第二章：矿山压力与矿山压力显现

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第二章

矿山压力与犷山

压力显现

山东科技大学资源工程系

2008年4月

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存幸梃要

>2J矿山压力及其在围岩中的分布

>22矿山压力显现

>2.3矿山压力与矿山压力显现之间的关系

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洋章特意

＞有较多的基本概念

A矿山压力;矿山压力显现

考可率点

A矿山压力及其显现的分布与形式

＞掌握矿山压力显现的相对性

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§2.1矿山注力及其在曲房中的台布

A矿山人力的就念

叵^开掘巷道和进行回采工作

［采初宠间）束劭后左媒或岩层中形我的安同

采动空间周围的岩体

存在于岩层边界或内部促使围岩向已采空

间运动的力，即既包括内力也包括外力

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§2.1矿山丞力及其左④房中的台帝

//X//|Z/X/Z\//X//I//X//I//X//7ZX77IV7XZ7ITZX/^ITTXZZ177X77

(a)开采前(b)开采后

《『做力境疑制》第二拿第44

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§2.1矿山密力及其位国第中的今帝

各支i应力的大小、

＞矿山压力的来源方向、垂直应力与水

年应力之间的比值等

决定了束初后④出盍

根源?力唾新今帝的规律

芟三彳、力

层章力

成采睬的槽加而

2.构造运劭作用力

增加是系确切的

13第体膨胀作用力J

《『做力与耨醐》程第二拿第54

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§2.1矿山法力及其农国用中的台帝

芾佃佝蹙

参考岩石

A矿山压力的分布

力学,

性

状

的定

分条

布件

第二拿第6天

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§2.1矿山甚力及其农国用中的台帝

A矿山压力的分布

(1)弹性状态下巷道围岩矿山压力分布

々2[(1+C2)(1+2)+(1+3C4)(1-2)cos20]0-=YH

^^[(l-C2)(l+2)-(l-4C2+3C4)(l-2)COS2d]

2

^-[1-2C2-3C4](l-^)cos26>

第

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§2.1矿山甚力及其农国用中的台帝

A矿山压力的分布

令r=r°,则C=1。可将巷道周边各点的

应力简化为：

Gr~TrO~°

cr0=(1+2cos28)%+(1-2cos2。)4bl

或be=(1+2cos20)(J}+(1-2cos8)4图2.8巷道周边切向应力分布

01

6〜6)也

U]

《『做力埔题制》鼬辘第二拿第8天

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保持弹性分布的条件：

(D水平两帮中部危险点

特征：单向应力状态，两帮中部受压应力最大

<R_2c-cos

"1-sin。n%与凡的关系(即保持弹性分布的条件1)

4=(3-㈤/

(2)顶底板中心部位危险点

特征：单向应力状态，顶底中心受拉应力最大

「2c-cos

—OeGR——:一

1+sm0n0与居的关系(即保持弹性分布的条件2)

ag=(34-1)。］

第8天

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§2.1矿山甚力及其农国用中的台帝

A矿山压力的分布

(2)塑性状态下巷道围岩矿山压力分布

图2.11巷道围岩弹塑性区

《『做力境疑制》第二拿第94

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§2.1矿山甚力及其农国用中的台帝

A矿山压力的分布

(2)塑性状态下巷道围岩矿山压力分布

塑性区的应力表达式为：弹性区应力表达式为:

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§2,7矿山法力及其农国用中的台帝

A矿山压力的分布

(2)塑性状态下巷道围岩矿山压力分布

〃越大，以他粉会越木。利用这一规样戒松冲击地法

《『做力境疑制》第二*第7天

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(2)塑性状态下巷道围岩矿山压力分布

塑性区半径扩展与应力动态变化

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保持塑性稳定分布的条件:

已知：分『的?『二p。

a0=(3-A)al或=(32-l)^

1+sin^+2c-coscp

利用：oe=Po.

1一sin01-sin

即可推导出在既足外力千需要7

显然当采深足够大时，有时仅靠支护反力是无法保持塑性稳

定的。

第二*第8天

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>2.1矿山压力及其在围岩中的分布/

>22矿山压力显现

>2.3矿山压力与矿山压力显现之间的关系

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§2.2矿山压力显现

A矿山压力显现的概念

泉劫后表现

出的矿山人

力现象

囱

第

送

劭

战

两

顶底文立

邓

看

架

极极

运

<变

运运

劭

彬

减

劭初折

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§2.2矿山压力显现

图2.2矿山JSi力显的本形式

《『做力境疑制》第二*第14天

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§2.2矿山压力显现

A矿山压力显现的条件

(1)两帮煤体破坏条件

两帮岩体不发生剪切破坏的条件：

2c-cos(p

ai<---------------

1-sin(p(2.1)

其中o1=k♦yH0GO\(5

两帮岩体处于稳定状态时的采深:

图2.2摩东应力圆

(1-sin(p)'K•y(2.2)

《『做力境疑制》第二拿第15天

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§2.2矿山压力显现

例：假如，巷道两帮岩体力学参数为：W二25°,C=3MPa,k=2.5,

125kN/m3,贝小

心」叱■"2匕

二150(米)

(1-sin25°)x2.5x25x10

即：在采深小于150m时，不支护巷道两帮不会破坏。当巷道所处采深

大于150nl后，两帮岩体会产生剪切破坏，应力将重新分配。若没有外

界约束，破坏继续向深部发展。

第163

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§2.2矿山压力显现

若将巷道截面视为一个平面模型，通过架设支架，对两帮岩体提供

一侧向应力，使两帮岩体由单向应力状态转化为双向应力状态，可以阻

止破坏的发展。反映在图2.2中是莫尔应力圆由位置I转移到位置n,岩

体处于稳定状态。这时的条件为：

CT](1-sincp)-2Ccoscp

(J>-----------(-2-.--3-)-------------

l+sin°3

第17黄

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§2.2矿山压力显现

(2)顶板岩层破坏条件

顶极璃层

弯曲下沉

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§2.2矿山压力显现

嵌固端产生的最大弯矩为:

2

M=MB=--ql

rA\B12”

如果巷道宽度/超过顶板岩层维持平衡时的极限，两端拉应力超限发生断

裂，直至垮落。另一方面，由于自重作用下顶板岩层弯曲下沉，这时轴向力

川等加剧顶板岩层的弯曲，当为超过某一界限，顶板岩层会因屈曲而失稳、垮

落。显然，顶板岩层破坏形式是以相应的破坏条件为前提。

顶救破坏形式

第193

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§2.2矿山压力显现

①受拉破坏

在自重作用下两嵌固端产生拉破坏的条件为:

什“⑺拉

(2.4)

(2.5)

2加1］拉

I>

Y

式中1一巷道宽度，m;、

叫一顶板岩层分层厚度，叫

［。］拉一顶板岩层抗拉强度，Pa;

Y一顶板岩层容重，25kN/m3左右。

标居鼎询羸第2。」

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§2.2矿山压力显现

图2.4所示不同［。］拉时，叫与极限跨度1。间的关系曲线:

C

当岩层拉应力强

度相同时，分层厚

度越小，受拉破坏

时的极F艮路度越小。

图2.4I。与的关系

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§2.2矿山压力显现

____由壬巷道顶板岩层不仅受到自蔺重量的作用，还受到轴推力丽勺作用C

这时，只考虑自重作用就不全面，顶板岩层的稳定性问题应当转化成顶

板岩层在自重。及轴推力为共同作用下复合弯曲时的失稳问题。

图2.5顶板岩层受力示意图

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§2.2矿山压力显现

如图2.5所示，梁AB在自重作用下弯曲变形，轴向压力为在梁的各个截

面上又产生一个分布弯矩"3。由于这一弯矩作用，将使梁的弯曲在原有

基础上进一步加剧。而且梁变形后似将产生新的变曲变形，……。如果

N不大，弯曲变形很小，影响不大。当轴向压力人达到一定限度后，由后

生的弯曲变形将是一个恶性循环，梁将无法达到新的平衡状态而导致破

坏，这就是顶板岩层的屈曲破坏。

（关于屈曲破坏详见课本32~35页）

第233

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§2.2矿山压力显现

A矿压显现的相对性

-由于围岩运动是由其受力大小、边界约束条件「自身强度极糊等四

素所决定。而且，围岩运动过程中引起支架承受载荷的变化，不仅取决

于围岩运动的发展情况，还与支架对围岩运动的抵抗程度密切相关。由

此可见，矿山压力显现是相对的。

矿山压力显现是矿山压力作用下围岩运动的结果。

矿山压力显现的相对性

支架受力的相对性

第二拿第24黄

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§2.2矿山压力显现

(1)巷道围岩运动的相对性

①开采深度越浅，与采深有关的支承压力越大

150m〜200m以后］—|煤巷岩体出现明显的塑性破坏与变形

〃-----------------

100m〜150m以下］岩体处于弹性状态，变形比较小一

②围岩的变形能力还与围岩强度有关

杀象核专近量较大低强度~高强度^京艳等近董相对小

③架设支架使两帮变为三向应力状态，阻止破坏发展，维持围岩稳定。

切月石的新mW第二拿第254

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§2.2矿山压力显现

(a)(b)(c)

图2.6卷道固岩稳定与破坏

第26黄

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§2.2矿山压力显现

(2)支架受力的相对性

抵抗程度越

©1.27

大,围岩变>

形越小

不同类型的支架(柱)，由于

工作特性不同，围岩运动过程

中则有不同的压力显现。

I-

《『做力埔题船船辘第二拿第284

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§2.2矿山压力显现

（“）

(b)

（。）

图2.9支承压力分布

《『做力境疑制》第二拿第304

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图2.8可缩性支柱压力显现

《『做力与耨醐》程第二拿第294

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>2.1矿山压力及其在围岩中的分布/

>22矿山压力显现,

>2.3矿山压力与矿山压力显现之间的关系

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2.3矿山压力与矿山压力显现间的关系

A矿山压力与矿山压力显现间的辩证关系

曹矿山压力的存在是绝对的，而显现是相对的

行压力显现强烈的部位不一定是压力高峰的位置，但对某一点是相关