河北能源职业技术学院矿山压力与围岩控制

1、矿山压力与围岩控制 河北能源职业技术学院,绪 论 一、课程性质及任务： 矿山压力及其控制是煤矿开采技术专业的必修专业课。 任务： 应力分布规律 1、掌握三个规律 岩层移动规律 矿压显现规律 2、掌握二个原理 工作面支架与围岩相互作用原理 巷道支架与围岩相互作用原理 3、掌握一套方法 ： 矿压控制方法,二、课程学习基本要求： 了解各类围岩事故产生的条件、原因和特点； 了解矿山压力现场研究的基本方法； 初步具备解决、分析矿山压力问题的能力； 能针对具体煤层和围岩条件布置巷道和回采工作面； 能合理设计回采工作面、巷道的围岩控制方式。,三、矿山压力与控制概念： 1、矿山压力由于矿山开采活动影响，在开采

2、空间周围岩体内形成的和作用在支护物上的力。 2、矿山压力显现由于矿山压力作用，开采空间围岩体及支护物产生的各种力学现象。 （变形、破坏、垮落、折损、冲击） 3、矿山压力控制为使采矿工作正常、安全进行所采取的各种减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的方法。,四、研究矿山压力对矿山开采的意义： 1、生态环境保护 2、保证生产安全 3、减少资源损失 4、改善开采技术 5、提高经济效益,第一章 矿山岩石和岩体的基本性质,岩石的物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学中研究最早、最完善的内容之一。 本章介绍：岩石的地质构成及分类； 岩石物理、力学性质及测定； 岩石的破坏机理和强度理论； 岩

3、体及其力学特征。,第一节 矿山岩石的基本概念,一、岩石： 岩石：矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集形成的自然物体。 （岩石 = 矿物颗粒 + 胶结物 + 孔隙 + 水） 矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。 结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。 (结晶、胶结) 构造: 组成成分的空间分布及其相互间排列关系。 （节理、裂隙、空隙、边界、缺陷） 矿物、结构、构造是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素 。,岩浆岩：强度高、均质性好二、岩石地质分类 沉积岩：强度不稳定，各向异性 变质岩：不稳定，与变质程度和岩性有关,三、沉积岩石的力学特性：

4、不连续性；（物质不能充满空间，有空隙存在） 各向异性；（任一点的物理、力学性质沿不同方向均不相同） 不均匀性；（由不同物质组成，各点物理力学性质都不相同） 岩块单元的可移动性； 地质因素影响特性（水、气、热、初应力） （上述特性导致岩石力学的研究方法以实验测试为主）,第二节 岩石的物理性质,一、岩石的密度与体积力（容重） 岩石含：固相、液相、气相。 Vo 三相比例不同而密度不同。 Vc V 1、岩石的真密度 ： 真密度单位体积岩石（不包含空隙）的质量： 其中：岩石真密度，kg/m3 岩石实体干质量（不含水分），kg 岩石实体体积（不含孔隙），m3,2、岩石的视密度 ： 视密度单位体积岩石（包括

5、孔隙）的质量 式中：岩石的视密度，kg/m3 岩石的质量，kg 岩石的体积（含孔隙），m3 3、岩石的容重： 容重岩石单位体积（含孔隙体积）的重力， kN/m3 式中： W被测岩样的重量, （ ） kN； V被测岩样的体积，m3 天然容重天然含水状态下, 干容重105110烘干24小时（至恒重）, d 饱和容重岩石孔隙吸水饱和（水浸48小时）状态下, w,4、岩石的相对密度（比重）： 比重岩石固体部分的重量和4同体积纯水重量的比值。 式中：WS体积为V的岩石，固体部分重量，kN VC岩石固体部分（不含孔隙）体积，m3 W4同体积纯水重量，kN/m3,二、岩石的孔隙性反映裂隙赋存于发育状态。 1

6、、孔隙率n孔隙体积占总体积的百分比。 2、孔隙比e岩石中各类孔隙总体积与岩石实体体积之比。 ne关系： 岩石的孔隙性对围岩强度、变形、含水影响很大。,三、岩石的碎胀性岩石破碎后自然堆积体积大于原体积的性质。 1、初始碎胀系数破碎后样自然堆积体积与原体积之比。 2、残余碎胀系数破碎并被压实后的体积与原体积之比。 式中： 分别为原体积/破碎自然堆积体积/被压实体积。 岩石碎胀性对地下采矿围岩控制、矿产及土石方运输等有重要意义。,四、岩石的软化性 岩石浸水后强度降低的性质。 软化系数饱水岩样抗压强度与自然风干岩样抗压强度的比值。 （ ） 越小，表示岩石受水的影响越大。 岩石软化性在地下开采围岩管理、

7、地面边坡管理等方面有重要意义。,五、岩石的膨胀性岩石浸水后体积膨胀的性质。 （用于评价膨胀性岩体工程稳定性） 自由膨胀率无约束条件下浸水后膨胀变形与原尺寸之比。 轴向自由膨胀 （%） H试件高度 径向自由膨胀 （%） D直径,六、岩石耐崩解性岩石抵抗水浸后结构破坏的性能。 耐崩解指数岩石试件进行烘干、浸水循环试验，。 （测试：将烘干的试块，约500g，分成10份，放入带有筛孔的圆筒内，使圆筒在水槽中以20rs速度连续转10分钟，然后将留在圆筒内的石块取出烘干称重。如此反复进行两次，按下式计算耐崩解性指数。）,第三节 岩石的变形性质 工程师对工程材料提出两个问题： 1 最大承载力许用应力 ？ 2

8、 最大允许变形许用应变 ？ 在岩石工程中要使： 实际参数允许指标 岩石的力学性质包括： 变形性质：研究岩石在受力情况下的变形规律（本节）。 强度特性：研究岩石受力破坏的规律（下节）。,一、岩石的弹性和塑性： 变形分析的重要性（直观、易测、建立模型、准则） 1、 弹性变形： （缩短为正，压应力为正）,线弹性,非线弹性,滞弹性,线弹性直线型；当岩石致密，强度大，压力不高时，为此状态。 非线弹性单向曲线型； 基本没有。 滞弹性双向曲线型，岩石多属滞弹性： 滞弹性应力应变不是唯一的对应关系，应变的产生（变化）较应力 的变化有一段时间的滞后。 原因：物理学认为，当作用在滞弹性体上的力发生改变时，由于受力

9、体内部物质的粘性或内摩擦的原因，引起变形效应滞后和迟延。 滞弹性体具有两个重要性质： 弹性滞后由于内摩擦原因，岩石随应力变化出现的变形滞后。 弹性后效由于热传导等原因，外力停止变化，而变形仍随时间而缓慢变化。,理想塑性,具有应变硬化的塑性,2、塑性变形： 岩石塑性普遍存在； 岩石塑性与岩石的组成、结构、构造及外界环境有关。 （颗粒及胶结物物质成分、排列结合、含水、温度、应力等） 理想塑性超过弹性极限，进入完全塑性状态（极少）； 应变硬化超过弹性极限，承载能力随应变增加而增加。,3、一般岩石的变形： 瞬时弹性变形 后效弹性变形 塑性变形 岩石与其它金属及晶体矿物不同，因其有节理、裂隙存在，在应力

10、不高阶段，内部结构即有破坏，在产生弹性变形的同时，产生塑性变形。,岩石不是理想的弹性体、塑性体、粘性体，是混合体。 有弹塑；塑弹；弹粘塑；粘弹等多种变形特性。 （粘性变形不能在瞬间完成， 变形速率随应力变化。） 典型变形性质：,塑弹塑,S 型,二、岩石单向压缩变形性质： 1、轴向变形： 2、横向变形；,普通试验机下岩石应力、应变曲线,刚性试验机下岩石应力、应变曲线,刚性试验机,3、全应力应变曲线：,四个阶段： OA原有裂隙压密阶段 ACAB弹性变形，BC微破裂稳定发展阶段（原弹性阶段） CD累进性破裂发展阶段，C点为屈服点，约2/3峰值强度。 DE破裂后阶段（应力降低阶段、残余应力阶段）,e,

11、4、岩石的变形指标及其确定：,弹性摸量E：（抵抗变形的能力、应力应变比值） 线弹性： 直线斜率 非线弹性： 切线斜率 （变形曲线导数）； 割线斜率 （割线斜率）； 弹塑性： 弹性摸量：E = 加载曲线段切线斜率=卸载曲线段割线斜率； 变形摸量：,泊松比：（变形传递能力） 泊松比岩石横向应变与纵向应变的比值。 在弹性阶段：其为常数。 在塑性阶段：不为常数。 （严格讲，仅在弹性范围适用，对塑性部分不适用 , 由于引入变形摸量，塑性区可用，最大为0.5。) 剪切摸量G剪切虎克定律比例系数。 拉梅常数将应力应变联系起来的弹性常数。 体积摸量Kv体积弹性摸量。,5、岩石变形中的扩容现象： 扩容现象岩石破

12、坏前，因微裂隙产生及内部小块体相对滑移， 导致体积扩大的现象。 体应变变形后的体积增量与变形前体积之比。 体应变曲线： 三个阶段：体积减小阶段0F 体积不变阶段F 体积扩大阶段FT,纵向,横向,体积,T,三、岩石三轴压缩变形性质： 1、三轴实验： （真三轴、假三轴） 2、三轴抗压强度： 3、三轴变形特征： 与单轴试验结果基本类似（E、基本相同）； 围压增加三向抗压强度增加； 峰值变形增加； 弹性极限增加； 岩石由弹脆性弹塑性应变硬化转变,干砂岩,湿砂岩,四、岩石流变性质： 1、岩石流变性质岩石 随时间增长而变化的性质。 2、流变现象： 蠕 变应力不变，应变随时间增加而增长的现象。 （当 时 ）

13、 松 弛应变不变，应力随时间增加而减小的现象。 （当 时 ） 弹性后效停止加、卸载，应变需经一段时间达到应有值的现象。 粘性流动蠕变后卸载，部分变形不能恢复的现象。,3、蠕变曲线： 岩石蠕变的类型： 稳定蠕变 （低应力） 不稳定蠕变（高应力） 典型蠕变曲线： （蠕变三阶段） 初始蠕变阶段应变增加，但应变增加速率降低； 定常蠕变阶段应变增加速率保持不变； 加速蠕变阶段应变增加速率迅速增加，直至破坏。,稳定蠕变,不稳定蠕变,典型蠕变曲线,瞬时应变,初始应变,定长蠕变,加速蠕变,与岩石类别有关（粘土矿物岩石蠕变显著） 岩石蠕变 与应力大小有关（高应力蠕变明显，超过极限 应力，蠕变进入不稳定阶段） 蠕

14、变试验：时间长； 测量要求精度高（用千分表）； 载荷恒定。 研究蠕变的意义：了解岩石的长时强度。 长时强度岩石蠕变破坏时的最低应力值。 长时强度对岩土工程更为重要。 长时强度 强度 瞬时强度,第四节 岩石的强度性质及测定方法 本节介绍：岩石试件抗压、抗拉、抗剪、三向抗压强度及测定 岩石的极限强度岩石破坏时所能承受的最大应力。 研究岩石强度的意义： 作为岩石分类以及巷道、采煤工作面，顶板分类的主要指标； 判断工程稳定性的强度准则的基本参数； 地下工程变形区域计算的判据。,一、岩石的采样与加工： 实验所测岩石的各种强度均不是岩石的固有性质。强度指标要受试件尺寸大小、三维比例、形状规格、含水、加载速

15、率等因素影响。 国际岩石力学学会（ISRM）对标准试件进行了规定，不标准的要予以修正。 要确保试验岩样的天然状态。 岩样应具有一定的代表性。 钻孔采样时应尽量垂直于层面打孔，偏斜角不大于0.5。 采取的岩(煤)块规格大体为长宽高=202015cm。 上下端面的不平整度不大于0.1mm，上下端面的直径差不大于0.2mm。 试件端面垂直于试件轴的偏差不大于0.001rad。 圆柱形试件：4.85.2cm ，高H=（22.5) 长方体试件：边长L= 4.85.2cm , 高H=（22.5)L,二、岩石的单向抗压强度： 单轴抗压强度岩石在单轴压缩下，破坏前所能承受的最大压应力。 1、试验测试： 试验设

16、备：普通压力机（60t、100t、200t） 试件：5cm，高径比为2的圆柱体（或5*5*5立方体），每组不少于3块； （国际ISRM规定高径比为2.53，我国为122.5） 加载：0.51.0 MPa/s； 2、试件破坏形式： X型共轭斜面剪切破坏软塑性岩石多发生，属压剪破坏； 单斜面剪切破坏偶尔发生，属压剪破坏； 拉伸（劈裂）破坏脆硬型岩石多发生，为泊松效应引起。,单轴压缩试验机,单轴压缩岩石试件破坏形态,3、数据处理： 测岩石强度时，需对同一岩样的多个试块进行测试（数量多少依据精度，经济确定），用统计方法，求得平均抗压强度，作为该种岩石的强度指标。 单一试件： 平均值： 各试件偏差：单一

17、测值与平均值的差值 标准方差： 反映正负偏差的绝对大小 离散系数： 反映平均值的可靠程度（单一强度偏离平均强度的程度），要求小于1520%,三、岩石单向抗拉强度： 抗拉强度在单轴拉伸载荷作用下，破坏时所能承受的最大拉应力。 试验设备： 直接拉伸万能材料试验机（试件的夹固、轴力共线困难，少用） 间接拉伸巴西试验装置（劈裂法） 试件破坏形式：拉断、劈裂 抗拉强度： （巴西法） 式中： 试件破坏时最大压力，N 分别为试件的直径与厚度，m,巴西法,y,x,岩石的抗拉强度最小，约为抗压强度的330%,四、抗剪切强度： 抗剪强度岩石在剪切载荷作用下，破坏时所能承受的最大剪应力。 1、试验装置： 非限制性剪

18、切（单、双面、冲剪、扭剪）（无正应力） 限制性剪切（直剪仪、角摸压剪试验仪） 2、试件破坏形式：沿剪切面剪断,3、抗剪强度： 纯剪强度（抗切）剪切面上无法向应力时； 纯剪强度=内聚力C 压剪强度（抗剪）剪切面受法向压应力作用时； 抗剪强度=内聚力+内摩擦力 重剪强度（摩擦）已有裂面受法向压力，再剪切时； 摩擦强度=内摩擦力 一般情况下，岩石抵抗剪切的能力由两部分组成： 抗剪能力=内聚力+内摩擦力 （C、为岩石固有） 显然： 抗剪强度是一个变化量,4、抗剪强度测试： 倾斜压摸法用两个钢制的变角剪切夹具改变剪切面的方向，强制剪断，得到该面上的正应力、剪应力，描点得到抗剪强度曲线。,依据强制剪切面上

19、的全应力、及剪切面倾角也可得到抗剪强度曲线。,五、三轴抗压强度： 三轴抗压强度三向压缩作用下，破坏时所能承受的最大压应力。 试验设备：真三轴试验机： 伪三轴试验机： 试件破坏形式： 压剪破坏随侧压力增大，可表现为明显的塑性变形。 强度计算： MPa 强度指标： 经测试：三向抗压强度随围压的增加而增大，是一个变量。 一系列实验可得岩石的三向抗压曲线,常规（伪）三轴实验装置,六、影响岩石强度的因素： 1、岩石的组织结构矿物类别、颗粒大小、分布状态、胶结物； 2、岩石构造裂隙延展规模、裂隙性质、壁面强度、充填物； 3、试件尺寸尺寸增大，强度降低； 4、含水含水量大，强度低； 5、加载速率加载速率增加

20、，强度加大（变形不充分）； 6、受载状态三等压三不等双压单压剪切弯曲拉伸,第六节 岩体及其力学性质,一、岩体概念： 岩体赋存于一定地质环境中的自然地质体。（一般1m3） 岩体 = 岩块 + 结构面 结构面（弱面）地质界面，如断层、裂隙、层理、节理、片理。 （坚硬无充填结构面、软弱有充填结构面、夹层） 结构体（岩块）被各类结构面切割成的岩石块体。 （块状、板状）,岩体 = 岩块 + 弱面,岩体的力学处理： 完整性很好连续介质力学方法； 非常破碎土力学方法； 两者之间裂隙体力学方法。 岩体结构基本类型： （按结构面切割状况及结构体类型分为六种） 完整结构 块裂结构 层状结构 碎裂结构 断续结构 散

21、体结构,二、岩体的变形特征,岩体力学性质取决于岩石、结构面的力学性质及结构面的空间组合状况。 1、岩体实验： 主要测定：变形曲线、弹性常数、强度 试 件：现场切割制作，保护原结构不受破坏。 设 备：现场安装，主要为剪切实验。 2、岩体变形特征： 总变形量大 在变形的过程中体积明显增大（扩容） 破坏后仍能承受一定载荷而继续变形 层状岩体可呈现比较明显的各向异性,压密阶段：裂隙被压闭合，纵向变形明显，侧向变形不明显； 弹性阶段：结构体开始承载变形，应力应变正比，呈弹性； 塑性阶段：过屈服点，结构体变形，结构面产生滑移变形，扩容、应变强化； 破坏阶段：强度限后，出现沿结构面滑移和结构体转动，扩容，出

22、现新裂缝。 破坏后，由于岩体尺寸大，仍能够靠块体间摩擦承受一定载荷。,3、岩体变形曲线：,三、岩体的强度特征,岩体强度是岩块、弱面强度的综合反映，介于岩块、弱面强度之间。 包括：抗压、抗剪、抗拉 （受结构面影响很大，现场主要测抗压、抗剪强度） 1、 结构面及其强度： 1）结构面分类： 按成因 ： 原生结构面成岩阶段形成的结构面 ； 构造结构面在构造运动作用下形成的结构面 ； 次生结构面在地表由于外力作用形成的结构面； 按工程要求：细小结构面 延长L1m 中等结构面 1m延长L10m 巨大结构面 延长L10m,2）结构面的接触类型：,3）结构面强度特征： 不能承受拉应力； 可承受垂直面的压应力；

23、 可承受沿面剪应力（与其上正应力有关）； 以剪切破坏为主。,2、岩块的强度： 可承受压、剪或低值拉应力，以剪切破坏为主： 3、岩体强度： 介于结构面、岩快之间。满足无拉力准则（受 拉处即破坏）,4、结构面对岩体强度的影响：,结构面方位对岩体强度的影响,结构面与主应力方向不同，对岩体强度影响不同。 结构面位于剪切面位置时，岩体强度最小。,结构面组数越多，岩体强度越接近结构面强度。 结构面组数越多，岩体越呈现各向同性。 对现场松散破碎岩体，不能使用岩块强度，只能使用弱面强度或弱面摩擦强度研究破坏问题。,四、岩体强度的测定： 试 件现场切割（保持原有结构） 仪器设备现场安装 1、单向压缩强度测定：

24、式中：P试件破坏载荷 kN； A试件横截面积 m2。,2、抗剪强度测定：,对多个试件，通过改变正压力，获得岩体抗剪强度曲线,3、三轴压缩强度试验： 真三轴： 伪三轴：,除非大型重要工程，一般不进行现场实测。 目前，现场多用间接方法测定准岩体强度。,准岩体强度： 实质：考虑裂隙发育程度，以经过修正的岩石强度作为岩体强度（准岩体强度）。 准岩体抗压强度： 准岩体抗拉强度： 式中： 为岩体完整性系数。 岩体、岩块中弹性波纵波传播速度。,第二章 矿山岩体内应力及其重新分布 本章介绍： （应力分布规律） 原岩应力 孔周围应力分布 围岩极限平衡 支承压力及其分布,第一节 岩体中的原岩应力 一、原岩应力概念

25、： 1、原岩应力未受开采影响的岩体内，由于岩体自重和构造运动等原 因引起的应力。（原始应力） 自重应力 构造应力 2、原岩应力组成 地温应力 膨胀（收缩）应力 流体压应力 未开采前，地下空间已形成原岩应力场； 在较大范围内，原岩应力场分布不均； 不均衡应力场随围岩变形及时间推移将趋于平衡,二、自重应力： 铅直应力： 水平应力： 其中： 侧压系数 海 姆： （静水压力理论） 金尼克： （ 弹性侧压理论） 一般 则,三、构造应力： 1、构造应力由构造运动引起（板块、火山、升降） 现代构造应力 地质构造残余应力,构造应力,难以区分,构造应力场构造运动形成： 板块挤压板块移动，挤压边界引起（横向）；

26、地幔热对流地幔上下封闭对流形成； 岩浆侵入岩浆侵入挤压、冷凝收缩（局部）,2、构造应力特点： 1）分布不均，在构造区域附近最大； 2）水平应力为主，浅部尤为明显； 3）具有明显的方向性； 4）坚硬岩层中明显，软岩中不明显； 5） 构造应力目前尚难以计算，只能实测。,3、构造应力（最大主应力）的现场判断： 1）水平巷道，破坏具有明显的方向性，且两帮破坏程度较顶底破坏程度大时； 2）垂直巷道，巷帮发生对称性破坏时，沿破坏连线方向； 3）与褶皱脊线（褶曲轴）、逆断层走向垂直； 4）沿X形节理（断裂）锐角平分线方向； 5）与纵张节理走向一致。,四、原岩应力分布基本规律： 实测铅直应力基本等于上覆岩层重

27、量； 水平应力普遍大于铅直应力； 平均水平应力与铅直应力比值随深度增加而减小； 最大主应力与最小主应力一般相差较大。 （考虑构造应力后，水平应力作用明显）,深度,RT,垂 直 应 力 与 深 度 成 正 比,深度,RT,平 垂 应 力 比 值 随 深 度 增 加 而 减 小,第二节 “孔”周围的应力分布 本节介绍：园孔等压、园孔不等压、椭圆、矩形等孔周围应力分布。 一、应力集中概念： 应力集中受力体内，孔周围局部区域应力高于其 它区域应力的现象。 应力集中特点： 集中应力大小与所受应力有关； 与孔的曲率有关，曲率大，集中程度大； 集中是局部的； 影响范围与孔径有关。,二、弹性力学基本问题与基本

28、方程：,1、平面问题： 平面应力问题某一方向应力为0。 （受力体在几何上为等厚 薄板，如薄板梁、砂轮等） 平面应变问题某一方向应变为0。 （受力体为等截面长柱体， 如挡土墙、水坝、井下巷道） （提出平面问题可简化计算过程）,2、双向等压圆形巷道平面应变问题基本方程：,1）平衡微分方程： （极坐标系） （双向等压时，仅经向应力变化，切向应力无变化） 由经向静力平衡有： 化简得： （ ，忽略高阶无穷小）,（1）,2）几何方程： （应变与位移满足变形协调关系） 经向变形由 则经向应变： 切向变形由 则切向应变： 故有几何方程：,3）物理方程： （应力与应变符合虎克定律） （ 平面应变问题： ） 对于

29、井巷岩石工程，在研究其应力分布及位移变形时，多利用圆孔作为研究基础，利用极坐标方程进行推导，比较简便。,（4）,（5）,（6）,三、双向等压应力状态下，圆孔周围应力分布： 1、基本假设： 围岩均质、各向同性、线弹无粘性； 双向等压； 巷道无限长（平面应变）； 符合深埋条件（ ）。,2、基本方程：,消除无关量 ，求解,3、计算结果：,4、讨论分析：,1）园孔周边应力 2）任一点的应力 3） 分布与方向角 无关，园孔任一方向应力分布相同； 4）围岩内应力大小与弹性常数 无关，与距孔边距离有关； 5）双向等压时，园孔周边全处于压缩应力状态； 6）在园孔内3倍直径以远，应力接近原始应力（影响半径）。

30、7）双向等压园孔应力集中系数最大为 2 。,5、影响半径的确定： 影响半径园心到 、 增减达原始应力的5%处半径。 由 有 或 即： 影响半径。（当 时， ）,四、双向不等压应力场内圆孔周围应力分布： 1、 吉尔西解答: (1898) 2、围岩内沿主应力方向（=00，=900）应力分布：,3、圆孔周边（r=R0）应力分布：,单 压 双向不等压 双向等压,K=3 k=2.7 k=2,应力集中系数,4、园孔应力分布结论： 1）圆孔周围应力集中是局部的，应力集中程度随远离孔而减弱，并趋于原始应力； 2）圆孔周边应力集中系数随围压增大而有所减弱； 3）当1/3时，沿最大主应力方向，孔周边一定范围内存在

31、切向拉应力；当1/3时，围岩周边不产生切向拉应力； 4）当=0时，沿最大主应力方向，孔周边一定范围内存在径向拉应力。,五、椭圆巷道围岩的应力分布： 椭圆轴比：,椭圆孔围岩应力分布一般规律： 1）椭圆曲率大的一端，应力集中程度高； 2）围岩内应力集中随距离增加衰减很快； 3）单向应力状态时，沿主应力方向孔边附近有拉应力区存在。,1）等应力轴比周边各点应力相等时的轴比。 椭圆长轴方向与最大 主应力方向一致，周边应力相等。,椭圆周边切向应力计算公式：,2）无拉力（零应力）轴比周边恰无拉应力时的轴比。 周边各点对应的无拉力轴比各不相同，应首先满足顶点、 两帮中点无拉力轴比。 顶点无拉力轴比： 两帮无拉

32、力轴比： （当 时，优先考虑顶点， 时优先考虑两帮）,六、矩形和其它形状巷道周边弹性应力分布： 一般规律： 周边最大应力为切向应力； 周边应力与 E 等弹性参数无关； 在断面直长边易出现拉应力； 在周边拐角处可产生很高的应力集中。,七、多孔相互影响应力分布： 1、断面相同两孔： 当 时： 不会产生相互影响。 当 时： 要产生相互影响。 为相互影响间距。 （对4米跨度巷道，相互不产生应力叠加，两巷应相距18米，一般取20米即可。）,2、大小不等相邻两孔： 两孔相互影响间距 为： 间距 无影响； 间距 有影响。 大小不等两孔间距小于影响间距时，产生应力叠加，其中小孔应力集中程度高于大孔。,3、同一

33、水平多孔： 间距越小，影响越大； 孔越多，应力集中程度 越高。,八、回采空间周围应力重新分布： 不同方向临空，应力叠加； 在拐角处应力集中程度高； 按临空自由面多少，应力集 中程度有如下关系： 孤岛 半岛 拐角 单面,小结： （设围岩处于弹性状态） 1、孔周围形成应力集中，最大切向应力发生在孔周边； 2、应力集中系数与孔形状有关，曲率大处集中系数大； 3、应力集中系数与应力状态（侧压系数 ）有关； 4、应力集中是局部的； 5、孔的影响范围与孔径有关，孔径大影响范围大；,第三节 围岩的极限平衡与支承压力分布 本节介绍：围岩极限平衡区及其应力分布、支承压力形成及其分布 一、围岩内应力状态及“三区”

34、的形成： 1、孔周围岩体的力学状态： 切向应力分布： （大小） 受力状态： （单向三向） 抗压强度： （低高） 破坏顺序： （外里）,极限平衡区,2、围岩三区的形成： 塑性区：处处满足 强度条件； 弹性区：满足虎克定律； 原始应力区： 岩层破坏由巷道周边向里发展。,原始应力区,弹性区,塑性区,二、园孔极限平衡区应力分布：,1、塑性区应力：,无支护,有支护,无支护应力分布,有支护应力分布,2、塑性区半径（卡斯特纳方程 ）,无支护,有支护,卡斯特纳方程揭示了支护力对巷道围岩强度及应力分布的影响。,三、采场围岩极限平衡： 1、力学分析： 在煤体内取一单元体； 由水平方向静力平衡有： 即： 由极限平衡

35、条件有： 求微分：,将 代入上式得： 求解得： 代入初始条件： （ 煤帮承载能力） 解得： 故有：,2、煤壁前方应力分布：,极限平衡区 D 弹性区 E 原始应力区 F,围岩分区,减压区 A 增压区 B 稳压区 C,应力分区,（二者有交叉）,一般以高于原岩应力5%为集中应力影响范围，以远可以认为是原始应力区（有时划归弹性区）。,3、应力及围岩分区：,四、支承压力及其分布： 1、支承压力概念： 支承压力回采空间周围煤岩体内应力增高区的切向应力。（支承压力是矿山压力的一部分） 2、支承压力的类型： 固定支承压力（固定边界） 移动支承压力（移动边界）,3、回采工作面前后方支承压力分布： （P107）,

36、前方移动支承压力远远大于后方支承压力； 工作面仅承受极少量压力作用。,4、影响支承压力分布的主要因素：,1）回采空间尺寸及形状； 2）回采空间顶板管理方法（支撑状态）； 3）顶板岩层及煤层岩性； 4）采深； 5）周围回采空间分布。,1刀柱法； 2全部垮落法（充填法）； 3大采高全垮法； 4坚硬顶板全垮法。,不同采空区支撑条件下移动支承压力分布,不同开采方法移动支承压力分布不同：,五、支承压力在底板中的传播： 1、集中载荷时应力传播规律： 由土力学得到：,z深度； r距作用线水平距离,2、应力在煤层底板中的分布：,煤柱、煤体下等应力线,分布规律： 煤体边缘附近底板产生高应力集中； 采空区下方一定

37、范围内应力降低； 多煤层同采时应力有相互干扰。,第三章 采场上覆 岩层活动规律 本章介绍： 工作面顶底板划分 老顶破断分析（梁、板） 直接顶稳定性分析 上覆岩层活动规律 上覆岩层平衡结构,第一节 概 述 一、回采工作面顶、底板的划分： 1、顶板： 伪 顶位于煤层之上，薄而软弱的岩层； 直接顶位于煤层或伪顶之上一层或几层性质相近岩层； 老 顶位于直接顶或煤层之上厚而坚硬的岩层（基本顶）； 2、底板： 直接底位于煤层之下的岩层（为古土壤）； 老 底直接底之下的岩层。 （对于反山，顶底板位置发生翻转）,二、回采工作空间类型： （依据采空区处理方法不同划分）,（a）完整空间刀柱法或留煤柱开采； （b）

38、自弯曲空间顶板缓慢下沉法（顶板塑性大）； （c）充填空间充填法； （d）垮落空间全部垮落法。,三、顶板工作结构： 1、梁式结构将顶板视为沿工作面推进方向的梁，按照梁式结构承载变形破坏理论分析顶板破坏现象。 2、板式结构将顶板岩层视为一个板或经断层、裂隙切割后，多块板相互咬合组成的板，按板式结构承载变形及强度理论分析顶板破坏现象。 3、顶板结构端部支撑条件： 固定支座顶板被煤岩层夹持，未断裂，无自由端； 简支梁支座顶板端部断裂或埋深较浅（可转动）；,第二节 老顶岩层力学分析 一、老顶梁式结构分析： 1、冒落区老顶支撑条件： 1）全部充填满回采空间 2）不能充填满回采空间 （老顶悬露，成梁式结构）

39、 （ ）,2、老顶梁式结构力学分析： （按固定支座） 1）支座反力：（对称） ）任意截面剪力：（）,3）任意截面弯矩：,可见：最大弯矩、最大剪力发生在煤壁两端,4）简支支座时老顶的力学分析： 剪力 弯矩 最大弯矩在梁中间 最大剪力在梁的两端 受弯矩作用拉断 受剪力作用剪断,综上：老顶岩梁破坏形式有两个,二、梁式断裂时的极限跨距： 1、按弯矩计算： 任意点A 处正应力： 其中断面矩 最大拉应力在梁的端部,当 时，则岩梁被拉断裂。 此时由 有： 固定梁按弯矩计算的极限跨距： 2、按剪力计算： 最大剪切力发生在梁的两端 最大剪应力为：,当 时，岩梁被剪断。 此时由 有： 固定梁按剪力计算的极限跨距：

40、 3、按简支梁计算： 剪力与固支梁同，跨距相同 弯矩与固定梁不同，最大弯矩在梁中部,故最大拉应力为： 当 时，岩梁被拉断裂。 此时由 有： 简支梁按弯矩计算的极限跨距：,老顶按梁式结构计算其极限跨度为： 固定梁 简支梁 按弯矩计算 按剪力计算,对一般厚度岩层，弯矩极限跨度小于剪力极限跨度； 简支梁弯矩极限跨度小于固定梁弯矩极限跨度。 （顶板岩层在固定端断裂后，随即在中间断裂）,结论：,4、q 的确定： 1）组合梁原理： 整体Q =Qi 整体M =Mi 整体曲率较单一分层为小 各分层曲率一致（否则要离层） 2） q 的计算公式： 由材力知曲率与弯矩关系为：,且 即 故有： ； ； ； 由 M =

41、mi 有：,故有： 式中： 而 即为考虑到 n 层对第一层的影响时形成的载荷， 记为 故得：,q 的计算公式：,公式原理： 当开采空间形成后，第一层岩层并非承受其上直至地表的全部岩层重量，其上必然有一层距离较近的近的坚硬岩层，可将起上部岩层载荷通过本身的强度或抵抗变形能力传递到空间两侧实体支撑点上，而第一层岩层仅承受其上直至第一层坚硬岩层间各岩层因弯矩施加的载荷。,公式应用： （P79例题） 1）先计算第一层载荷 2）计算第二层对第一层的作用；计算至第三层时第一层载荷 3）一直计算到第n+1层时，第一层载荷反而小于第n层时的载荷为止 4）取第n层时的计算载荷为 q ，此值为计算过程中得到的最大

42、值。,三、老顶的板式破断： 1、板式结构边界支撑条件： 薄板：长150-200m 宽30m 厚24m 边界支撑条件： （a）四边固支始采工作面； （b）三固一简一面为已采区（老塘）； （c）二固二简一面为已采区，一面为工作面采空区； （d）一固三简三面临空，回采半岛区域。,2、板式结构体弯矩分布： 1）Marcus简算法原理： 将板分为若干横纵条梁，求每一条梁弯矩并考虑交叉点挠度相等，从而求出板体内弯矩分布。 2）板体内弯矩分布图： 由于 且,由图可见： 固定端边界处弯矩比其它地方为大； 顶板支撑条件由“四固三简”转变时，煤壁处弯矩增大； 上述四种支撑条件下，最大弯矩位于工作面煤壁中段； 当板

43、式结构四面临空时，最大弯矩在板的中间。 3、板式结构破断过程： 长边短边沟 通中间 （OX型破断）,第三节 直接顶的稳定性分析,顶板事故位置与原因分析,一、直接顶岩层破坏离散原因： 1、节理裂隙切割； 2、岩层松软，变形大离层； 3、落煤后顶板支护不及时，支撑力小，促使离层； 4、老顶岩层平衡结构失稳，岩块回转； 5、支撑力不均衡或支架反复支撑； 6、放顶撤柱，动力冲击。,二、直接顶的离层： 1、离层原因 2、不离层条件： 无支护时： 由挠度计算公式： 老顶挠度： 直接顶挠度：,直接顶较软，易发生弯曲变形 未及时支护或支撑力不足,如果不发生离层，应有 即 且 令 有 显然：直接顶厚度 老顶厚度

44、时，易发生离层。,有支护时由 有 且 从而 显然： 及时增大支撑力可使顶板不离层。,不离层最小支撑力,三、直接顶的初次垮落： 初次垮落直接顶第一次垮落（初次放顶） （标志：垮落高度11.5m，长度1/2 面长） 初次垮落距第一次垮落时，直接顶的跨距。 直接顶垮落距受直接顶强度、厚度、节理裂隙影响，是描述直接顶稳定性的综合指标。 直接顶垮落前，顶板完整性一般较好，支架载荷小，稳定性差，初次垮落易发生大面积顶板事故。,第四节 回采工作面上覆岩层移动规律 老顶垮落后，其上覆岩层将依次发生断裂、离层和移动，其破坏移动的程度与开采形成的自由空间大小有关，一般讲，随时间的推移，上覆岩层移动将一直波及到地表

45、。,岩层内部破坏情况推测图,A煤壁支撑影响区(ab)；B离层区(bc)；C重新压实区(cd),冒落带,裂隙带,弯曲下沉带,1、横三区、竖三带的形成：,上覆松软岩层 上覆中硬岩层 上覆坚硬岩层,2：实际测得的不同类型覆岩开采后的破坏情况,1冒落带； 2裂隙带,上覆岩层移动实测曲线,3、工作面附近顶板移动观测曲线：,开采后上覆岩层沿走向方向水平与垂直移动轨迹图,4、上覆岩层随工作面推采位移路径：,观测点在沿煤层倾斜剖面上的移动,5、倾角对顶板位移的影响：,6、顶板移动一般规律： 岩层移动由下而上形成三带，直至地表（冒落、 裂隙、 弯曲下沉）； 在工作面附近，顶板形成三区（煤壁支撑影响区、离层区、重

46、新压实区）； 裂隙带可行成某种平衡结构； 顶板移动在工作面前方30-40m开始（水平为主、垂直为小）； 顶板（移动轨迹）位移基本垂直层面； 移动影响范围，由下向上逐渐扩大，形状由方到圆。,第五节 回采工作面上覆岩层活动规律假说 一、压力拱假说： （1928，德国，哈克） 在上覆岩层中，形成一个 “压力拱”，前方煤壁及后方垮落 矸石分别为拱的两脚，工作面处 于拱的保护之下。 “压力拱”将随工作面的推进而前移。,二、悬臂梁假说： （1916，德国，施托克） 工作面和采空区上覆岩层，可视为一端固定于岩体 内，另一端悬伸的悬臂梁，多岩层可组成组合悬臂梁。 悬臂梁平时承担岩层载荷，当其变形下沉时，一端压

47、在 垮落矸石上，当跨度增大，断裂形成周期来压。,三、预成裂隙假说：( 1954，比利时，拉巴斯） 顶板岩层受支承压力作 用，产生相互平行的裂隙， 成为“假塑性体”，在工作面 推进过程中，产生塑性弯曲， 由相互挤压形成类似梁的平衡 结构。 顶板分为应力降低区、应 力升高区、采动影响区，三区 随工作面而移动。 工作面支架应具有足够的初 撑力和工作阻力，以阻止岩块滑 落或离层。,四、铰接岩块假说： （1954，苏，库兹涅佐夫） 上覆岩层分为垮落带和 规则移动带，规则移动带岩 块间相互铰合而形成一条多 环节的岩块铰链。 规则移动带岩层变形小时，其下部岩层发生离层，工 作面支架只承受直接顶因离层而折断岩

48、层的全部重量 （给定载荷），当规则移动带变形大或断裂时，支架载 荷与岩层变形位移有关（给定变形）。 对铰接岩块间力学作用未做说明。,五、“砌体梁”理论： （1978，钱鸣高，中国） 在上覆岩层中存在由断裂 岩块组成的“砌体梁”，因岩 块相互挤压，形成承载结构。 认为： 上覆岩层可以硬岩为底划 分若干组，软岩为载荷； 硬岩断裂，岩块间相互挤 压成铰接关系； 铰接岩块在某些条件下可 形成平衡体。,第四章 采场矿山压力显现基本规律 本章介绍： 矿压显现指标 老顶初次来压、周期来压 顶板压力估算 影响矿压显现的因素 放顶煤开采矿压显现规律,第一节 矿压显现指标 一、矿压显现： 在矿山压力作用下，煤岩体

49、及支护物所表现出的种种力学现象。 二、矿压显现指标： 1、顶板下沉 S（mm）煤壁到采空区边缘范围内顶、底 板间相对位 移。 顶板绝对下沉不易得到，一般以距煤壁4米处下沉量为工作面顶板下沉量。 可以每米采高每米推进度下沉量S/L/M为比较标准。,工作面顶底板移近曲线 1顶板绝对下沉曲线； 2顶板相对移近量（下沉）曲线； 3底版臌起曲线,2、顶板下沉速度V（mm/h）单位时间顶板下沉量。 3、支柱变形与折损观察喷液、下缩、压裂、折断等。 4、顶板破碎度单位面积中顶板冒落面积所占百分比。 5、局部冒顶小范围顶板垮落。 6、大面积冒顶顶板沿工作面煤壁切落。 7、煤壁片帮煤壁因支承压力作用发生的剪切坍

50、塌破坏。 8、底臌底板塑性变形。 9、支柱插入底板底板松软，对顶板管理很不利。,第二节 老顶初次来压 一、初次来压的形成： 初采初次放顶老顶悬露跨度增大老 顶断裂形成平衡结构失稳初次来压 初次来压老顶平衡结构第一次失稳而施加给工 作面以大型压力的过程。 初次来压步距第一次来压时，工作面距开切眼 的距离（推进距离）。,“砌体梁”对初次来压的解释：,来压时工作面顶板切断情况,二、初次来压时矿压显现特点： 1、来压前，顶板压力无明显增大； 2、煤壁内部支承压力增高，煤壁片帮严重； 3、顶板有板炮声响； 4、顶板下沉速度急剧增加，由1mm/h 到 520mm/h； 5、支柱载荷急剧增加； 6、顶板出现

51、拉绺现象（直接顶沿煤壁切断）。,三、预防措施： 初次来压前无明显征兆，工作面顶板压力不大，致使支架稳定 性差，来压猛，易造成顶板事故。 1、增大支撑力 2、增加稳定性 3、加强矿压观测及地质、开采资料 4、加强日常支护质量管理。 四、来压条件： 1、有老顶存在； 2、直接顶垮落后不能充填满采空区。,来压是老顶断裂（结构失稳）施力于工作面的结果； 来压期间重点措施是： 增加支护强度； 增强支架稳定性； 保护煤壁，减少片帮。,第三节 老顶周期来压 一、周期来压的形成： 有初次来压必有周期来压。 初次来压老顶悬顶跨度增大老顶断裂 平衡结构失稳周期来压。 周期来压老顶平衡结构周期性失稳而施加给工 作面

52、以大型压力的过程。 周期来压步距两次来压期间工作面推进距离。 （周期来压步距 = 1/2 初次来压步距）,“砌体梁”理论对周期来压的解释：,二、周期来压时的矿压显现： 1、顶板下沉量急剧增加； 2、支柱载荷普遍增加； 3、煤壁片帮严重； 4、当支撑力不足时，工作面回出现台阶下沉； 5、如果支护参数选择不合理，回发生冒顶、切顶。 （周期来压显现一般较初次来压时有所缓和） 三、预防措施： 同初次来压，同时加强统计观测。,第四节 顶板压力的估算 顶板压力是工作面支护设计的一个重要参数。 一、估算法： 1、经验估算法 ： 实质以直接顶沿煤壁断裂、老顶平衡结构失稳时最不 利状态作为顶板压力估算的依据（最大可能载荷）。 1）直接顶载荷 ：,2）老顶