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
矿山压力与岩层控制分析PPT课件
不能对采场上覆岩层的结构状态作出更全面的描述。
18.01.2021
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资源与环境工程学院-资源工程1系
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Ground Pressure and Strata Control
（2）“预生裂隙梁”假说低应力区 高应力区 假塑性变形区
12
3
Ⅱ
Ⅲ
Ⅰ
σ1
σ3
σ3
σ1
优点：煤层超前破坏以及临近采场的部分岩层出露前可能预先产生 裂隙这一点，已经为实践所证实。
②假说没有正确的揭示采场支架与围岩间的力学关系， 无法解释采场支架上显现的压力往往与支架本身力学特性有 关的现象。
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资源与环境工程学院-资源工程1系
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绪论
Ground Pressure and Strata Control
1.3.2掩护“梁”假说 ①采场是在一系列“梁”的掩护之下。这些梁在冒落前能将
人数所占比重超过30%以上，每年顶板事故影响的产量约占总产量的5%，
达到3000万t至4000万t的巨大数字。
40%
60%
35%
50%
30%
40%
瓦斯 25%
30% 20%
顶板 20%
水
15%
运输
10%
其它 10% 5%
瓦斯 顶板 水 运输 其它
0% 2004
2005
0% 2004
2005
图1.1 中国煤矿安全事故比例
关键层定义：在采场上覆岩层中存在多个岩层时，对 岩体活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层 。
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23
绪论
第4章矿压显现与上覆岩层运动间的关系
4.1 回采工作面矿山压力显现与上覆岩层运动间的关系采动过程中，矿山压力显现的基本形式包括围岩的明显运动产生的位移和支架受力等。
矿压显现产生的根源在于上覆岩层运动。
3.4.1 围岩变形、破坏与垮落围岩变形、破坏与垮落包括两帮、顶板和底板三个部位。
这里只重点介绍顶板垮落。
3.4.1.1直接顶的初次垮落长壁工作面从开切眼开始采煤后，直接顶跨度不断增加，其弯曲下沉也不断增加。
一般在直接顶跨距达6m～20m后，发生初次垮落。
当直接顶垮落高度达到1m以上、垮落长度达工作面长度一半以上时，就叫做直接顶初次垮落。
直接顶初次垮落时自开切眼到支架后排放顶线的距离叫做初次垮落步距，如图3-13所示。
图3-13 直接顶初次垮落直接顶初次垮落又称工作面初次放顶。
直接顶初次垮落步距是衡量顶板完整程度的重要指标。
直接顶的初次垮落现象是一种典型的矿压显现。
3.4.1.2基本顶初次来压如果直接顶垮落后不能填满采空区，基本顶把自身及上位岩层的重量都加到工作面周围的煤柱上，工作面支架感觉不到基本顶的压力。
随着回采工作面的推进，基本顶逐渐弯曲下沉，当达到极限跨距时断裂下沉。
这时工作面顶板下沉加快，煤壁片帮严重，支架受力增大，甚至发生顶板的台阶下沉。
这就是回采工作面开采以来基本顶初次断裂，使工作面支架承受较大的静载荷或冲击载荷，这种矿山压力显现叫做基本顶初次来压，如图3-14所示。
基本顶初次来压时，由开切眼到工作面煤壁的距离叫做基本顶的初次来压步距，一般为20～50m。
（a）（b）图3-14 基本顶初次来压3.4.1.3基本顶周期来压基本顶初次来压后，随着工作面的继续推进，基本顶呈周期性断裂与下沉，工作面周期性出现顶板下沉加快、煤壁严重片帮、支架受力增大以及顶板台阶下沉等。
这种由于基本顶周期性断裂引起的矿山压力显现叫做基本顶周期来压，如图3-15所示。
相邻两次基本顶周期来压的平均距离，即基本顶周期断裂的平均值叫做基本顶周期来压步距。
一般为基本顶初次来压步距的1/2～1/4。
带目录完美版《矿山压力与压力控制》课后习题答案
目录第0章绪论 (1)第1章矿山压力与矿山压力显现 (6)第2章采场上覆岩层运动和发展的基本规律 (7)第3章采场围岩支承压力及矿压显现与上覆岩层运动间的关系 (10)第4章回采工作面顶板控制设计 (14)第5章综采放顶煤采场矿压控制 (16)第6章矿柱支护采矿法的岩体控制 (20)第7章回采巷道矿压理论 (21)第8章冲击地压及其监测 (35)矿山压力与压力控制习题第0章绪论1、顶板事故频繁发生的基本原因是什么?答：顶板事故频繁发生的基本原因是：（1）没有很好地研究和掌握各个具体煤层需要控制的岩层范围及其运动的规律（包括运动发生的时间和条件等），顶板控制设计缺少基础；2）没有深入地研究和掌握各种类型支架的特性，特别是在生产现场所能达到的实际支撑能力。
没有解决好针对具体煤层条件选好和用好支护手段方面的问题；3）没有更好地揭示支架与顶板运动间的关系，达到正确合理的选择控制方案。
2、矿山压力与岩层控制研究的主要任务是什么?答、矿山压力与岩层控制研究的主要任务为：（1）研究随采场推进在其周围煤层及岩层中重新分布的应力（包括应力大小及方向等）及其发展变化的规律。
该应力的存在和变化是煤及岩层变形、破坏和位移的根源，也是采场及周围巷道支架上压力显现的条件。
搞清分布在煤层及各个岩层上的应力状况，揭示它们随采场推进及岩层运动而变化的规律，是采场矿山压力研究的重点。
（2）研究采场支架上显现的压力及其控制方法。
包括压力的来源、压力大小及与上覆岩层运动间的关系、正确的控制设计方法等。
（3）研究在采场周围不同部位开掘和维护的巷道的矿山压力显现及其控制办法。
包括不同时间开掘的巷道压力的来源、巷道支架上显现的压力大小及其影响因素、以及支架与围岩运动间的关系等。
（4）控制采动岩层活动的主要因素分析。
从十分复杂的采动岩层活动中建立采动岩层的结构力学模型，从而展开对采场顶板矿压、采场突水、岩层移动及地表沉陷规律等进行系统描述。
（5）深部开采时采场支承压力分布、岩层结构及运动特点、围岩大变形的控制机制等。
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其矿压显现规律
砌体梁结构为半拱式平衡结构。块体间依靠水平挤压力产
生的摩擦力平衡岩块的自重和上覆岩层传递的载荷。支架
的载荷（支护强度）：
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
第一节 采煤工作面上覆岩层移动规律
四、裂隙带岩层的结构形式（矿压假说） （二）传递岩梁结构
图2-4 传递岩梁 结构模型
山东科大宋振骐院士提出。一组或几组基本顶的断裂岩 块的相互咬合，形成一种能向煤壁前方和采空区矸石上 传递力的结构，称为传递岩梁。支架承担岩梁的作用力 的大小，由其对岩梁运动的控制要求而定。位态方程如 下：
初次来压步距L：由开切眼到基本顶初次垮落时工作面推进的距离。 L与岩性、厚度、载荷有关。
统计数字：10~30m 54%； 30~55m 37.5%； >55m 8.5% 特殊的砂岩、砂砾岩顶板的初次来压步距可达100~160m。
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
四、支承压力及其显现
采煤工作面前后 方支承压力对工作面 矿压显现有着很大影 响。采煤工作面前方 支承压力依次为原岩 应力区、应力增高区、 应力降低区和应力稳 定区。
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
拱的一个支点在工作面前方的煤壁上，另一支点在采 空区已垮落的矸石上。工作面支架主要承受拱内部分岩石的 重量及拱运动时的附加载荷。
英国学者伊万斯提出了支架载荷计第算二章式采煤：工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
一.工作面矿压显现方式
由于采动作用促使围岩向已采动空间运动的力称为
第五章 采场矿山压力显现 与上覆岩层运动间的关系
采场矿山压力显现与上覆岩层运动间的关系
矿山压力研究的任务： 1、回采工作面顶板控制 2、回采工作面周围巷道控制 本章重点学习利用显现判断上覆岩层运动的方法以及支架与围 岩之间的力学关系。
第一节 采场支承压力分布的规律
一、支承压力及其显现 （一) 支承压力的概念 煤（矿）层采出后，在围岩应力重新分布的范围内，作用 在煤（岩）层和矸石上的垂直压力。 支承压力包括高于和低于原始应力的整个区间。 支承压力来源于重量。 在单一自重应力场条件下,若煤（岩）层水平赋存，则其支 承压力的分布见图所示：
结论：在既定开采条件下，煤岩层上的支承压力分布与工作面巷 道中的显现，以及两者之间的关系等都是由上覆岩层的状态和煤 岩体本身各部位支承能力决定。
二、采场推进过程中支承压力发展规律
（一）、初次运动阶段
支承压力分布与显现变化划分为三个阶段： 第一阶段：采场开始推进到煤壁支承能力改变之前。 煤体特点：煤体没有破坏，弹性压缩。 压力分布：一条高峰在煤壁上的单调下降曲线。（负指数）。 显现分布：与压力分布曲线相同。 即煤壁没有进入塑性状态，各岩梁的跨度相等，同一位置的传递系 数相同，则压力公式可简化为：
y mii (1 LCx) KxH
1 bx
第二阶段：从煤壁支承能力改变到老顶岩梁端部断裂前为止。 煤体特点：煤体支承能力降低，老顶岩梁的离层发展，其 作为载荷与传递上部岩重的作用发生变化。 压力特点：塑性区（包括煤体已完全破坏部分）压力逐渐 上升。弹性区内则单调下降，其压力高峰在交界处。 显现特点： 总体仍为单调下降曲线，但是具体讲则是塑性 区内与压力分布相反，弹性区内与压力分布相同。 在极限平衡状态下得到塑性区支承压力表达式：
（二）走向（推进方向）与两侧支承压力分布发展规律的关系 1、两个方向上单一弹性分布存在的时间，即塑性区及出现塑 性区时工作面推进的位置都相同。 2、尽管老顶断裂在两个方向上略有先后，但其发展进程和出 现的时间却是同步的。（任何方向超前支承压力显现都可 以作为顶板来压的依据） 3、与推进方向相比的最大差距 （1）侧向不存在内应力场分布范围收缩的情况，外应力场
1采煤工作面上覆岩层移动及矿压显现规律 论文
采煤工作面上覆岩层移动及矿压显现规律摘要：在大多数情况下，矿压显现会给地下开采工作造成不同程度的危害。
为了使矿压显现不影响正常开采工作，保证安全生产，必须采用各种技术措施加以控制。
包括对采掘空间进行支护，对松软破碎的煤层进行加固，用各种方法使巷道或回采工作空间得到卸压，对采空区进行处理等。
此外，对矿压的控制不仅在于消除和减轻矿压对开采工作造成的危害，还包括有效地利用矿压为开采服务。
研究矿压显现规律及各种控制方法的基本目的，是为了保证生产安全和取得良好的经济效益。
关键词：采煤工作面支撑压力及其显现地质因素技术因素1.绪论煤炭是我国的主要不可再生资源，它是我国工业生产必不可少的一部分。
因此，研究如何采煤及煤与岩石的关系是十分重要的。
这篇文章主要是介绍采煤工作面上覆岩层移动及其矿压显现规律，采煤工作面的围岩构成，采动岩体破坏的基本形式，裂隙带岩层的结构形式，工作面得矿压显现方式，直接顶的运动规律，基本顶的运动规律，支撑压力及其显现，地质因素，技术因素。
采煤工作面与矿压是息息相关的，要想安全的采煤，把产量搞上去，我们必须去研究矿山压力，因为在矿山压力作用下，会引起各种力学现象，如顶板下沉、底板鼓起、巷道变形后断面缩小、岩体破坏散离甚至大量冒落、煤被积压产生片帮或突然抛出、支架严重变形或损坏、充填物受压缩以及大量岩层移动、地表发生塌陷等。
2.1采煤工作面的围岩构成在煤层或岩层中开掘巷道和进行回采工作，称为对煤层或岩层的“采动”。
采动后在煤层或岩层中形成的空间，称为“采动空间”。
直接位于煤层上方和下方的岩层分别称为煤层的顶板和底板。
根据顶底板岩层距煤层的距离和对回采工作的影响，煤层的顶、底板岩层可以分为伪顶、直接顶、基本顶和直接底。
2.1.1伪顶位于煤层之上，极易垮落的薄岩层称为伪顶。
2.1.2直接顶直接顶位于伪顶或煤层之上，具有一定的稳定性，移架或回采后能自行垮落的一层或数层岩层。
2.1.3基本顶位于直接顶之上较难垮落的厚层坚硬岩层称为基本顶。
上覆岩层运动与矿山压力及其显现的关系
第三章上覆岩层运动与矿山压力及其显现的关系采场矿山压力研究的基本任务，一是为回采工作面顶板控制服务，解决顶板控制方案及支护选型计算等方面的问题，二是为回采工作面周围巷道矿山压力控制服务，解决巷道布置和维护方面的问题。
除直接顶外，其它岩层的运动很难在井下直接看到，但是可以通过回采工作面和采场周围巷道中比较容易观测到的顶底板位移和支架承载等压力显现，根据矿压显现，可以推断矿山压力的分布、上覆岩层运动，为采场矿山压力控制设计提供基础。
因此，“上覆岩层运动与矿山压力及其显现的关系”是“反演”和“正演”岩层运动及其运动结果的理论基础。
第一节矿山压力与矿山压力显现[2]正确地建立“矿山压力”及“矿山压力显现”的基本概念，弄清它们之间的联系及区别，是正确进行矿山压力控制研究和实践的基础。
一、矿山压力在煤或岩层中开掘巷道和进行回采工作称为对煤（或岩）层的“采动”。
采动后在煤（或岩）层中形成的空间称为“采动空间”。
采动空间周围岩体（包括顶板、底板及两帮的岩层），统称为“围岩”。
煤及岩层采动前，一般都在覆盖重力、构造运动作用力等作用下，处于三向受力的原始平衡状态。
煤及岩层采动后，由于支承条件的改变，其原始平衡即遭破坏，各岩层边界上的作用力及分布在各点的应力（包括大小及方向）随之改变。
采动后重新分布于围岩各个层面边界上的力及岩层中各点的应力将促使该部分岩体产生变形或遭到破坏，从而向已采空间运动。
采动后作用于岩层边界上或存在于岩层之中的这种促使围岩向已采空间运动的力（采动后促使围岩运动的力），称为矿山压力。
二、矿山压力显现（一）矿山压力显现的概念采动后，在矿山压力的作用下通过围岩运动与支架受力等形式所表现出来的矿山压力现象，称为“矿山压力显现”。
（二）矿山压力与矿山压力显现间的关系[2]研究与实践充分证明，矿山压力的存在是客观的、绝对的，它存在于采动空间的周围岩体中。
但矿山压力显现则是相对的、有条件的，它是矿山压力作用的结果。
矿山压力及其控制 回采工作面上覆岩层活动规律
Mx
qx L x
2
最大弯距发生在梁的中间， M max
qL2 8
。
隔离煤柱
4.2.2 老顶岩层的板式结构分析
随着回采工作面自开切眼开始推进，根据已采空面积的情况， 如华北地区的一般条件，回采工作面长150～200m，推进 30m左右，老顶岩层初次断裂。一般老顶岩层厚2～4m。按 照薄板的假设，其厚度（h）与宽度（a）的比值 h/a=1/7~1/15。因此，可视老顶岩层为薄板，当老顶与上部 岩层离层时更是如此。根据开采条件及边界煤柱大小，又可 将老顶岩层假设为四种情况：
显然，在同样条件下，由简支梁计算所得的极限跨距LlT 要比固定梁计算所得的小。
在一般情况下，由于弯距形成的极限跨距LlT要比剪切应 力形成的极限跨距Lls小，因此常常按弯距来计算极限跨距。
在什么条件下应按简支梁计算或按固定梁计算，需根据煤
层赋存深度及边界煤柱两侧采空的情况来定。
在采用刀柱法或房柱法开采时，为了保证工作空间顶板的
由于对称原因，∴ R1 R2 ， M1 M 2 。
Fy
0 ，∴ R1
R2
qL 2
岩梁内任一截面 D D' 上的剪切力为：
Qx
R1
qx
qL 2
qx
qL 1 2
2x L
则最大剪力发生在梁的两端： qL
Qmax R1 R2 2
固定岩梁任意截面 D D' 的弯距为：
Mx
R1 x
老顶
直接顶 伪顶 煤层 直接底
底板
（2）伪顶（false roof）：直接顶与煤层间厚度小于 0.5m极易垮落的软弱岩层，它随采随冒。
（3）老顶（基本顶，main roof）：直接顶上方（有时直 接位于煤层之上）的厚而坚硬的岩层。一般由砂岩、石灰岩、 砂砾岩等岩层组成。也有人认为冒落带以上的裂隙带岩层统 属老顶。
矿山压力与岩层控制第六章采场岩层移动与控制关键层PPT课件
本科生课程：矿山压力与岩层控制
第二节 岩层控制的关键层理论
一、关键层的概念
• 采场老顶岩层“砌体梁”结构模型是针对
开采过程中的矿山压力控制而提出来的。
• 1996年，在采场老顶岩层“砌体梁”理论
基础上，钱鸣高院士及其课题组提出了岩 层控制的关键层理论。
• 瓦斯抽放-------煤层气开采（抽采） • 矿井水文地质类型：根据矿井水文地质
条件、涌水量、水害情况和防治水难易 程度，……类型。
本科生课程：矿山压力与岩层控制
煤矿绿色开采的特点之二
• 从开采的角度采取措施，从源头消除或 减少采矿对环境的破坏；而不是先破坏 后治理。因而，矸石的井上处理与土地 复垦是属于环境治理问题，而不属于绿 色开采问题。
岩层间将不会出现离层。
本科生课程：矿山压力与岩层控制
第三节 采场上覆岩层移动规律
一、岩层移动的有关概念
采动后岩层各点的移动 地表相邻两点的移动和变形
1.充分采动与非充分采动
当采空区尺寸相当大时，地表最大下沉值
达到该地质条件下应有的最大值，此时称为充
分采动。
本科生课程：矿山压力与岩层控制
2.移动与变形 岩层移动会导致沿竖直方向和水平方向的
从而形成采场覆岩移动的“横三区”与“竖三 带”。
本科生课程：矿山压力与岩层控制
沿走向剖面，测点先向采空区方向移动， 然后又转向工作面推进方向移动，最后基本恢 复到原来位置。
图6－9 开采后上覆岩层沿走向方向 水平与垂直移动轨迹图 本科生课程：矿山压力与岩层控制
沿倾向剖面，测点基本上沿着与层面成垂 直的方向向下移动。
采煤工作面上覆岩层移动及其矿压显现规律32页PPT
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
3 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
矿山压力与岩层控制
采动在煤或岩层中开掘巷道和进行回采工作称为对煤（或岩）层的“采动”。
采动空间采动后，在煤（或岩）层中形成的空间称为“采动空间”。
围岩采动空间周围岩体，包括图2.1中所示的顶板（T），底板（D）及两帮（B）岩层，统称为“围岩”。
1直接顶直接顶是指在老塘（采空区）内已跨落，在采场内由支架暂时支撑的悬臂梁，其结构特点是在采场推进方向上不能始终保持水平力的传递。
2基本顶是指运动时对采场矿压显现有明显影响的传递岩梁的总合。
在初次来压后，是一组在推进方向上能始终传递水平力的不等高裂隙梁。
3传递岩梁把每一组同时运动（或近似同时运动）的岩层看成一个运动的整体初次来压采场各岩层初次运动在采场的压力显现称为初次来压。
周期来压岩层周期性运动在采场的矿压显现称为采场周期来压。
矿山压力采动后作用于岩层边界上或存在于岩层之中，促使围岩向已采空间的运动的力。
（即采动后促使围岩运动的力）矿山压力显现采动后，在矿山压力作用下通过围岩运动与支架受力等形式所表现出来的矿山压力现象，称为“矿山压力显现”。
矿山压力显现的基本形式包括围岩的明显运动与支架受力等两个方面。
初次来压采场各岩层初次运动在采场的压力显现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4压力。
支承压力显现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。
直接顶初次垮落当直接顶跨落高度达到1m以上、跨落长度达工作面长度一半以上时，就叫做直接顶初次垮落。
扩容如果应力接近这一极限，则巷道周边附近岩体的体积随应力增加而增加，产生“扩容”现象。
此后，如果“扩容”情况得不到控制，围岩周边将遭到破坏。
围岩中的应力将再次重新分布，应力范围扩大和应力高峰向深部转移等（二次重新分布），围岩的一部分进入塑性状态应力分布。
钻屑法钻屑法是通过在煤层中钻小直径钻孔（直径42-50mm），根据钻孔时在不同深度排除的煤量及其变化规律以及有关动力现象判断冲击危险的一种方法。
矿山压力与岩层控制之第三章
L1
（a） 图3.10 传递岩梁的形成
（b）
P28
最大挠度和曲率 嵌固梁
max
L4
32 Em
2
max
L2
2 Em 2
简支梁
max
5L4 32 Em 2
max
3L2 2 Em2
通式表达
L4
32Em
2
L2
2Em 2
P29
两岩层在外载（上部岩重）作用下的运动组合分析
图3.12 采场上覆岩层运动
P37
周期性运动阶段 从岩层初次运动结束到工作面采完，顶板岩层按一定周期有规律 的断裂运动，称做周期性运动阶段（如图3.12（c）~（f））。
(c)
? h'
(e)
? h'
b1 L'
b2
c1
? hi
(d)
? hA
a1 LA = C1 L1
(f)
? hA
a2 c2
图3.12上覆岩层运动
C
An An-1 A3 A2 A1
H m 2 m1 m2
B
¦ 1 ¦ 3 ¦ 1
¦ 3
A
m
Lk L1 L2 L3 Ln-1 Ln
图3.9 上覆岩层运动情况 A-冒落带 B-裂隙带 C-缓沉带 P25
思考
相邻的两岩层是同时运动组成一个岩梁，还是分 开运动形成两个岩梁呢
？
回答
用两个岩层沉降中最大曲率和最大挠度判断。
m h
i
lo
li
（a）
（b）
（c）
（d） P4
矿山压力与岩层控制课件
RT RB
2 -- 恒阻支柱
1 -- 增阻支柱
R0
εΔh
0
2021/7/21
➢矿压与矿压显现的辩证关系
矿压的存在是绝对的，而显现是相对的，有条件的。 压力显现强烈的部位不一定是压力高峰的位置。
图中所示，在A处顶板下沉量比B处大，但支承压力高峰却是在B处。
2021/7/21
Kmaγ x H
B
A
(a)
（3）采空区处理方法
采用强制放顶减小岩梁厚度，可减小运动步距（c值、 b 值）。采空区充 填减小岩梁运动空间，可使其运动不明显。
2021/7/21
2.3上覆岩层在推进方向上的运动规律
初次运动阶段
从岩层由开切眼开始悬落,到对工作面有明显影响的一、二 个传递岩梁第一次断裂运动结束为止。
2021/7/21
C
B
1 2
A (b)
D
C
BA
(c)
2 采场上覆岩层运动和发展的基本规律 2.1上覆岩层运动和破坏的基本形式
（1）弯拉破坏的运动形式
mi
h
li
lo
2021/7/21
(2)剪（切）断破坏的运动形式
岩层悬露后产生很小的弯曲变形，
悬露岩层端部开裂→在岩层中部未开
lo
裂（或开裂很少）的情况下，突发性
整体切断跨落。
c—岩梁的周期来压步距，m； a—岩梁的显著运动步距，m； b—岩梁的相对稳定步距，m。
一般情况下，周期来压步距为初次来压步距的0.5-0.25倍。
2021/7/21
各次周期来压步距并非都完全相等，而是呈一大一小的周期性变化。这个 变化将随来压次数的增加，差值愈来愈小。
采动后，在矿山压力作用下通过围岩运动与支架受力等形式所表现 出来的矿山压力现象，称为“矿山压力显现”。
矿山压力与岩层控制[知识概要]
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★☆★☆★说明：1、每道题答案后面的数字表示其在教材中的位置；2、答案以教材为主，部分题参考张志文编写的矿压习题集；3、本答案仅供复习参考；4、其中显而易见的错误文字和符号是由于超星文字识别工具造成，请自行予以修正；5、其中的部分图是便于理解和记忆的辅助资料6、临近考试，请同学们抓紧时间复习记忆。
一、重要概念矿山压力：地下岩体在受到开挖以前，原岩应力处于平衡状态。
开掘巷道或进行回采工作时，破坏了原始的应力平衡状态，引起岩体内部的应力重新分布，直至形成新的平衡状态。
这种由于矿山开采活动的影响，在巷道周围岩体中形成的和作用在巷道支护物上的力定义为矿山压力，在相关学科中也称为二次应力或工程扰动力。
（1）矿山压力显现：在矿山压力作用下，会引起各种力学现象，如岩体的变形、破坏、塌落，支护物的变形、破坏、折损，以及在岩体中产生的动力现象。
这些由于矿山压力作用使巷道周围岩体和支护物产生的种种力学现象，统称为矿山压力显现。
（1）矿山压力控制：所有减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的各种方法叫矿山压力控制。
（1）岩石：岩石是组成地壳的基本物质，有各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律组合而成。
为于自然状态下的岩体有所区别，多数岩石力学文献中，岩石是从岩体中取出的、尺寸不大的块状物质，有时又称为岩块。
原岩应力：存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力，也称为岩体初始应力、绝对应力或地应力。
（40）支承压力：在岩体内开掘巷道后，巷道围岩必然出现应力重新分布，一般将巷道两侧改变后的切向应力增高部分称为支承压力。
(58)回采工作面（采场）：在煤层或矿床的开采过程中，一般把直接进行采煤或采有用矿物的工作空间称为回采工作面或简称采场。
顶板（上覆岩层）：赋存在岩层之上的岩层称为顶板或称为上覆岩层。
底板：位于煤层下方的岩层称为底板。
老顶：通常把位于直接顶之上(有时直接位于煤层之上)对采场矿山压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层称为老顶。
第二章 采煤工作面上位岩层的活动与矿压显现规律Microsoft PowerPoint 演示文稿 - 副本 (2)
一、煤层顶板和底板 赋存在煤层之上的邻近岩层称为顶板，赋存 在煤层之下的邻近岩层称为底板。煤层的顶、底板 岩石的性质、强度及吸水性与采掘工作有直接关系， 它们是确定顶板支护方式、选择采空汉处理方法的 主要依据。 1、顶板的类型 根据顶板的岩性、厚度及回采过程中垮落的 难易程度，将煤层顶板分为伪顶、直接顶、老顶 （图2一1）。 • 伪顶指直接位于煤层之上随采随落的极不稳 定岩层，其厚度在0.5m以下（一般几cm至几十 cm），多为泥岩或炭质泥岩，富含植物化石，在
第二章 采煤工作面上位岩层的 活动与矿压显现规律
第一节 开采后上覆岩层的移动特征
上覆岩层活动对直接顶的状态圾采煤工作面的 矿压显现有决定性的影响，因此研究其活动规律具 有十分重要的意义。目前，对上覆岩层运动规律的 研究主要存在两种不同观点，而且每种观点对煤炭 工业健康发展都起到了不可替代的作用，特别在岩 层控制和顶板管理方面都做出了突出的贡献，并具 有各自适应的岩层地质条件。
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• 说明上覆岩层移动、破坏及其应力状态。 • 地下煤层采出后，采空区顶板岩层在自重及其 上覆岩层作用下，向下弯曲、移动，当其内部应力 超过岩石强度极限时，直接顶板便断裂、破碎而冒 落。其上部基本顶岩层也因此失去支撑而沿层面的 法线方向进行移动、弯曲，进而产生断裂、离层。 随着工作面的不断推进，这一移动、弯曲、破坏的 范围也不断向前扩大，而且当采空区范围很大时， 岩层移动过程将发展到地表。研究表明，煤层上覆 岩层的一般移动过程是：从煤层直接顶岩层开始， 由下而上依次进行冒落、断裂、离层、裂隙、弯曲， 最后移动终止，在开采煤层上方形成三个不同的开 采影响带，即冒落带工、裂隙带Ⅱ和弯曲下沉
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• 落步距作为直接顶分类的重要指标。直接顶初次 垮落以后，随着工作面不断向前推进，新暴露出 的顶板要及时支护，工作面采空侧的支柱要不断 回撤，直接顶将不断垮落，这一过程叫回柱放顶。 • 二、基本顶的初次来压 • 随着工作面自开切眼处的不断推进、回柱放 顶的不断重复，基本顶岩层悬露长度不断增加。 当基本顶悬露达到极限跨距而且断裂时，可能形 成三铰拱式的平衡(图2—4)。以后，随着工作面 继续推进，将导致新岩块A的断裂。此时由于岩 块A的力矩和∑M0≠0，迫使岩块A发生回转。其
采场上覆岩层运动和发展的基本规律概述(PPT 59页)
4 岩层的厚度较之岩性对岩层的离层和运动组合的影响重要的多。
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➢3.2.2 直接顶和基本顶 直接顶——所谓直接顶是指在老塘（采空区）内已跨落，在采 场内由支架暂时支撑的悬臂梁，其结构特点是在采场推进方向 上不能始终保持水平力的传递。如图3.11（a）所示。
(a)
（a）直接顶
2Em2
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两岩层在外载（上部岩重）作用下的运动组合分析
E下m下2> E上m上2
上下两岩层同时运动
L上=L下=L
E下m下2< E上m上2
上下两岩层分开运动 且下部岩层先运动
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两岩层在自重作用下弯曲沉降分析
L下= 1.25L上
由E下m下2=(1.25)4 E上m上2判断
深入煤壁的两端部断裂
弯坏的力学过程，就是其支承条件由双嵌固梁向简支梁发展的过
程。如图3.4（a）（b）
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图3.5 岩梁的支承 条件与弯距 a-嵌固状态; b-简支状态
m h
q L 2 o 1 2
A
1O
L o
B
( a )
q L 2 o
2 4
n
q 2 =m ir 1
i= 1
t
（3.12）
6
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当悬露岩层上部无比其软弱岩层时，该岩层只受本身重力的作用， 其端部裂断时的拉应力可按下式计算
L2
0
A 2m
t
（3.13）
当悬露岩层上部存在较为软弱的岩层时，则形成由不同岩性的
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其矿压显现规律
岩梁两端先裂开，然后中部裂开下沉，两块相互咬合形成铰接岩梁结构。
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
三、基本顶的运动规律
（一）基本顶的运动形式
1.基本顶缓慢下沉 采高小、直接顶厚度大且直接顶节理发育时，直 接顶呈现缓慢下沉的运动形式。 采空区充满程度好，基本顶弯曲断裂后在矸石支 撑下缓慢下沉。此时，基本顶能形成传力结构，将 自身的重量和上覆岩层的部分重量传递到前方煤壁 和后方采空区矸石上，工作面内矿压显现不明显。 2.基本的呈长岩梁折断 直接顶冒落后不能充满采空区，基本顶按一定的 跨度，周期性折断，岩梁长度较大。
直接顶垮落步距——从切眼到直接顶初次垮落的距离。是判断 直接顶稳定性的指标，可作为直接顶分类的依据。
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
二、直接顶的运动规律
（二）直接顶的运动形式
2.直接顶不规则垮落 直接顶冒落高度的确定 采空区充满程度的判断
h m hkp m h(kp 1)
充满条件
四、支承压力及其显现
采煤工作面前后 方支承压力对工作面 矿压显现有着很大影 响。采煤工作面前方 支承压力依次为原岩 应力区、应力增高区、 应力降低区和应力稳 定区。
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
四、支承压力及其显现
（二）支承压力在底板中的传播
分布规律
（1）随深度增加，支承压力逐渐减小，影响范围扩大；影响角φ
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
三、基本顶的运动规律
（二）基本顶的初次来压
1.初次来压的形成
基本顶视为四周固支的板，当工作面由切眼向前推进，直接顶垮落 后步，岩悬块空要面发积生越下来沉L初越垮 h大落2，。qRt 达在到这极过限程跨中度，时采，煤岩工板作发面生有断明裂显破的坏矿，压进显一现。
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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。
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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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。
X0
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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。
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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SX
L
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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。
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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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
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：
4
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。
m4 m3
m2 m1
m4
m3
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m2
ss3
s ss1 21
L1
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。
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
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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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。
n
n
y mi i mi i LiCix
i 1
i 1
（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。
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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。
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。