采場(chǎng)圍巖支承壓力及礦壓顯現(xiàn)與上覆巖層運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系2.

1、采場(chǎng)圍巖支承壓力及礦壓顯現(xiàn)采場(chǎng)圍巖支承壓力及礦壓顯現(xiàn)與上覆巖層運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系與上覆巖層運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系 山東科技大學(xué)資源工程系2008年4月第四章第四章 4.14.1采場(chǎng)圍巖支承壓壓力分布形態(tài)采場(chǎng)圍巖支承壓壓力分布形態(tài) 4.2 4.2 采場(chǎng)支承壓力分布與上覆巖層運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系采場(chǎng)支承壓力分布與上覆巖層運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系 4.3 4.3 采場(chǎng)支承壓力分布與礦山壓力顯現(xiàn)間的關(guān)系采場(chǎng)支承壓力分布與礦山壓力顯現(xiàn)間的關(guān)系 4.44.4采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)與上覆巖層運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)與上覆巖層運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系 4.5 4.5 采場(chǎng)支承壓力分布監(jiān)測(cè)方法采場(chǎng)支承壓力分布監(jiān)測(cè)方法 第四章第四章 第第1 1頁(yè)頁(yè)本章目錄本章目

2、錄本章特點(diǎn)本章特點(diǎn)學(xué)習(xí)難點(diǎn)學(xué)習(xí)難點(diǎn)有較多的基本概念有較多的基本概念支承壓力、內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)概念支承壓力、內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)概念 采場(chǎng)支承壓力分布與上覆巖層運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系采場(chǎng)支承壓力分布與上覆巖層運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系 采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)和上覆巖層運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)和上覆巖層運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系 第四章第四章 第第2 2頁(yè)頁(yè) 煤（礦）層采出后，在圍巖應(yīng)力重新分布的范圍內(nèi)，作用在煤（巖）層和矸石上的垂直壓力。 高于和低于原巖應(yīng)力的整個(gè)區(qū)域高于和低于原巖應(yīng)力的整個(gè)區(qū)域 支承壓力來(lái)源于重量。支承壓力來(lái)源于重量。在單一自重應(yīng)力場(chǎng)條件下在單一自重應(yīng)力場(chǎng)條件下, ,若煤（巖）層水平賦存，則其支若煤（巖）層水平賦存，則其支承壓力

3、的分布見(jiàn)圖承壓力的分布見(jiàn)圖4.14.1所示：所示：4.1采場(chǎng)圍巖支承壓壓力分布形態(tài) 4.1.1 4.1.1 支承壓力及支承壓力及基本概念第四章第四章 第第3 3頁(yè)頁(yè)特點(diǎn)特點(diǎn)概念概念圖圖4.1 4.1 上覆巖層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與支承壓力分布上覆巖層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與支承壓力分布第四章第四章 第第4 4頁(yè)頁(yè)ss3s2s1L3=L4=.=LnL2L1m4m3m1m2s1(a)(a)圖圖4.1 4.1 上覆巖層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與支承壓力分布上覆巖層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與支承壓力分布(b)(b)第四章第四章 第第5 5頁(yè)頁(yè)s1m2m1m3m4L1L2L3=L4=LnL1s1s2s3s1 1）支承壓力大小表達(dá)式）支承壓力大小表達(dá)式 直接覆蓋

4、巖梁的單位重量 直接覆蓋巖梁懸跨度部分傳遞至該處的作用力 niniixiiiiiyCLmm11niiim1niiim1第四章第四章 第第6 6頁(yè)頁(yè)來(lái)源來(lái)源2 2）支承壓力與支承壓力顯現(xiàn)的關(guān)系）支承壓力與支承壓力顯現(xiàn)的關(guān)系 支承壓力的存在是絕對(duì)的。支承壓力的顯現(xiàn)是支承壓力作用的結(jié)果，就其顯現(xiàn)的形式和程度而言，則是相對(duì)的，有條件的。 第四章第四章 第第7 7頁(yè)頁(yè)思考思考4.1.2 4.1.2 采場(chǎng)支承壓力分布的基本規(guī)律采場(chǎng)支承壓力分布的基本規(guī)律 回采工作面前后方支承壓力的分布可分為四個(gè)區(qū)域， 即工作面前方的原巖應(yīng)力區(qū)（A ）、應(yīng)力增高區(qū)（B ）、工作面后方的應(yīng)力降低區(qū)（C ）和應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)（D ）。

5、 在工作面中部沿走向作一剖面，（如圖4.2所示）。其分布的基本規(guī)律：第四章第四章 第第8 8頁(yè)頁(yè) 在工作面采空區(qū)沿傾斜作一剖面，（如圖4.3所示）其分布的基本規(guī)律：即在采空區(qū)存在應(yīng)力降低區(qū)C ，煤柱上存在高應(yīng)力區(qū)B2 ，以及上一個(gè)工作面采空區(qū)的壓力穩(wěn)定區(qū)D 。影響因素影響因素 原巖應(yīng)力、采空區(qū)的形狀和尺寸、采空區(qū)上覆巖層的性質(zhì)及動(dòng)態(tài)、煤柱的強(qiáng)度及其周圍采動(dòng)狀況以及煤層的開(kāi)采厚度等。 圖圖4.2 4.2 采煤工作面前后方的應(yīng)力分布采煤工作面前后方的應(yīng)力分布第四章第四章 第第9 9頁(yè)頁(yè)ABCDK HHH工作面前方應(yīng)力變化區(qū)；工作面控頂區(qū)；垮落巖石松散區(qū)； 垮落巖石逐漸壓縮區(qū)；垮落巖石壓實(shí)區(qū)；A原巖

6、應(yīng)力區(qū)；B應(yīng)力增高區(qū)；C應(yīng)力降低區(qū)；D應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)圖圖4.3 4.3 已采區(qū)及其兩側(cè)煤柱的應(yīng)力分布已采區(qū)及其兩側(cè)煤柱的應(yīng)力分布第四章第四章 第第1010頁(yè)頁(yè)AB1CB2CDHHHK1HK2HA原巖應(yīng)力區(qū)；B1、B2應(yīng)力增高區(qū)；C應(yīng)力降低區(qū)； D應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)4.1.3 關(guān)于兩個(gè)應(yīng)力場(chǎng)的理論 研究證明，對(duì)應(yīng)不同的開(kāi)采深度和煤層強(qiáng)度條件，采場(chǎng) 周圍煤層上支承壓力分布可能有以下三種情況：第四章第四章 第第1111頁(yè)頁(yè)單彈一的性分布X0S1出現(xiàn)塑性破壞區(qū)的分布S0X0S1出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的分布圖4.4 不同階段支承壓力分布規(guī)律2）內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的范圍及存在條件內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的出現(xiàn)是以存在塑性區(qū)為前提的，煤層不出現(xiàn)塑性區(qū)，自

7、然也就不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)。maxKHcHKcmaxmin或 開(kāi)采深度H及集中系數(shù)Kmax越大，則塑性區(qū)范圍將越大；煤層強(qiáng)度越高（即單軸抗壓強(qiáng)度c值越大），在同樣深度條件下塑性區(qū)的范圍將越??；在一定采深和既定煤層條件下，塑性區(qū)范圍與煤層開(kāi)采厚度成正比。 第四章第四章 第第1212頁(yè)頁(yè)存在條件存在條件滿足相應(yīng)條件的判別式為：結(jié)論結(jié)論（3 3）內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)壓力的大小及影響因素）內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)壓力的大小及影響因素同時(shí)運(yùn)動(dòng)的巖層數(shù)目及各巖梁的重量。參與運(yùn)動(dòng)的巖梁數(shù)目越多，各巖梁的厚度及強(qiáng)度越大，則內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的壓力越大。內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中的最大支承壓力值與分布范圍（S0）大小成反比，由下部巖梁裂斷位置所決定的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)范圍越小，

8、則壓力峰值將越高。改變采場(chǎng)支架的阻力，可以改變內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力的大小和分布。第四章第四章 第第1313頁(yè)頁(yè)xxxyG支承壓力可由下式表達(dá) 影響因素：影響因素： 4 4）外應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力分布特點(diǎn)及其穩(wěn)定條件）外應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力分布特點(diǎn)及其穩(wěn)定條件 外應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力穩(wěn)定需要以下兩個(gè)條件：外應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力穩(wěn)定需要以下兩個(gè)條件：采場(chǎng)（工作面）停止推進(jìn)；基本頂運(yùn)動(dòng)停止。第四章第四章 第第1414頁(yè)頁(yè) 分布特點(diǎn)：分布特點(diǎn)：采深達(dá)到一定的界限后 同時(shí)存在彈性區(qū)和塑性區(qū) 基本頂端部裂斷前 基本頂端部裂斷前范圍擴(kuò)展到最大值 范圍收縮到最小 5 5）關(guān)于基本頂?shù)淖饔脝?wèn)題）關(guān)于基本頂?shù)淖饔脝?wèn)題 作為傳遞上覆巖重的介質(zhì)，基本頂起著中間墊層

9、和支托層的作用，即上覆巖層壓力只有通過(guò)它才能傳遞到煤層的各個(gè)部位；基本頂本身就是支承壓力來(lái)源的一個(gè)組成部分。4.2 采場(chǎng)支承壓力分布與上覆巖層運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系 4.2.1 采場(chǎng)推進(jìn)過(guò)程中前方支承壓力分布與上覆巖層運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系支承壓力分布與顯現(xiàn)變化劃分為三個(gè)階段：支承壓力分布與顯現(xiàn)變化劃分為三個(gè)階段： 第四章第四章 第第1616頁(yè)頁(yè)從采場(chǎng)推進(jìn)開(kāi)始至煤壁支承能力改變(即煤壁附 近煤體進(jìn)入塑性狀態(tài))之前。煤體沒(méi)有破壞，彈性壓縮；顯現(xiàn)分布：顯現(xiàn)分布：第一階段：第一階段：煤體特點(diǎn)：煤體特點(diǎn)：壓力特點(diǎn)：壓力特點(diǎn)： 一條高峰在煤壁上的單調(diào)下降曲線(如圖4.5a)；與壓力分布曲線相同。即煤壁沒(méi)有進(jìn)入塑性狀態(tài)，各巖

10、梁的跨度相等，同一位置的傳遞系數(shù)相同。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頁(yè)頁(yè)圖4.5 初次來(lái)壓階段支承壓力分布SXLX0S0 x0 3X0 2X0 1C0S0L0( a )( b )( c )( d )SXLX0S0 x0 3X0 2X0 1C0S0L0(a )( b )(c )(d )圖4.5 初次來(lái)壓階段支承壓力分布第四章第四章 第第1818頁(yè)頁(yè) 總體仍為單調(diào)下降曲線，但是具體講則是 塑性 區(qū)內(nèi)與壓力分布相反，彈性區(qū)內(nèi)與壓力分布

11、相同。 第四章第四章 第第1919頁(yè)頁(yè)第二階段：第二階段： 從煤壁支承能力改變到老頂巖梁端部斷裂前為止。煤體特點(diǎn)：煤體特點(diǎn)：煤體支承能力降低，隨老頂巖梁的離層發(fā)展，其作為載荷與傳遞上部巖重的作用將逐步下降，而作為形成支承壓力的“載荷作用”將越來(lái)越占據(jù)主導(dǎo)地位。 壓力特點(diǎn)：壓力特點(diǎn)：塑性區(qū)（包括煤體已完全破壞部分）壓力逐漸上升。 彈性區(qū)內(nèi)則單調(diào)下降，其壓力高峰在交界處。礦山壓力顯現(xiàn)特點(diǎn)：礦山壓力顯現(xiàn)特點(diǎn)： 采場(chǎng)進(jìn)入正常推進(jìn)階段后，支承壓力分布的主要特點(diǎn)是伴隨著上覆巖層的周期性運(yùn)動(dòng)而呈周期性變化（如圖4.6所示）。第四章第四章 第第2020頁(yè)頁(yè)第三階段第三階段: :從老頂巖梁端部斷裂到巖梁中部觸矸

12、為止。特特 點(diǎn)點(diǎn): :支承壓力分布與顯現(xiàn)變化劇烈，壓力分布與顯現(xiàn)總體一致。壓力特點(diǎn)壓力特點(diǎn): : 1 斷裂線附近應(yīng)力集中;2 以斷裂線為界分為兩個(gè)應(yīng)力場(chǎng); 3 兩個(gè)應(yīng)力場(chǎng)中壓力分布背向發(fā)展。兩個(gè)過(guò)程：兩個(gè)過(guò)程： 4.6（a）所示狀態(tài) 4.6（c）中實(shí)曲線1所示狀態(tài) 圖4.6（c）曲線1所示狀態(tài) 基本頂巖梁運(yùn)動(dòng)結(jié)束 圖4.6 正常推進(jìn)階段支承壓力分布 （a）（b）第四章第四章 第第2121頁(yè)頁(yè)第四章第四章 第第2222頁(yè)頁(yè)圖4.6正常推進(jìn)階段支承壓力分布 123b（c）21bacc（d）巖梁端部斷裂前夕 巖梁斷裂結(jié)束時(shí) 4.2.2 4.2.2 工作面兩側(cè)支承壓力分布與上覆巖層運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系工作面兩

13、側(cè)支承壓力分布與上覆巖層運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系隨采場(chǎng)推進(jìn)，兩側(cè)支承壓力分布將經(jīng)歷下列發(fā)展階段:工作面推進(jìn)到圖4.7中3的位置，巖層將深入煤壁內(nèi)部斷裂，支承壓力顯現(xiàn)分為內(nèi)、外兩個(gè)應(yīng)力場(chǎng)。 第四章第四章 第第2323頁(yè)頁(yè)第一階段：第一階段：上下兩側(cè)煤壁邊緣處于彈性狀態(tài)。關(guān)系：關(guān)系：兩個(gè)方向上的壓力高峰始終在煤壁上，峰值隨推進(jìn)步距增加而增加。第二階段：第二階段： 煤壁邊緣破壞，部分進(jìn)入塑性狀態(tài)（圖中2位置）。煤壁破壞，壓力高峰前移，壓力分布形成彈性和塑性兩個(gè)區(qū)域關(guān)系：關(guān)系：第三階段：第三階段：關(guān)系：關(guān)系：壓力分布隨基本頂運(yùn)動(dòng)發(fā)展變化而變化。 LLC0C0LC01233 1233S2S3S2S3123a = 1

14、(a )(b )(c )圖4.4 采場(chǎng)四周支承壓力分布發(fā)展過(guò)程第四章第四章 第第2424頁(yè)頁(yè)4.3 采場(chǎng)支承壓力分布與礦山壓力顯現(xiàn)間的關(guān)系從煤壁支承能力開(kāi)始改變起，到基本頂巖梁開(kāi)始斷裂前為止。第四章第四章 第第2525頁(yè)頁(yè)支承壓力分布與礦山壓力顯現(xiàn)的變化劃分為三個(gè)階段：第一階段：第一階段： 從采場(chǎng)推進(jìn)開(kāi)始至煤壁支承改變（即煤壁附近煤體進(jìn)入塑性狀態(tài)）之前。 關(guān)系：關(guān)系： 其分布規(guī)律與支承壓力分布規(guī)律相同，為一條高峰在煤壁處的單調(diào)下降曲線如圖4.8所示。第二階段：第二階段：在彈性區(qū)壓力顯現(xiàn)與壓力分布相一致；在塑性區(qū)兩者分布的變化趨勢(shì)則完全相反，如圖4.9所示。關(guān)系：關(guān)系：從基本頂巖梁端部斷裂起至巖

15、梁中部觸矸止。第四章第四章 第第2626頁(yè)頁(yè)第三階段：第三階段：超前巷道中的壓力顯現(xiàn)的變化與壓力分布的變化趨勢(shì)相一致 關(guān)系：關(guān)系： vxh圖圖4.8 4.8 煤體彈性狀態(tài)下支承壓力與顯現(xiàn)分布規(guī)律煤體彈性狀態(tài)下支承壓力與顯現(xiàn)分布規(guī)律第四章第四章 第第2727頁(yè)頁(yè) vx塑性區(qū)彈性區(qū)h圖圖4.9 4.9 煤體塑性破壞后支承壓力及其顯現(xiàn)分布規(guī)律煤體塑性破壞后支承壓力及其顯現(xiàn)分布規(guī)律第四章第四章 第第2828頁(yè)頁(yè)4.4采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)與上覆巖層運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系礦壓顯現(xiàn)產(chǎn)生的根源在于上覆巖層運(yùn)動(dòng)。礦壓顯現(xiàn)產(chǎn)生的根源在于上覆巖層運(yùn)動(dòng)。4.4.1 圍巖變形、破壞與跨落采煤工作面開(kāi)采以來(lái)初次斷裂，使工作面支架承受較

16、大采煤工作面開(kāi)采以來(lái)初次斷裂，使工作面支架承受較大的靜載荷或沖擊載荷，這種礦山壓力顯現(xiàn)叫做基本頂初的靜載荷或沖擊載荷，這種礦山壓力顯現(xiàn)叫做基本頂初次來(lái)壓。次來(lái)壓。 第四章第四章 第第2929頁(yè)頁(yè)產(chǎn)生根源產(chǎn)生根源頂板跨落過(guò)程頂板跨落過(guò)程：直接頂?shù)某醮慰迓渲苯禹數(shù)某醮慰迓浠卷敵醮蝸?lái)壓基本頂初次來(lái)壓基本頂周期來(lái)壓基本頂周期來(lái)壓基本頂初次來(lái)壓概念：基本頂初次來(lái)壓概念：基本頂周期來(lái)壓步距概念：基本頂周期來(lái)壓步距概念：相鄰兩次基本頂周期來(lái)壓的平均距離，即基本頂周期折斷的相鄰兩次基本頂周期來(lái)壓的平均距離，即基本頂周期折斷的平均值叫做基本周期來(lái)壓步距。平均值叫做基本周期來(lái)壓步距。 第四章第四章 第第3030

17、頁(yè)頁(yè)4.4.2 采場(chǎng)支架上的壓力顯現(xiàn)與上覆巖層運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系關(guān)系關(guān)系采場(chǎng)支架受力（支架載荷）是頂板運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，采場(chǎng)支架受力（支架載荷）是頂板運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，其值取決于支架對(duì)頂板運(yùn)動(dòng)控制的方式和抵抗程度其值取決于支架對(duì)頂板運(yùn)動(dòng)控制的方式和抵抗程度 在采場(chǎng)工作過(guò)程中，可以用圖在采場(chǎng)工作過(guò)程中，可以用圖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由下式表達(dá)：由下式表達(dá)：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支架的始動(dòng)阻力，支架的始動(dòng)阻力，N N；EE支架的剛度，支架的剛度，N/mN/m；支架的壓縮量，支架的壓縮量，m m 支架的壓縮量可由下

18、式表示支架的壓縮量可由下式表示 )(fdTihhihi采場(chǎng)頂板下沉量，采場(chǎng)頂板下沉量，m m； TT支架鉆入頂板的深度，支架鉆入頂板的深度，m m；dd支架鉆入底板的深度，支架鉆入底板的深度，m m；ff輔助性支護(hù)結(jié)構(gòu)輔助性支護(hù)結(jié)構(gòu)（如戴帽、穿鞋等）的壓縮量，（如戴帽、穿鞋等）的壓縮量，m m。 式中式中 頂板下沉量頂板下沉量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頁(yè)頁(yè)mEmzhLzLk hZSAR0ERT圖圖4.10支架模型及其工作狀況支架模型及其工作狀況 第四章第四章 第第3232頁(yè)頁(yè) 2 2）“給定變形給定變形”狀態(tài)下支架的壓力顯現(xiàn)規(guī)律支架受力

19、與采場(chǎng)頂狀態(tài)下支架的壓力顯現(xiàn)規(guī)律支架受力與采場(chǎng)頂 板下沉量的變化規(guī)律如圖板下沉量的變化規(guī)律如圖4.114.11所示。所示。圖圖4.11“限定變形限定變形”條件下增阻支架壓力顯現(xiàn)規(guī)律條件下增阻支架壓力顯現(xiàn)規(guī)律第四章第四章 第第3333頁(yè)頁(yè)b0a0bababaRhS0支架阻力頂板下沉量推進(jìn)步距R0h0恒阻支架上的壓力顯現(xiàn)規(guī)律恒阻支架上的壓力顯現(xiàn)規(guī)律 其中其中 minR=0R maxR0R=TR0R 。支架在下縮過(guò)程中，其阻力是。支架在下縮過(guò)程中，其阻力是恒定的，即恒定的，即 ，在不破頂、鉆底的情況下，與采，在不破頂、鉆底的情況下，與采場(chǎng)頂板下沉量無(wú)關(guān)。場(chǎng)頂板下沉量無(wú)關(guān)。=恒阻支架恒阻支架支架上的壓力顯現(xiàn)將周期性的出現(xiàn)穩(wěn)定的恒阻段，這一顯支架上的壓力顯現(xiàn)將周期性的出現(xiàn)穩(wěn)定的恒阻段，這一顯現(xiàn)規(guī)律如圖現(xiàn)規(guī)律如圖4.124.12（a a）所示。）所示。 hh最小和最大頂板下沉量（最小和最大頂板下沉量（，）hbLSLmAK= hbLSLmAK = 來(lái)壓結(jié)束時(shí)巖梁的懸跨度，來(lái)壓結(jié)束時(shí)巖梁的懸跨度，c c mL第四章第四章 第第3434頁(yè)頁(yè)圖圖4.12 “給定變形給定變形”條件下恒阻支架壓力顯現(xiàn)規(guī)律條件下恒阻支架壓力顯現(xiàn)規(guī)律第四章第四章 第第3535頁(yè)頁(yè)R0推進(jìn)步距頂板下沉量支架阻力0SRabababb0R0a0h0h分析在給定變形條件和限定變