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。

然而围岩中有
矿山压力存在却不一定有明显的显现。

压力显现强烈的部位不一定是压力高峰的位置。

就某一点而言，压力显现的变化幅度与该点压力大小的增减幅度是相关的、对应的，但不一定成正比。

第二节 采场支承压力分布的规律
一、支承压力及其显现
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称为“支承压力”。

[2]显然由此定义的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。

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。

假设煤及岩层水平赋存，并将采场上覆岩层简化为图3-1所示多层的组合岩梁结构，则在支承压力影响范围内，距煤壁x 处煤层单位面积上承受的压力(σy )值可以近似看成是上覆各岩梁在该处作用的总和。

即
∑∑+=n
ix i i i n i i y C L m m 11γγσ （3-1）
式中 σy ——距煤壁x 处煤层上的支承压力；
n ——直接作用于该处的传递岩梁数目（或称为直接覆盖岩梁数），也就是在该处上方未出现离层的岩梁数；
m i ——各传递岩梁厚度；
γi ——各传递岩梁的平均容重；
L i ——各传递岩梁的跨度；
C ix ——各传递岩梁至该处的重量比例（传递比率）。

图3-1 上覆岩层运动状态与支承压力分布
式(3-1)表明，煤壁前方各处的支承压力都可以看成是下列两部分作用的合成。

1）直接覆盖岩梁的单位重量，即∑n i i
m 1γ。

这部分作用力与直接覆盖岩层总厚度成正比。

2）直接覆盖岩梁悬跨度部分传递至该处的作用力。

即∑n
ix i i i
C L m 1γ。

这部分作用力在
分配比率不变的情况下，与各传递岩梁的厚度和跨度成正比。

在支承压力作用下发生的煤层压缩和破坏，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。

支承压力显现可以在回采工作面和临近的巷道中观测到。

在回采工作面可以看到的现象有煤壁的片塌和底板臌起等。

在超前巷道中，除了两帮煤壁的压缩和片塌外，顶底板移近和支架受力等压力显现也都是比较容易观测到的。

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。

因为，只有当煤层承受的压力值达到其扩容破坏的强度极限时才会发生明显压缩和破坏。

而巷道支架受力或变形，不仅取决于煤层破坏后顶底板的相对移动，而且与支架对顶底板运动的抵抗程度有关。

总之，尽管支承压力的存在是支承压力显现的基础，但是不能简单地说有支承压力就一定有支承压力显现。

更不能说支承压力显现最明显的地方，就一定是压力高峰所在的部位。

在生产现场经常会出现支承压力大小和支承压力显现强度不一致，甚至截然相反的情况。

二、采场支承压力分布的基本规律
在工作面中部沿走向作一剖面，如图3-2所示，回采工作面前后方支承压力的分布可分为四个区域，即工作面前方的原岩应力区（A ），应力增高区（B ），工作面后方的应力降低区（C ）和应力稳定区（D ）
图3-2 回采工作面前后方的应力分布
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—垮落岩压实区；
A—原岩应力区；B—应力增高区；C应力降低区；D—应力稳定区
图3-3 已采区及其两侧煤柱的应力分布
Ⅰ—垮落带；Ⅱ—裂隙带；Ⅲ—弯曲下沉带；
A—原岩应力区；B1、B2—应力增高区；C—应力降低区；D—应力稳定区在工作面采空区沿倾斜作一剖面，如图3-3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3-2的A和B1区；另一侧为煤柱和上一个工作面的采空区，因此，其支承压力的分布如图3-3所示，即在采空区存在应力降低区C，煤柱上存在高应力区B2区，以及上一个工作面采空区的压力稳定区D。

采场支承压力在三维空间的分布规律（“凸角”应力与“凹角”应力）以及支承压力在底板中的传播规律见（绪论中的图6）。

影响支承压力参数的因素很多，主要有与开采深度有关的原岩应力、采空区的形状和尺寸、采空区上覆岩层的性质及动态、煤柱的强度及其周围采动状况，以及煤层的开采厚度等。

这些因素的不同使支承压力参数的变化范围很大。

支承压力参数主要由现场实测取得。

三、关于两个应力场的理论[2]
（一）煤层上支承压力分布的构成及内外应力场的概念
研究证明，对应不同的开采深度和煤层强度条件，采场周围煤层上支承压力分布可能有以下三种情况：
1．单一的弹性分布（如图3-4a所示）
这种分布的特点是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。

在从煤壁开始的整个分布范围内，煤层都处于弹性压缩状态。

如果以图3-5所示的无冲击倾向煤层全应力应变曲线表达煤层破坏全过程，则该范围内煤层处于曲线中的弹性变形阶段（即AB线段），所承担的压力与其弹性压缩变形量呈正比。

图3-4 不同阶段支承压力分布规律
此时，由于煤层边缘未遭破坏，覆盖岩层间保持了较高的接触应力，很难沿层面剪切滑移，这就决定了采场上覆各岩梁间的离层不可能深入到煤壁前方。

因此，各岩梁的断裂只能在煤壁处发生，而且在岩梁裂断时，煤壁前方的巷道中除了可能观测到顶板反弹现象之外，将看不到顶底板移近等明显的压力显现。

图3-5 无冲击倾向煤的全应力应变曲线
2．出现塑性破坏区的分布（如图3-4b所示）
该分布由塑性区(X0)及弹性区（S1）两个部分构成。

其中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纵深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。

相反，塑性区煤层已遭破坏，处于图3-5所示的全应力应变曲线中的CDE段（即塑性流变阶段）。

显然，进入该状态的煤层，如果没有水平应力的约束（除非压力完全解除），其变形都将会继续扩展。

因此，足够的水平应力是该部位煤层在一定压力下能保持稳定的条件。

鉴于从煤壁开始向纵深发展的各部位阻止煤层继续变形的水平应力逐渐增加，因此塑性区的压力分布是与水平应力分布趋势相同的从煤壁开始逐渐上升的曲线。

鉴于塑性区范围内煤层承载能力已大幅度下降，而且处于极不稳定的状态，因此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，煤层片帮、
顶底板移近加速等压力显现都会明显地表现出来。

正因为塑性区煤层承载能力大幅度下降，而且处于极不稳定的状态，所以无法阻止上覆岩梁弯曲沉降及岩梁间接触应力消失。

这种状态为各岩梁间的层面剪切破坏和深入煤壁前方裂断创造了条件。

3．出现内应力场的分布（如图3-4c 所示）
这种分布的主要特点是岩梁深入塑性区裂断，原来完整的应力场以岩梁断裂线为界，明显在分为两个部分。

一部分是由运动着的岩梁重量所决定的内应力场，如图3-4c 中S 0所示。

另一部分则是与上覆岩层总体重量相联系的外应力场，包括新扩展的塑性区（X 0ˊ）及弹性区(S 1)两部分，如图3-4所示，此时外应场压力的大小和影响范围与开采深度直接相关，但是内应力场的压力大小则仅取决于同时运动着的岩层跨度和厚度，与开采深度没有直接的联系。

上述支承压力分布的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。

因此，认清影响各类分布形式的原因及其存在的条件，对于矿山压力控制，特别是解决巷道矿压控制方面的问题是十分重要的。

（二）内应力场的范围及存在条件
内应力场的出现是以存在塑性区为前提的，因此其最大的可能范围将由塑性区的宽度X 0所限定。

煤层不出现塑性区，自然也就不会出现内应力场。

满足相应条件的判别式为：
[]γσmax K H c
= （3-2）
或 H K c ⋅⋅=γσm a x m i n )( （3-3） 上述各式中，[H]为在既定煤层条件下不出现内应力场的临界深度。

(σc )min 则为在既定采深条件下，不出现内应力场的煤层最小单轴抗压强度。

其它符号意义同前。

分析式（3-2）及式（3-3）不难得出下列结论：
1．开采深度H 及集中系数K max 越大，则塑性区范围将越大。

在采深和覆盖岩层既定的条件下，煤层上的支承压力值，包括最大应力集中系数K max 及相应的压力高峰K max ·γ·H 也都有一定极限，因此可以肯定，在具体采高条件下，塑性区的最大范围也有确定的数值。

只要掌握了支承压力分布和显现的变化规律，这个范围是可以通过实测找到的。

2．煤层强度越高（即单轴抗压强度σc值越大），在同样深度条件下塑性区的范围将越小。

3．在一定采深和既定煤层条件下，塑性区范围与煤层开采厚度成正比。

分层开采厚煤层时，塑性区的范围取决于分层开采的高度和开采所在的位置。

采高愈大，开采分层的累计厚度愈大，则塑性区范围也愈大。

因此，那种不考虑采高大小和开采分层所在位置，简单地根据采深条件一成不变的划定塑性区及内外应力场范围，决定巷道开掘位置的作法是不妥当的。

由上述判别式可知，内应力场存在的条件为H>[H]或σc <(σc)min。

研究表明，自开切眼开始，随采场推进，煤层上的最大应力集中系数K max变化的情况接近于椭圆孔应力集中随轴比变化的规律。

即从工作面推进开始，K max值随推进步距，亦即轴比的增加而增加，到工作面推进至老顶范围内的岩层第一次运动结束，由岩梁跨度和老顶高度所决定的长短轴比趋于稳定而达到比较稳定的极限。

这个极限值在一般岩层所覆盖的采场，变化于2～3之间。

大多数情况下，K max=2.5。

(三) 内应力场压力的大小及影响因素
内应力场压力来源于运动着的岩梁重量。

图3-6所示岩梁裂断完成后，内应力场中与煤壁距离x处的支承压力可由下式表达出：
σx=G x y x (3-4) 式中G x—该处煤层的刚度；
y x —该处煤层的压缩量。

研究证明，塑性区中限制煤层纵向变形的水平应力σx，由煤壁开始向深部发展越来越大，其分布如图3-6所示。

煤层刚度G x和分布规律，也将是从煤壁开始向煤层纵深发展越来越大。

相反，煤层的压缩量y x在煤壁处最大，向纵深发展越来越小。

图3-6 内应力场支承压力分布力学模型
由上述分析，不难得出影响内应力场压力大小的主要因素为：
1）同时运动的岩层数目及各岩梁的重量。

参与运动的岩梁数目越多，各岩梁的厚度及强度越大，则内应力场的压力越大。

2）内应力场中的最大支承压力值与分布范围（S0）大小成反比，由低部岩梁裂断位置所决定的内应力场范围越小，则压力峰值将越高。

3）改变采场支架的阻力，可以改变内应力场应力的大小和分布。

(四) 外应力场应力分布特点及其稳定条件
外应力场的应力来源于悬露岩层的总体作用力，与悬露岩层的面积和总厚度保持近似线性的比例关系。

当采深达到一定的界限后，推进方向和两侧外应力场应力分布的共同特点是同时存在弹性区和塑性区。

推进方向的外应力场分布范围随采场推进和老顶的周期运动而周期性的收缩和扩展，其中在老顶端部裂断前分布范围扩展到最大值；老顶端部裂断后，由于老顶的一部分压力转入内应力场，外应力场范围收缩到最小。

两侧外应力场分布范围同样在老顶裂断前达到最大，裂断完成后由于老顶压力向内应力场转移而收缩，压力高峰将随上覆岩层的沉降（即岩层压力向内应力场转移）而下降。

外应力场应力稳定需要以下两个条件：
1．采场（工作面）停止推进。

这是上覆岩层运动停止的前提，也是阻止煤层破坏向纵深发展的条件。

2．老顶运动停止。

无论是上覆岩层压力向内应力场转移，还是煤层破坏向纵深发展，从而引起压力高峰前移，都将通过老顶沉降运动表现出来。

3．上述两个条件中前者是必要条件，在工作面推进时，临近采场周围的支承压力是不可能稳定的。

但是，不能说只要工作面停止推进，上覆岩层运动、煤体边缘破坏的发展都会马上停下来。

因为无论煤层破坏的发展或是上覆岩层运动都有一个发展过程，时间因素要起相当大的作用，这个作用对于由松软岩层覆盖的软煤层来说往往是决定性的，因此，只有第二个条件才是充分的，只要老顶运动停下来，就可以肯定岩层压力转移基本稳定，内外应力场的应力分布范围、高峰位置等将趋于稳定。

（五）关于老顶的作用问题
老顶对煤层上支承压力的作用包括以下两个方面：
1．作为传递上覆岩重的介质，起着中间垫层和支托层的作用，即上覆岩层压力只有通过它才能传递到煤层的各个部位。

由于老顶起着中间垫层的作用，因此当其运动状况发生变化，特别是产生断裂、破坏等情况时，必将在煤层上的相应部位引起支承压力明显变化，包括岩梁裂断前后在裂断部位的压力集中，裂断时的反弹及裂断形成后分为内外两个应力场等。

作为支托层，所有上覆岩层的重力都将通过它传递到内应力场中，而在其进入稳定状态（即运动基本上停止）时，通过咬合点又重新将上覆岩层的作用力转移到外应力场的有关部位。

2．作为支承压力来源的一个组成部分。

其中，当老顶处于相对稳定状态时，它是外应力场压力来源的一个组成部分，但其重量在上覆岩层的总体中所占比例较小，特别是在煤层未遭到破坏前其作用不十分明显。

相反，煤层遭到破坏，特别是岩梁在端部裂断进入显著运动状态后，它将作为内应力场压力的主要来源。

在采深较大的采场，周期来压前后经常观察到的煤壁片帮现象，正是老顶载荷作用强化的结果。

从上述两个方面的作用可以明显看出，煤层上支承压力作用的明显变化是通过老顶岩梁运动的改变而实现的。

因此，通过对老顶运动状态的观察研究，推断支承压力分布的发展变化是完全可能的。