6第四章采场上覆岩层运动和发展的基本规律(吴缺图)730

矿山压力与岩层控制91弄清采场矿山压力显现和上覆岩层运动之间的关系是进行矿山压力控制的关键之一。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。采场围岩支承压力及矿压显现与上覆岩层运动间的关系§4.1采场围岩支承压力分布形态4.1.1支承压力基本概念4.1.2采场支承压力分布的基本规律4.1.3关于两个应力场的理论§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§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4.4.1围岩变形、破坏与跨落4.4.2采场支架上的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4.5.1支承压力分布与显现的动态变化规律4.5.2监测方法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。这些问题的解决均以采场围岩支承压力、矿山压力显现与上覆岩层运动之间关系理论为基础。§4.1采场围岩支承压力分布形态第四章第四章采场围岩支承压力、矿压显现与上覆岩层运动间的关系924.1.1支承压力基本概念煤层采出后，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”。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。ss3s2s1L3=L4=...=LnL2L1m4m3m1m2s1(a)ss3s2s1L3=L4=...=LnL2L1m4m3m1m2s1(b)图4.1上覆岩层运动状态与支承压力分布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4.1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：niixiiiniiiyCLmm11（4.1）式中σy—距煤壁x处煤层上的支承压力，Pa；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；mi—各传递岩梁厚度，m；γi—各传递岩梁的平均容重，N/m3；Li—各传递岩梁的跨度，m；Cix—各传递岩梁至该处的重量比例（传递比率）。矿山压力与岩层控制93式(4.1)表明，煤壁前方各处的支承压力都可以看成是下列两部分组成：（1）直接覆盖岩梁的单位重量，即niiim1。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niixiiiCLm1。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邻近的巷道中观测到。在回采工作面可以看到的现象有煤壁的片帮和底板臌起等。在超前巷道中，除了两帮煤壁的压缩和片帮外，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程度不一致，甚至截然相反的情况。4.1.2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4.2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）。在工作面采空区沿倾斜作一剖面，如图4.3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4.2的A和B区，亦即图4.3所示的A和B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4.3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，以及上一个工作面采空区的压力稳定区D。第四章采场围岩支承压力、矿压显现与上覆岩层运动间的关系94ⅡγHγHKγHⅤⅣIIIⅠDCBA图4.2采煤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AB1CB2CDHγHγHK1γHK2γH图4.3已采区及其两侧煤柱的应力分布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，支承压力分布参数主要由现场实测得到。4.1.3关于两个应力场的理论（1）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矿山压力与岩层控制95种情况：①单一的弹性分布如图4.4（a）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4.5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。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。（a）（d）（c）图4.4不同阶段支承压力分布规律ABCDEσε图4.5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4.4（b）所示，该分布由塑性区(X0)及弹性区（S1）两个部分构成。其中煤壁边缘里侧的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，煤壁边缘附近的塑性区煤层已遭破坏，处于图4.5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，即从煤壁开始逐渐上升的曲线。第四章采场围岩支承压力、矿压显现与上覆岩层运动间的关系96由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，煤壁片帮、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4.4（c）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，明显地分为两个部分：一部分是由运动着的岩梁重量所决定的内应力场，如图4.4（c）中S0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（0X）及弹性区(S1)两部分。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。（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，因此其最大的可能范围将由塑性区的宽度X0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：maxKHc（4.2）或HKcmaxmin][（4.3）式中[H]—在既定煤层条件下不出现内应力场的临界深度，m；[σc]min—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，Mpa；Kmax—最大应力集中系数；其它符号意义同前。分析式（4.2）及式（4.3）不难得出下列结论：①开采深度H及集中系数Kmax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Kmax及相应的高峰压力Kmax·γ·H也都有一定极限，因矿山压力与岩层控制97此，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，来选择巷道开掘位置的做法是不妥当的。由上述判别式可知，内应力场存在的条件为：][HH或min][cc（4.4）研究表明，两侧实体煤条件长壁工作开采时，自开切眼开始，随采场推进，煤壁前方煤层上的最大应力集中系数Kmax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，Kmax值随推进步距亦即轴比的增加而增加，到工作面推进至基本顶范围内的岩层初次运动结束，由岩梁跨度和基本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，Kmax=2.5。（3）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4.6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：xxxyG(4.5)式中Gx—该处煤层的刚度；yx—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4.6所示。煤层刚度Gx的分布规律，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yx在煤壁处最大，向纵深发展越来越小。第四章采场围岩支承压力、矿压显现与上覆岩层运动间的关系98G0y0Gxyxy0h-y0XS0σxσyσ0S0图4.6内应力场支承压力分布力学模型（已手画横坐标没有说明）是否加Ga）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