礦山壓力及其控制課件

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(yè)，地下開採又常稱為“井工開採”或標(biāo)準(zhǔn)採礦等，由於露天開採對地表破壞、環(huán)境污染較嚴(yán)重，也稱為非標(biāo)準(zhǔn)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(jié)核開採海水化學(xué)元素提取海底基巖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(jī)械開採水力機(jī)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(nèi)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巖體中的大規(guī)模開挖活動。這種開挖活動破壞了巖體原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起了巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分佈，其結(jié)果表現(xiàn)為開掘的井、巷、硐、工作面、露天礦采場邊坡等的周圍巖體變形、移動、甚至破壞，直到巖體內(nèi)部重新形成一個新的應(yīng)力平衡狀態(tài)為止，見下圖。

礦體礦體井筒與巷道

礦山壓力：

嚴(yán)格的講，礦山壓力應(yīng)包括地采和露采兩部分內(nèi)容，但由於傳統(tǒng)的觀念和習(xí)慣，礦山壓力通常指與地采有關(guān)的內(nèi)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(jìn)行採掘活動而在井巷、硐室、及回採工作面周圍煤巖體中和其中的支護(hù)物上所引起的力，就叫礦山壓力。

礦山壓力顯現(xiàn)：

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

礦山壓力控制：隨著大規(guī)模開採活動及礦壓顯現(xiàn)給工作帶來嚴(yán)重危害，為使礦壓顯現(xiàn)不致影響採礦工作正常進(jìn)行和保障安全生產(chǎn)，必須採取各種技術(shù)措施把礦山壓力顯現(xiàn)控制在一定的範(fàn)圍內(nèi)，對有利於採礦生產(chǎn)的礦山壓力顯現(xiàn)也要合理的利用。所有減輕、調(diào)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。

礦山壓力及巖層控制：

礦山壓力、礦山壓力顯現(xiàn)、礦山壓力控制是礦山壓力與巖層控制研究的主要內(nèi)容。隨著大規(guī)模開採活動及礦壓顯現(xiàn)給工作帶來嚴(yán)重危害，人們迫切需要一種理論來解釋和研究有關(guān)的礦壓現(xiàn)象，並用以指導(dǎo)工程設(shè)計和安全生產(chǎn)，這就使於60年代形成了一門新的學(xué)科分支——礦山壓力及巖層控制。1.1.2礦山壓力及巖層控制對採礦工程的作用

（1）生態(tài)環(huán)境保護(hù)：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(chǎn)：頂板事故、巷道穩(wěn)定、邊坡控制等，掌握礦山壓力活動的基本規(guī)律，用以指導(dǎo)採礦生產(chǎn)的設(shè)計，生產(chǎn)組織，保障安全生產(chǎn)，設(shè)備正常運(yùn)行。（3）減少地下資源損失：通過研究和實測礦壓活動規(guī)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(shù)：地下開採技術(shù)的進(jìn)步與對礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的深刻認(rèn)識和礦壓控制手段的改善有密切關(guān)係。（5）提高開採經(jīng)濟(jì)效果：礦壓顯現(xiàn)預(yù)測、支護(hù)品質(zhì)與頂板動態(tài)監(jiān)測、資訊回饋、確定優(yōu)化的礦山與開採設(shè)計等，提高開採效益。綜上所述，掌握礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，研究礦壓控制的有效方法，對煤礦生產(chǎn)有十分重要意義。1.1.3採礦工程的力學(xué)特點(diǎn)（1）採礦工程巖體結(jié)構(gòu)的本質(zhì)

與地面工程結(jié)構(gòu)不同，地下工程圍巖即是載荷，也是一種承載結(jié)構(gòu)。（2）採礦工程的移動特性（3）採礦工程中圍巖的大變形和支護(hù)體的可縮特性（4）採礦工程中的能量原理和動力現(xiàn)象1.2礦山壓力及控制的發(fā)展簡況

1.2.1對礦壓的早期認(rèn)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(shù)已有全面發(fā)展。隨著採礦規(guī)模日益擴(kuò)大，經(jīng)常出現(xiàn)礦井內(nèi)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(jì)後期到20世紀(jì)初，是礦壓研究的第二個階段。利用一些簡單的力學(xué)原理解釋實踐中出現(xiàn)的一些礦壓現(xiàn)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(rèn)為巷道上方能形成自然平衡拱及有關(guān)分析計算。同時提出了以巖石堅固性係數(shù)f（普氏係數(shù)）作為定量指標(biāo)的巖石分類方法，曾獲得廣泛應(yīng)用至今。

在這個階段中，對巷道圍巖破壞機(jī)理和支架所受的巖石壓力大小開始了初步的理論研究。在研究巖層和地表移動等方面，進(jìn)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(zhǔn)移動的結(jié)果。1.2.3以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為理論基礎(chǔ)的研究階段

20世紀(jì)30年代至50年代：將整個巖體作為連續(xù)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(dǎo)出了自重作用下原巖應(yīng)力的計算公式；（2）用彈性理論解決了圓形巷道的應(yīng)力分佈問題。

後來又研究了巖體非均質(zhì)和各向異性對理想彈性體的影響，以及把巖層看作具有不同變形特徵的彈性介質(zhì)，進(jìn)一步研究巖體層理性的影響，此外還用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法研究了巖層移動問題。在進(jìn)行理論研究的同時，研究礦壓的實驗手段也獲得了發(fā)展，其中較為應(yīng)用的是利用相似材料進(jìn)行的相似模型研究方法和利用光敏感材料進(jìn)行的光彈性模擬方法。

1.2.4礦壓研究的近代發(fā)展階段（60年代至今）

這個時期的科技發(fā)展特點(diǎn)：（1）礦山開採規(guī)模增大；（2）電腦技術(shù)飛速發(fā)展；（3）相關(guān)學(xué)科進(jìn)步明顯。與此相類似，礦壓研究取得了一些新進(jìn)展：

（1）理論方面

將傳統(tǒng)的連續(xù)、彈性、各向同性的巖體→巖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(diǎn)出發(fā)引用相關(guān)學(xué)科中現(xiàn)代研究成果，出現(xiàn)了一系列邊緣學(xué)科分支和方法，如巖石斷裂力學(xué)，巖石塊體力學(xué)，巖石流變學(xué)等。

在研究方法方方面，在現(xiàn)代計算技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一些新的數(shù)值分析方法：有限元，邊界元，離散元法等。這些方法可以考慮巖體複雜的力學(xué)屬性，進(jìn)行巷道和硐室圍巖體中的應(yīng)力變化和位移分佈，確定其穩(wěn)定性等，使礦壓理論研究有可能獲得更符合實際的數(shù)值解答。

在地表巖層移動研究方面，在進(jìn)行大量現(xiàn)場觀測和掌握了不同條件下巖層移動基本規(guī)律的基礎(chǔ)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(yù)測方法，以及開展了開採工作引起的煤層上覆巖層運(yùn)動機(jī)理及其有關(guān)規(guī)律的研究。

（2）應(yīng)用研究方面

配合地下開採技術(shù)和支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)行了不同煤層條件下採用不同支護(hù)類型的回採工作面中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究，開展了採用煤柱護(hù)巷和無煤柱護(hù)巷的各類巷道中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究，以及進(jìn)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(guān)研究，從而為改善回採工作面礦壓控制，合理佈置和維護(hù)巷道，以及保證安全生產(chǎn)，提供了科學(xué)依據(jù)。

（3）實驗研究方面

結(jié)合各類研究課題的進(jìn)行，逐步應(yīng)用和改善了現(xiàn)場與室內(nèi)觀測和實驗的各種儀器和設(shè)備，有代表性是井下鑽孔電視應(yīng)用和真三軸巖石試驗機(jī)以及剛性試驗機(jī)，為礦山壓力的進(jìn)一步研究和完善提供了必要的原始數(shù)據(jù)和資料。大型模擬試驗臺、先進(jìn)的多點(diǎn)數(shù)據(jù)採集儀器等。

（4）礦壓現(xiàn)場控制方面

進(jìn)一步改善了巷道支護(hù)技術(shù)，如大斷面、大縮量和高支撐力的可縮性金屬支架，廣泛應(yīng)用錨桿支護(hù)，開發(fā)了各種類型的錨桿，注漿加固不穩(wěn)定煤層和圍巖，回採工作面中使用自移式液壓支架，架型增多，適用範(fàn)圍擴(kuò)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(qū)突然大面積冒落造成的危害。對井下衝擊礦壓的預(yù)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(jìn)步。1979年4月26日煤炭部批準(zhǔn)在中國礦業(yè)大學(xué)建立煤炭工業(yè)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(xué)術(shù)組織，到目前為止已經(jīng)組織召開了11屆全國性礦山壓力理論與實踐研討會。

下設(shè)八個分站：錢鳴高、牛錫倬、平壽康、劉天泉、宋振騏等學(xué)者對推動我國礦壓理論研究與工程應(yīng)用作出了突出貢獻(xiàn)，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(xué)者、專家迅速成長。砌體梁理論、關(guān)鍵層理論、錨桿支護(hù)技術(shù)等。

1.3礦山壓力與巖石力學(xué)的關(guān)係

1.3.1礦山壓力與巖石力學(xué)的關(guān)係

隨著採礦深度何規(guī)模增大，礦山壓力的研究不斷深入和發(fā)展，人們越來越來多地認(rèn)識了巖石的力學(xué)性質(zhì)和開採過程中巖體內(nèi)所發(fā)生的自然力現(xiàn)象和規(guī)律，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了一個新的學(xué)科分支—礦山巖體力學(xué)。

即：礦山巖體力學(xué)是研究自然和采動影響所造成的礦山應(yīng)力場中，有關(guān)礦山巖體和礦山工程結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和變形的科學(xué)，它既是固體力學(xué)的一個應(yīng)用分支，也是採礦科學(xué)的一個組成部分。嚴(yán)格地說，礦山壓力是礦山巖石力學(xué)的一個應(yīng)用部分，但由於我國煤礦系統(tǒng)的習(xí)慣，將礦壓作為一個獨(dú)立的課程。巖石力學(xué)最初產(chǎn)生於採礦工程，其服務(wù)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(dú)有。

奧地利學(xué)派對巖石力學(xué)的發(fā)展起到了巨大作用。該學(xué)派地代表人物是L.Muller主要觀點(diǎn)有三個：（1）就大多數(shù)工程問題而言，巖體工程性質(zhì)取決於巖體內(nèi)部地質(zhì)斷裂系統(tǒng)的強(qiáng)度要比取決於巖石本身強(qiáng)度的大得多，所以巖石力學(xué)是一種不連續(xù)體力學(xué)，即裂隙介質(zhì)力學(xué)；（2）巖體強(qiáng)度是一種殘餘強(qiáng)度，其受到巖體中所含弱面強(qiáng)度的制約；（3）巖體的變形和它的各向異性主要由弱面位移所產(chǎn)生。

上述這三個觀點(diǎn)為巖石力學(xué)的發(fā)展起到了引導(dǎo)和促進(jìn)作用，尤其是在工程地質(zhì)、水電、冶金等巖石力學(xué)研究中受到格外重視，而煤炭行業(yè)由於煤田成因及研究問題的特殊性，沒有充分重視和發(fā)展上述觀點(diǎn)，但從長遠(yuǎn)看煤炭行業(yè)的巖石力學(xué)有關(guān)問題研究必須與國際接軌，礦山壓力研究應(yīng)納入到礦山巖石力學(xué)的一個應(yīng)用分支，必須重尊巖石力學(xué)研究的一般準(zhǔn)則。

1.3.2礦山壓力研究的主要內(nèi)容地下採礦中常見的巖石開挖工程有：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(jìn)行研究。主要研究內(nèi)容如下：（一）支承壓力（二）回採工作面上覆巖層活動規(guī)律及其分析

1.老頂穩(wěn)定及初次極限跨距

2.裂隙體梁及結(jié)構(gòu)分析

（三）回採工作面礦山壓力顯現(xiàn)基本規(guī)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(hù)方法

1.支架圍巖相互作用原理

2.支架選型（五）采區(qū)巷道礦壓顯現(xiàn)與控制

1.巷道礦壓顯現(xiàn)的基本規(guī)律

2.巷道礦壓控制原理

3.采區(qū)巷道支護(hù)（六）動壓現(xiàn)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(xiàn)場觀測與統(tǒng)計方法現(xiàn)場觀測與研究是礦山壓力研究中必須不可少的基礎(chǔ)工作。我國早在50年代中期就開始進(jìn)行回採工作面頂?shù)装逡平亢椭е茌d觀測。目前礦壓現(xiàn)場觀測的方法和手段都有了很大發(fā)展。

觀測儀器已由過去單一的機(jī)械擴(kuò)大到利用電、聲、光、磁等多科學(xué)技術(shù)的綜合應(yīng)用，觀測方式也正在從人工就地讀數(shù)逐步向遙控和自動監(jiān)測過渡，並且已廣泛利用電腦進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)的處理和分析。

（2）室內(nèi)試驗方法由於採礦工程規(guī)模大、時間、複雜、以及受生產(chǎn)影響大等，現(xiàn)場觀測由於費(fèi)用等原因受到一定的限制，所以逐漸借助室內(nèi)試驗進(jìn)行研究，目前仍以模擬試驗為主。（3）理論分析結(jié)構(gòu)力學(xué)、巖石力學(xué)、彈性力學(xué)為主要分析工具（4）數(shù)值計算方法

FEM、BEM、DEMεεpεeOA·BCDστOA段：原始巖石內(nèi)的空隙壓密階段；AB段：線彈性變形階段，B點(diǎn)為彈性極限；BC段：裂隙產(chǎn)生和擴(kuò)展階段，呈現(xiàn)彈塑性變形，C點(diǎn)為強(qiáng)度極限，用Rc表示；CD段：殘餘承載階段，即巖石受載雖然已過強(qiáng)度極限，但仍具有部分承載能力，到達(dá)D點(diǎn)巖石完全破壞。

一般實驗機(jī)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(jī)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(dāng)試件達(dá)到強(qiáng)度極限後，承載能力下降，壓力機(jī)內(nèi)的變性能突然釋放，施加於試件上，導(dǎo)致試件突然破裂，常伴有炸裂響聲和碎塊飛出。CBAOστ（2）巖石強(qiáng)度特徵三向抗壓>雙向抗壓>單向抗壓>抗剪>抗拉（3）巖石破壞機(jī)理

巖石在外力作用下，首先產(chǎn)生不同形式的變形，繼而產(chǎn)生微裂隙和破裂，裂隙擴(kuò)展到一定階段，巖石破壞。巖石破壞的基本形式如下：壓剪破壞有側(cè)向約束塑性流動破壞強(qiáng)的側(cè)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(dá)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(chǎn)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(qiáng)阻礙時，出現(xiàn)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(dǎo)致破壞。該破壞形式是巖石顆粒產(chǎn)生微小剪切滑移的結(jié)果，仍是一種剪應(yīng)力造成的剪切錯動。

2.1.2巖石的強(qiáng)度理論

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

莫爾（Mohr）強(qiáng)度理論認(rèn)為（1900）：固體材料發(fā)生破壞的主要原因是由於破壞面上的剪力達(dá)到一定限度。這個剪力除了與材料本身的性質(zhì)有關(guān)外，還與破壞面上的正應(yīng)力造成的摩擦阻力有關(guān)。例如，某一點(diǎn)材料發(fā)生破壞，不僅取決於該點(diǎn)的剪應(yīng)力，同時也取決於該點(diǎn)的正應(yīng)力。因此，巖石沿某一個面剪斷時所需要的剪應(yīng)力與該面上的正應(yīng)力存在某種函數(shù)關(guān)係：

該式為莫爾提出的一般形式，也稱為莫爾強(qiáng)度理論的普遍形式。具體應(yīng)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(yīng)力圓的包絡(luò)線。στσ1σ1σ3σ3σ1σ3極限莫爾圓τ=f（σ）

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

在巖石力學(xué)和工程設(shè)計中，為了計算巖石強(qiáng)度，必須給出相應(yīng)的關(guān)係式，莫爾沒有給出的具體關(guān)係式，有人提出二次曲線或擺線等。但為了便於計算，當(dāng)正壓力加大時（）通常採用斜直線作為強(qiáng)度曲線，即：、－分別為破壞面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力、－巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)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(qiáng)度理論。由上式可得出如下關(guān)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(yīng)力表示的莫爾－庫侖強(qiáng)度條件。做有限元計算時通常用這一公式作為Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論的使用式。

上式中若，則就是巖石試件的單向抗壓強(qiáng)度（3）巖石的單向抗拉強(qiáng)度

由於巖石的抗拉強(qiáng)度不易試驗求得，通過上式可由獲得。

莫爾－庫侖強(qiáng)度理論目前在巖石力學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣

它能較全面地反映巖石的強(qiáng)度特性，如抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小於抗壓強(qiáng)度，能很好地解釋巖石在三軸受拉時會破壞（因強(qiáng)度包絡(luò)線在受拉區(qū)閉合）和三軸等壓壓縮時不會破壞（包絡(luò)線在受壓區(qū)不閉合）的現(xiàn)象。它不僅適用於塑性材料，還適用於脆性材料的破壞，所以廣泛用來解釋巖石的破壞現(xiàn)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(qiáng)度理論只考慮了最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，與中間主應(yīng)力無關(guān)，而一些試驗已經(jīng)證明了對巖石破壞有影響。

（2）格裏菲斯強(qiáng)度理論（Griffith，1921）

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

Griffith在進(jìn)行理論準(zhǔn)則推導(dǎo)時，認(rèn)為材料內(nèi)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(zhì)中單個橢圓孔洞的平面應(yīng)力問題處理。引用彈性力學(xué)關(guān)於半無限大介質(zhì)橢圓孔周邊受力分析結(jié)果，得出雙向應(yīng)力狀態(tài)下裂隙開始擴(kuò)展的條件：

上式就是Griffith強(qiáng)度理論的破壞準(zhǔn)則，也稱為拉應(yīng)力準(zhǔn)則。單向受壓時，。為了與莫爾－庫侖強(qiáng)度理論相比較，經(jīng)過一定換算後，有：－橢圓裂隙周邊上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力－巖石的單向抗拉強(qiáng)度στσyxyσxτxyσ1σ3

以上強(qiáng)度條件是建立在裂隙張開假設(shè)上，實際上，巖石在大多數(shù)情況下承受壓應(yīng)力，裂隙閉合，這樣作用在裂隙面上的正應(yīng)力將使裂隙上產(chǎn)生摩擦阻力，由於摩擦也能承受剪應(yīng)力，所以巖石強(qiáng)度有所增加。據(jù)此有人提出了修正的格裏菲斯強(qiáng)度準(zhǔn)則。

注：是裂隙面的法線方向與應(yīng)力軸的夾角。

2.2巖體及其品質(zhì)評價

2.2.1巖體的基本類型和特性

（1）巖體的基本特性巖石和巖體是兩個不同的概念，巖石是指小的巖石試件（試塊），而巖體是指巖石集合體，或指大範(fàn)圍內(nèi)的工程地質(zhì)體。一般說來，巖體內(nèi)可能含有不同種類的巖石，含有各種天然弱面，受到天然環(huán)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巖體，與巖石相比，巖體具有如下力學(xué)屬性。1）非均質(zhì)性對於由多種巖石組成的巖體，由於在自然條件下組成巖石的物質(zhì)成分、組織結(jié)構(gòu)及其組合狀況經(jīng)常變化，所以一般認(rèn)為巖體是非均質(zhì)的。例如，對於層壯巖體，無論在層面上還是在垂直面上都具有明顯的非均質(zhì)性。巖體除了因物質(zhì)成分不同造成的非均質(zhì)性外，由於各種非均質(zhì)結(jié)構(gòu)面切割的結(jié)果也呈現(xiàn)出明顯得結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性。

2）各向異性各向異性是指巖體的全部或部分物理力學(xué)特性隨方向不同而表現(xiàn)出一定差異的性質(zhì)。巖體的學(xué)多物理力學(xué)性質(zhì)，如彈模、抗壓、抗拉強(qiáng)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(xué)指標(biāo)明顯有差異。

巖體的各向異性也和非均質(zhì)類似，不僅由於物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)緻密程度不同而造成，而且也受到各種結(jié)構(gòu)面的影響。由於結(jié)構(gòu)面的方位不同，數(shù)量不等，規(guī)模不一，性質(zhì)各異，會造成巖體各向異性。當(dāng)結(jié)果面組數(shù)少且各自發(fā)育程度不同的巖體，其各向異性會表現(xiàn)得明顯；反之，結(jié)構(gòu)面組數(shù)多，各自都很發(fā)育，方向十分複雜的巖體，其各向異性表現(xiàn)的不明顯。組數(shù)多，各向異性弱，認(rèn)為各向同性。組數(shù)少，各向異性大。

XYZ

3）非連續(xù)性由於巖體被各種結(jié)構(gòu)面所切割，因此從原則上說，巖體屬於非連續(xù)體。但隨著被切割的巖塊大小、形態(tài)和性質(zhì)不同，巖塊的排列和互相接觸狀態(tài)的差異，及其不連續(xù)程度都會有所不同。因此，在研究工程問題時，尤其是進(jìn)行巖體穩(wěn)定分析時，往往根據(jù)巖體的不同結(jié)構(gòu)類型把巖體分別看作是非連續(xù)體，似連續(xù)體或連續(xù)體。

A、非連續(xù)體：受結(jié)構(gòu)面影響明顯的層狀、塊狀結(jié)構(gòu)巖體和碎裂結(jié)構(gòu)巖體；

B、似連續(xù)體：結(jié)構(gòu)面發(fā)育密集、雜亂無章的散體結(jié)構(gòu)巖體；

C、連續(xù)體：整體結(jié)構(gòu)巖體，部分原層狀巖體。

2.2.2巖體強(qiáng)度特徵

（1）巖體強(qiáng)度的基本概念對於巖石而言，其抗拉強(qiáng)度與其它強(qiáng)度相比最小，通常只有抗壓強(qiáng)度的幾分之一到幾十分之一。對於巖體而言，這個特徵就更加突出。因為巖體中含有各種結(jié)構(gòu)弱面，而結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)力都是十分微弱的，甚至不存在，由於巖體強(qiáng)度主要取決於結(jié)構(gòu)弱面的強(qiáng)度，因此巖體是一種不能承受拉應(yīng)力的材料。工程分析中，一旦某處巖體出現(xiàn)了拉應(yīng)力，即認(rèn)為該處已破壞，這就是通常所說的巖體無拉力準(zhǔn)則。巖石強(qiáng)度曲線結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度曲線巖體強(qiáng)度區(qū)

巖體中的弱面結(jié)構(gòu)雖然不能抗拉，但仍能承受一定的剪應(yīng)力和壓應(yīng)力。其剪切強(qiáng)度在受壓區(qū)仍符合“莫爾－庫侖”準(zhǔn)則?？梢哉J(rèn)為：弱面強(qiáng)度≤含有弱結(jié)構(gòu)面的巖體總強(qiáng)度≤巖石強(qiáng)度結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度≤巖體強(qiáng)度≤巖石強(qiáng)度發(fā)育結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度不發(fā)育

（2）結(jié)構(gòu)面對巖體強(qiáng)度的影響結(jié)構(gòu)面是區(qū)別巖體與巖石的重要特徵之一。它的種類很多，如層理、節(jié)理、斷層、軟弱夾層等。許多的巖體工程失穩(wěn)都是由結(jié)構(gòu)面所控制。在研究礦山巖石力學(xué)問題時，有代表性的結(jié)構(gòu)面就是層理和節(jié)理。層理面是沉積巖的主要弱面之一，有些情況下它對沉積巖巖體的變形和破壞起主導(dǎo)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(jié)理對所有巖體來說都更具普遍性。它主要是由構(gòu)造力而形成的有規(guī)則的小的裂隙總稱。

結(jié)構(gòu)面對巖體強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)為使巖體強(qiáng)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(qiáng)度大小。為結(jié)構(gòu)面與水平面的夾角?，F(xiàn)有三種主要情況：結(jié)構(gòu)面方位對巖體強(qiáng)度的影響θ=450+φ/2θθ=00θ=900θ1θ2σminσmax

1）巖體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)面無關(guān)，巖體強(qiáng)度＝巖塊強(qiáng)度。例如，單向拉強(qiáng)度。這時巖體沿新的面AB破壞。

2）巖體沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切破壞。例如，剪切面正好與結(jié)構(gòu)面重合，巖體強(qiáng)度＝結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度＝。

3）巖體強(qiáng)度介於和之間。相當(dāng)於平行於結(jié)構(gòu)面而受載荷時的強(qiáng)度。在區(qū)間，巖體強(qiáng)度值的強(qiáng)度值。在區(qū)間，巖體強(qiáng)度值的強(qiáng)度值。在區(qū)間，巖體強(qiáng)度受結(jié)構(gòu)面的影響較大。

上圖說明巖體中有一組結(jié)構(gòu)面時，由於結(jié)構(gòu)面與加載方向原因，巖體強(qiáng)度有時有明顯的各向異性，當(dāng)巖體中有多組結(jié)構(gòu)面時，由於各組結(jié)構(gòu)面的影響交叉重疊，反而會使巖體強(qiáng)度的各向異性減弱，但會隨結(jié)構(gòu)面組數(shù)增多，而降低巖體強(qiáng)度，而最終趨近於值。

2.2.3巖體質(zhì)量評價

由於巖體特徵的複雜性，借助於一、二個參數(shù)很難反映出巖體的工程特性，因此人們試圖通過各種影響巖體工程性的因素來對巖體質(zhì)量進(jìn)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，某種巖體的RMR值由下式計算：

Rs——

巖體的單軸抗壓強(qiáng)度的分值；

RRQD——巖體的RQD指標(biāo)的分值；

Rsd

——結(jié)構(gòu)面間距的分值，如粗糙度、風(fēng)化度、連續(xù)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(jié)構(gòu)面方位的分值。根據(jù)對深部地帶進(jìn)行地震研究而得到的現(xiàn)代概念，地球可分為地殼、上地幔、下地幔、外地核和內(nèi)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(dǎo)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(nèi)地核0km400km1000km3000km5000km6000km地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖地殼的平均厚度為32km，而且在大陸上的變化範(fàn)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(fā)現(xiàn)了M面。在該面以下，彈性縱波的速度突然增長，達(dá)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(zhì)密度：33～37kN/m3；地殼物質(zhì)密度：27～30kN/m3。在地殼範(fàn)圍內(nèi)，可按地震波特徵分為三個主要分層：沉積巖假定的花崗巖層玄武巖層巖彈性縱波速度＝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(xiàn)在，採礦工作主要是在小於1000~1800m的深度內(nèi)進(jìn)行。在歐洲，有些礦井的開採深度約達(dá)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(dá)到6000~7000m。最深的構(gòu)造鑽孔和勘探鑽孔已超過12000m，並開始實現(xiàn)鑽孔深度達(dá)15000m的計畫。

上述數(shù)字提供了有關(guān)地球開發(fā)深度的概念及其人類當(dāng)今已經(jīng)直接達(dá)到和可能近期達(dá)到的深度。顯然這些深度屬於地殼上部的範(fàn)圍內(nèi)，其厚度與地球直徑相比微不足道。然而淺部地殼的組成結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力狀態(tài)是礦山巖石力學(xué)和礦壓理論關(guān)注的重點(diǎn)問題之一。3.2原巖應(yīng)力天然狀態(tài)下地殼中存在地應(yīng)力，通常在地學(xué)中稱之為地應(yīng)力。其主要包括由巖體重量引起的自重應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造作用引起的構(gòu)造應(yīng)力等。地應(yīng)力這個概念是由瑞士地質(zhì)學(xué)者Haim在1905～1912年間首次提出來的。地應(yīng)力是在歷史地質(zhì)作用下發(fā)展變化而形成的。它與巖體自重、構(gòu)造、運(yùn)動、地下水及溫差等有關(guān)，同時又是隨時間、空間變化的應(yīng)力場。但在工程年代，應(yīng)力場受這種地質(zhì)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巖體原始應(yīng)力，又稱為原巖應(yīng)力。採礦工程中，地下採掘空間對周圍巖體內(nèi)的原巖應(yīng)力場產(chǎn)生擾動，使得原巖應(yīng)力重新分佈，並且在井巷和采場的圍巖中產(chǎn)生幾倍於原巖應(yīng)力的高值應(yīng)力（所謂的二次應(yīng)力）。圍巖隨之變形，隨著時間的延長，圍巖變形繼續(xù)擴(kuò)大，甚至引起圍巖破壞或支護(hù)物破壞，這就是我們常說的礦山壓力顯現(xiàn)。由此可見，礦山壓力的來源與原巖應(yīng)力密切相關(guān)，圍巖穩(wěn)定性顯然是以原巖應(yīng)力場為前提條件的。在計算任何人工開挖的巖體周圍的應(yīng)力分佈以前，必須測量或估算開挖前的應(yīng)力狀態(tài)。3.2.1地殼淺部原巖應(yīng)力實測結(jié)果地殼內(nèi)部的原巖應(yīng)力場是一個頗為複雜的問題，人們獲得原巖應(yīng)力狀態(tài)的途徑，主要是通過現(xiàn)場實測來實現(xiàn)。雖然各個國家和地區(qū)對原巖應(yīng)力測量做了大量工作。但是關(guān)於完整應(yīng)力狀態(tài)的資料卻獲得很少，且測量深度也都在3000m之內(nèi)，故屬地殼淺部。

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

這是一個重要的鉛垂應(yīng)力估算公式。值得注意的是上式的比例係數(shù)與地殼淺部巖石的容重相吻合，通常：

即實測結(jié)果說明，鉛直應(yīng)力與上覆巖層的重力相一致。平均水準(zhǔn)應(yīng)力：平均水準(zhǔn)應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力σz之比K，隨埋藏深度Z的變化關(guān)係。通過分析發(fā)現(xiàn)K值通常取值為：深度小於500米時，水準(zhǔn)應(yīng)力σh.av明顯大於垂直應(yīng)力σz；當(dāng)深度＞1000米，水準(zhǔn)應(yīng)力與垂直應(yīng)力趨於相等，處於靜水壓力狀態(tài)。這是因為三個主應(yīng)力差值很大時，巖石不可能承受很高應(yīng)力，否則必然發(fā)生破壞，達(dá)到新的平衡。3.2.2原巖應(yīng)力中各應(yīng)力分量之間的比(1)平均水準(zhǔn)應(yīng)力σh.av與垂直應(yīng)力σz的比較從上面兩個圖的統(tǒng)計結(jié)果看，一般情況下，σz相當(dāng)於上覆巖層的自重，而水準(zhǔn)應(yīng)力的波動範(fàn)圍就比較大。且一般大於鉛垂應(yīng)力，其產(chǎn)生原因。一般歸結(jié)為地殼的構(gòu)造運(yùn)動。據(jù)國內(nèi)外實測資料統(tǒng)計，平均水準(zhǔn)應(yīng)力σh.av與σz的比值大部分在0.8～1.5之間;(2)水準(zhǔn)應(yīng)力σy與σx間的比較地殼內(nèi)水準(zhǔn)應(yīng)力中的兩個主應(yīng)力σx與σy在數(shù)值上一般不相等，這一統(tǒng)計結(jié)果反映出了水準(zhǔn)應(yīng)力具有較強(qiáng)的方向性；(3)鉛垂應(yīng)力σz與自重應(yīng)力Pz之間的比較巖體上覆巖層的重量是形成巖體初始應(yīng)力的基本因素之一。一般認(rèn)為巖體的鉛垂應(yīng)力大體上相當(dāng)於上覆巖層的重力Pz，但並非所有實測結(jié)果都如此，從我國的實測結(jié)果表明，鉛垂應(yīng)力σz與單位面積上的上覆巖層重力Pz的比例在0.43～19.8之間變化。3.2.3自重應(yīng)力自重應(yīng)力：由於巖石自重引起的應(yīng)力稱為自重應(yīng)力(1)Haim法則（1878年，譯為海姆）瑞士地質(zhì)學(xué)家Haim在觀察了大型越嶺隧道圍巖工作狀態(tài)之後，認(rèn)為原巖體鉛垂應(yīng)力為上覆巖體自重。水準(zhǔn)應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力趨於均衡的靜水壓力狀態(tài)。σxσzσy(2)金尼克解（蘇·A·H·Duhhuk，1925）金尼克認(rèn)為地下巖體為線彈性體，其鉛垂應(yīng)力等於上覆巖體自重：σz=Pz。在水準(zhǔn)方向，巖層內(nèi)的側(cè)向應(yīng)力σx與σy相等，且水準(zhǔn)方向的應(yīng)變?yōu)榱恪Ｓ蓮V義虎克定律可解出：

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

Vening－Meinez模型為了分析地殼上部任何一點(diǎn)應(yīng)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(biāo)，從地殼上層取一單元體，以地心為原點(diǎn)，設(shè)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(dǎo)結(jié)果說明，平行於水平面的各個應(yīng)力分量總和的絕對值與垂直方向應(yīng)力分量絕對值之比，等於地球半徑與受應(yīng)力作用巖層的深度d之比。如若受構(gòu)造應(yīng)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(yīng)力分量約占水準(zhǔn)應(yīng)力分量總和的1/3000。若受構(gòu)造應(yīng)力影響的地殼深度為10km，則垂直應(yīng)力分量約占水準(zhǔn)應(yīng)力分量總和的1/600，從此可以看出：水準(zhǔn)應(yīng)力分量的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過垂直應(yīng)力分量。3.3開挖空間周圍應(yīng)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，以及開挖空間周圍巖體也是屬於非均質(zhì)、各向異性的一種複雜介質(zhì)。到目前為止，對於巖體的力學(xué)性質(zhì)、原巖應(yīng)力場等尚未完全掌握，所以還無法用數(shù)學(xué)的方法精確地求出開挖周圍巖體內(nèi)的應(yīng)力分佈狀態(tài)。為了說明問題，可借助於有關(guān)理論先進(jìn)行必要的簡化理論分析。

3.3.1雙向作用應(yīng)力場內(nèi)的圓形孔

σ2=λσ1σ1Pθr1rσ2=λσ1σ1圓孔半徑為，由彈性力學(xué)可求得孔周圍任一點(diǎn)P（距孔心距為r，與軸長夾角為）的應(yīng)力值。徑向應(yīng)力為：切向應(yīng)力為：--++周邊應(yīng)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(jìn)行圓孔周圍圍巖體內(nèi)任一點(diǎn)的徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σt的分析及給出分佈規(guī)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(yīng)力分佈，尤其是切向應(yīng)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(yīng)力場分別為σ1，σ2。根據(jù)彈性理論，橢圓孔周邊上任意點(diǎn)的切向應(yīng)力σt為：σ1σ2=λσ1θabσt3.3.2橢圓形孔周邊的應(yīng)力分佈拉應(yīng)力區(qū)σ1σ1σ2σ2好的佈置不好的佈置3.3.3多孔存在時，周圍應(yīng)力分佈的狀況以上所述為單一孔周圍的應(yīng)力重新分佈情況，實際上在採礦工程中還經(jīng)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(yīng)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??；②相鄰兩孔相隔的距離；③同一水準(zhǔn)內(nèi)兩鄰孔的數(shù)目；④原巖應(yīng)力場的性質(zhì)及有關(guān)參數(shù)。（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(yīng)力分佈RR3R3.28

H4.26

H2.75

H2.49

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

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

3.3.5矩形孔周邊的應(yīng)力分佈σ2σ1σ2σ1綜上所述，假設(shè)孔周圍處於彈性狀態(tài)的條件下，應(yīng)力重新分佈有以下一些特點(diǎn)可循。（1）空周圍形成了切向應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大切向應(yīng)力發(fā)生在孔的周邊。對圓形和橢圓形孔，最大切向應(yīng)力發(fā)生在孔的兩幫中點(diǎn)和頂?shù)椎闹胁?。對矩形孔，則最大切向應(yīng)力發(fā)生在四角處，但在長直邊處容易產(chǎn)生拉應(yīng)力。（2）應(yīng)力集中係數(shù)的大小，對於單一空來說，圓形孔僅與側(cè)壓係數(shù)λ有關(guān)，其值k=2~3。對橢圓孔，則不僅與λ有關(guān)，還與孔的軸長比有關(guān)。一般當(dāng)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(yīng)力分佈迭加作用結(jié)果，其值視孔的大小和間距以及原巖應(yīng)力的側(cè)壓係數(shù)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(diǎn)的應(yīng)力集中係數(shù)可達(dá)7，有時可能更大。（3）不論何種形狀的孔，它周圍應(yīng)力重新分佈（主要指切向應(yīng)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?？扇∏邢驊?yīng)力值超過原巖垂直應(yīng)力5％處做為邊界線。（4）孔的影響範(fàn)圍與孔的斷面大小有關(guān)。3.4圍巖的極限平衡與支承壓力分佈巖體內(nèi)開掘巷道後，巷道圍巖必然出現(xiàn)應(yīng)力重新分佈，一般將巷道兩側(cè)改變後的切向應(yīng)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?，F(xiàn)有一圓形巷道，處於雙向等壓狀態(tài)，λ=1。其周邊的應(yīng)力分佈見圖中虛線所示。但實際上，巷道周圍一定範(fàn)圍內(nèi)（R以內(nèi)）的巖體會發(fā)生破壞。其原因就是σt超過了煤巖地抗壓強(qiáng)度。隨著向內(nèi)發(fā)展，巖體逐漸過渡到三向受壓狀態(tài)，強(qiáng)度逐漸增加，且σt逐漸下降。直到某一半徑R處，巖塊又處於彈性狀態(tài)這樣半徑R範(fàn)圍內(nèi)的巖體處於極限平衡狀態(tài)，即此範(fàn)圍內(nèi)巖塊所處的應(yīng)力圓與其強(qiáng)度包絡(luò)線相切，這個範(fàn)圍稱為極限。平衡區(qū)。σ12σ1σtσrr1ORR圍巖的極限平衡區(qū)見下圖，極座標(biāo)。給出極限平衡區(qū)內(nèi)一點(diǎn)的平衡方程。r－極限平衡區(qū)內(nèi)半徑為r的一點(diǎn)。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(shù)，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(yīng)力，仍符合彈性狀態(tài)解。據(jù)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(shù)（2）偽頂（falseroof）：直接頂與煤層間厚度小於0.5m極易垮落的軟弱巖層，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）的厚而堅硬的巖層。一般由砂巖、石灰?guī)r、砂礫巖等巖層組成。也有人認(rèn)為冒落帶以上的裂隙帶巖層統(tǒng)屬老頂。底板：位於煤層以下的巖層。直接底：直接位於煤層之下的巖層。

工作面回採過程中，必須對回採工作面進(jìn)行支護(hù)，保證工作面有足夠的作用空間和形態(tài)。同時對采空區(qū)要進(jìn)行處理，目前對采空區(qū)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(yōu)點(diǎn)，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(jìn)，回採工作面空間形狀變化見下圖。

在煤體內(nèi)形成回採空間，其上方的巖體部分重量則有支架承擔(dān)，同時前方煤壁和采空區(qū)冒落的矸石也要承擔(dān)部分壓力。有時由於上位巖層的變化對支架也會產(chǎn)生壓力。將這些原因?qū)χЪ墚a(chǎn)生的壓力常稱為頂板壓力或礦山壓力?；貟窨臻g或巷道上方巖層中未破壞部分或未產(chǎn)生劇烈變形部分，或雖然巖層已破斷但仍能整齊排列的部分，有時能形成巖體內(nèi)的大“結(jié)構(gòu)”。這種大結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)上覆巖層重量，從而對巷道及回採空間起保護(hù)作用。根據(jù)實際測定，回採工作面支架所承受的力僅為上覆巖層的百分之幾。但當(dāng)工作空間維護(hù)的時間較長時，圍巖不易形成穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象在巷道中極易出現(xiàn)，從而導(dǎo)致巷道圍巖的“擠、壓、臌”現(xiàn)象。對於回採工作空間，尤其是工作面推進(jìn)較快時，這種時間影響因素就會變得次要，上覆巖層極易形成大“結(jié)構(gòu)”。4.2老頂巖層的穩(wěn)定性

4.2.1老頂巖層的梁式平衡

當(dāng)工作面自開切眼推進(jìn)一段距離後，直接頂懸露達(dá)到一定跨度，采空區(qū)進(jìn)行初次放頂，直接頂開始垮落，此時直接頂?shù)目缇喾Q為初次垮落距，初次垮落距的大小與直接頂巖層強(qiáng)度、分層厚度、直接頂內(nèi)節(jié)理裂隙的發(fā)育程度有關(guān)。

巖層破碎後，體積將產(chǎn)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(shù)。巖石破碎後，在其自重及外載作用下，漸趨壓實，碎脹係數(shù)變小，壓實後的體積與原體積之比稱為殘餘碎脹係數(shù)Kp′。

假設(shè)Δ>0，則老頂呈懸露狀態(tài)。類似板狀結(jié)構(gòu)，它的一邊由工作面煤壁支承，另外三邊則由煤柱支撐。當(dāng)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。此時若老頂之上的巖層強(qiáng)度較低，則上覆巖層的重量將通過老頂“梁”傳遞至兩端的支點(diǎn)上，即煤壁和煤柱上。見下圖分析。

上面是按固定梁的計算結(jié)果，實際上兩端的支承條件也有差異。如一側(cè)的采空區(qū)已采完時，見下圖，隔離煤柱上方的頂板已處于自由狀態(tài)。因而更接近于簡支梁支座。有些國家已將淺部礦井老頂按簡支梁計算，認(rèn)為淺部礦井巖層頂板由于兩端煤體上集中壓力較小，因而可視為簡支梁支座，但在深部應(yīng)視為固定梁。若為簡支梁時，梁內(nèi)的剪力分布與固定梁同，但彎距則不同。

隔離煤柱4.2.2老頂巖層的板式結(jié)構(gòu)分析隨著回採工作面自開切眼開始推進(jìn)，根據(jù)已采空面積的情況，如華北地區(qū)的一般條件，回採工作面長150～200m，推進(jìn)30m左右，老頂巖層初次斷裂。一般老頂巖層厚2～4m。按照薄板的假設(shè)，其厚度（h）與寬度（a）的比值h/a=1/7~1/15。因此，可視老頂巖層為薄板，當(dāng)老頂與上部巖層離層時更是如此。根據(jù)開採條件及邊界煤柱大小，又可將老頂巖層假設(shè)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，可獲得巖層板破斷地一般規(guī)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(jìn)，當(dāng)達(dá)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(dá)到最大值，超過強(qiáng)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)

老頂巖梁達(dá)到斷裂時的跨距稱為極限跨距，可由材料力學(xué)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(yīng)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(yīng)按簡支梁計算或按固定梁計算，需根據(jù)煤層賦存深度及邊界煤柱兩側(cè)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(yīng)採用巖層梁的安全距Ls，此時，取巖層趨向斷裂的安全係數(shù)為n，以頂板巖層的安全跨距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(guān)鍵是如何確定巖梁所受載荷q，一般煤層上方的巖層是由好幾層巖層組成。因此，第一層巖層的極限跨距所應(yīng)考慮載荷的大小，鬚根據(jù)各層之間的相互影響來定。下式表示n層巖層對第一層（最下麵的巖層）影響所形成的載荷（qn）。4.4裂隙體梁的平衡

當(dāng)老頂達(dá)到極限跨距後，隨著回採工作面繼續(xù)推進(jìn)，老頂即發(fā)生斷裂，斷裂後的一般狀態(tài)見下圖。

整個頂板的破斷方式可分為三個明顯的區(qū)域，上、下區(qū)為圓弧形破壞，巖塊間呈立體咬合關(guān)係。中部呈似梁的咬合關(guān)係，見A-A斷面。但由於破斷的巖塊相互擠壓，產(chǎn)生了水準(zhǔn)力，這使中部又呈現(xiàn)出能傳遞水準(zhǔn)力的拱的關(guān)係。這種表面似梁，實質(zhì)是拱的裂隙體梁的平衡關(guān)係結(jié)構(gòu)，稱為“砌體梁”。

由於巖層的抗拉強(qiáng)度很小，老頂巖梁很可能先在兩側(cè)支座的上端裂開，而後在梁的中間底部開裂，隨著巖塊轉(zhuǎn)動形成強(qiáng)大的水準(zhǔn)擠壓力，使巖塊間形成了三鉸拱式的平衡。見下圖。

根據(jù)實驗及力學(xué)分析，若破斷巖塊較多，則成拱的條件主要取決於原巖應(yīng)力及巖塊轉(zhuǎn)動過程中所形成的水準(zhǔn)擠壓力的大小。水準(zhǔn)擠壓力較大時，仍然能使多個巖塊擠壓在一起，呈懸露狀態(tài)。因此，並不是老頂巖梁剛達(dá)到斷裂極限跨距，即發(fā)生垮落，它還決定於以下平衡條件。

（1）結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)咬合處摩擦力的大小，即水準(zhǔn)擠壓力與該處摩擦係數(shù)的乘積，此力的作用方向與巖塊滑落的方向相反，因而起防止巖塊間相互滑落的作用。若考慮到老頂巖層斷裂時，斷裂面與垂直面成一斷裂角θ，則咬合點(diǎn)的關(guān)係見下圖。（2）結(jié)構(gòu)的變形失穩(wěn)

這是指在巖塊的回轉(zhuǎn)過程中，由於擠壓處局部應(yīng)力集中，致使該處進(jìn)入塑性狀態(tài)，甚至局部受拉而使咬合處破壞造成巖塊回轉(zhuǎn)進(jìn)一步加劇，從而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。見下圖表示的巖塊回轉(zhuǎn)狀態(tài)。

由此可求得在巖梁破斷後互相咬合中間下沉量達(dá)時，即形成了巖塊結(jié)構(gòu)的變形失穩(wěn)。由上述分析可知，巖梁在破斷成巖塊後，只要有一定的條件，它仍能形成外形如梁，實質(zhì)是拱的平衡結(jié)構(gòu)，保持著回採空間，使其不受上覆巖層的全部載荷。4.5直接頂?shù)姆€(wěn)定性

直接頂是工作面直接維護(hù)的對象，直接頂經(jīng)常處於破斷狀態(tài)，且無水準(zhǔn)力的擠壓作用，因而它難以形成結(jié)構(gòu)，它的重量全由工作面支架來承擔(dān)。從巖體形成結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來分析，對於老頂形成的大結(jié)構(gòu)，支架是通過直接頂對其起支撐作用。因此，直接頂?shù)耐暾闆r，將首先影響到工作面生產(chǎn)的安全，同時也是保證支護(hù)能否全部發(fā)揮其性能的重要保證。從頂板事故的現(xiàn)場統(tǒng)計看，許多頂板事故是由於直接頂與老頂產(chǎn)生離層，然後由直接頂引起推垮型事故（單體柱），因此應(yīng)研究直接頂與老頂間形成離層的條件。4.5.1直接頂巖塊離層原因分析

（1）節(jié)理、裂隙的切割：一旦支護(hù)工作出現(xiàn)疏忽，均可導(dǎo)致直接頂局部冒落。（2）巖性原因：初次放頂前，由於直接頂?shù)膿隙却箪独享?此時老頂處於板的懸露狀態(tài)。直接頂強(qiáng)度較弱，巖層較薄，而產(chǎn)生二者離層。（3）採用單體支護(hù)時，第一排支柱剛支設(shè)時，初撐力較低，液壓支架時，由於無支護(hù)空間較寬，又由於前梁的支撐力較小，因而常常形成機(jī)道上方頂板離層。（4）工作面較短時，老頂常處於懸露狀態(tài)，撓度甚小，直接頂?shù)膿隙瘸４箪独享敹纬呻x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(jù)采空區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力重新分佈的規(guī)律，在采空區(qū)四周將形成減壓區(qū)，從而在采下分層時，此減壓區(qū)內(nèi)將形成直接頂巖層的離散狀態(tài)。4.5.2初次放頂前直接頂?shù)碾x層與斷裂

粗略地講，當(dāng)直接頂厚度小於老頂厚度，均易形成這種離層。當(dāng)然這種離層分析的條件：直接頂必須有一定強(qiáng)度，並不是隨開切眼推進(jìn)而冒落，其次是冒落後的直接頂不能填滿采空區(qū)。這樣直接頂巖塊間無水準(zhǔn)力聯(lián)繫，從而形不成結(jié)構(gòu)。這些均是形成直接頂初次放頂時失穩(wěn)的條件?？紤]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(dǎo)，有：即支架支撐力達(dá)到上述條件可保證直接頂與老頂不離層4.6回採工作面上覆巖層移動概況

老頂垮落後，采空區(qū)上方的巖層一般都要產(chǎn)生移動,見下圖為典型的地表巖層移動圖。

認(rèn)為，斷裂面上任意一點(diǎn)C所處的應(yīng)力狀態(tài)均為極限應(yīng)力狀態(tài)。巖層移動主要是研究開採後引起的地表變形與破壞規(guī)律。由於煤層開採後形成的采空區(qū)大多數(shù)為長方形，而老頂巖層的破壞因長方形的角效應(yīng)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(qū)面積要大。

地下采空區(qū)地表移動邊界線

‘開採水準(zhǔn)或近水準(zhǔn)煤層時，移動盆地位於采空區(qū)正上方，而且盆地中心對應(yīng)著采空區(qū)中心，即中心點(diǎn)是垂直下落的。對於傾斜煤層，見下圖。最大下沉點(diǎn)有下滑落趨勢。

地表移動曲線采空區(qū)β0λ0

采空區(qū)面積相當(dāng)大時，盆地形成平底“盆狀”，盆地內(nèi)最大下沉處不是一條線而是一個面。當(dāng)采空區(qū)寬度導(dǎo)致地表最大下沉處由線變?yōu)槊娴呐R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(xù)增加。隨著開採寬度增加，地表下沉值會相應(yīng)增加。見下圖。1231’2’3’

回採工作面礦山壓力顯現(xiàn)主要研究開採後煤層上方頂板的活動規(guī)律。通過鑽孔觀測，可瞭解到回採工作面上覆巖層的破壞與移動情況。通常將上覆巖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：破斷後的巖塊呈不規(guī)則垮落，排列極不整齊，鬆散係數(shù)比較大，一般可達(dá)1.3～1.5。但經(jīng)重新壓實後，碎脹係數(shù)可降到1.03左右，很多情況下為直接頂巖層冒落後形成。

裂隙帶：巖層破斷後，巖塊仍然排列整齊的區(qū)域。它位於冒落帶之上，由於其排列比較整齊，因此碎脹係數(shù)比較小。為了研究上覆巖層情況，尤其是在煤層開採後裂隙帶巖層的運(yùn)動規(guī)律，在我國陽泉、開灤範(fàn)各莊及大屯孔莊等礦進(jìn)行了深基點(diǎn)觀測，所得結(jié)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。

為了研究上覆巖層情況，尤其是在煤層開採後裂隙帶巖層的運(yùn)動規(guī)律，在我國陽泉、開灤範(fàn)各莊及大屯孔莊等礦進(jìn)行了深基點(diǎn)觀測，所得結(jié)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(qū)邊緣裸露的頂?shù)装逡平喀?H0-H1

有時為了對比，又將頂?shù)装逡平喀Q算成每米采高每米推進(jìn)度的頂?shù)装逡平?，即?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(xiàn)程度的常見指標(biāo)

（2）頂板下沉速度：指單位時間內(nèi)的頂?shù)装逡平?，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?jǐn)?shù)來表示，是衡量頂板管理好壞的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

（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(jìn)行。5.1礦山壓力顯現(xiàn)程度的常見指標(biāo)

（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(dǎo)致頂板沿工作面切落，常常對工作面產(chǎn)生嚴(yán)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(xiàn)象?；貟窆ぷ骺臻g是一個小結(jié)構(gòu)，它處於圍巖形成的大結(jié)構(gòu)之中。因此，大結(jié)構(gòu)的變形、失穩(wěn)將直接影響到小結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。同時大結(jié)構(gòu)周圍的支承壓力分佈情況也將直接影響到煤壁及底板巖層的穩(wěn)定性。5.1礦山壓力顯現(xiàn)程度的常見指標(biāo)

（1）三鉸拱的概念三鉸拱是結(jié)構(gòu)力學(xué)中的概念，其基本力學(xué)模型是兩個曲桿以鉸接相聯(lián)，每個曲桿和支座之間也用鉸相聯(lián)而成的結(jié)構(gòu)，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?shù)某醮蝸韷?.2老頂?shù)某醮蝸韷?/p>

當(dāng)老頂巖層達(dá)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(jìn)，將導(dǎo)致新巖塊A的斷裂，見上圖，形成三塊的咬合平衡。隨著工作面推進(jìn)還可能形成四、五……不同數(shù)量巖塊的咬合平衡，直至巖塊間的咬合關(guān)係不能滿足平衡關(guān)係為止。此時，老頂?shù)氖Х€(wěn)將對工作面帶來嚴(yán)重壓力，甚至危及生產(chǎn)及人身安全。

老頂?shù)某醮蝸韷海河伸独享數(shù)牡谝淮问Х€(wěn)而產(chǎn)生的工作面頂板來壓。

老頂?shù)某醮蝸韷翰骄啵河砷_切眼到老頂初次來壓時工作面的推進(jìn)距離。5.2老頂?shù)某醮蝸韷?/p>

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?shù)妮d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(zhuǎn)至冒落矸石上方才能借助Rr力阻止老頂巖塊回轉(zhuǎn)。但這過程中，工作面頂板必然下沉，且支架的工作阻力應(yīng)等於Q1與Q2之和。5.2老頂?shù)某醮蝸韷?/p>

初次來壓前，由於上覆巖層結(jié)構(gòu)中有“梁”或“拱”式結(jié)構(gòu)存在，因此整個采空區(qū)周圍巖體可視為一個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的頂部是老頂，四周則是直接頂加煤柱?；貟窆ぷ髅婢吞幵谶@樣的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)保護(hù)之下，其周圍的應(yīng)力同樣可分為減壓區(qū)B、增壓區(qū)A和穩(wěn)壓區(qū)C。

5.2老頂?shù)某醮蝸韷?/p>

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(jìn)時最小。在初次來壓前達(dá)到最大，並常伴有煤壁的片幫與漏頂?shù)取３醮蝸韷罕容^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(dá)50～70m。5.2老頂?shù)某醮蝸韷?/p>

老頂初次來壓後，隨著回採工作面的繼續(xù)推進(jìn)，老頂巖塊所形成的裂隙體梁將發(fā)生一系列變化：A巖塊由穩(wěn)定→斷裂→失穩(wěn)→O巖塊穩(wěn)定→斷裂→失穩(wěn)。這樣隨著工作面向前推進(jìn)，上覆巖層的結(jié)構(gòu)由穩(wěn)定→失穩(wěn)→再穩(wěn)定，周而復(fù)始，其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)可以稱之為裂隙體梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。5.3老頂?shù)倪L期來壓5.3.1回採工作面推進(jìn)對巖體結(jié)構(gòu)的影響

隨著工作面推進(jìn)，老頂巖層由穩(wěn)定結(jié)構(gòu)→不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)→穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在這種周而復(fù)始的工程中，失穩(wěn)時對工作面就產(chǎn)生了週期性的壓力。由此，由於裂隙帶巖層週期性失穩(wěn)而引起的頂板來壓現(xiàn)象稱為工作面頂板的週期來壓。在失穩(wěn)過程中，由裂隙體梁的平衡，沿a-a面力平衡，有：5.3老頂?shù)倪L期來壓

5.3.2采場的週期來壓5.3老頂?shù)倪L期來壓

5.3老頂?shù)倪L期來壓

由於上覆巖層是由幾層巖層組成，工作面的週期來壓也是由幾層巖層共同作用的結(jié)果，每次週期來壓的步距和強(qiáng)度都有一定差別。在週期來壓期間，老頂?shù)淖饔昧νㄟ^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(jìn)行控制。因此直接頂?shù)耐暾詫刂评享斊胶馄鹬匾饔?。若采空區(qū)冒落的矸石充滿采空區(qū)，則可緩解老頂對支架的壓力。5.3老頂?shù)倪L期來壓

頂板壓力確定是支架選型等重要參數(shù)。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(shè)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(jù)一般的頂板狀態(tài)，如我國華北等地區(qū)的絕大部分礦區(qū)，經(jīng)常用支架主要承擔(dān)相當(dāng)於4~8倍采高巖柱的重量估算，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(dǎo)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(zhì)並非控制老頂?shù)奈灰屏?，事實上是由於直接頂?shù)奈灰屏颗c老頂?shù)奈灰屏坎幌噙m應(yīng)而造成的結(jié)果。根據(jù)力學(xué)分析，企圖依靠支架的反作用力控制老頂?shù)幕剞D(zhuǎn)，在一定條件下也難以實現(xiàn)的。對一些堅硬頂板地區(qū)，或經(jīng)常發(fā)生老頂切落或臺階下沉的地區(qū)，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(xiàn)受多種因素影響：如圍巖性質(zhì)、采深、采高、傾角、工作面推進(jìn)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，采高是影響上覆巖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(dǎo)致采場上覆巖層破壞越嚴(yán)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(xiàn)的主要因素5.5影響回採工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素

從采場支護(hù)的小結(jié)構(gòu)必須與圍巖形成的大結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的觀點(diǎn)出發(fā)，工作面頂板下沉量也基本上滿足上式。當(dāng)L為控頂距，L0為移動曲線中由前最大麯率點(diǎn)到後最大麯率點(diǎn)的距離，SL和S0則分別是L和L0範(fàn)圍內(nèi)的巖層與頂板的下沉量。由近似的三角關(guān)係：5.5影響回採工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素

5.5影響回採工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素

5.5影響回採工作面礦山壓力顯現(xiàn)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(dāng)於采高的10～20％，即下沉係數(shù)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(jī)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(xiàn)越嚴(yán)重。5.5影響回採工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素

5.5.2工作面推進(jìn)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(guān)，一般t↑→S↑，見下圖。當(dāng)工作面推進(jìn)速度大時，頂板存在的時間較短，所以下沉量較小。但當(dāng)工作面推進(jìn)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(qū)的壓實過程，均為時間過程，並且上覆巖層破斷後，巖塊間的相互咬合也經(jīng)常要經(jīng)歷失穩(wěn)階段以及處於極限平衡狀態(tài)。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(xiàn)的主要因素

一般說來，只有在原先的工作面推進(jìn)速度比較緩慢的條件下，加快工作面推進(jìn)速度，才會對工作面頂板狀況有所改善。當(dāng)工作面推進(jìn)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(xiàn)的。

S/mmt/h落煤放頂5.5影響回採工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素

5.5.3開採深度的影響

開採深度直接影響原巖應(yīng)力大小，同時也影響著開採後巷道或工作面周圍巖層的支承壓力值。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(xiàn)比較明顯。如在鬆軟巖層中開掘巷道，隨著深度增加，巷道圍巖的“擠、壓、臌”現(xiàn)象更加嚴(yán)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，巖體內(nèi)積蓄的能量急劇增加，所以對於有衝擊礦壓危險的礦井，發(fā)生衝擊礦壓的次數(shù)和強(qiáng)度將上升。5.5影響回採工作面礦山壓力顯現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的主要因素

當(dāng)回採工作面沿傾斜方向推進(jìn)時，即傾斜長壁回採工作面，開採後上覆巖層破斷巖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(xiàn)的主要因素

5.5影響回採工作面礦山壓力顯現(xiàn)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(chǎn)工作的正常進(jìn)行與礦工的安全，必須對它進(jìn)行維護(hù)。工作空間維護(hù)一方面是維護(hù)直接頂，另一方面又要控制老頂?shù)幕顒右?guī)律，對老頂?shù)目刂剖峭ㄟ^直接頂巖層進(jìn)行的。在維護(hù)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(hù)以及對采空區(qū)的處理，采空區(qū)處理的具體措施則對老頂?shù)幕顒悠鹬黠@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?；貟窆ぷ髅嬷Ъ苁瞧胶饣貟窆ぷ髅骓敯鍓毫Φ囊环N構(gòu)築物，由於回採工作面支架形成的構(gòu)築物必須與開採後形成的上覆巖層大結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，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。