礦山壓力與礦山壓力顯現

礦山壓力與巖層控制電子教案2.1礦山壓力及其在圍巖中的分布2.2礦山壓力顯現2.3礦山壓力與礦山壓力顯現間的關系2/6/202312.1礦山壓力及其在圍巖中的分布

礦壓與礦壓顯現2.1.1礦山壓力的概念圖2.1采動空間與圍巖圍巖：采動空間周圍巖體，包括圖2.1中所示的頂板（T），底板（D）及兩幫（B）巖層，統(tǒng)稱為“圍巖”。采動：在煤或巖層中開掘巷道和進行回采工作稱為對煤（或巖）層的“采動”。采動空間：采動后，在煤（或巖）層中形成的空間稱為“采動空間”。2/6/20232礦壓與礦壓顯現（a）開采前（b）開采后圖2.2開采前后應力分布煤及巖層采動前，一般在覆蓋層重力、構造運動作用力等地質力的作用之下，處于三向受力的原始平衡狀態(tài)。煤及巖層采動后，由于支承條件的改變，其原始平衡狀態(tài)遭到破壞，邊界上的作用力、分布在各點的應力（包括大小及方向）隨之改變。

礦山壓力：采動后作用于巖層邊界上或存在于巖層之中，促使圍巖向已采空間的運動的力。

（即采動后促使圍巖運動的力）2/6/20233礦壓與礦壓顯現2.1.2礦山壓力的來源采動前原巖中各點的應力，就其來源主要有以下三個方面：①覆蓋巖層的重力；②構造運動的作用力；③巖體膨脹的作用力，包括巖體因溫度升高或遇水膨脹而產生的力等。（1）重力在未受構造運動影響的地區(qū)，處于某一深度的巖層中，覆蓋巖層重量所引起的垂直壓應力可表示為：2/6/20234圖2.3單元體受力狀態(tài)2/6/20235礦壓與礦壓顯現單元體受力平衡條件為：可得出該點在垂直壓力的作用下產生的水平壓應力為：2/6/20236礦壓與礦壓顯現①垂直應力、水平應力都是壓應力，且水平應力由垂直應力引起。重力原始應力場的特點：④應力場中各點最大、最小主應力的方向基本不變，同一深度水平、同一巖層中的應力值基本上相同，且與時間無關。②垂直壓應力隨深度的增加呈正比例的增加。但水平壓應力在深度超過某數值后，隨深度增加是非線性的，增加的比例隨圍巖性質的不同而不同。因此，礦山壓力隨采深增加而成比例增加的說法是不確切的。③采動前，巖層中任何點的垂直平面和水平面上不存在剪應力分量。（兩平面上的應力都是主應力）。2/6/20237礦壓與礦壓顯現（2）構造應力深部巖層中各點的應力將是自重應力場和構造應力場在該點應力的疊加，其最大主應力的大小和方向，多數情況下是由構造運動形成的應力所決定的。（a）垂直成因構造

（b）水平成因構造

圖2.4構造應力在受構造運動作用力影響強烈的地區(qū)，特別是臨近背斜軸、向斜軸等構造線的部位，構造運動形成的應力場往往是重要的。2/6/20238礦壓與礦壓顯現（3）膨脹應力泥質巖石特別是含有蒙脫石等吸水很強的成分情況下，遇水膨脹可以產生很高的膨脹應力，是巷道礦山壓力的一個重要來源。龍口礦區(qū)、吉林省梅河、舒蘭等礦務局的一些礦井中，在軟巖中開掘和維護巷道遇到較大的困難，主要是膨脹壓力作用的結果。2/6/20239礦壓與礦壓顯現2.2礦山壓力顯現煤及巖層采動后，應力重新分布，處于采動邊界的部位承受較高壓力作用，約束條件、受力狀況都發(fā)生明顯改變。當該部位承受的壓力值沒有超出其允許的限度時，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。當采動邊界部位的煤（巖）體所承受的壓力值超出其允許極限后，圍巖運動將明顯表現出來，即產生煤（巖）體擴容后的塑性破壞、煤（巖）幫片塌、頂板下沉與底板鼓起等一系列礦壓現象。采動后，在礦山壓力作用下通過圍巖運動與支架受力等形式所表現出來的礦山壓力現象，稱為“礦山壓力顯現”。礦山壓力顯現的基本形式包括圍巖的明顯運動與支架受力等兩個方面。2.2.1基本概念2/6/202310礦壓與礦壓顯現（1）圍巖運動（d）頂板下沉與支架承載圖2.14礦山壓力顯現的基本形式①兩幫運動：巷道兩幫的彈性變形、裂隙擴展、兩幫巖體擴容后產生的塑性破壞與塑性流動，兩幫巖體向著采動空間內的移動②頂板運動：指巷道及工作面頂板的彎曲下沉、裂斷破壞及破碎巖石冒落。③底板運動：指巷道及工作面底板巖層的鼓起、隆起及裂斷破壞等。（a）冒落、片幫（b）兩幫鼓出（c）頂底板移近2/6/202311礦壓與礦壓顯現反映圍巖運動的動態(tài)信息：頂底板、兩幫的移近量、移近速度，以及頂板壓力（頂底板巖層相對移動過程中的壓力顯現）等。（2）支架受力支架承受載荷的增減、支架變形（活柱下縮）以及支架壓折等現象。2.2.2礦山壓力顯現的條件礦山壓力顯現是礦山壓力作用下圍巖運動的具體表現。由于圍巖的明顯運動是在滿足一定力學條件后才會發(fā)生，所以礦山壓力顯現是有條件限制的。頂板下沉與支架承載2/6/202312礦壓與礦壓顯現（1）兩幫巖體破壞條件采動后圍巖應力重新分布，兩幫巖體承受較高應力作用。根據莫爾-庫侖準則可得兩幫巖體不發(fā)生剪切破壞的條件：兩幫巖體破壞前承受的垂直應力：可得兩幫巖體穩(wěn)定狀態(tài)時的關系式：2/6/202313礦壓與礦壓顯現（2）頂板巖層破壞條件2/6/202314礦壓與礦壓顯現①受拉破壞

頂板巖層兩端嵌固，自重作用下兩嵌固端所受彎矩超出允許限度而產生拉破壞：化簡后得到：2/6/202315礦壓與礦壓顯現2.2.3礦山壓力顯現的相對性（1）巷道圍巖運動的相對性采動過程中，圍巖要向著采動空間運動。由于圍巖承受的壓力大小、自身強度、受力狀況等不同，運動的發(fā)展程度也不相同。如果頂底板是低強度、分層厚度小的粉砂巖、頁巖、泥巖時，則在自重及軸向力等的作用下，頂板很容易彎曲下沉，底板鼓起，造成頂底板移近量增大。如果頂底板為高強度厚分層的砂巖、砂質頁巖等組成時，頂底板移近量就要小得多。圍巖變形能力不僅取決于所承受的壓力大小，還與圍巖強度有關。低強度巖體的變形能力要高于高強度巖體。大同、通化、北京等局的巷道頂底板是堅硬砂巖，采用無支護就屬此例。2/6/202316礦壓與礦壓顯現（a）（b）（c）圖2.21巷道圍巖穩(wěn)定與破壞巷道掘進后及時架設支架，給兩幫巖體提供側向力σ3（圖c），使其轉為三向應力狀態(tài)，阻止破壞的繼續(xù)發(fā)展，可以維持圍巖的穩(wěn)定，礦壓顯現程度就可得到明顯控制。2/6/202317礦壓與礦壓顯現（2）支架受力的相對性支架上的壓力顯現大小主要取決于三方面因素：①支架對圍巖運動的抵抗程度支架對圍巖抵抗程度越高，承受的荷載越大，圍巖變形越小。相反，如果支架不能對圍巖的運動進行抵抗，而是在運動過程中逐步“退讓”，則壓力顯現不明顯，而圍巖變形則相應增大。同一種巷道，是采用砌碹支護，還是采用可縮性支架支護，巷道變形及支架上受力大小截然相反：前者碹體受力大，巷道變形?。ㄒ驗橹Ъ軐鷰r運動起到了限制作用），后者則支架受力相對減小、巷道變形相應增加。2/6/202318礦壓與礦壓顯現

對于回采工作面來說，當支架對頂板處于“非讓壓”（“限定變形”）工作狀態(tài)時，支架抵抗程度越高（即老頂巖梁下沉量越?。?，對增阻支柱來說，頂板下沉量越小，支架上顯現的壓力也越小。若對巖梁位態(tài)限制程度越低，處于“讓壓”（“給定變形”）工作狀態(tài)，則老頂巖梁運動結束時的頂板下沉量越大，采用增阻支柱時顯現的壓力相對減小。2/6/202319礦壓與礦壓顯現2.3礦山壓力與礦山壓力顯現間的關系礦山壓力與礦山壓力顯現間的辯證關系礦山壓力的存在是客觀的、絕對的，它存在于采動空間的周圍巖體中。但礦山壓力顯現則是相對的、有條件的，它是礦山壓力作用的結果。圍巖中有礦山壓力存在卻不一定有明顯的顯現。圍巖的明顯運動本身就是有條件的，只有當應力達到圍巖強度后才會發(fā)生。支架受力也是如此，不僅取決于圍巖的明顯運動，還取決于支架對圍巖運動的抵抗程度。2/6/202320礦壓與礦壓顯現壓力顯現強烈的部位不一定是壓力高峰的位置。如圖中所示，在A處頂板下沉量比B處大，但支承壓力高峰卻是在B處。在巖層運動發(fā)展過程中，礦山壓力與礦山壓力顯現之間存在一定的對應關系，根據兩者之間的關系，可以通過礦山壓力的顯現來推斷壓力高峰的位置，為巷道布置提供依據。2/6/202321礦壓與礦壓顯現關于支護的作用問題2/6/202322礦壓與礦壓顯現砌碹支護2/6/202323礦壓與礦壓顯現U型