矿山压力及岩层控制

1.横三区、竖三区的形成
2.实测不同类型覆岩开采后的破坏情况
1.冒落带 2.裂隙带
3.工作面附近顶板移动观测曲线
4.上覆岩层随工作面推采位移路径
5.倾角与顶板位移的影响
顶板移动一般规律
➢ 岩层移动由下而上形成三带，直直地表。（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、离层去、重新压实区） ➢ 裂隙带可形成某种平衡结构 ➢ 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 ➢ 影响范围由下向上逐渐扩大，形状由方到园
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。 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。
直接顶的离层
1.离层原因
直接顶教软，易发生弯曲变形 未及时支护或支撑力不足
直接顶的初次跨落
初次跨落——直接顶第一次跨落（初次放顶） (标志：跨落高度大于1-1.5，长面大于1/2面长）
初次跨落距——第一次跨落时，直接顶的跨距。 直接顶跨落距受直接顶的强度、厚度、节理裂隙影响，是描述直
接顶稳定性的综合指标。
直接顶跨落前，顶板完整性一般较好，支架载荷小，稳定性差， 初次跨落易发生大面积顶板事故。
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坚硬岩层，可将其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的实体支撑点上，而第一层岩层仅承受其上 直至第一层坚硬岩层间因弯矩施加的载荷。
回采工作面上覆岩层活动规律
老顶跨落后，其上覆岩层依次发生断裂、离层和移动，其破坏移 动的程度与与开采形成的自由空间大小有关。一般讲随时间推移，上 覆岩层移动一直波及地面。
1.冒落区老顶支撑条件： 全部充填满回采空间
不能全部充填满回采空间 （老顶悬露，成梁式结构）
1.固定支座老顶梁式结构力学分析
（最大弯矩、最大剪切力发生在煤壁两端）
2.简支梁支座老顶结构力学分析
受弯矩作用拉断 老顶岩梁破坏形式有两种
受剪力作用剪断
老顶的板式破断：
板式结构边界支撑条件： 薄板：长150-200m 宽30m 厚2-4m
总结
原岩应力分布规律
• 三个规律 顶板活动规律
矿压显现规律 回采工作面支架与围岩的作用原理
• 两个原理
巷道支护与围岩的作用原理
• 一个方法 岩层控制方法
矿山压力及岩层控制
第二讲：原岩应力分布规律
本章介绍
• 原岩应力 • “孔”周围的应力分布 • 围岩极限平衡 • 支撑压力及其分布
原岩应力
原岩体：地壳中没有受到人类工程活动影响的岩体。 原岩应力：存在于地层中未受工程扰动的天然应力。
垂 直 应 力 与 采 深 成 正 比
平 、 垂 应 力 比 值 随 采 增 加 而 减 小
回采空间周围的应力分布
不同方向临空，应力叠加； 拐角处应力集中程度高； 按临空自由面多少，应力集中程度如下关系： 孤岛大于半岛大于拐角大于单面
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矿山压力的分布
分
塑
布 的
弹 性
性
稳
状
定
状
态
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——顶板被岩层夹持，为断裂，无自由端。 简支梁支座——顶板端部断裂或埋深较浅。（可转动）
0.25 - 0.43
构造应力
构造应力：由构造运动引起。 分为：现代构造应力和地质构造残余应力 构造应力的特点：
1.构造应力以水平应力为主。 2.构造应力分布不均匀。 3.构造应力具有方向性。 4.普遍存在于坚硬岩层中。
原岩应力的分布基本规律
• 实测铅直应力基本等于上覆岩层重量 • 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少 • 最大水平主应力与最小水平主应力相差较大
板块边界受压 地幔热对流 地球内应力
原岩应力的形成 地球心引力
地球旋转 岩浆侵入 地壳非均匀扩容
矿山压力的来源
• 自重应力 • 构造应力
自重应力
自重应力：由地心引力引起的应力场。
z H x y z
海姆公式： （1 静水压） 0.5
金尼克公式： 1-（弹性侧压理论） 0.2 - 0.3
矿山压力及岩层控制
第一讲：绪论
矿山压力的基本概念
矿山压力： 采动 采场、巷、硐支护物 力
矿压显现： 力学现象
矿山压力控制： 减轻、调节、利用、改变的方法
矿山压力对煤矿开采的意义
• 生态环境保护 • 保证安全和正常生产 • 减少资源损失 • 改善开采技术 • 提高经济效益
矿压的研究方法
• 现场实测 • 理论分析 • 物理模拟 • 数值模拟 • 工程类比
（1）固定边界处弯矩比其他地方大； （2）顶板支撑条件下，由“四固——三简”转变时煤壁处弯矩增大； （3）板式支撑条件，最大弯矩位于工作面煤壁终端； （4）当板式结构四面临空时，最大弯矩在板中间。
3.板式结构破断过程
长边——短边——沟通——中间 （O-X型破断）
（a）
（b）
（c）
：
2的计算公式
公式原理：
矿山压力及岩层控制
第三讲：采场上覆岩层活动规律
本章介绍
• 工作面的底板划分 • 矿压假说 • 直接顶稳定分析 • 老顶破断分析（梁、板） • 上覆岩层的活动规律 • 上覆岩层平衡结构
回采工作面的顶、底板划分
1.顶板
伪 顶----位于煤层之上薄而软的岩层。（0.3-0.5m） 直接顶----位于煤层或伪顶之上一层或几层围岩性质相近的岩层。 老 顶----位于煤层或直接顶之上厚而坚硬的岩层（基本顶）。
老顶按梁式结构计算其极限跨度为：
按弯矩计算
固定梁
LLT h
2Rt q
简支梁
LLT 2h
Rt 3q
按剪力计算
LLS
4hRS 3q
LLS
4hRS 3q
结论： 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）
老顶梁式结构分析
边界支撑条件： （a）四边固支——首采工作面 （b）三固一简——一面为已采区 （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，回采孤岛区域
板式结构体内弯矩分布 1.将板分为若干横纵条梁，求每条梁弯矩并考虑交叉点
挠度相等，从而求出板内弯矩分布。
2.板体内弯矩分布图
由图可见：
条
态
的
件
的
分
分 布
布
围岩极限平衡与支撑压力的分布
巷道（孔）应力状态两侧围岩单元体的
巷道两侧的支撑压力分布
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：（里--外）
围岩三区的形成
塑性区 弹性区 原始应力区
回采工作面支撑压力分布
前方移动的支撑压力远远大于后方的支撑压力 工作面承受极少量的压力
2.顶板
直接底----位于煤层之下的岩层（古土壤）。
老 底----直接底之下的岩层。
（对于反山，顶底板发生翻转的）
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）自由弯曲空间---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---完全垮落法；
影响支撑压力的分布因素
• 回采空间尺寸及形状 • 回采空间顶板管理方法 • 顶板岩层及煤层岩性 • 采深 • 周围回采空间分布
支撑压力的分区
A减压区 B增压区 C稳压区 D极限平衡区 E弹性区
支撑压力在底板岩层中的分布
分布规律
煤体边缘附近底板产生高应力集中带 采空区下方一定范围内应力降低 多煤层同采时有应力互相干扰
矿山压力及岩层控制
第四讲：矿山压力显现规律