述估算法，事實上各有其適用條件，例如，根據一般的頂板狀態，如我國華北等地區的絕大部分礦區，經常用支架主要承擔相當於4~8倍采高岩柱的重量估算，簡單實用。在一些單體支柱工作面，尤其是工作阻力偏低，常常導致工作面頂板下沉量過大的情況下，可採用第二種方法，此法的實質並非控制老頂的位移量，事實上是由於直接頂的位移量與老頂的位移量不相適應而造成的結果。根據力學分析，企圖依靠支架的反作用力控制老頂的回轉，在一定條件下也難以實現的。對一些堅硬頂板地區，或經常發生老頂切落或臺階下沉的地區，則顯然使用第三種方法估算比較合適。

5.4頂板壓力估算

5.4.2實測法即從工作面支架上測定其所承受的實際荷載。實際上，從一定意義上講，井下工作面所測得的載荷已不僅是頂板壓力，而同時包含了支架性能的影響。5.4頂板壓力估算

回採工作面的礦山壓力顯現受多種因素影響：如圍岩性質、采深、采高、傾角、工作面推進速度等。具體工作面要具體分析。5.5.1采高與控頂距在一定條件下，采高是影響上覆岩層破壞狀況的最重要因素之一。采高越大，采出的空間越大，必然導致采場上覆岩層破壞越嚴重。某些實測資料表明，在單一煤層或厚煤層第一分層開採時，冒落帶與裂隙帶的總厚度與采高基本上成正比。5.5影響回採工作面礦山壓力顯現的主要因素5.5影響回採工作面礦山壓力顯現的主要因素

從采場支護的小結構必須與圍岩形成的大結構相適應的觀點出發，工作面頂板下沉量也基本上滿足上式。當L為控頂距，L0為移動曲線中由前最大麯率點到後最大麯率點的距離，SL和S0則分別是L和L0範圍內的岩層與頂板的下沉量。由近似的三角關係：5.5影響回採工作面礦山壓力顯現的主要因素

5.5影響回採工作面礦山壓力顯現的主要因素

5.5影響回採工作面礦山壓力顯現的主要因素

可見回採工作面的頂板下沉量SL正比於采高與工作面控頂距。從我國50個工作面的實測情況看，在離煤壁4m處的頂板下沉量一般相當於采高的10～20％，即下沉係數η=0.025~0.05。從上述的粗略分析可以得出，采高越高，在同樣位置老頂可能取得的平衡機率越小。在支承壓力作用下，煤壁也越易片幫，工作面礦壓顯現越嚴重。5.5影響回採工作面礦山壓力顯現的主要因素

5.5.2工作面推進速度

在幾何條件確定後，工作面的頂板下沉量S與時間t有關，一般t↑→S↑，見下圖。當工作面推進速度大時，頂板存在的時間較短，所以下沉量較小。但當工作面推進速度提高到一定程度後，頂板下沉量的變化將逐漸減小。從一般分析可知，因為支承壓力對煤壁的壓裂過程以及在采空區的壓實過程，均為時間過程，並且上覆岩層破斷後，岩塊間的相互咬合也經常要經歷失穩階段以及處於極限平衡狀態。所以，反映在工作面，頂板的下沉也是一個時間過程。一般的工作面測得的“S—t”曲線見下圖。5.5影響回採工作面礦山壓力顯現的主要因素

一般說來，只有在原先的工作面推進速度比較緩慢的條件下，加快工作面推進速度，才會對工作面頂板狀況有所改善。當工作面推進速度提高到一定程度後，頂板的下沉量變化將逐漸減小。因而想把頂板壓力甩掉的企圖是不能實現的。

S/mmt/h落煤放頂5.5影響回採工作面礦山壓力顯現的主要因素

5.5.3開採深度的影響

開採深度直接影響原岩應力大小，同時也影響著開採後巷道或工作面周圍岩層的支承壓力值。因此開採深度對礦山壓力具有影響，但具體影響情況要具體分析。開採深度對礦山巷道的礦山壓力顯現比較明顯。如在鬆軟岩層中開掘巷道，隨著深度增加，巷道圍岩的“擠、壓、臌”現象更加嚴重。但對於回採工作面而言，開採深度對工作面頂板壓力大小的影響並不突出。開採深度增加後，岩體內積蓄的能量急劇增加，所以對於有衝擊礦壓危險的礦井，發生衝擊礦壓的次數和強度將上升。5.5影響回採工作面礦山壓力顯現的主要因素

5.5.4煤層傾角的影響

實際觀測表明，煤層傾角對回採工作面礦山壓力顯現的影響很大。一般說來，隨著煤層傾角增加，頂板下沉量將逐漸減小。眾所周知，急斜工作面的頂板下沉量比緩斜工作面要小得多。

5.5影響回採工作面礦山壓力顯現的主要因素

當回採工作面沿傾斜方向推進時，即傾斜長壁回採工作面，開採後上覆岩層破斷岩塊間相互咬合狀況如下圖所示Ta+RaRaθθ+βαQaβ5.5影響回採工作面礦山壓力顯現的主要因素

5.5影響回採工作面礦山壓力顯現的主要因素

6.1基本概念

回採工作面是地下移動著的工作空間，為了保證生產工作的正常進行與礦工的安全，必須對它進行維護。工作空間維護一方面是維護直接頂，另一方面又要控制老頂的活動規律，對老頂的控制是通過直接頂岩層進行的。在維護空間位置來講，對回採工作面頂板控制包含對回採空間的支護以及對采空區的處理，采空區處理的具體措施則對老頂的活動起著明顯的影響。

控制采場礦山壓力的一個基本方法就是回採工作面支架。回採工作面支架是平衡回採工作面頂板壓力的一種構築物，由於回採工作面支架形成的構築物必須與開採後形成的上覆岩層大結構相適應，回採工作面支架必須具備以下兩個特性：一是必須具備一定的可縮性；二是必須具有良好的支撐性能。