采场围岩支承压力及矿压显现与上覆岩层运动间的关系讲义

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图4.1 上覆岩层运动状态与支承压力分布
L2 L3=L4=...=Ln
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矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 Ground Pressure and Strata Control
在单一自重应力场条件下，采场周围岩体上的支承压力来源于上覆岩层 的重量。
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矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 Ground Pressure and Strata Control
4.2 采场支承压力分布与上覆岩层运动间的关系
4.2.1 采场推进前方支承压力与上覆岩层运动间的关系
从采场推进开始至基本顶各岩梁初次来压结束期间的支承压力分布可以 划分为三个阶段：
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矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 Ground Pressure and Strata Control
H
γH K1γH
K2γH γH
在工作面 采空区沿倾斜 作一剖面，如 图4.3所示。工 作面一侧为实 体煤，煤体上 支承压力的分 布规律如图4.3 所示的A和B区。 另一侧为煤柱 和上一个工作 面的采空区。
A
B1
C
B2
C
D
图4.3 已采区及其两侧煤柱的应力分布 A－原岩应力区；B1、B2－应力增高区；C－应力降低区；D－应力稳定区
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矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 Ground Pressure and Strata Control
4.1.3 关于两个应力场的理论
矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 Ground Pressure and Strata Control
4.1 采场围岩支承压力分布形态
4.1.1 支承压力基本概念
支承压力：煤层采出后，在围岩应力重新分布的范围内，作用在煤层、岩层 和矸石上的垂直压力。
支承压力分布范围将包括高于和低于原岩应力的整个区域。
第一阶段：从采场推进开始至煤壁支承能力改变（即煤壁附近煤体进 入塑性状态）之前。
σy=KzγH σ=γH
σy0=KmaxγH
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矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 Ground Pressure and Strata Control
随采场推进，通过处于相对稳定状态的基本顶岩梁传递至煤层上的压力将 逐渐增加。各点的应力没有达到煤体的破坏极限，包括煤壁在内整个煤层都处 于弹性压缩状态，支承压力分布是一条高峰在煤壁处的单调下降曲线。
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（4.1）
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矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 Ground Pressure and Strata Control 煤壁前方各处的支承压力都可以看成由两部分组成：
在支承压力作用下发生煤层压缩和破坏，相应部位的顶底板相对移动以 及支架受力变形等现象统称为支承压力的显现。
煤层上支承压力分布及内外应力场
①单一弹性分布
σ
压力高峰在煤层边缘，随与煤壁距离增加 按负指数曲线规律递减。在从煤壁开始的整
C B
个分布范围内，煤层都处于弹性压缩状态。
D
该范围内煤层处于弹性变形阶段，所承担的 A 压力与其弹性压缩变形量呈正比。
E
ε
图4.5 无冲击倾向煤的全应力应变曲线
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支承压力的存在是绝对的。支承压力的显现是支承压力作用的结果，就其 显现的形式和程度而言，则是相对的，有条件的。
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矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 Ground Pressure and Strata Control
4.1.2 采场支承压力分布的基本规律
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矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 Ground Pressure and Strata Control
②出现塑性破坏区的分布
该分布由塑性区(X0)及弹性区（S1） 两个部分构成。
煤壁边缘里侧的弹性区煤层处于弹性 变形状态，其压力分布是一个高峰在弹 塑性交界处并向内发展逐渐下降至原始 应力值的曲线，各部位压力与该处煤层 的压缩成正比。
Ⅰ－工作面前方应力变化区； Ⅱ－工作面控顶区； Ⅲ－垮落岩石松散区； Ⅳ－垮落岩石逐渐压缩区； Ⅴ－垮落岩石压实区；
Ⅴ
A－原岩应力区； B－应力增高区； C－应力降低区； D－应力稳定区
D
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γH KγH
γH
Ⅳ
III
Ⅱ
Ⅰ
C
B
A
图4.2 采煤工作面前后方的应力分布
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煤壁边缘附近的塑性区煤层已遭破坏，处于全应力应变曲线中的CDE 段（即塑性流变阶段）。
塑性区范围内煤层承载能力已大幅下降，且处于极不稳定状态，当上覆岩 梁自承能力一旦消失，相应部位的煤体压缩将加剧。在工作面及相邻的巷道 中，煤壁片帮、顶底板移近加速等压力显现都会明显地表现出来。
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第二阶段：从煤壁支承能力开始改变起，到基本顶岩梁端部断裂前为止。
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矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 Ground Pressure and Strata Control
第三阶段：从基本顶岩梁端部断裂起至岩梁中部触矸止。
支承压力分布随基 本顶岩梁“显著运动” 的发展而明显变化。
①岩梁端部断裂前夕，在断裂线附近将伴有压力的集中，图中曲线 1所示。
②岩梁断裂结束时，以断裂线为界将支承压力分布明显地分为两个部分，即 在断裂线与煤壁之间（图中S0范围）由已断裂岩梁自重所决定的“内应力 场”，以及在断裂线外（图中S0远处）由上覆岩层整体重量所决定的“外 应力场”，两应力场中的压力分布没有密切的联系。在岩梁断裂结束时，两 应力场中的压力分布如图中曲线2所示。
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矿压、矿压显现与上覆岩层运动间的关系 Ground Pressure and Strata Control ③出现内应力场的分布
三种类型各有其存在的条件。不同煤 层在相同的开采条件下，可能有不同的分 布形式。即使煤层条件和开采技术条件相 同，但开采深度不同，工作面推进到不同 部位，其分布构成往往也不一样。