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1、Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 电子教案电子教案 2.1 矿山压力及其在围岩中的分布 2.2 矿山压力显现 2.3 矿山压力与矿山压力显现间的关系 Date1 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 2.1 矿山压力及其在围岩中的分布 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 2.1.1 矿山压力的概念 图2.1 采动空间与围岩 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”
2、。 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”。 Date2 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 （a）开采前 （b）开采后 图2.2 开采前后应力分布 煤及岩层采动前，一般在覆盖层重力、构造运动作用力等地质力的作用 之下，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，其原始平衡状态遭到破坏，边界上的作用力、分布在各点的应力（包括 大小及方向）随之改变。 矿山压力：采动 后作用于岩层
3、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） Date3 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 2.1.2 矿山压力的来源 采动前原岩中各点的应力，就其来源主要有以下三个方面： 覆盖岩层的重力； 构造运动的作用力； 岩体膨胀的作用力，包括岩体因温度升高或遇水膨胀而产生的力等。 （1）重力 在未受构造运动影响的地区，处于某一深度的岩层中，覆盖岩层重量所引 起的垂直压应力可表示为： Date4 Ground Pressure and Strata Co
4、ntrol *资源与环境工程学院-资源工程1系 图2.3 单元体受力状态 Date5 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 单元体受力平衡条件为： 可得出该点在垂直压力的作用下 产生的水平压应力为： Date6 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 垂直应力、水平应力都是压应力，且水平应力由垂直应力引起。 重力原始应力场的特点： 应力场中各点最大、最小主应力的方向基本不变，同一深度水平、同一 岩层中的
5、应力值基本上相同，且与时间无关。 垂直压应力随深度的增加呈正比例的增加。但水平压应力在深度超过某 数值后，随深度增加是非线性的，增加的比例随围岩性质的不同而不同。因 此，矿山压力随采深增加而成比例增加的说法是不确切的。 采动前，岩层中任何点的垂直平面和水平面上不存在剪应力分量。（ 两平面上的应力都是主应力）。 Date7 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 （2）构造应力 深部岩层中各点的 应力将是自重应力场和 构造应力场在该点应力 的叠加，其最大主应力 的大小和方向，多数情 况下是由构造运动形
6、成 的应力所决定的。 （a）垂直成因构造 （b）水平成因构造 图 2.4 构造应力 在受构造运动作用力影响强烈的地区，特别是临近背斜轴、向斜轴等构 造线的部位，构造运动形成的应力场往往是重要的。 Date8 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 （3）膨胀应力 泥质岩石特别是含有蒙脱石等吸水很强的成分情况下，遇水膨胀可以 产生很高的膨胀应力，是巷道矿山压力的一个重要来源。龙口矿区、吉林 省梅河、舒兰等矿务局的一些矿井中，在软岩中开掘和维护巷道遇到较大 的困难，主要是膨胀压力作用的结果。 Date9
7、 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 2.2 矿山压力显现 煤及岩层层采动动后，应应力重新分布，处处于采动边动边 界的部位承受较较高压压 力作用，约约束条件、受力状况都发发生明显显改变变。当该该部位承受的压压力值值 没有超出其允许许的限度时时，围围岩处处于稳稳定状态态。当采动边动边 界部位的煤（ 岩）体所承受的压压力值值超出其允许许极限后，围围岩运动动将明显显表现现出来， 即产产生煤（岩）体扩扩容后的塑性破坏、煤（岩）帮片塌、顶顶板下沉与底 板鼓起等一系列矿压现矿压现 象。 采动动后，在矿矿山压
8、压力作用下通过围过围 岩运动动与支架受力等形式所表现现 出来的矿矿山压压力现现象，称为为“矿矿山压压力显现显现 ”。 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。 2.2.1基本概念 Date10 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 （1）围围岩运动动 （d）顶顶板下沉与支架承载载 图图2.14 矿矿山压压力显现显现的基本形式 两帮运动动：巷道两帮的弹弹性变变形、裂隙扩扩展、两帮岩体扩扩容后产产生的塑性 破坏与塑性流动动，两帮岩体向着采动动空间间内的移动动 顶顶板运动动：指巷道
9、及工作面顶顶板的弯曲下沉、裂断破坏及破碎岩石冒落。 底板运动动：指巷道及工作面底板岩层层的鼓起、隆起及裂断破坏等。 （a）冒落、片帮 （b）两帮鼓出 （c）顶底板移近 Date11 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 反映围围岩运动动的动态动态 信息：顶顶底板、两帮的移近量、移近速度，以及顶顶 板压压力（顶顶底板岩层层相对对移动过动过 程中的压压力显现显现 ）等。 （2）支架受力 支架承受载载荷的增减、支架变变形（活柱 下缩缩）以及支架压压折等现现象。 2.2.2 矿矿山压压力显现显现 的条件
10、矿矿山压压力显现显现 是矿矿山压压力作用下围围岩运动动的具体表现现。由于围围岩的 明显显运动动是在满满足一定力学条件后才会发发生，所以矿矿山压压力显现显现 是有条 件限制的。 顶板下沉与支架承载 Date12 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 （1）两帮岩体破坏条件 采动动后围围岩应应力重新分布，两帮 岩体承受较较高应应力作用。根据莫尔- 库仑库仑 准则则可得两帮岩体不发发生剪切 破坏的条件： 两帮岩体破坏前承受的垂直应应力： 可得两帮岩体稳稳定状态时态时 的关系式： Date13 Groun
11、d Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 （2）顶顶板岩层层破坏条件 Date14 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 受拉破坏 顶顶板岩层层两端嵌固，自重作用下两嵌固端所受弯矩超 出允许许限度而产产生拉破坏： 化简简后得到： Date15 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 2.2.3 矿山压力显现的相对性 （1
12、）巷道围岩运动的相对性 采动过程中，围岩要向着采动空间运动。由于围岩承受的压力大小、自身 强度、受力状况等不同，运动的发展程度也不相同。 如果顶底板是低强度、分层厚度小的粉砂岩、页岩、泥岩时，则在自重 及轴向力等的作用下，顶板很容易弯曲下沉，底板鼓起，造成顶底板移近量 增大。如果顶底板为高强度厚分层的砂岩、砂质页岩等组成时，顶底板移近 量就要小得多。 围岩变形能力不仅取决于所承受的压力大小，还与围岩强度有关。低 强度岩体的变形能力要高于高强度岩体。 大同、通化、北京等局的巷道顶底板是坚硬砂岩，采用无支护就属此例。 Date16 Ground Pressure and Strata Contro
13、l *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 （a） （b） （c） 图2.21 巷道围岩稳定与破坏 巷道掘进后及时架设支架，给两帮岩体提供侧向力3（图c），使其转为 三向应力状态，阻止破坏的继续发展，可以维持围岩的稳定，矿压显现程度 就可得到明显控制。 Date17 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 （2）支架受力的相对性 支架上的压力显现大小主要取决于三方面因素： 支架对围岩运动的抵抗程度 支架对围岩抵抗程度越高，承受的荷载越大，围岩变形越小。相反，如果 支架不能对
14、围岩的运动进行抵抗，而是在运动过程中逐步“退让”，则压力显现 不明显，而围岩变形则相应增大 。 同一种巷道，是采用砌碹支护，还是采用可缩性支架支护，巷道变形及 支架上受力大小截然相反：前者碹体受力大，巷道变形小（因为支架对围岩 运动起到了限制作用），后者则支架受力相对减小、巷道变形相应增加。 Date18 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 对于回采工作面来说，当支架对顶板处于 “非让压”（“ 限定变形”）工作状态时，支架抵抗程度越高（即老顶岩 梁下沉量越小），对增阻支柱来说，顶板下沉量越小，支
15、 架上显现的压力也越小。若对岩梁位态限制程度越低，处 于“让压” （“给定变形”）工作状态，则老顶岩梁运动结束 时的顶板下沉量越大，采用增阻支柱时显现的压力相对减 小。 Date19 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 2.3 矿山压力与矿山压力显现间的关系 矿山压力与矿山压力显现间的辩证关系 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。 围岩中有矿山压力存在却不一定有明显的显现。围岩的明显运 动本身就是有条件的，只有当应力达到围岩强度后才会发生。支架 受力也是如此，不仅取决于围岩的明显运动，还取决于支架对围岩 运动的抵抗程度。 Date20 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 矿压矿压 与矿压显现矿压显现 压力显现强烈的部位不一定是压力高峰的位置。如图中所示，在A处顶 板下沉量比B处大，但支承压力高峰却是在B处。 在岩层运动发展过程中，矿山压力与矿山压力显现之间存在一定的对应 关系，根据
