采场支承压力分布规律研究

采场支承压力分布规律研究

摘要：煤层采出后，会出现煤层压缩破坏、相邻不为顶板相对移动及综采支架受力变形支承压力显现情况。正确的分析支承压力的分布和变化规律有利于在实际生产中有针对性的采取支护措施，为煤矿生产安全提供理论帮助。本文在现场观测的基础上对采场支承压力的分布规律进行了研究。

关键字：支承压力，发展规律，矿压显现

1 支承压力与矿压显现

煤层采出后，在围岩压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”。在支承压力作用下发生的煤层压缩与破坏、相应部位的顶底板相对移动以及综采支架受力变形等现象统称为支承压力的显现。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。但在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，造成这一情况的原因主要有以下两个方面：

(1) 煤层不同部位的支承压力往往有很大的差别，这是由于相应部位岩层的破坏情况和边界条件不同所致。

(2) 由于作为荷载的上覆各岩梁所处位置和强度的差别，再加上在采场推进过程中出露情况和边界条件的改变有先有后，其运动状态

及向两支承端传递力的变化一般都是非同步的。

综上所述，可以看出，在既定的开采强度条件下，煤层上支承压力分布和在工作面巷道中的显现以及两者间的关系等是由上覆岩层的状态和煤体本身各处的支承能力所决定的。因此，了解煤层受力分布状态及其破坏状态的发展过程，搞清上覆岩层运动规律，就有可能对支承压力的分布和显现规律作出正确的判断。

2 采场推进过程中支承压力的发展规律

通过对工作面超前支护范围内的单体支柱压力进行监测和分析，结合矿山压力与岩层控制的理论研究成果，可以发现，从采场推进开始至老顶各岩梁一次来压结束期间的支承压力分布及其显现的变化可以划分为以下三个阶段：

(1) 第一阶段：从采场推进开始至煤壁支承能力改变之前，即煤壁附近煤体进入塑性状态。在此阶段，随着采场的推进，通过处于相对稳定状态的老顶岩梁传递至煤层上的压力将逐渐增加，但是，由于各点的压力没有达到煤体的破坏极限，因此，包括煤壁在内的整个煤层都处于弹性压缩状态，支承压力的分布曲线是一条高峰在煤壁处的单调下降曲线。

(2) 第二阶段：从煤壁支承能力开始改变起，到老顶岩梁端部断裂止。

进入此阶段，靠近煤壁附近的应力值达到了煤层的强度极限，随着煤体的破坏，其支承能力开始降低，这一趋势随着采场的推进和岩梁悬跨度的增加将会逐渐向煤壁前方扩展。与此同时，岩层沉降幅度逐渐增大，由岩梁跨度中部开始的离层现象也将向两端扩展。一旦老顶岩梁的作用力超过下部煤层的支承能力，离层就要深入煤壁前方并继续向前伸展。在此阶段，压力显现分布规律与压力的分布规律不尽相同，压力显现总体上仍是一条高峰在煤壁附近的单调下降曲线，但与压力分布相对照可以知道，在弹性区，压力显现与压力分布相一致，而在塑性区，两者分布的变化趋势则完全相反。

(3) 第三阶段：从老顶岩梁端部断裂起至岩梁中部触矸止。

在此阶段中，支承压力分布及显现随老顶岩梁“显现运动”的发展而明显变化，其主要特征是：

①岩梁端部断裂前夕，在断裂线附近伴有压力的集中。

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由已断裂岩梁自重所决定的“内应力场”，以及在断裂线外由上覆岩层整体重量所决定的“外力应场”，两应力场中的应力分布没有密切的联系。

③两应力场形成后，随着工作面的推进，各自的应力高峰以断裂线为界向相反的方向发展，即呈“背向”转移变化。内应力场中的支承压力随工作面的推进，岩梁再次断裂，压力高峰逐渐增加，峰值位

置逐渐移向煤壁，形成压力的“收缩”，直至岩梁中部触矸，压力峰值降到最低值为止。与此相反，外应力场中的支承压力高峰区随采场推进和岩梁断裂线附近煤体破坏的发展，压力高峰逐渐降低，峰值作用位置逐渐移向前方形成压力的“扩展”，一直到煤体的支承能力与压力高峰作用相抗衡为止。

3支承压力分布和显现的周期性变化规律

采场进入正常推进阶段后，支承压力分布和显现的主要特点是，伴随着上覆岩层的周期性运动而呈周期性变化。在采场推进过程中，伴随着岩梁的每一次周期性运动，支承压力分布和显现的发展，包含了以下两个过程：

（1）相对稳定的发展过程

该过程从上一次岩梁运动结束，到工作面推进至该岩梁端部再次断裂的前夕。此时，随工作面推进内应力场范围不断缩小。由于岩梁的周期性运动已经结束，其作用力主要由铰接点处的摩擦阻力和矸石的反力相平衡，所以，内应力场中煤层上所承受的压力很小。在该发展过程中，对于随工作面推进而前移的外应力场，其支承压力分布范围将因内应力场范围的缩小、水平约束阻力的降低而逐渐扩大，即塑性区范围向前伸展，直到该岩梁再次断裂前夕达最大值为止。

在此过程中，支承压力大小和分布的变化都是渐进的、均衡的，在巷道和工作面附近，支承压力显现的变化也是平缓和比较均匀的。

（2）显著变化的发展过程

这个过程从岩梁断裂前夕开始，直至老顶岩梁运动结束。在此过程中，随着岩梁运动状态的明显变化，支承压力分布和显现将急剧变化。支承压力分布的变化主要包括：岩梁断裂时，在断裂部位应力集中；断裂结束后，断裂线附近的应力下降，并迅速向两侧转移，支承压力分布明显的分为内、外两个应力场。随着工作面的推进和岩梁回转运动的加速，内应力场中的压力高峰向煤壁方向转移，外应力场中的应力向纵深发展，直到岩梁触矸、压力降低到最小值为止。

与支承压力分布的急剧变化相适应，支承压力显现也将发生急剧的变化，其变化的发展趋势与支承压力分布的变化趋势相对应。主要显现包括在岩梁断裂部位压力强化时刻的顶底板移近加速、岩梁断裂出现后在断裂线部位顶底板移近的停滞和回弹（即位移增量出现负值）以及随后的内应力场中顶底板移近加速部位向煤壁前方转移、外应力场中顶底板移近加速部位重新向前方扩展等。这些明显的变化是生产现场预测周期来压、推断支承压力特别是压力高峰转移位置的重要依据。