礦山壓力與圍巖控制課件-01-

1、礦山壓力與圍巖控制河北能源職業(yè)技術學院 緒 論一、課程性質(zhì)及任務： 礦山壓力及其控制是煤礦開采技術專業(yè)的必修專業(yè)課。 任務： 應力分布規(guī)律 1、掌握三個規(guī)律 巖層移動規(guī)律 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 2、掌握二個原理 工作面支架與圍巖相互作用原理 巷道支架與圍巖相互作用原理 3、掌握一套方法 ： 礦壓控制方法二、課程學習基本要求： 了解各類圍巖事故產(chǎn)生的條件、原因和特點； 了解礦山壓力現(xiàn)場研究的基本方法； 初步具備解決、分析礦山壓力問題的能力； 能針對具體煤層和圍巖條件布置巷道和回采工作面； 能合理設計回采工作面、巷道的圍巖控制方式。三、礦山壓力與控制概念： 1、礦山壓力由于礦山開采活動影響，在開采空間周圍

2、巖體內(nèi)形成的和作用在支護物上的力。 2、礦山壓力顯現(xiàn)由于礦山壓力作用，開采空間圍巖體及支護物產(chǎn)生的各種力學現(xiàn)象。 （變形、破壞、垮落、折損、沖擊） 3、礦山壓力控制為使采礦工作正常、安全進行所采取的各種減輕、調(diào)節(jié)、改變和利用礦山壓力作用的方法。 四、研究礦山壓力對礦山開采的意義： 1、生態(tài)環(huán)境保護 2、保證生產(chǎn)安全 3、減少資源損失 4、改善開采技術 5、提高經(jīng)濟效益 第一章 礦山巖石和巖體的基本性質(zhì) 巖石的物理力學性質(zhì)是巖體最基本、最重要的性質(zhì)之一，也是巖石力學中研究最早、最完善的內(nèi)容之一。本章介紹：巖石的地質(zhì)構成及分類； 巖石物理、力學性質(zhì)及測定； 巖石的破壞機理和強度理論； 巖體及其力學

3、特征。 第一節(jié) 礦山巖石的基本概念 一、巖石： 巖石：礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集形成的自然物體。 （巖石 = 礦物顆粒 + 膠結物 + 孔隙 + 水） 礦物：存在地殼中的具有一定化學成分和物理性質(zhì)的自然元素和化合物。 結構：組成巖石的物質(zhì)成分、顆粒大小和形狀以及其相互結合的情況。 (結晶、膠結) 構造: 組成成分的空間分布及其相互間排列關系。 （節(jié)理、裂隙、空隙、邊界、缺陷）礦物、結構、構造是影響巖石力學性質(zhì)和物理性質(zhì)的三個重要因素 。 巖漿巖：強度高、均質(zhì)性好二、巖石地質(zhì)分類 沉積巖：強度不穩(wěn)定，各向異性 變質(zhì)巖：不穩(wěn)定，與變質(zhì)程度和巖性有關三、沉積巖石的力學特性：不連續(xù)性；（物質(zhì)

4、不能充滿空間，有空隙存在）各向異性；（任一點的物理、力學性質(zhì)沿不同方向均不相同）不均勻性；（由不同物質(zhì)組成，各點物理力學性質(zhì)都不相同）巖塊單元的可移動性；地質(zhì)因素影響特性（水、氣、熱、初應力）（上述特性導致巖石力學的研究方法以實驗測試為主）第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì) 一、巖石的密度與體積力（容重） 巖石含：固相、液相、氣相。 Vo 三相比例不同而密度不同。 Vc V 1、巖石的真密度 ： 真密度單位體積巖石（不包含空隙）的質(zhì)量： 其中：巖石真密度，kg/m3 巖石實體干質(zhì)量（不含水分），kg 巖石實體體積（不含孔隙），m3 2、巖石的視密度 ： 視密度單位體積巖石（包括孔隙）的質(zhì)量式中：巖石的視密

5、度，kg/m3 巖石的質(zhì)量，kg 巖石的體積（含孔隙），m3 3、巖石的容重： 容重巖石單位體積（含孔隙體積）的重力， kN/m3 式中： W被測巖樣的重量, （ ） kN； V被測巖樣的體積，m3 天然容重天然含水狀態(tài)下, 干容重105110烘干24小時（至恒重）, d 飽和容重巖石孔隙吸水飽和（水浸48小時）狀態(tài)下, w 4、巖石的相對密度（比重）： 比重巖石固體部分的重量和4同體積純水重量的比值。 式中：WS體積為V的巖石，固體部分重量，kN VC巖石固體部分（不含孔隙）體積，m3 W4同體積純水重量，kN/m3 二、巖石的孔隙性反映裂隙賦存于發(fā)育狀態(tài)。 1、孔隙率n孔隙體積占總體積的百

6、分比。 2、孔隙比e巖石中各類孔隙總體積與巖石實體體積之比。 ne關系： 巖石的孔隙性對圍巖強度、變形、含水影響很大。三、巖石的碎脹性巖石破碎后自然堆積體積大于原體積的性質(zhì)。 1、初始碎脹系數(shù)破碎后樣自然堆積體積與原體積之比。 2、殘余碎脹系數(shù)破碎并被壓實后的體積與原體積之比。 式中： 分別為原體積/破碎自然堆積體積/被壓實體積。 巖石碎脹性對地下采礦圍巖控制、礦產(chǎn)及土石方運輸?shù)扔兄匾饬x。 四、巖石的軟化性 巖石浸水后強度降低的性質(zhì)。 軟化系數(shù)飽水巖樣抗壓強度與自然風干巖樣抗壓強度的比值。 （ ） 越小，表示巖石受水的影響越大。 巖石軟化性在地下開采圍巖管理、地面邊坡管理等方面有重要意義。五

7、、巖石的膨脹性巖石浸水后體積膨脹的性質(zhì)。（用于評價膨脹性巖體工程穩(wěn)定性）自由膨脹率無約束條件下浸水后膨脹變形與原尺寸之比。 軸向自由膨脹 （%） H試件高度 徑向自由膨脹 （%） D直徑 六、巖石耐崩解性巖石抵抗水浸后結構破壞的性能。 耐崩解指數(shù)巖石試件進行烘干、浸水循環(huán)試驗，。 （測試：將烘干的試塊，約500g，分成10份，放入帶有篩孔的圓筒內(nèi)，使圓筒在水槽中以20rs速度連續(xù)轉10分鐘，然后將留在圓筒內(nèi)的石塊取出烘干稱重。如此反復進行兩次，按下式計算耐崩解性指數(shù)。）第三節(jié) 巖石的變形性質(zhì)工程師對工程材料提出兩個問題： 1 最大承載力許用應力 ？ 2 最大允許變形許用應變 ？ 在巖石工程中要

8、使： 實際參數(shù)允許指標巖石的力學性質(zhì)包括： 變形性質(zhì)：研究巖石在受力情況下的變形規(guī)律（本節(jié)）。 強度特性：研究巖石受力破壞的規(guī)律（下節(jié)）。 一、巖石的彈性和塑性： 變形分析的重要性（直觀、易測、建立模型、準則） 1、 彈性變形： （縮短為正，壓應力為正）線彈性非線彈性 滯彈性 線彈性直線型；當巖石致密，強度大，壓力不高時，為此狀態(tài)。 非線彈性單向曲線型； 基本沒有。 滯彈性雙向曲線型，巖石多屬滯彈性：滯彈性應力應變不是唯一的對應關系，應變的產(chǎn)生（變化）較應力 的變化有一段時間的滯后。 原因：物理學認為，當作用在滯彈性體上的力發(fā)生改變時，由于受力體內(nèi)部物質(zhì)的粘性或內(nèi)摩擦的原因，引起變形效應滯后和

9、遲延。 滯彈性體具有兩個重要性質(zhì)： 彈性滯后由于內(nèi)摩擦原因，巖石隨應力變化出現(xiàn)的變形滯后。 彈性后效由于熱傳導等原因，外力停止變化，而變形仍隨時間而緩慢變化。 理想塑性具有應變硬化的塑性2、塑性變形： 巖石塑性普遍存在； 巖石塑性與巖石的組成、結構、構造及外界環(huán)境有關。 （顆粒及膠結物物質(zhì)成分、排列結合、含水、溫度、應力等） 理想塑性超過彈性極限，進入完全塑性狀態(tài)（極少）； 應變硬化超過彈性極限，承載能力隨應變增加而增加。 3、一般巖石的變形： 瞬時彈性變形 后效彈性變形 塑性變形 巖石與其它金屬及晶體礦物不同，因其有節(jié)理、裂隙存在，在應力不高階段，內(nèi)部結構即有破壞，在產(chǎn)生彈性變形的同時，產(chǎn)生

10、塑性變形。 巖石不是理想的彈性體、塑性體、粘性體，是混合體。 有彈塑；塑彈；彈粘塑；粘彈等多種變形特性。 （粘性變形不能在瞬間完成， 變形速率隨應力變化。）典型變形性質(zhì)：直線型彈脆彈塑下凹型塑彈上凹型彈粘平緩 型塑彈塑S 型二、巖石單向壓縮變形性質(zhì)： 1、軸向變形：2、橫向變形；普通試驗機下巖石應力、應變曲線剛性試驗機下巖石應力、應變曲線剛性試驗機3、全應力應變曲線： 四個階段： OA原有裂隙壓密階段 ACAB彈性變形，BC微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段（原彈性階段） CD累進性破裂發(fā)展階段，C點為屈服點，約2/3峰值強度。 DE破裂后階段（應力降低階段、殘余應力階段） e4、巖石的變形指標及其確定： 彈

11、性摸量E：（抵抗變形的能力、應力應變比值） 線彈性： 直線斜率 非線彈性： 切線斜率 （變形曲線導數(shù)）； 割線斜率 （割線斜率）； 彈塑性： 彈性摸量：E = 加載曲線段切線斜率=卸載曲線段割線斜率； 變形摸量：泊松比：（變形傳遞能力） 泊松比巖石橫向應變與縱向應變的比值。 在彈性階段：其為常數(shù)。 在塑性階段：不為常數(shù)。 （嚴格講，僅在彈性范圍適用，對塑性部分不適用 , 由于引入變形摸量，塑性區(qū)可用，最大為0.5。) 剪切摸量G剪切虎克定律比例系數(shù)。拉梅常數(shù)將應力應變聯(lián)系起來的彈性常數(shù)。體積摸量Kv體積彈性摸量。5、巖石變形中的擴容現(xiàn)象： 擴容現(xiàn)象巖石破壞前，因微裂隙產(chǎn)生及內(nèi)部小塊體相對滑移，

12、 導致體積擴大的現(xiàn)象。 體應變變形后的體積增量與變形前體積之比。 體應變曲線：三個階段：體積減小階段0F 體積不變階段F 體積擴大階段FT縱向橫向體積T三、巖石三軸壓縮變形性質(zhì)： 1、三軸實驗： （真三軸、假三軸） 2、三軸抗壓強度： 3、三軸變形特征： 與單軸試驗結果基本類似（E、基本相同）； 圍壓增加三向抗壓強度增加； 峰值變形增加； 彈性極限增加； 巖石由彈脆性彈塑性應變硬化轉變 干砂巖濕砂巖四、巖石流變性質(zhì)： 1、巖石流變性質(zhì)巖石 隨時間增長而變化的性質(zhì)。 2、流變現(xiàn)象： 蠕 變應力不變，應變隨時間增加而增長的現(xiàn)象。 （當 時 ） 松 弛應變不變，應力隨時間增加而減小的現(xiàn)象。 （當 時

13、 ） 彈性后效停止加、卸載，應變需經(jīng)一段時間達到應有值的現(xiàn)象。 粘性流動蠕變后卸載，部分變形不能恢復的現(xiàn)象。 3、蠕變曲線： 巖石蠕變的類型： 穩(wěn)定蠕變 （低應力） 不穩(wěn)定蠕變（高應力） 典型蠕變曲線： （蠕變?nèi)A段） 初始蠕變階段應變增加，但應變增加速率降低； 定常蠕變階段應變增加速率保持不變； 加速蠕變階段應變增加速率迅速增加，直至破壞。穩(wěn)定蠕變不穩(wěn)定蠕變典型蠕變曲線瞬時應變初始應變定長蠕變加速蠕變 與巖石類別有關（粘土礦物巖石蠕變顯著） 巖石蠕變 與應力大小有關（高應力蠕變明顯，超過極限 應力，蠕變進入不穩(wěn)定階段） 蠕變試驗：時間長； 測量要求精度高（用千分表）； 載荷恒定。 研究蠕變的

14、意義：了解巖石的長時強度。 長時強度巖石蠕變破壞時的最低應力值。 長時強度對巖土工程更為重要。 長時強度 強度 1m3） 巖體 = 巖塊 + 結構面 結構面（弱面）地質(zhì)界面，如斷層、裂隙、層理、節(jié)理、片理。 （堅硬無充填結構面、軟弱有充填結構面、夾層） 結構體（巖塊）被各類結構面切割成的巖石塊體。 （塊狀、板狀） 巖體 = 巖塊 + 弱面 巖體的力學處理： 完整性很好連續(xù)介質(zhì)力學方法； 非常破碎土力學方法； 兩者之間裂隙體力學方法。 巖體結構基本類型： （按結構面切割狀況及結構體類型分為六種） 完整結構 塊裂結構 層狀結構 碎裂結構 斷續(xù)結構 散體結構整體結構 塊裂結構 層狀結構碎裂結構 斷續(xù)

15、結構 散體結構二、巖體的變形特征 巖體力學性質(zhì)取決于巖石、結構面的力學性質(zhì)及結構面的空間組合狀況。 1、巖體實驗： 主要測定：變形曲線、彈性常數(shù)、強度 試 件：現(xiàn)場切割制作，保護原結構不受破壞。 設 備：現(xiàn)場安裝，主要為剪切實驗。 2、巖體變形特征： 總變形量大 在變形的過程中體積明顯增大（擴容） 破壞后仍能承受一定載荷而繼續(xù)變形 層狀巖體可呈現(xiàn)比較明顯的各向異性壓密階段：裂隙被壓閉合，縱向變形明顯，側向變形不明顯；彈性階段：結構體開始承載變形，應力應變正比，呈彈性；塑性階段：過屈服點，結構體變形，結構面產(chǎn)生滑移變形，擴容、應變強化；破壞階段：強度限后，出現(xiàn)沿結構面滑移和結構體轉動，擴容，出現(xiàn)

16、新裂縫。 破壞后，由于巖體尺寸大，仍能夠靠塊體間摩擦承受一定載荷。 3、巖體變形曲線： 三、巖體的強度特征巖體強度是巖塊、弱面強度的綜合反映，介于巖塊、弱面強度之間。 包括：抗壓、抗剪、抗拉 （受結構面影響很大，現(xiàn)場主要測抗壓、抗剪強度）1、 結構面及其強度： 1）結構面分類： 按成因 ： 原生結構面成巖階段形成的結構面 ； 構造結構面在構造運動作用下形成的結構面 ； 次生結構面在地表由于外力作用形成的結構面； 按工程要求：細小結構面 延長L1m 中等結構面 1m延長L10m 巨大結構面 延長L10m 2）結構面的接觸類型： 3）結構面強度特征： 不能承受拉應力； 可承受垂直面的壓應力； 可承

17、受沿面剪應力（與其上正應力有關）； 以剪切破壞為主。 壓縮性質(zhì)剪切性質(zhì)2、巖塊的強度： 可承受壓、剪或低值拉應力，以剪切破壞為主：3、巖體強度： 介于結構面、巖快之間。滿足無拉力準則（受 拉處即破壞）巖體結構面4、結構面對巖體強度的影響：結構面方位對巖體強度的影響 結構面與主應力方向不同，對巖體強度影響不同。 結構面位于剪切面位置時，巖體強度最小。L1具有兩組相互垂直節(jié)理時巖體強度的變化曲線L2L2L1多組結構面導致巖體各項同性。最小強度域 結構面組數(shù)越多，巖體強度越接近結構面強度。 結構面組數(shù)越多，巖體越呈現(xiàn)各向同性。 對現(xiàn)場松散破碎巖體，不能使用巖塊強度，只能使用弱面強度或弱面摩擦強度研究

18、破壞問題。 四、巖體強度的測定： 試 件現(xiàn)場切割（保持原有結構） 儀器設備現(xiàn)場安裝 1、單向壓縮強度測定： 式中：P試件破壞載荷 kN； A試件橫截面積 m2。 2、抗剪強度測定： 對多個試件，通過改變正壓力，獲得巖體抗剪強度曲線 3、三軸壓縮強度試驗： 真三軸： 偽三軸：試件壓力枕球面墊液壓枕頂柱墊板頂座墊板除非大型重要工程，一般不進行現(xiàn)場實測。目前，現(xiàn)場多用間接方法測定準巖體強度。準巖體強度： 實質(zhì)：考慮裂隙發(fā)育程度，以經(jīng)過修正的巖石強度作為巖體強度（準巖體強度）。 準巖體抗壓強度： 準巖體抗拉強度： 式中： 為巖體完整性系數(shù)。 巖體、巖塊中彈性波縱波傳播速度。第二章 礦山巖體內(nèi)應力及其重

19、新分布 本章介紹： （應力分布規(guī)律） 原巖應力 孔周圍應力分布 圍巖極限平衡 支承壓力及其分布第一節(jié) 巖體中的原巖應力一、原巖應力概念：1、原巖應力未受開采影響的巖體內(nèi)，由于巖體自重和構造運動等原 因引起的應力。（原始應力） 自重應力 構造應力2、原巖應力組成 地溫應力 膨脹（收縮）應力 流體壓應力 未開采前，地下空間已形成原巖應力場； 在較大范圍內(nèi)，原巖應力場分布不均； 不均衡應力場隨圍巖變形及時間推移將趨于平衡二、自重應力： 鉛直應力： 水平應力： 其中： 側壓系數(shù) 海 姆： （靜水壓力理論） 金尼克： （ 彈性側壓理論） 一般 則三、構造應力： 1、構造應力由構造運動引起（板塊、火山、升

20、降） 現(xiàn)代構造應力 地質(zhì)構造殘余應力 構造應力 難以區(qū)分構造應力場構造運動形成： 板塊擠壓板塊移動，擠壓邊界引起（橫向）； 地幔熱對流地幔上下封閉對流形成； 巖漿侵入巖漿侵入擠壓、冷凝收縮（局部）2、構造應力特點： 1）分布不均，在構造區(qū)域附近最大； 2）水平應力為主，淺部尤為明顯； 3）具有明顯的方向性； 4）堅硬巖層中明顯，軟巖中不明顯； 5） 構造應力目前尚難以計算，只能實測。3、構造應力（最大主應力）的現(xiàn)場判斷：1）水平巷道，破壞具有明顯的方向性，且兩幫破壞程度較頂?shù)灼茐某潭却髸r；2）垂直巷道，巷幫發(fā)生對稱性破壞時，沿破壞連線方向；3）與褶皺脊線（褶曲軸）、逆斷層走向垂直；4）沿X形節(jié)

21、理（斷裂）銳角平分線方向；5）與縱張節(jié)理走向一致。 四、原巖應力分布基本規(guī)律： 實測鉛直應力基本等于上覆巖層重量； 水平應力普遍大于鉛直應力； 平均水平應力與鉛直應力比值隨深度增加而減?。?最大主應力與最小主應力一般相差較大。 （考慮構造應力后，水平應力作用明顯）深度RT垂 直 應 力 與 深 度 成 正 比深度RT平 垂 應 力 比 值 隨 深 度 增 加 而 減 小第二節(jié) “孔”周圍的應力分布本節(jié)介紹：園孔等壓、園孔不等壓、橢圓、矩形等孔周圍應力分布。一、應力集中概念：應力集中受力體內(nèi)，孔周圍局部區(qū)域應力高于其 它區(qū)域應力的現(xiàn)象。應力集中特點： 集中應力大小與所受應力有關； 與孔的曲率有關

22、，曲率大，集中程度大； 集中是局部的； 影響范圍與孔徑有關。 二、彈性力學基本問題與基本方程： 1、平面問題： 平面應力問題某一方向應力為0。 （受力體在幾何上為等厚 薄板，如薄板梁、砂輪等） 平面應變問題某一方向應變?yōu)?。 （受力體為等截面長柱體， 如擋土墻、水壩、井下巷道） （提出平面問題可簡化計算過程）2、雙向等壓圓形巷道平面應變問題基本方程：1）平衡微分方程： （極坐標系） （雙向等壓時，僅經(jīng)向應力變化，切向應力無變化） 由經(jīng)向靜力平衡有： 化簡得： （ ，忽略高階無窮?。?（1）2）幾何方程： （應變與位移滿足變形協(xié)調(diào)關系） 經(jīng)向變形由 則經(jīng)向應變： 切向變形由 則切向應變： 故有幾

23、何方程：（2）（3）3）物理方程： （應力與應變符合虎克定律） （ 平面應變問題： ） 對于井巷巖石工程，在研究其應力分布及位移變形時，多利用圓孔作為研究基礎，利用極坐標方程進行推導，比較簡便。（4）（5）（6） 三、雙向等壓應力狀態(tài)下，圓孔周圍應力分布： 1、基本假設： 圍巖均質(zhì)、各向同性、線彈無粘性； 雙向等壓； 巷道無限長（平面應變）； 符合深埋條件（ ）。 （1）（4）（5）（2）（3）五個方程可解五個變量： 2、基本方程：消除無關量 ，求解3、計算結果：4、討論分析：1）園孔周邊應力 2）任一點的應力 3） 分布與方向角 無關，園孔任一方向應力分布相同； 4）圍巖內(nèi)應力大小與彈性常數(shù)

24、 無關，與距孔邊距離有關； 5）雙向等壓時，園孔周邊全處于壓縮應力狀態(tài)； 6）在園孔內(nèi)3倍直徑以遠，應力接近原始應力（影響半徑）。 7）雙向等壓園孔應力集中系數(shù)最大為 2 。 5、影響半徑的確定： 影響半徑園心到 、 增減達原始應力的5%處半徑。 由 有 或 即： 影響半徑。（當 時， ）四、雙向不等壓應力場內(nèi)圓孔周圍應力分布： 1、 吉爾西解答: (1898) 2、圍巖內(nèi)沿主應力方向（=00，=900）應力分布： 3、圓孔周邊（r=R0）應力分布： 單 壓 雙向不等壓 雙向等壓 K=3 k=2.7 k=2應力集中系數(shù) 4、園孔應力分布結論：1）圓孔周圍應力集中是局部的，應力集中程度隨遠離孔而

25、減弱，并趨于原始應力；2）圓孔周邊應力集中系數(shù)隨圍壓增大而有所減弱；3）當1/3時，沿最大主應力方向，孔周邊一定范圍內(nèi)存在切向拉應力；當1/3時，圍巖周邊不產(chǎn)生切向拉應力；4）當=0時，沿最大主應力方向，孔周邊一定范圍內(nèi)存在徑向拉應力。 五、橢圓巷道圍巖的應力分布： 橢圓軸比： 橢圓孔圍巖應力分布一般規(guī)律： 1）橢圓曲率大的一端，應力集中程度高； 2）圍巖內(nèi)應力集中隨距離增加衰減很快； 3）單向應力狀態(tài)時，沿主應力方向孔邊附近有拉應力區(qū)存在。 1）等應力軸比周邊各點應力相等時的軸比。 橢圓長軸方向與最大 主應力方向一致，周邊應力相等。 橢圓周邊切向應力計算公式： 2）無拉力（零應力）軸比周邊恰

26、無拉應力時的軸比。 周邊各點對應的無拉力軸比各不相同，應首先滿足頂點、 兩幫中點無拉力軸比。 頂點無拉力軸比： 兩幫無拉力軸比： （當 時，優(yōu)先考慮頂點， 時優(yōu)先考慮兩幫） 六、矩形和其它形狀巷道周邊彈性應力分布： 一般規(guī)律： 周邊最大應力為切向應力； 周邊應力與 E 等彈性參數(shù)無關； 在斷面直長邊易出現(xiàn)拉應力； 在周邊拐角處可產(chǎn)生很高的應力集中。七、多孔相互影響應力分布： 1、斷面相同兩孔： 當 時： 不會產(chǎn)生相互影響。 當 時： 要產(chǎn)生相互影響。 為相互影響間距。 （對4米跨度巷道，相互不產(chǎn)生應力疊加，兩巷應相距18米，一般取20米即可。）2、大小不等相鄰兩孔： 兩孔相互影響間距為： 間距

27、 無影響； 間距 有影響。 大小不等兩孔間距小于影響間距時，產(chǎn)生應力疊加，其中小孔應力集中程度高于大孔。3、同一水平多孔： 間距越小，影響越大； 孔越多，應力集中程度越高。八、回采空間周圍應力重新分布： 不同方向臨空，應力疊加； 在拐角處應力集中程度高； 按臨空自由面多少，應力集中程度有如下關系： 孤島 半島 拐角 單面小結： （設圍巖處于彈性狀態(tài)） 1、孔周圍形成應力集中，最大切向應力發(fā)生在孔周邊； 2、應力集中系數(shù)與孔形狀有關，曲率大處集中系數(shù)大； 3、應力集中系數(shù)與應力狀態(tài)（側壓系數(shù) ）有關； 4、應力集中是局部的； 5、孔的影響范圍與孔徑有關，孔徑大影響范圍大；第三節(jié) 圍巖的極限平衡與

28、支承壓力分布本節(jié)介紹：圍巖極限平衡區(qū)及其應力分布、支承壓力形成及其分布一、圍巖內(nèi)應力狀態(tài)及“三區(qū)”的形成： 1、孔周圍巖體的力學狀態(tài)： 切向應力分布： （大小） 受力狀態(tài)： （單向三向） 抗壓強度： （低高） 破壞順序： （外里） 極限平衡區(qū) 2、圍巖三區(qū)的形成： 塑性區(qū)：處處滿足 強度條件； 彈性區(qū)：滿足虎克定律； 原始應力區(qū)： 巖層破壞由巷道周邊向里發(fā)展。原始應力區(qū)彈性區(qū)塑性區(qū)二、園孔極限平衡區(qū)應力分布：1、塑性區(qū)應力：無支護有支護 無支護應力分布有支護應力分布2、塑性區(qū)半徑（卡斯特納方程 ）無支護有支護 卡斯特納方程揭示了支護力對巷道圍巖強度及應力分布的影響。 三、采場圍巖極限平衡： 1

29、、力學分析： 在煤體內(nèi)取一單元體； 由水平方向靜力平衡有： 即： 由極限平衡條件有： 求微分： 將 代入上式得： 求解得： 代入初始條件： （ 煤幫承載能力） 解得： 故有： 2、煤壁前方應力分布：極限平衡區(qū) D彈性區(qū) E原始應力區(qū) F圍巖分區(qū)減壓區(qū) A增壓區(qū) B穩(wěn)壓區(qū) C應力分區(qū)（二者有交叉） 一般以高于原巖應力5%為集中應力影響范圍，以遠可以認為是原始應力區(qū)（有時劃歸彈性區(qū)）。3、應力及圍巖分區(qū)：四、支承壓力及其分布： 1、支承壓力概念： 支承壓力回采空間周圍煤巖體內(nèi)應力增高區(qū)的切向應力。（支承壓力是礦山壓力的一部分） 2、支承壓力的類型： 固定支承壓力（固定邊界） 移動支承壓力（移動邊界

30、） 3、回采工作面前后方支承壓力分布： （P107）前方移動支承壓力遠遠大于后方支承壓力；工作面僅承受極少量壓力作用。 4、影響支承壓力分布的主要因素： 1）回采空間尺寸及形狀；2）回采空間頂板管理方法（支撐狀態(tài)）；3）頂板巖層及煤層巖性；4）采深；5）周圍回采空間分布。 1刀柱法； 2全部垮落法（充填法）； 3大采高全垮法； 4堅硬頂板全垮法。不同采空區(qū)支撐條件下移動支承壓力分布不同開采方法移動支承壓力分布不同：五、支承壓力在底板中的傳播： 1、集中載荷時應力傳播規(guī)律： 由土力學得到： z深度； r距作用線水平距離2、應力在煤層底板中的分布：煤柱、煤體下等應力線分布規(guī)律： 煤體邊緣附近底板產(chǎn)

31、生高應力集中； 采空區(qū)下方一定范圍內(nèi)應力降低； 多煤層同采時應力有相互干擾。第三章 采場上覆 巖層活動規(guī)律 本章介紹： 工作面頂?shù)装鍎澐?老頂破斷分析（梁、板） 直接頂穩(wěn)定性分析 上覆巖層活動規(guī)律 上覆巖層平衡結構 第一節(jié) 概 述一、回采工作面頂、底板的劃分： 1、頂板： 偽 頂位于煤層之上，薄而軟弱的巖層； 直接頂位于煤層或偽頂之上一層或幾層性質(zhì)相近巖層； 老 頂位于直接頂或煤層之上厚而堅硬的巖層（基本頂）； 2、底板： 直接底位于煤層之下的巖層（為古土壤）； 老 底直接底之下的巖層。 （對于反山，頂?shù)装逦恢冒l(fā)生翻轉）二、回采工作空間類型： （依據(jù)采空區(qū)處理方法不同劃分）（a）完整空間刀柱法

32、或留煤柱開采；（b）自彎曲空間頂板緩慢下沉法（頂板塑性大）；（c）充填空間充填法；（d）垮落空間全部垮落法。三、頂板工作結構： 1、梁式結構將頂板視為沿工作面推進方向的梁，按照梁式結構承載變形破壞理論分析頂板破壞現(xiàn)象。 2、板式結構將頂板巖層視為一個板或經(jīng)斷層、裂隙切割后，多塊板相互咬合組成的板，按板式結構承載變形及強度理論分析頂板破壞現(xiàn)象。 3、頂板結構端部支撐條件： 固定支座頂板被煤巖層夾持，未斷裂，無自由端； 簡支梁支座頂板端部斷裂或埋深較淺（可轉動）； 第二節(jié) 老頂巖層力學分析一、老頂梁式結構分析： 1、冒落區(qū)老頂支撐條件： 1）全部充填滿回采空間 2）不能充填滿回采空間 （老頂懸露，

33、成梁式結構） （ ）2、老頂梁式結構力學分析： （按固定支座） 1）支座反力：（對稱）任意截面剪力：（） 3）任意截面彎矩：可見：最大彎矩、最大剪力發(fā)生在煤壁兩端4）簡支支座時老頂?shù)牧W分析： 剪力 彎矩 最大彎矩在梁中間 最大剪力在梁的兩端 受彎矩作用拉斷 受剪力作用剪斷綜上：老頂巖梁破壞形式有兩個二、梁式斷裂時的極限跨距： 1、按彎矩計算： 任意點A 處正應力： 其中斷面矩 最大拉應力在梁的端部 當 時，則巖梁被拉斷裂。 此時由 有： 固定梁按彎矩計算的極限跨距： 2、按剪力計算： 最大剪切力發(fā)生在梁的兩端 最大剪應力為： 當 時，巖梁被剪斷。 此時由 有： 固定梁按剪力計算的極限跨距：

34、3、按簡支梁計算： 剪力與固支梁同，跨距相同 彎矩與固定梁不同，最大彎矩在梁中部 故最大拉應力為： 當 時，巖梁被拉斷裂。 此時由 有： 簡支梁按彎矩計算的極限跨距：老頂按梁式結構計算其極限跨度為： 固定梁 簡支梁 按彎矩計算 按剪力計算對一般厚度巖層，彎矩極限跨度小于剪力極限跨度；簡支梁彎矩極限跨度小于固定梁彎矩極限跨度。 （頂板巖層在固定端斷裂后，隨即在中間斷裂）結論：4、q 的確定： 1）組合梁原理： 整體Q =Qi 整體M =Mi 整體曲率較單一分層為小 各分層曲率一致（否則要離層） 2） q 的計算公式： 由材力知曲率與彎矩關系為： 且 即 故有： ； ； ； 由 M =mi 有：故

35、有： 式中： 而 即為考慮到 n 層對第一層的影響時形成的載荷， 記為 故得：q 的計算公式：公式原理： 當開采空間形成后，第一層巖層并非承受其上直至地表的全部巖層重量，其上必然有一層距離較近的近的堅硬巖層，可將起上部巖層載荷通過本身的強度或抵抗變形能力傳遞到空間兩側實體支撐點上，而第一層巖層僅承受其上直至第一層堅硬巖層間各巖層因彎矩施加的載荷。公式應用： （P79例題） 1）先計算第一層載荷 2）計算第二層對第一層的作用；計算至第三層時第一層載荷 3）一直計算到第n+1層時，第一層載荷反而小于第n層時的載荷為止 4）取第n層時的計算載荷為 q ，此值為計算過程中得到的最大值。三、老頂?shù)陌迨狡?/p>

36、斷： 1、板式結構邊界支撐條件： 薄板：長150-200m 寬30m 厚24m 邊界支撐條件： （a）四邊固支始采工作面； （b）三固一簡一面為已采區(qū)（老塘）； （c）二固二簡一面為已采區(qū)，一面為工作面采空區(qū)； （d）一固三簡三面臨空，回采半島區(qū)域。2、板式結構體彎矩分布： 1）Marcus簡算法原理： 將板分為若干橫縱條梁，求每一條梁彎矩并考慮交叉點撓度相等，從而求出板體內(nèi)彎矩分布。 2）板體內(nèi)彎矩分布圖： 由于 且 由圖可見： 固定端邊界處彎矩比其它地方為大； 頂板支撐條件由“四固三簡”轉變時，煤壁處彎矩增大； 上述四種支撐條件下，最大彎矩位于工作面煤壁中段； 當板式結構四面臨空時，最大彎

37、矩在板的中間。 3、板式結構破斷過程： 長邊短邊溝通中間 （OX型破斷）第三節(jié) 直接頂?shù)姆€(wěn)定性分析位置原因地點%事故類型%頂板%上、下出口57.9推垮型71直接頂80放頂線19老頂20煤壁區(qū)14.7壓垮型29直接頂21控頂區(qū)8.4老頂79頂板事故位置與原因分析 一、直接頂巖層破壞離散原因：1、節(jié)理裂隙切割；2、巖層松軟，變形大離層；3、落煤后頂板支護不及時，支撐力小，促使離層；4、老頂巖層平衡結構失穩(wěn)，巖塊回轉；5、支撐力不均衡或支架反復支撐；6、放頂撤柱，動力沖擊。二、直接頂?shù)碾x層：1、離層原因2、不離層條件： 無支護時： 由撓度計算公式： 老頂撓度： 直接頂撓度：直接頂較軟，易發(fā)生彎曲變形

38、未及時支護或支撐力不足 如果不發(fā)生離層，應有 即 且 令 有 顯然：直接頂厚度 老頂厚度時，易發(fā)生離層。有支護時由 有 且 從而 顯然： 及時增大支撐力可使頂板不離層。不離層最小支撐力三、直接頂?shù)某醮慰迓洌?初次垮落直接頂?shù)谝淮慰迓洌ǔ醮畏彭敚?（標志：垮落高度11.5m，長度1/2 面長） 初次垮落距第一次垮落時，直接頂?shù)目缇唷?直接頂垮落距受直接頂強度、厚度、節(jié)理裂隙影響，是描述直接頂穩(wěn)定性的綜合指標。 直接頂垮落前，頂板完整性一般較好，支架載荷小，穩(wěn)定性差，初次垮落易發(fā)生大面積頂板事故。 第四節(jié) 回采工作面上覆巖層移動規(guī)律 老頂垮落后，其上覆巖層將依次發(fā)生斷裂、離層和移動，其破壞移動的程

39、度與開采形成的自由空間大小有關，一般講，隨時間的推移，上覆巖層移動將一直波及到地表。巖層內(nèi)部破壞情況推測圖 A煤壁支撐影響區(qū)(ab)；B離層區(qū)(bc)；C重新壓實區(qū)(cd) 冒落帶 裂隙帶 彎曲下沉帶 1、橫三區(qū)、豎三帶的形成： 上覆松軟巖層 上覆中硬巖層 上覆堅硬巖層2：實際測得的不同類型覆巖開采后的破壞情況 1冒落帶； 2裂隙帶 上覆巖層移動實測曲線 3、工作面附近頂板移動觀測曲線：開采后上覆巖層沿走向方向水平與垂直移動軌跡圖 4、上覆巖層隨工作面推采位移路徑：觀測點在沿煤層傾斜剖面上的移動 5、傾角對頂板位移的影響：6、頂板移動一般規(guī)律：巖層移動由下而上形成三帶，直至地表（冒落、 裂隙、

40、 彎曲下沉）；在工作面附近，頂板形成三區(qū)（煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實區(qū)）；裂隙帶可行成某種平衡結構；頂板移動在工作面前方30-40m開始（水平為主、垂直為?。豁敯澹ㄒ苿榆壽E）位移基本垂直層面；移動影響范圍，由下向上逐漸擴大，形狀由方到圓。 第五節(jié) 回采工作面上覆巖層活動規(guī)律假說一、壓力拱假說： （1928，德國，哈克） 在上覆巖層中，形成一個“壓力拱”，前方煤壁及后方垮落矸石分別為拱的兩腳，工作面處于拱的保護之下。 “壓力拱”將隨工作面的推進而前移。二、懸臂梁假說： （1916，德國，施托克） 工作面和采空區(qū)上覆巖層，可視為一端固定于巖體內(nèi)，另一端懸伸的懸臂梁，多巖層可組成組合懸臂梁。

41、懸臂梁平時承擔巖層載荷，當其變形下沉時，一端壓在垮落矸石上，當跨度增大，斷裂形成周期來壓。三、預成裂隙假說：( 1954，比利時，拉巴斯） 頂板巖層受支承壓力作用，產(chǎn)生相互平行的裂隙，成為“假塑性體”，在工作面推進過程中，產(chǎn)生塑性彎曲，由相互擠壓形成類似梁的平衡結構。 頂板分為應力降低區(qū)、應力升高區(qū)、采動影響區(qū)，三區(qū)隨工作面而移動。 工作面支架應具有足夠的初撐力和工作阻力，以阻止巖塊滑落或離層。 四、鉸接巖塊假說： （1954，蘇，庫茲涅佐夫） 上覆巖層分為垮落帶和規(guī)則移動帶，規(guī)則移動帶巖塊間相互鉸合而形成一條多環(huán)節(jié)的巖塊鉸鏈。 規(guī)則移動帶巖層變形小時，其下部巖層發(fā)生離層，工作面支架只承受直接

42、頂因離層而折斷巖層的全部重量（給定載荷），當規(guī)則移動帶變形大或斷裂時，支架載荷與巖層變形位移有關（給定變形）。 對鉸接巖塊間力學作用未做說明。五、“砌體梁”理論： （1978，錢鳴高，中國） 在上覆巖層中存在由斷裂巖塊組成的“砌體梁”，因巖塊相互擠壓，形成承載結構。 認為： 上覆巖層可以硬巖為底劃分若干組，軟巖為載荷； 硬巖斷裂，巖塊間相互擠壓成鉸接關系； 鉸接巖塊在某些條件下可形成平衡體。第四章 采場礦山壓力顯現(xiàn)基本規(guī)律本章介紹： 礦壓顯現(xiàn)指標 老頂初次來壓、周期來壓 頂板壓力估算 影響礦壓顯現(xiàn)的因素 放頂煤開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律第一節(jié) 礦壓顯現(xiàn)指標一、礦壓顯現(xiàn)： 在礦山壓力作用下，煤巖體及支護物

43、所表現(xiàn)出的種種力學現(xiàn)象。二、礦壓顯現(xiàn)指標： 1、頂板下沉 S（mm）煤壁到采空區(qū)邊緣范圍內(nèi)頂、底 板間相對位 移。 頂板絕對下沉不易得到，一般以距煤壁4米處下沉量為工作面頂板下沉量。 可以每米采高每米推進度下沉量S/L/M為比較標準。工作面頂?shù)装逡平€ 1頂板絕對下沉曲線； 2頂板相對移近量（下沉）曲線； 3底版臌起曲線 2、頂板下沉速度V（mm/h）單位時間頂板下沉量。3、支柱變形與折損觀察噴液、下縮、壓裂、折斷等。4、頂板破碎度單位面積中頂板冒落面積所占百分比。5、局部冒頂小范圍頂板垮落。6、大面積冒頂頂板沿工作面煤壁切落。7、煤壁片幫煤壁因支承壓力作用發(fā)生的剪切坍塌破壞。8、底臌底板塑

44、性變形。9、支柱插入底板底板松軟，對頂板管理很不利。第二節(jié) 老頂初次來壓一、初次來壓的形成： 初采初次放頂老頂懸露跨度增大老 頂斷裂形成平衡結構失穩(wěn)初次來壓 初次來壓老頂平衡結構第一次失穩(wěn)而施加給工 作面以大型壓力的過程。 初次來壓步距第一次來壓時，工作面距開切眼 的距離（推進距離）?！捌鲶w梁”對初次來壓的解釋：來壓時工作面頂板切斷情況二、初次來壓時礦壓顯現(xiàn)特點： 1、來壓前，頂板壓力無明顯增大； 2、煤壁內(nèi)部支承壓力增高，煤壁片幫嚴重； 3、頂板有板炮聲響； 4、頂板下沉速度急劇增加，由1mm/h 到 520mm/h； 5、支柱載荷急劇增加； 6、頂板出現(xiàn)拉綹現(xiàn)象（直接頂沿煤壁切斷）。三、預防措施： 初次來壓前無明顯征兆，工作面頂板壓力不大，致使支架穩(wěn)定性差，來壓猛，易造成頂板事故。 1、增大支撐力 2、增加穩(wěn)定性 3、加強礦壓觀測及地質(zhì)、開采資料 4、加強日常支護質(zhì)量管理。四、來壓條件： 1、有老頂存在； 2、直接頂垮落后不能充填滿采空區(qū)。 來壓是老頂斷裂（結構失穩(wěn)）施力于工作面的結果； 來壓期間重點措施是： 增加支護強度； 增強支