采場圍巖支承壓力及礦壓顯現(xiàn)與上覆巖層運動間的關系2.

1、采場圍巖支承壓力及礦壓顯現(xiàn)采場圍巖支承壓力及礦壓顯現(xiàn)與上覆巖層運動間的關系與上覆巖層運動間的關系 山東科技大學資源工程系2008年4月第四章第四章 4.14.1采場圍巖支承壓壓力分布形態(tài)采場圍巖支承壓壓力分布形態(tài) 4.2 4.2 采場支承壓力分布與上覆巖層運動間的關系采場支承壓力分布與上覆巖層運動間的關系 4.3 4.3 采場支承壓力分布與礦山壓力顯現(xiàn)間的關系采場支承壓力分布與礦山壓力顯現(xiàn)間的關系 4.44.4采場礦山壓力顯現(xiàn)與上覆巖層運動間的關系采場礦山壓力顯現(xiàn)與上覆巖層運動間的關系 4.5 4.5 采場支承壓力分布監(jiān)測方法采場支承壓力分布監(jiān)測方法 第四章第四章 第第1 1頁頁本章目錄本章目

2、錄本章特點本章特點學習難點學習難點有較多的基本概念有較多的基本概念支承壓力、內(nèi)外應力場概念支承壓力、內(nèi)外應力場概念 采場支承壓力分布與上覆巖層運動間的關系采場支承壓力分布與上覆巖層運動間的關系 采場礦山壓力顯現(xiàn)和上覆巖層運動之間的關系采場礦山壓力顯現(xiàn)和上覆巖層運動之間的關系 第四章第四章 第第2 2頁頁 煤（礦）層采出后，在圍巖應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。 高于和低于原巖應力的整個區(qū)域高于和低于原巖應力的整個區(qū)域 支承壓力來源于重量。支承壓力來源于重量。在單一自重應力場條件下在單一自重應力場條件下, ,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、的分布見圖承壓力的分布見圖4.14.1所示：所示：4.1采場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頁頁特點特點概念概念圖圖4.1 4.1 上覆巖層運動狀態(tài)與支承壓力分布上覆巖層運動狀態(tài)與支承壓力分布第四章第四章 第第4 4頁頁ss3s2s1L3=L4=.=LnL2L1m4m3m1m2s1(a)(a)圖圖4.1 4.1 上覆巖層運動狀態(tài)與支承壓力分布上覆巖層運動狀態(tài)與支承壓力分布(b)(b)第四章第四章 第第5 5頁頁s1m2m1m3m4L1L2L3=L4=LnL1s1s2s3s1 1）支承壓力大小表達式）支承壓力大小表達式 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頁頁來源來源2 2）支承壓力與支承壓力顯現(xiàn)的關系）支承壓力與支承壓力顯現(xiàn)的關系 支承壓力的存在是絕對的。支承壓力的顯現(xiàn)是支承壓力作用的結果，就其顯現(xiàn)的形式和程度而言，則是相對的，有條件的。 第四章第四章 第第7 7頁頁思考思考4.1.2 4.1.2 采場支承壓力分布的基本規(guī)律采場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區(qū)域， 即工作面前方的原巖應力區(qū)（A ）、應力增高區(qū)（B ）、工作面后方的應力降低區(qū)（C ）和應力穩(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頁頁 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)存在應力降低區(qū)C ，煤柱上存在高應力區(qū)B2 ，以及上一個工作面采空區(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)及動態(tài)、煤柱的強度及其周圍采動狀況以及煤層的開采厚度等。 圖圖4.2 4.2 采煤工作面前后方的應力分布采煤工作面前后方的應力分布第四章第四章 第第9 9頁頁ABCDK HHH工作面前方應力變化區(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)；垮落巖石壓實區(qū)；A原巖

6、應力區(qū)；B應力增高區(qū)；C應力降低區(qū)；D應力穩(wěn)定區(qū)圖圖4.3 4.3 已采區(qū)及其兩側煤柱的應力分布已采區(qū)及其兩側煤柱的應力分布第四章第四章 第第1010頁頁AB1CB2CDHHHK1HK2HA原巖應力區(qū)；B1、B2應力增高區(qū)；C應力降低區(qū)； D應力穩(wěn)定區(qū)4.1.3 關于兩個應力場的理論 研究證明，對應不同的開采深度和煤層強度條件，采場 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頁頁單彈一的性分布X0S1出現(xiàn)塑性破壞區(qū)的分布S0X0S1出現(xiàn)內(nèi)應力場的分布圖4.4 不同階段支承壓力分布規(guī)律2）內(nèi)應力場的范圍及存在條件內(nèi)應力場的出現(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、然也就不會出現(xiàn)內(nèi)應力場。maxKHcHKcmaxmin或 開采深度H及集中系數(shù)Kmax越大，則塑性區(qū)范圍將越大；煤層強度越高（即單軸抗壓強度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)范圍與煤層開采厚度成正比。 第四章第四章 第第1212頁頁存在條件存在條件滿足相應條件的判別式為：結論結論（3 3）內(nèi)應力場壓力的大小及影響因素）內(nèi)應力場壓力的大小及影響因素同時運動的巖層數(shù)目及各巖梁的重量。參與運動的巖梁數(shù)目越多，各巖梁的厚度及強度越大，則內(nèi)應力場的壓力越大。內(nèi)應力場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)應力場范圍越小，

8、則壓力峰值將越高。改變采場支架的阻力，可以改變內(nèi)應力場應力的大小和分布。第四章第四章 第第1313頁頁xxxyG支承壓力可由下式表達 影響因素：影響因素： 4 4）外應力場應力分布特點及其穩(wěn)定條件）外應力場應力分布特點及其穩(wěn)定條件 外應力場應力穩(wěn)定需要以下兩個條件：外應力場應力穩(wěn)定需要以下兩個條件：采場（工作面）停止推進；基本頂運動停止。第四章第四章 第第1414頁頁 分布特點：分布特點：采深達到一定的界限后 同時存在彈性區(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展到最大值 范圍收縮到最小 5 5）關于基本頂?shù)淖饔脝栴}）關于基本頂?shù)淖饔脝栴} 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它才能傳遞到煤層的各個部位；基本頂本身就是支承壓力來源的一個組成部分。4.2 采場支承壓力分布與上覆巖層運動間的關系 4.2.1 采場推進過程中前方支承壓力分布與上覆巖層運動間的關系支承壓力分布與顯現(xiàn)變化劃分為三個階段：支承壓力分布與顯現(xiàn)變化劃分為三個階段： 第四章第四章 第第1616頁頁從采場推進開始至煤壁支承能力改變(即煤壁附 近煤體進入塑性狀態(tài))之前。煤體沒有破壞，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：煤體特點：壓力特點：壓力特點： 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。即煤壁沒有進入塑性狀態(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頁頁圖4.5 初次來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 初次來壓階段支承壓力分布第四章第四章 第第1818頁頁 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頁頁第二階段：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：煤體特點：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”將越來越占據(jù)主導地位。 壓力特點：壓力特點：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：礦山壓力顯現(xiàn)特點： 采場進入正常推進階段后，支承壓力分布的主要特點是伴隨著上覆巖層的周期性運動而呈周期性變化（如圖4.6所示）。第四章第四章 第第2020頁頁第三階段第三階段: :從老頂巖梁端部斷裂到巖梁中部觸矸

12、為止。特特 點點: :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。壓力特點壓力特點: : 1 斷裂線附近應力集中;2 以斷裂線為界分為兩個應力場; 3 兩個應力場中壓力分布背向發(fā)展。兩個過程：兩個過程： 4.6（a）所示狀態(tài) 4.6（c）中實曲線1所示狀態(tài) 圖4.6（c）曲線1所示狀態(tài) 基本頂巖梁運動結束 圖4.6 正常推進階段支承壓力分布 （a）（b）第四章第四章 第第2121頁頁第四章第四章 第第2222頁頁圖4.6正常推進階段支承壓力分布 123b（c）21bacc（d）巖梁端部斷裂前夕 巖梁斷裂結束時 4.2.2 4.2.2 工作面兩側支承壓力分布與上覆巖層運動間的關系工作面兩

13、側支承壓力分布與上覆巖層運動間的關系隨采場推進，兩側支承壓力分布將經(jīng)歷下列發(fā)展階段:工作面推進到圖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)、外兩個應力場。 第四章第四章 第第2323頁頁第一階段：第一階段：上下兩側煤壁邊緣處于彈性狀態(tài)。關系：關系：兩個方向上的壓力高峰始終在煤壁上，峰值隨推進步距增加而增加。第二階段：第二階段： 煤壁邊緣破壞，部分進入塑性狀態(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區(qū)域關系：關系：第三階段：第三階段：關系：關系：壓力分布隨基本頂運動發(fā)展變化而變化。 LLC0C0LC01233 1233S2S3S2S3123a = 1

14、(a )(b )(c )圖4.4 采場四周支承壓力分布發(fā)展過程第四章第四章 第第2424頁頁4.3 采場支承壓力分布與礦山壓力顯現(xiàn)間的關系從煤壁支承能力開始改變起，到基本頂巖梁開始斷裂前為止。第四章第四章 第第2525頁頁支承壓力分布與礦山壓力顯現(xiàn)的變化劃分為三個階段：第一階段：第一階段： 從采場推進開始至煤壁支承改變（即煤壁附近煤體進入塑性狀態(tài)）之前。 關系：關系： 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則完全相反，如圖4.9所示。關系：關系：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頁頁第三階段：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相一致 關系：關系： 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頁頁 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頁頁4.4采場礦山壓力顯現(xiàn)與上覆巖層運動間的關系礦壓顯現(xiàn)產(chǎn)生的根源在于上覆巖層運動。礦壓顯現(xiàn)產(chǎn)生的根源在于上覆巖層運動。4.4.1 圍巖變形、破壞與跨落采煤工作面開采以來初次斷裂，使工作面支架承受較

16、大采煤工作面開采以來初次斷裂，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)叫做基本頂初次來壓。次來壓。 第四章第四章 第第2929頁頁產(chǎn)生根源產(chǎn)生根源頂板跨落過程頂板跨落過程：直接頂?shù)某醮慰迓渲苯禹數(shù)某醮慰迓浠卷敵醮蝸韷夯卷敵醮蝸韷夯卷斨芷趤韷夯卷斨芷趤韷夯卷敵醮蝸韷焊拍睿夯卷敵醮蝸韷焊拍睿夯卷斨芷趤韷翰骄喔拍睿夯卷斨芷趤韷翰骄喔拍睿合噜弮纱位卷斨芷趤韷旱钠骄嚯x，即基本頂周期折斷的相鄰兩次基本頂周期來壓的平均距離，即基本頂周期折斷的平均值叫做基本周期來壓步距。平均值叫做基本周期來壓步距。 第四章第四章 第第3030

17、頁頁4.4.2 采場支架上的壓力顯現(xiàn)與上覆巖層運動間的關系關系關系采場支架受力（支架載荷）是頂板運動的結果，采場支架受力（支架載荷）是頂板運動的結果，其值取決于支架對頂板運動控制的方式和抵抗程度其值取決于支架對頂板運動控制的方式和抵抗程度 在采場工作過程中，可以用圖在采場工作過程中，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：由下式表達：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支架的始動阻力，支架的始動阻力，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采場頂板下沉量，采場頂板下沉量，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輔助性支護結構輔助性支護結構（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頁頁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頁頁 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、與采場頂狀態(tài)下支架的壓力顯現(xiàn)規(guī)律支架受力與采場頂 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頁頁b0a0bababaRhS0支架阻力頂板下沉量推進步距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 。支架在下縮過程中，其阻力是。支架在下縮過程中，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，與采場頂板下沉量無關。場頂板下沉量無關。=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 = 來壓結束時巖梁的懸跨度，來壓結束時巖梁的懸跨度，c c mL第四章第四章 第第3434頁頁圖圖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頁頁R0推進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