第四章 采场围岩支承压力及矿压显现与上覆岩层运动间的关系 .ppt

采场围岩支承压力及矿压显现与上覆岩层运动间的关系,山东科技大学资源工程系2008年4月,第四章,4.1采场围岩支承压压力分布形态4.2采场支承压力分布与上覆岩层运动间的关系4.3采场支承压力分布与矿山压力显现间的关系4.4采场矿山压力显现与上覆岩层运动间的关系4.5采场支承压力分布监测方法,第四章第1页,本章目录,本章特点学习难点,有较多的基本概念支承压力、内外应力场概念,采场支承压力分布与上覆岩层运动间的关系采场矿山压力显现和上覆岩层运动之间的关系,第四章第2页,,,,,,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。高于和低于原岩应力的整个区域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4.1所示,4.1采场围岩支承压压力分布形态,4.1.1支承压力及基本概念,第四章第3页,特点,概念,图4.1上覆岩层运动状态与支承压力分布,第四章第4页,,a,,图4.1上覆岩层运动状态与支承压力分布,b,第四章第5页,1）支承压力大小表达式,直接覆盖岩梁的单位重量直接覆盖岩梁悬跨度部分传递至该处的作用力,,,第四章第6页,来源,2）支承压力与支承压力显现的关系,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。,支承压力与其显现有时不一致甚至相反的情况,第四章第7页,思考,4.1.2采场支承压力分布的基本规律,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）。,在工作面中部沿走向作一剖面，（如图4.2所示）。其分布的基本规律,第四章第8页,在工作面采空区沿倾斜作一剖面，（如图4.3所示）其分布的基本规律,即在采空区存在应力降低区C，煤柱上存在高应力区B2，以及上一个工作面采空区的压力稳定区D。,影响因素,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。,,图4.2采煤工作面前后方的应力分布,第四章第9页,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；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4.3已采区及其两侧煤柱的应力分布,第四章第10页,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,4.1.3关于两个应力场的理论,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,第四章第11页,单弹一的性分布,出现塑性破坏区的分布,出现内应力场的分布,图4.4不同阶段支承压力分布规律,2）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，煤层不出现塑性区，自然也就不会出现内应力场。,或,开采深度H及集中系数Kmax越大，则塑性区范围将越大；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；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。,第四章第12页,存在条件,满足相应条件的判别式为,结论,（3）内应力场压力的大小及影响因素,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，由下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。,第四章第13页,,支承压力可由下式表达,影响因素,4）外应力场应力分布特点及其稳定条件,外应力场应力稳定需要以下两个条件,采场（工作面）停止推进；基本顶运动停止。,第四章第14页,分布特点,,采深达到一定的界限后,同时存在弹性区和塑性区,基本顶端部裂断前基本顶端部裂断前,,,范围扩展到最大值,范围收缩到最小,5）关于基本顶的作用问题,作为传递上覆岩重的介质，基本顶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；基本顶本身就是支承压力来源的一个组成部分。,4.2采场支承压力分布与上覆岩层运动间的关系,4.2.1采场推进过程中前方支承压力分布与上覆岩层运动间的关系,支承压力分布与显现变化划分为三个阶段,,,第四章第16页,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。煤体没有破坏，弹性压缩；,显现分布,第一阶段煤体特点压力特点,一条高峰在煤壁上的单调下降曲线如图4.5a；,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。,第四章第17页,图4.5初次来压阶段支承压力分布,图4.5初次来压阶段支承压力分布,第四章第18页,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。,第四章第19页,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，随老顶岩梁的离层发展，其作为载荷与传递上部岩重的作用将逐步下降，而作为形成支承压力的“载荷作用”将越来越占据主导地位。,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。,矿山压力显现特点,采场进入正常推进阶段后，支承压力分布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（如图4.6所示）。,第四章第20页,第三阶段,从老顶岩梁端部断裂到岩梁中部触矸为止。,特点,支承压力分布与显现变化剧烈，压力分布与显现总体一致。,压力特点,1断裂线附近应力集中;2以断裂线为界分为两个应力场;3两个应力场中压力分布背向发展。,两个过程,4.6（a）所示状态,,4.6（c）中实曲线1所示状态,图4.6（c）曲线1所示状态,,基本顶岩梁运动结束,图4.6正常推进阶段支承压力分布,（a）,（b）,第四章第21页,第四章第22页,图4.6正常推进阶段支承压力分布,（c）,（d）,岩梁端部断裂前夕,岩梁断裂结束时,4.2.2工作面两侧支承压力分布与上覆岩层运动间的关系,随采场推进，两侧支承压力分布将经历下列发展阶段,工作面推进到图4.7中3的位置，岩层将深入煤壁内部断裂，支承压力显现分为内、外两个应力场。,第四章第23页,第一阶段,上下两侧煤壁边缘处于弹性状态。,关系,两个方向上的压力高峰始终在煤壁上，峰值随推进步距增加而增加。,第二阶段,煤壁边缘破坏，部分进入塑性状态（图中2位置）。,煤壁破坏，压力高峰前移，压力分布形成弹性和塑性两个区域,关系,第三阶段,关系,压力分布随基本顶运动发展变化而变化。,图4.4采场四周支承压力分布发展过程,第四章第24页,4.3采场支承压力分布与矿山压力显现间的关系,从煤壁支承能力开始改变起，到基本顶岩梁开始断裂前为止。,第四章第25页,支承压力分布与矿山压力显现的变化划分为三个阶段,第一阶段,从采场推进开始至煤壁支承改变（即煤壁附近煤体进入塑性状态）之前。,关系,其分布规律与支承压力分布规律相同，为一条高峰在煤壁处的单调下降曲线如图4.8所示。,第二阶段,在弹性区压力显现与压力分布相一致；在塑性区两者分布的变化趋势则完全相反，如图4.9所示。,关系,从基本顶岩梁端部断裂起至岩梁中部触矸止。,第四章第26页,第三阶段,超前巷道中的压力显现的变化与压力分布的变化趋势相一致,关系,图4.8煤体弹性状态下支承压力与显现分布规律,第四章第27页,图4.9煤体塑性破坏后支承压力及其显现分布规律,第四章第28页,4.4采场矿山压力显现与上覆岩层运动间的关系,矿压显现产生的根源在于上覆岩层运动。,4.4.1围岩变形、破坏与跨落,采煤工作面开采以来初次断裂，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。,第四章第29页,产生根源,顶板跨落过程,直接顶的初次垮落,基本顶初次来压,基本顶周期来压,,,基本顶初次来压概念,基本顶周期来压步距概念,相邻两次基本顶周期来压的平均距离，即基本顶周期折断的平均值叫做基本周期来压步距。,,,,第四章第30页,4.4.2采场支架上的压力显现与上覆岩层运动间的关系,关系,采场支架受力（支架载荷）是顶板运动的结果，其值取决于支架对顶板运动控制的方式和抵抗程度,在采场工作过程中，可以用图4.10的支架模型表示，其受力值RT由下式表达,1）增阻支架,,式中,R支架阻力，N；R0支架的始动阻力，N；E支架的刚度，N/m；ε支架的压缩量，m,支架的压缩量可由下式表示,,△hi采场顶板下沉量，m；δT支架钻入顶板的深度，m；δd支架钻入底板的深度，m；δf辅助性支护结构（如戴帽、穿鞋等）的压缩量，m。,式中,顶板下沉量△hi可由下式近似表示,第四章第31页,,图4.10支架模型及其工作状况,第四章第32页,2）“给定变形”状态下支架的压力显现规律支架受力与采场顶板下沉量的变化规律如图4.11所示。,,图4.11“限定变形”条件下增阻支架压力显现规律,第四章第33页,恒阻支架上的压力显现规律,其中,,,,,,。支架在下缩过程中，其阻力是恒定的，即,，在不破顶、钻底的情况下，与采场顶板下沉量无关。,,②恒阻支架,支架上的压力显现将周期性的出现稳定的恒阻段，这一显现规律如图4.12（a）所示。,最小和最大顶板下沉量（,，,）,,,,,,来压结束时岩梁的悬跨度，＜c,,第四章第34页,,图4.12“给定变形”条件下恒阻支架压力显现规律,第四章第35页,分析在给定变形条件和限定变形状态下不同类型顶板条件下支架压力显现特征,第四章第36页,思考,4.5采场支承压力分布监测方法,监测内容为,内应力场形成前后支承压力高峰位置、支承压力影响范围、最大应力集中系数、内应力场范围和稳定时间。,监测方法,（1）钻孔液压枕法（2）钻屑法（3）钻孔钢弦测力计法（4）侧向联络巷位移法,,本章介绍了煤层上支承压力分布的基本形式和参数；根据岩梁超前断裂的力学机制，讨论了煤壁上存在内外应力场的力学条件，内外应力第四章场力源分析及理论的应用；给出一般采场推进过程中支承压力发展三阶段模型以及和上覆运动特征之间的关系，从工作面顶板初次垮落，初次来压和周期来压不同的运动特点和要求，指出了各自条件下以支架工作阻力为代表的矿压显现和岩层运动之间复杂的关系；最后，提出了支承压力2种现场观测方法。,第四章第37页,本章小结,