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矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/151矿山压力与岩层控制E-mail：tsgst@163.comTel:0532-86057752主讲人：顾士坦2011年4月矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/152一、采场矿压基本理论2采场上覆岩层运动和发展的基本规律1矿山压力与矿山压力显现二、采场矿压观测方法及数据分析3采场支承压力及矿压显现与上覆岩层运动间的关系4回采工作面支架与围岩关系矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/153一、采场矿压基本理论1矿山压力与矿山压力显现开掘巷道和进行回采工作在煤或岩层中形成的空间矿山压力的概念采动采动空间采动后ABBTD1.1矿山压力及其在围岩中的分布矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/154采动空间周围的岩(煤)体围岩ABBTD矿山压力：采动后作用于岩层边界上或存在于岩层之中，促使围岩向已采空间运动的力。（即采动后促使围岩运动的力）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。矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/155矿山压力的来源矿山压力根源？采动前的原岩应力1.岩层重力2.构造运动作用力3.岩体膨胀作用力各点主应力的大小、方向、垂直应力与水平应力之间的比值等决定了采动后围岩应力重新分布的规律矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/156（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：矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/157（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成的应力所决定的。（a）垂直成因构造（b）水平成因构造图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。倾角变化带、煤厚变化带、断层、褶曲矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/158（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。矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/159矿山压力显现煤及岩层采动后，应力重新分布，处于采动边界的部位承受较高压力作用，约束条件、受力状况都发生明显改变。当该部位承受的压力值没有超出其允许的限度时(不超限)，围岩处于稳定状态。当采动边界部位的煤（岩）体所承受的压力值超出其允许极限后（超限），围岩运动将明显表现出来，即产生煤（岩）体扩容后的塑性破坏、煤（岩）帮片塌、顶板下沉与底板鼓起等一系列矿压现象。采动后，在矿山压力作用下通过围岩运动与支架受力等形式所表现出来的矿山压力现象，称为“矿山压力显现”。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。矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/1510矿山压力显现围岩运动支架受力两帮运动顶板运动底板运动载荷增减支架压折支架变形1.2矿山压力显现矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/1511(a)(b)(c)(d)图2.2矿山压力显现的基本形式(a)冒顶、片帮(b)两帮鼓出(c)顶底板移近(d)顶板下沉与支架承载(a)(b)(c)(d)(a)(b)(c)(d)矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/1512矿山压力显现是矿山压力作用下围岩运动的结果。矿山压力显现的相对性巷道围岩运动的相对性支架受力的相对性矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/1513（1）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。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。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。矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/1514σ1σ1σ1σ3σ3σ1σ1（a）（b）（c）图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σ3（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。矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/1515（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：①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。矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/1516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也越大。②支架的力学特征对于巷道来说，支架一般是在“让压”情况下工作。矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/1517εΔh0RTRBR01--增阻支柱2--恒阻支柱采用增阻、可缩性支柱支护时，随着顶板下沉，支柱受力随活柱下缩而逐渐增大。顶板下沉到不同位置，支柱上压力显现是不同的。如果采用恒阻支柱支护，只要支柱受力超过安全阀开启压力，则支柱下缩，并保持压力恒定，即支柱上的压力显现在顶板下沉过程中基本不变。矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/1518矿压与矿压显现的辩证关系矿压的存在是绝对的，而显现是相对的，有条件的。压力显现强烈的部位不一定是压力高峰的位置。ABABCABCD12KγHmax(a)(b)(c)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。矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/1519milihlo2.1上覆岩层运动和破坏的基本形式2采场上覆岩层运动和发展的基本规律（1）弯拉破坏的运动形式矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/1520(2)剪（切）断破坏的运动形式lo悬露岩层剪断的充分必要条件是：当采场推进至岩梁端部开裂位置附近，剩余抗剪断面上的剪应力超过限度，虽然中部还未裂开，只要岩层下部有少量运动空间，岩层即被剪断。岩层悬露后产生很小的弯曲变形，悬露岩层端部开裂→在岩层中部未开裂（或开裂很少）的情况下，突发性整体切断跨落。矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/1521岩层破坏形式的转化岩层破坏的弯拉破坏和剪切破坏两种形式是随地质条件和采动条件的变化而相互转化的。（1）当工作面推至端部开裂位置附近，提高推进速度可能会使原来呈弯拉破坏运动的岩层转变为剪断破坏。这就是在日常来压较均匀的采场，高产后往往出现切顶事故的原因。（2）改变开采程序。坚硬岩层覆盖的厚煤层，下行式开采时，顶分层的坚硬顶板可能整体切断，威胁生产。同时，跨落的大块造成中底分层假顶管理困难。为此可采用上行式开采程序。若先采底分层，一方面坚硬岩层离采场位置较高，又有较大的残余厚度作为垫层，可防止坚硬岩层剪断；另一方面，最后采顶分层时，坚硬岩层受重复采动影响，已形成裂缝，突然剪断的可能性较小。矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/1522（4）在推进方向遇到如图所示的岩层，弯拉破坏的岩层可能向整体切断的运动形式转化。因为断层破坏了岩层的延续性。当工作面推进到断层部位，岩层悬露尚未达到中部裂断所必需的跨度，可能出现整体切断的危险。图3-6工作面前方构造断裂面对岩层运动形式的影响LGL图工作面前方构造断裂面对岩层运动形式的影响（3）强制放顶改变坚硬岩层的厚度，可以排除整体切断跨落的威胁，从而使破坏形式转化为弯拉破坏形式。矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/15232.2上覆岩层纵向运动发展的基本规律A-冒落带B-裂隙带C-缓沉带LkLnLn-1L3L2L1AnAn-1A3m1m2m1mHCBA2A1A采场上覆岩层中除临近煤层的采空区已跨落岩层外，其它岩层保持“假塑性”状态，两端由煤体支承，(或一端由工作面前方煤体支承，一端由采空区矸石支承)在推进方向上保持传递力的联系。因此，可把每一组同时运动（或近似同时运动）的岩层看成一个运动的整体，称为“传递力的岩梁”，简称“传递岩梁”。传递岩梁形成的力学原理矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/1524()(a)（a）直接顶（b）基本顶直接顶：在老塘（采空区）内已跨落，在采场内由支架暂时支撑的悬臂梁，其结构特点是在采场推进方向上不能始终保持水平力的传递。基本顶：是指运动时对采场矿压显现有明显影响的传递岩梁的总合，在初次来压后，是一组在推进方向上能始终传递水平力的不等高裂隙梁。矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/1525直接顶和基本顶的相互转化造成直接顶和基本顶两部分岩梁转化的原因：（1）地质条件的变化，主要是岩层厚度和断层等构造的影响。（2）采动条件的变化，主要是采高和推进速度的变化。（3）改变采空区顶板处理方法。（4）改变开采程序。对同一采场，当地质条件和采动条件等发生变化或改变采空区顶板的处理方法时，直接顶和基本顶之间有可能相互转化。原属直接顶的岩层可能变成基本顶，同样，原属基本顶的岩层也可以转化为直接顶。矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019/8/1526（1）地质条件的变化，主要是岩层厚度和断层等构造的影响。（2）采动条件的变化，主要是采高和推进速度的变化。改变推进速度到一定限度，也可能造成两者间的转化。矿山压力与岩层控制山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系—山东青岛2019